一种配电网故障行波定位装置和方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111624442 A(43)申请公布日 2020.09.04

(21)申请号 202010524072.1(22)申请日 2020.06.10

(71)申请人 广东电网有限责任公司电力科学研

究院

地址 510080 广东省广州市越秀区东风东

路水均岗8号(72)发明人 　徐鹏　敖进财　姚志鹏　

刘剑锋　周永言　赵兵　王奕　党万深　郑华　(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限

公司 11227

代理人 黄忠(51)Int.Cl.

G01R 31/08(2006.01)G01S 19/33(2010.01)

权利要求书1页 说明书7页 附图4页

G04R 40/06(2013.01)

()发明名称

一种配电网故障行波定位装置和方法(57)摘要

本发明公开了一种配电网故障行波定位装置和方法，用于配电网中的故障定位。本发明包括：行波波头检测单元、与所述行波波头检测单

与所述行波时刻记元连接的行波时刻记录单元、

录单元连接的通信单元和全球卫星定位系统GPS/北斗双模卫星时钟单元、与所述通信单元通信的上位机。本发明利用GPS/北斗双模卫星时钟单元进行授时，根据GPS时钟与北斗时钟精度互补的特点，大大提高了授时精度，确保故障行波采集系统中各采集装置采集行波信号的时间能够进行同步，满足配电网中的故障定位。

CN 111624442 ACN 111624442 A

权　利　要　求　书

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1.一种配电网故障行波定位装置，其特征在于，包括：行波波头检测单元、与所述行波波头检测单元连接的行波时刻记录单元、与所述行波时刻记录单元连接的通信单元和全球卫星定位系统GPS/北斗双模卫星时钟单元、与所述通信单元通信的上位机；

所述行波波头检测单元用于获取故障行波信号，并将所述故障行波信号发送至所述行波时刻记录单元；

所述行波时刻记录单元用于记录所述故障行波信号的到达时刻，基于所述到达时刻生成行波到达时刻报文，并将所述行波到达时刻报文通过所述通信单元传输至所述上位机；

所述上位机用于采用所述行波到达时刻报文计算故障点位置；

所述GPS/北斗双模卫星时钟单元用于为所述行波时刻记录单元提供秒脉冲。2.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，还包括：与所述行波波头检测单元连接的穿芯式行波传感器；

所述穿芯式行波传感器用于在所述配电网中采集所述故障行波信号，并将所述故障行波信号传输至所述行波波头检测单元。

3.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，所述行波时刻记录单元包括定时器和寄存器；

所述定时器用于计算所述故障行波信号的到达时刻；所述寄存器用于存储所述到达时刻。

4.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，所述GPS/北斗双模卫星时钟单元具有秒脉冲PPS引脚；

所述GPS/北斗双模卫星时钟单元通过所述PPS引脚与所述行波时刻记录单元连接。5.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，还包括，与所述行波时刻记录单元连接的恒温晶振单元。

6.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，所述通信单元为通用分组无线业务GPRS通信单元。

7.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，还包括：连接所述穿芯式行波传感器和所述行波波头检测单元的射频同轴电缆。

8.根据权利要求1所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，还包括，用于放置所述穿芯式行波传感器的屏蔽盒。

9.根据权利要求8所述的配电网故障行波定位装置，其特征在于，还包括：连接所述射频同轴电缆和所述行波波头检测单元的刺刀螺母连接器。

10.一种配电网故障行波定位方法，其特征在于，包括：获取故障行波信号；

记录所述故障行波信号的到达时刻，基于所述到达时刻生成行波到达时刻报文；采用所述行波到达时刻报文计算故障点位置。

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CN 111624442 A

说　明　书

一种配电网故障行波定位装置和方法

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技术领域

[0001]本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种配电网故障行波定位装置和方法。背景技术

[0002]随着GPS在电力行业日益广泛的应用，GPS时间、频率产品已深入到电力系统的各个角落，电力系统对GPS时间、频率基准单一依赖的已经形成。GPS系统是由国外机构控制运行的，国外机构随时可以对特定区域的信号进行控制，可对特定区域的信号实施加扰或关闭，使GPS接收系统性能大幅度降低或失灵，这对依靠GPS信号设备的系统的安全性、可靠性留下了非常大的隐患。[0003]现有技术中，一旦GPS系统被加扰或设备的GPS接收系统损坏，同步时钟只能采用高稳晶振进行授时，其授时精度无法得到保障。造成配电网时钟不同步，从而导致配电网中的故障定位不准确的问题。

发明内容

[0004]本发明提供了一种配电网故障行波定位装置和方法，用于解决现有系统或者设备授时精度不能得到保障，配电网时钟不同步，从而导致配电网中的故障定位不准确的问题。[0005]本发明提供的一种配电网故障行波定位装置，包括：行波波头检测单元、与所述行波波头检测单元连接的行波时刻记录单元、与所述行波时刻记录单元连接的通信单元和全球卫星定位系统GPS/北斗双模卫星时钟单元；

[0006]所述行波波头检测单元用于获取故障行波信号，并将所述故障行波信号发送至所述行波时刻记录单元；

[0007]所述行波时刻记录单元用于记录所述故障行波信号的到达时刻，基于所述到达时刻生成行波到达时刻报文，并将所述行波到达时刻报文通过所述通信单元传输至所述上位机；

[0008]所述上位机用于采用所述行波到达时刻报文计算故障点位置；

[0009]所述GPS/北斗双模卫星时钟单元用于为所述行波时刻记录单元提供秒脉冲。[0010]可选地，还包括：与所述行波波头检测单元连接的穿芯式行波传感器；[0011]所述穿芯式行波传感器用于在所述配电网中采集所述故障信息信息，并将所述故障行波信号传输至所述行波波头检测单元。[0012]可选地，所述行波时刻记录单元包括的定时器和寄存器；[0013]所述定时器用于计算行波达到时刻；[0014]所述寄存器用于存储所述行波到达时刻。[0015]可选地，所述GPS/北斗双模卫星时钟单元具有秒脉冲PPS引脚；

[0016]所述GPS/北斗双模卫星时钟单元通过所述PPS引脚与所述行波时刻记录单元连接。

[0017]可选地，还包括，与所述行波时刻记录单元连接的恒温晶振单元。

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可选地，所述通信单元为通用分组无线业务GPRS通信单元。

[0019]可选地，还包括：连接所述穿芯式行波传感器和所述行波波头检测单元的射频同轴电缆。

[0020]可选地，还包括，用于放置所述穿芯式行波传感器的屏蔽盒。[0021]可选地，还包括：连接所述射频同轴电缆和所述行波波头检测单元的刺刀螺母连接器。

[0022]本发明提供的一种配电网故障行波定位方法，包括：[0023]获取故障行波信号；

[0024]记录所述故障行波信号的到达时刻，基于所述到达时刻生成行波到达时刻报文；[0025]采用所述行波到达时刻报文计算故障点位置。[0026]从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明利用GPS/北斗双模卫星时钟单元进行授时，根据GPS时钟与北斗时钟精度互补的特点，大大提高了授时精度，确保故障行波采集系统中各采集装置采集行波信号的时间能够进行同步，满足配电网复杂网络中的故障定位。

附图说明

[0027]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0028]图1为本发明实施例提供的一种配电网故障行波定位装置的通信原理图；[0029]图2为本发明实施例的穿芯式行波传感器在配电网中的接入示意图；[0030]图3为本发明实施例的穿芯式行波传感器的结构示意图；[0031]图4为本发明实施例的穿芯式行波传感器的等值电路图；

[0032]图5为本发明实施例的GPS/北斗双模卫星时钟单元4的授时原理图；[0033]图6为本发明实施例采用GPRS通信单元进行通信的通信流程图；[0034]图7为本发明实施例采用GPRS通信单元进行通信的通信原理示意图；[0035]图8是本发明实施例的一种配电网故障行波定位装置的步骤流程图。

具体实施方式

[0036]本发明实施例提供了一种配电网故障行波定位装置，用于解决依靠GPS信号设备的系统在GPS系统被加扰或设备的GPS接收系统损坏，同步时钟只能采用高稳晶振进行守时，其授时精度无法得到保障，造成配电网时钟不同步，从而引起各种故障的技术问题。[0037]为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038]请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种配电网故障行波定位装置的通信原理

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图。

本发明提供的一种配电网故障行波定位装置，包括：行波波头检测单元1、与行波

波头检测单元1连接的行波时刻记录单元2、与行波时刻记录单元2连接的通信单元3和全球卫星定位系统GPS/北斗双模卫星时钟单元4、与所述通信单元3通信的上位机5；[0040]在本发明实施例中，行波波头检测单元1用于获取故障行波信号，并将故障行波信号发送至行波时刻记录单元2；

[0041]行波是指平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化。[0042]秒脉冲，即每秒发出的脉冲的数量。[0043]在本发明实施例中，行波波头检测单元1在获取了故障行波信号后，通过数据线将故障行波信号从行波波头检测单元1传送到行波时刻记录单元2进行处理，行波时刻记录单元2负责故障行波信号的接收和发送，保证所有行波采集装置时钟同步。在这过程中，GPS/北斗双模卫星时钟单元4为行波时刻记录单元提供精准的秒脉冲。通信单元3用于将行波时刻记录单元2接入预设的通信网络，完成行波时刻记录单元2与通信网络之间的通信。[0044]在本发明实施例中，当配电网中某处发生故障或其他形式的扰动时，产生于故障点或扰动点的高频暂态行波信号向线路两端传播，行波波头检测单元1可以从配电网中提取该高频暂态故障行波信号，以完成故障行波信号的判别。[0045]在一种示例中，行波波头检测单元1可以通过穿芯式行波传感器6来从配电网中提取高频暂态故障行波信号。[0046]如图2所示，穿芯式行波传感器6套接在变压器7铁芯的接地线上。当行波信号在线路中传播时，遇到波阻抗不连续点会发生波的折射，其中变压器7是最大的波阻抗不连续点。变压器7等电气设备在运行中是与配电网输电线路连在一起的，因此经常受到来自线路的高频暂态故障行波信号的冲击。套接在变压器7上的穿芯式行波传感器6能够采集该冲击变压器7的高频暂态行波信号，并经由二次侧传递给行波波头检测单元1。

[0047]穿芯式行波传感器6是在磁位计(罗科夫斯基线圈)上绕若干层线圈而成的，其传输特性与磁位计相似。磁位计输出信号经过一些列变换后，最终转变成一个脉冲信号，然后进入行波波头检测回路。[0048]在一个示例中，在获取到故障行波信号后，可以通过同轴电缆8接入一个行波波头陡度提升及波形鉴别模块9，以根据行波波头的陡度以及波形来定位故障位置点。[0049]需要说明的是，本实施例中的罗科夫斯基线圈绕制成两层，两层线圈之间为反极性连接，使其行径相反，这样就使得大线圈所交链的磁链为0，从而消除了所有外界磁场对测量的影响，用于防止外界干扰产生的影响。[0050]请参阅图3，图3是本发明的穿芯式行波传感器的结构示意图。[0051]如图3所示，穿芯式行波传感器由铁芯601和线圈602组成，放置于屏蔽盒10中，套接在变压器7或其他容性设备或GIS的地线11上，从而可以检测变压器7等设备各电压等级三相的行波信号。

[0052]为了便于本领域技术人员理解本发明的穿芯式行波传感器6的作用机制，下面对穿芯式行波传感器6的等值电路及传递函数进行推导：[0053]请参阅图4，图4是本发明穿芯式行波传感器6的等值电路。

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[0039]

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其中，i1(t)为局部放电脉冲电流，i0(t)为二次侧的输入电流，L0为线圈电感，R0为

互感器内部固有电阻，Rs为外部二次负载，C0为端口电容，M0为线圈的互感系数，Us(t)为电阻Rs上的电压。

[0055]根据电磁感应定律和安培环路定律，可得到如下电路方程：

[0056]

[0057][0058][0059]

可推出系统的传递函数如下：

综上所述，穿芯式行波传感器6的传递函数如下：

[0060]

其中，s为拉普拉斯变换系数。[0062]在本发明实施例中，本发明的配电网故障行波定位装置还可以包括：连接穿芯式行波传感器6和行波波头检测单元1的射频同轴电缆12。[0063]射频同轴电缆12是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。[00]在本发明实施例中，本发明的配电网故障行波定位装置还可以包括：连接所述射频同轴电缆12和所述行波波头检测单元1的刺刀螺母连接器13(Bayonet Nut Connector，BNC)。[0065]刺刀螺母连接器13是一种用于同轴电缆的连接器。[0066]在本发明实施例中，可以通过刺刀螺母连接器13将连接穿芯式行波传感器6的射频同轴电缆12与行波波头检测单元1连接起来。从而使得行波波头检测单元1能够从穿芯式传感器6的二次侧提取故障行波信号。

[0067]行波波头检测单元1采集到故障行波信号后，会将故障行波信号发送至行波时刻记录单元2，行波时刻记录单元2根据从GPS/北斗双模卫星时钟单元4获取的秒脉冲来对故障行波信号进行授时，以确保配电网中各个采集装置的时钟同步。[0068]在本发明实施例中，行波时刻记录单元2用于记录故障行波信号的到达时刻，基于到达时刻生成行波到达时刻报文，并将行波到达时刻报文通过通信单元3传输至上位机5；GPS/北斗双模卫星时钟单元4用于为行波时刻记录单元提供秒脉冲。

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[0061]

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请参阅图5，图5是GPS/北斗双模卫星时钟单元4的授时原理图。

[0070]在实际应用中，GPS/北斗双模卫星授时具有GPS授时和北斗授时两种模式，在时钟单元同步过程中，首选GPS授时模式，当该模式下GPS/北斗双模卫星时钟单元4工作不正常或者信号无效时，切换到北斗授时模式。其中，GPS/北斗双模卫星时钟单元工作不正常包括：搜索不到卫星或者收星数量不够，卫星信号因干扰而产生误码或者信号太弱以至于无法捕获，卫星偏离轨道导致授时误差超出规定范围。[0071]如图5所示，GPS/北斗卫星与GPS/北斗双模卫星时钟单元4通信，向GPS/北斗双模卫星时钟单元4(图中接收机)发送秒脉冲，GPS/北斗双模卫星时钟单元4的1PPS引脚(Pulse Per Second，秒脉冲引脚)与行波时刻记录单元2连接，以向行波时刻记录单元2发送秒脉冲；行波时刻记录单元2根据从GPS/北斗双模卫星时钟单元4获取的秒脉冲来对故障行波信号进行授时，以确保配电网中各个采集装置的时钟同步，并获取故障行波信号的到达时刻。[0072]在一个示例中，GPS/北斗双模卫星时钟单元4的1PPS引脚与STM32相连，为STM32提供秒以上的时间，通过STM32内部定时器计数折算成1秒对应的计数个数，秒以下的时间通过STM32内部另一个定时器在恒温晶振单元的控制下计数得到，当行波信号触发到该定时器时，停止计数，此时记录的个数就是对应秒以下的时间。秒以上的时间和秒以下的时间整合后就是行波的到达时刻。[0073]在本发明实施例中，行波时刻记录单元3包括定时器和寄存器，定时器用于计算故障行波信号的到达时刻；寄存器用于存储所述到达时刻。[0074]在获取到行波的到达时刻后，行波时刻记录单元2可以基于到达时刻生成行波到达时刻报文，通过通信单元3传输至上位机。[0075]具体地，如图6所示，当输电线路发生故障时，行波波头检测单元1可以将故障行波波头整成3.3V的方波触发STM32的定时器，STM32在检测到方波后，实时将寄存器中秒以上的时间和秒以下的时间整合，生成行波到达时刻报文。并经由通信单元3发送至上位机进行故障位置点分析。

[0076]在本发明实施例中，上位机5用于采用行波到达时刻报文计算故障点位置。[0077]在本发明实施例中，通信单元3可以为通用分组无线业务GPRS通信单元。[0078]GPRS(General packet radio service，通用无线分组业务)是一种基于GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统)系统的无线分组交换技术，是基于移动运营商的通信网络，所有基础设施的建立和维护都是由移动运营商来保证，几乎不存在成本问题。另外，GPRS通信单元在工作时所产生的电磁干扰对输电线路上行波的影响可以忽略不计，不会干扰到穿芯式行波传感器5对信号的采集，能够保证故障定位的精确性，具有快速登录、实时在线等优点，且它的接入范围广、接入方式灵活等特点使其能够很好地为偏远地区和较长线路上的故障定位装置提供可靠的数据传输方案。[0079]图7是采用GPRS通信单元进行通信的通信原理示意图。[0080]如图7所示，在本发明实施例中，STM32采集到故障行波信号后，可以根据故障行波信号生成行波时刻记录报文，传送给已装有SIM卡的GPRS通信单元，GPRS通信单元接入GPRS网络，送出数据，上位机5实时接收该数据，筛选出相应的有用信息后，再选用合适的行波定位算法计算出故障点的位置，从而实现故障定位。[0081]在一个示例中，上位机5可以选用阿里云服务器。

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在一个示例中，GPRS通信单元可以采用基于移动GSM短消息平台、内置通讯模块的

终端。

本发明具有以下优点：本发明利用GPS/北斗双模卫星时钟单元进行授时，根据GPS

时钟与北斗时钟精度互补的特点，大大提高了授时精度，确保故障行波采集系统中各采集装置采集行波信号的时间能够进行同步，克服配电网网络过于复杂的问题，满足配电网复杂网络中的故障定位。[0084]请参阅图8，图8是本发明实施例的一种配电网故障行波定位方法的步骤流程图，包括：

[0085]步骤801，获取故障行波信号；

[0086]行波是指平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化。[0087]在本发明实施例中，行波检测单元1在穿芯式行波传感器6的二次侧提取故障行波信号。

[0088]具体地，穿芯式行波传感器6套接在变压器7铁芯的接地线上，当行波信号在线路中传播时，遇到波阻抗不连续点会发生波的折射，其中变压器是最大的波阻抗不连续点。变压器7等电气设备在运行中是与配电网输电线路连在一起的，因此经常受到来自线路的高频暂态故障行波信号的冲击。套接在变压器7上的穿芯式行波传感器6能够采集该冲击变压器7的高频暂态行波信号，并经由二次侧传递给行波波头检测单元1。[00]步骤802，记录所述故障行波信号的到达时刻，基于所述到达时刻生成行波到达时刻报文；

[0090]在本发明实施例中，通过STM32来记录故障行波信号的到达时刻，并基于到达时刻生成行波到达时刻报文。[0091]具体地，GPS/北斗双模卫星时钟单元4的1PPS引脚与STM32相连，为STM32提供秒以上的时间，通过STM32内部定时器计数折算成1秒对应的计数个数，秒以下的时间通过STM32内部另一个定时器在恒温晶振单元的控制下计数得到，当行波信号触发到该定时器时，停止计数，此时记录的个数就是对应秒以下的时间。秒以上的时间和秒以下的时间整合后就是行波的到达时刻。

[0092]在获取到行波的到达时刻后，行波时刻记录单元2可以基于到达时刻生成行波到达时刻报文，通过通信单元3传输至上位机。[0093]步骤803，采用所述行波到达时刻报文计算故障点位置。[0094]具体地，STM32采集到故障行波信号后，可以根据故障行波信号生成行波时刻记录报文，传送给已装有SIM卡的GPRS通信单元，GPRS通信单元接入GPRS网络，送出数据，上位机5实时接收该数据，筛选出相应的有用信息后，再选用合适的行波定位算法计算出故障点的位置，从而实现故障定位。

[0095]本发明利用GPS/北斗双模卫星时钟单元进行授时，根据GPS时钟与北斗时钟精度互补的特点，大大提高了授时精度，确保故障行波采集系统中各采集装置采集行波信号的时间能够进行同步，克服配电网网络过于复杂的问题，满足配电网复杂网络中的故障定位。[0096]所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体流程，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

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[0083]

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在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其

它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0098]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。[0099]另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。[0100]以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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