新型超高压输电线路故障定位系统的
数据信息处理功能及实现　
　　陈浩1，张哲1，余畅1，曾祥君1，尹项根1，陈德树1，邹建明2
　
（1．华中理工大学电力系，湖北省武汉市430074；2．华中电力集团公司，湖北省武汉市430077）摘要：介绍了新型超高压输电线路故障定位系统的基本结构，阐述了该系统的数据信息处理主要功能和实现技术。新型故障定位系统将行波定位与传统稳态量定位技术相结合，综合利用两者在性能上的互补性，通过协调配合，实现可靠、准确的故障定位。基于Windows平台的数据信息处理软件采用面向对象技术设计，主要完成对故障定位装置的运行监视、行波定位与常规定位的信息协调以及数据信息的提取和交互处理等。在数据处理算法中，在线应用了半正交小波算法进行行波波头的检测，以提高行波定位的准确性。所开发的数据信息处理软件已经通过了各种动态模拟实验的检验，表明该软件已经达到了工程实用要求。
关键词：故障定位系统；行波定位；信息处理；小波技术
1　引言
　　为了满足电力系统对超高压输电线路高精度故障定位的要求，华中理工大学电力工程系与华中电力集团公司联合研制了新型超高压远距离输电线路故障定位系统。该系统首次采用行波定位与常规定位相互配合、并列运行的设计方案，显著地提高了装置的可靠性。特殊设计的行波传感器可以准确地捕捉行波波头，全球卫星定位系统（GPS）和“守时钟”技术的采用，实现了可靠、高精度的采样同步。5MHz的高速数据采集系统能准确记录系统的各种暂态变化，提供丰富的行波暂态信息。
　　新型故障定位系统在运行中要进行大量的信息交换，而且作为一套并列运行的系统要求解决好各子系统间的协调运行问题，包括行波定位和常规定位启动逻辑关系、两种定位方法之间信息的交互、通信和处理等。为了保证系统的正常运行，发挥装置应有的效能，开发一套功能完善的数据信息处理软件是十分必要的。
　　本文从介绍新型超高压输电线路故障定位系统整体情况出发，对数据信息处理的主要功能和方法进行了介绍。2　新型故障定位系统的总体结构
　　新型定位系统包括利用故障产生的行波信号、全球卫星定位系统（GPS）进行故障准确定位的行波定位装置和利用故障产生的工频信号进行常规定位的定位装置。两个定位装置安装在一个标准屏内，在输电线路两端的变电站内各安装一个标准屏。两端的定位系统之间通过调制解调器（MODEM）利用程控电话网或者电力系统的载波通道完成数据交换。装置的总体布置如图1所示。　　输电线路发生故障时，故障点行波以接近光速的速度向线路两端传播，行波传感器一旦捕捉到故障行波波头，数据采集设备就停止采集。如果从常规定位获得故障发生的确认信号，故障行波定位装置根据高速数据采集系统记录的数据计算本端停止时间，并开始与对端交换信息，根据行波传播速度和行波波头到达线路两端的准确时刻来计算故障点位置。常规定位系统借助于上位机和已有的通信信道实现双端定位，作为行波定位的参考，可弥补行波定位所固有的缺陷，如母线近距故障时，行波测量困难；故障发生时刻电压相角小于10°和高阻接地时行波浪涌测量困难等［2］。此外，为提高行波定位的抗干扰性能，在新型定位系统中采用了常规定位与行波定位互相启动及辅之以线路跳闸特征检测等信息综合技术，保证了装置启动的可靠性和故障数据的正确记录。
3　数据信息处理的功能及实现
　　数据信息处理软件集通信、数据采集、数据处理于一体，包括上层管理软件、数据采集模块、数据处理模块和数据通信模块4部分。上层管理软件的主要功能是完成人机交互功能、系统参数的设置、各模块功能的管理和程序运行调度。数据采集模块主要完成高速模／数（A／D）采集的初始化及运行控制和数据存储。数据处理模块的主要功能是利用小波算法处理数据，寻找故障点，将记录数据以图形的形式显示出来，并提供相应的图形控制功能。数据通信模块主要完成线路双端数据交换和主—从机通信，另外主机和从机的GPS精确授时也由该模块实现。
　　软件选用微软公司的可视化开发工具VISU－ALBASIC5．0（以下简称VB5）作为开发环境。采用面向对象技术，简化了Windows编程的难度。通过调用Windows的应用程序接口（API）函数库和动态链接库（DLL），极大地扩展了所开发的应用程序的功能。在开发过程中，还使用DELPHI4．0开发了相关的动态链接库供应用程序使用。
3．1　人机交互界面
　　软件的界面设计强调信息的充分显现，如图2所示。主要界面由3个独立的分区组成，每个分区为1个窗体，分区之间操作独立、功能独立，互不干扰。系统控制区提供了系统软件的控制用图形按钮、程序运行指示和精确GPS时间显示，可以为使用者提供运行状态切换和程序运行会话过程的记录、系统参数设置等功能。数据采集及通信显示控制区是该软件的主要部分，提供了采集设备和通信设备初始化信息、运行信息、定位装置启动信息、通信信息和数据处理分析结果等重要信息。波形显示浏览区主要作为后台非实时应用，用于以直观图形的方式查看由高速A／D采集获得的数据。界面设计充分考虑了现场要求，具有操作简单、不易混淆、自动运行的特点。3．2　数据信息的交互
　　数据信息的交互主要在数据通信模块完成，包括远端通信和下位机通信。远端通信通过Modem，经过电话线或电力线传输故障测距所需要的参数。下位机通信是PC与常规定位系统（基于STDV40）之间通过RS485的通信。通信方式都采用中断接收—查询发送，问答式主从通信规约。借助于Windows系统提供中断方式驱动的串行通信驱动程序COMM．DRV，通信程序无需直接对串行端口进行操作，而是通过驱动程序这一编程接口进行间接操作。通信软件功能的实现主要依靠VB5所提供的MSComm控件。通信软件程序可对通信过程、数据信息报文、数据校验、定时器问题进行有效的处理。
4　小波在行波波头检测中的应用
　　数据信息处理软件的一项基础性工作是对所记录的行波信号的采样值进行分析，确定故障行波波头抵达测量端的准确时间。输电线路发生故障后的暂态行波信号具有突变、奇异的特点。对于这种信号的分析，在继电保护领域中广泛使用的Fourier变换是全频域分析方法，它在时域上没有任何分辨能力，不能刻划出暂态行波的到达时刻、行波在该点的幅度大小及极性（相位）。使用传统的时域检测和分析方法（如微分法、相关法等）也是不够的，因为它们受噪声及线路参数频域特性的影响较大。小波分析对突变的奇异型信号具有良好的检测能力，因此，在数据信息处理软件中，采用小波分析方法对行波波头进行检测。
4．1　信号的局部奇异性描述
　　信号的局部奇异性可以用李普西兹指数（Lips－chitz）进行描述［3］。
　　定义：设n是一非负整数，n＜a≤n＋1，如果存在常数A、大于零的h0及n次多项式Pn（h），对任意的h≤h0，均有｜f（x0＋h）－Pn（h）｜≤A｜h｜a，则认为f（x）在点x0处为Lipschitza。
　　如果不等式对所有x0∈（a，b），且x0＋h∈（a，b），则称f（x）在（a，b）上是一致Lipschitza。
　　Lipschitza指数越大，函数越光滑；函数在一点连续、可微，则在该点的Lipschitza指数为1；在一点可导，而当导数有界但不连续时，Lipschitza指数仍为1；如果f（x）在点x0处的Lipschitza＜1，则称函数在点x0处是奇异的；一个在点x0处不连续但有界的函数，在该点的Lipschitza指数为0。
在小波变换中，局部奇异性可定义为：
　　设f（x）∈L2（R），若f（x）对"x∈δx0，小波Ψ（x）满足为实且连续可微，并具有n阶消失矩（n为正整数），有｜Wf（s，x）｜≤KSa（K为常数），则称a为点x0处的奇异性指数（也称Lipschitz指数）。　　对"x∈δx0，有｜Wf（s，x）｜≤｜Wf（s，x0）｜，则称x0为小波变换在尺度s下的局部极值点。
　　出于信号奇异性检测的目的，一般取小波函数为平滑函数的一阶导数［5］。
4．2　B样条半正交小波
　　B样条半正交小波具有显式解析式，推导简单，支撑集短，可以快速分解与重构的特点，并且由于它是对称小波，具有线性相位的良好性质，对于定位异变点十分有利。数据处理算法采用B样条半正交样条小波构成行波波头识别的小波算法，以进行波头的准确识别。
首先给出一阶B样条函数的定义［4］：　　此时，φ（t）是一3次样条，而Ψ（t）是一紧支的、关于原点反对称的2次样条。文献［4］证明了在噪声情况下检测信号的奇异性时，上述3次B样条小波是渐近最优的。
　　B样条小波不仅具有对称性和线性相位的优点，而且还具有以下性质：
（1）余弦函数的小波变换仍为同频的余弦函数；　　（2）基于偶阶B样条小波的小波变换不改变信号相位。
　　性质（2）对利用小波变换进行行波故障测距是至关重要的。如果小波变换的结果有相移，则无法利用模极大值正确识别行波波头的到达时刻，由于行波的传播速度为光速，即使信号采样频率为1MHz，一点的定位偏差将导致150m的测距误差。所以，必须选择无相移的小波作为基小波。
4．3　小波的在线应用
　　小波算法具有优良的时间－频率特性和多分辨率分析的特点，而且在时频内具有表征信号局部特征的能力，因此具有很高的实用价值。但是在工程应用中，需要根据实际情况做一些改进，以适应现场要求。应用表明，小波算法的主要问题在于计算量偏大，计算时间过长。本课题的研究在减小计算量、缩短计算时间方面作了有效的工作。
　　如前所介绍，新型超高压输电线路故障定位系统采用了高达5MHz的高速数据采集系统，能准确记录系统的各种暂态变化，提供丰富的行波暂态信息，由此也带来一个问题，即录波数据文件过大（1个通道的数据量达1Mb左右），在利用小波算法进行处理时，如果不采取一定的措施，势必会造成计算时间过长，影响整套系统的运行。针对这一问题，在小波算法的具体实现中，采取了以下几点措施：
　　（1）先粗后细的查找原则。借助于常规定位装置，可以给出一般性的故障位置，此为粗找。由此可以在记录的数据中确定一数据块，其中包含了故障行波波头数据，对该数据块应用小波算法可以精确确定行波波头的位置，此为细找。
　　（2）在软件编程上进行程序优化，提高程序运行效率。
　　（3）应用大容量数据的快速存取技术，提高数据输入输出的速度。
　　采用这3项措施，可使数据处理较好地满足在线应用的要求。
5　试验检验
　　本文所开发的数据信息处理软件在新型超高压远距离输电线路故障定位系统中已经投入实际应用，并通过了动态模拟实验、高压冲击试验和RTDS模拟实验的全面检验。整个软件系统工作稳定、可靠，达到了工程应用要求。在实验中对文中所提出的小波分析方法的性能进行了重点检验。
　　图3为高压冲击试验所采用的实验接线图，冲击信号从电缆左侧的0、0．5、1．5、2．0、2．5、3．0km处打入，在电缆两端分别检测记录行波信号，并通过软件提供的小波分析方法确定行波波头到达两侧的时间，据此确定故障点位置。表1列出了小波分析的定位结果。实验表明，小波分析算法能够准确地检出行波波头，实现故障点的精确定位。　　
　
6　结论
　　通过对数据信息的有效处理，实现了对故障定位装置[1][2]下一页