XC21输电线路行波测距装置使用手册.docx
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XC21输电线路行波测距装置使用手册
1.概述
XC-21输电线路行波测距装置（以下简称XC-21），利用输电线路故障时产生的暂态电流行波信号，采用现代微电子技术研制成功。
适用于110-500kV输电线路，准确地测定各种线路故障的距离。
XC-21有以下特点：
1）装置采用三种测距原理。
一种是测量故障行波脉冲在母线与故障点来回反射的时间测距，称为单端电气量法，也叫A型测距法。
具有投资低、不需要两侧通信联络等优点，但由于受母线上其他线路末端反射等因素的影响，测距结果有时不稳定。
第二种是测量故障行波脉冲传到两端母线的时间差测距，称为两端电气量法，也叫D型法。
具有原理简单、测距结果可靠等优点，但需要在线路两侧装设装置并进行通信联络。
第三种是记录下故障重合闸产生的暂态电流行波波形测距，该方法也叫E型法。
2）测量精度高，误差在1km以内，克服了阻抗测距法存在的精度受弧光电阻，线路换位不换位，互感器误差（特别是CT的饱和）等因素影响的缺陷。
3）利用来自电流互感器的暂态电流行波信号，不需要特殊的信号耦合设备，投资小，易于推广。
4）使用独立于CPU的超高速数据采集单元，记录并缓存暂态行波信号，解决了CPU速度慢，不适应采集处理暂态行波信号的困难。
5）采用LED显示器，显示装置的时间、日期、定值输入，装置运行状态与装置内部故障信息。
6）当被测线路故障时，装置自动捕捉故障数据，自动存储。
并通过通讯口将记录的数据自动传给站内PC机供分析处理用。
7）装置可储存最新的八次故障八条线路的电流行波波形，设有掉电保护，所有的记录数据在装置失电时均不会丢失。
8）装置具有完整的软、硬件自检功能，抗干扰能力强。
2.主要技术指标
1）测量线路数：
1—8条
测量线路长度：
600Km
2）电流量输入个数：
24路。
每条线路需要3路输入
电流输入额定值：
5A/1A
电流回路负担：
<0.4VA（In=5A）；<0.2VA（In=1A）
电流回路过载能力：
40倍电流额定值，1秒
3）开关量输入：
2路
4）开关量输出：
2路空接点
接点容量：
28VDC/2A，250VAC/0.5A
5）数据采集长度：
4K
连续两次触发记录的时间间隔：
<50ms
可储存的故障数据次数：
8次8回线
6）GPS时间信息输入方式：
RS-422串行口
1PPS脉冲输入幅度：
5V
1PPS脉冲输入时间精度：
1us
7）测距误差：
<1Km
8）输出方式：
RS-232通讯口
波特率（1200、2400、4800、9600、19200）可选
9）电源输入：
220VAC/DC，允许电压波动10%
10）交流工作频率：
50/60Hz
11）工作环境温度：
0℃-40℃
抗干扰性能：
符合国标GB6162
绝缘耐压标准：
符合部标DL478
12）结构：
19”，4U屏装
外形尺寸：
482x177x318mm
重量：
10Kg
3.XC-21的测距原理
XC-21利用行波在输电线路上有固定的传播速度这一特点，通过检测故障暂态电流行波在故障点与母线之间的传播时间测距。
本节简单地介绍一下装置的基本工作原理，以帮助运行人员更好地了解本装置。
3.1单端电气量行波测距原理（A型）
在被监视线路发生故障时，故障产生的电流行波会在故障点及母线之间来回反射。
装设于母线处的行波测距装置接入来自电流互感器二次侧的暂态电流行波信号，使用模拟高通滤波器滤出行波波头脉冲，记录下如下页图3.1所示的暂态电流行波波形，根据到达母线的故障初始行波脉冲S1与由故障点反射回来的行波脉冲S2之间的时间差
来实现故障测距，找出故障点。
设波速度为
，故障初始行波以及由故障点反射波到达母线的时间分别为Ts1、Ts2，则故障距离XL为
（3－1）
在相间故障存在较大的过渡电阻以及单相接地故障时，对端反射波在故障点有较大的透射，当故障点在线路中点以内时，来自故障线路方向的第二个行波波头是故障点反射波，根据它与故障初始行波的时间差
，利用公式（3-1）来实现测距。
当故障点在线路中点以外时，来自线路方向的第二个行波波头是来自故障线路对端的反射波，如下页图3.2所示，根据它与故障初始行波的时间差
，可以计算出故障点距对端的距离为
（3－2）
由此可见，测出故障行波与第二个来自故障线路方向的行波波头之间的时间差，即可找出故障点的位置。
XC-21利用故障行波之间的关系，自动识别故障电流行波波形计算故障距离，但由于装置的数字处理能力有限，在电流行波波形较复杂时，往往不能有效地计算出故障距离。
科汇公司提供在PC机上运行的“故障行波分析”软件，可应用该软件分析处理由PC机从装置直接读出或远传上来的电流行波数据，识别故障点位置。
关于线路故障时产生的各种电流行波波形的分析详见附录A“线路故障暂态行波过程”的介绍。
3.2两端电气量行波测距原理（D型）
设故障初始行波波头到达两侧母线的时间分别为TS和TR，如下图3.3，装于线路两端测距装置记录下行波波头到达两侧母线的时间，则故障距离可由下式来算出：
XS=[（TS-TR）·v+L]/2（3－3）
XR=[（TR-TS）·v+L]/2（3－4）
两端测距法由于只使用初始行波波头分量，不需要考虑后续的反射与透射行波，原理简单，测距结果可靠。
但是两端测距的实现要在线路两端装设测距装置及时间同步装置（GPS时钟），并且两侧要进行通信交换记录到的故障初始行波到达的时间信息后才能测出故障距离来。
如不具备自动通信条件，
图3.3F点故障时行波向两端母线的传播示意图
可借用电话联系，人工交换记录到的故障初始行波到达的时间，利用（3-3）、（3-4）式来计算故障距离。
3.3利用重合闸产生的暂态电流行波测距原理（E型）
线路故障后，在继电保护的作用下、线路开关将动作于跳闸；之后，线路开关在重合闸装置的作用下，将再次闭合于发生过故障的线路。
此时若故障点未消失且是低电阻状态，则开关合闸产生的暂态行波脉冲在故障点和母线间形成往复反射，如图3.4所示，据此，也可构成行波测距，测距公式同式（3-1）。
图3.4由重合闸所产生的行波传播示意图
实际上大部分的故障是高电阻故障，在线路两侧开关跳开线路失压后，故障点呈现高电阻（达数千欧以上）状态。
合闸脉冲到达高电阻故障点后并不产生明显的反射，在经过一段时间后故障点电离击穿放电，产生如正常线路故障时类似的电流行波波形。
下页图3.5给出了一高电阻故障在重合闸电压作用下击穿放电产生的电流行波波形，在图中，第一个波头是合闸脉冲，第二个波头是故障点击穿传过来的故障点放电脉冲，而后续脉冲是故障点放电脉冲在故障点与母线之间来回反射造成的。
在这种情况下，不要误把第二个脉冲误认为是合闸行波脉冲在故障点的反射而用它的时间计算故障距离，实际上故障距离要用故障点放电脉冲与后续的故障点射脉冲之间的时间差计算。
当由于某种原因使得单端行波测距对于第二个波头漏检或误检时，可能导致测距失败；此时，如果重合闸所产生的行波能够使得装置启动，记录下重合闸产生的暂态电流行波信号，则XC-21也能够测出故障距离来。
4.XC-21的构成
4.1装置的结构
XC-21输电线路行波测距装置由一块CPU板、一块IO板、四块DAU板及电源板等组成，采用插件式结构，其中MODEM插件做功能扩展时使用，24路电流变换器置入装置内部。
控制按键、显示器、指示灯装于装置的前面板上；2路开关量输入、2路开关量输出、24路电流输入端子排以及与PC机、GPS
（a）F点故障时的行波传播示意图；（b）线路L始端S处的波形图
图3.5由重合闸所产生的行波传播及波形示意图
同步时钟的接口插座等置于装置的后面板上，其外形结构如图4.1所示。
图4.1XC-21的外型结构及尺寸
根据功能划分，XC-21有以下几个基本组成部分，它们分别是：
中央处理单元（CPU）、高速数据采集单元（DAU）、IO接口单元、GPS接口单元、人机界面、模拟信号输入和电源等几部分。
图4.2示出了XC-21的组成框图。
图4.2XC-21原理框图
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元是XC-21的核心，由它实现定值整定、系统参数的输入，形成故障数据文件，协调各个子板的工作，实现机间通信、显示和键盘控制等功能。
（2）高速数据采集单元（DAU）
高速数据采集单元实现故障检测，行波故障数据的采集、记录和处理，并把采集到的数据传送给中央处理单元。
（3）GPS接口单元
GPS接口单元把由GPS同步时钟提供的GPS时间信息传送给XC-21，同时记录下被硬件行波启动元件所触发的时刻，并传给中央处理单元，为故障初始时刻贴上时间标签，用于实现两端行波测距并作为事故后故障分析的时间依据。
（4）I/O接口
开关量的输入是将保护出口信号或中央事故信号输入到本装置，可作为装置启动的依据，一般情况下可不接入。
开关量的输出包括装置启动输出和装置异常输出两对开关量接点。
本装置正确启动或自检异常后，通过输出接点将装置启动或自检异常的信息送至变电站监控系统或故障信息处理系统。
4.2装置的前后面板说明
4.2.1装置的前面板
装置的前面板包括数码显示器（LED）、控制按键、指示灯、EEPROM写保护。
数码显示器（LED）用于显示装置的时间、日期、定值输入菜单与键入值，装置运行状态与装置内部故障信息。
控制按键共有四个，从左到右分别是“Menu”、“”、“+”、“Ô，可完成定值整定、波特率设置、时间修改等功能，具体使用详见第6节。
指示灯包括电源指示灯、GPS指示灯、DAU指示灯等。
上电后电源指示灯常亮；GPS指示灯正常时一秒钟闪烁一下，如不闪烁则表示装置的GPS时钟的1PPS未接入；DAU指示灯常亮。
4.2.2装置的后面板
装置的后面板包括电源开关、保险丝、PC机接口（COM2）、GPS接口（COM1）和接线端子排。
接线端子排包括电源输入、GPS秒脉冲输入、中央信号或保护出口信号输入、装置异常输出、装置启动输出、线路电流输入等端子。
具体接线及功能见5.2节。
后面板图见附录B。
4.3测距系统构成
4.3.1单端测距系统的构成
单端测距系统由电流互感器、二次接线、一台XC-21、一台PC机组成，如图4.3所示。
4.3.2两端测距系统的构成
两端测距系统的构成见图4.4所示，线路的两端各需安装T-GPS同步时钟一台，XC-21测距装置一台及PC机。
通讯方式根据现场提供的条件有以下几种情况：
（1）使用电话线进行通信联络
两端测距系统由电流互感器、二次接线、两台XC-21、两台GPS同步时钟、两台PC机（包括MODEM）及电话线路组成。
（2）通过RTU、变电站监控系统、故障信息处理系统联络
装置可将故障时的行波数据通过RTU、变电站监控系统、故障信息处理系统上传至调度中心。
由调度中心根据装置记录到的故障初始行波到达的时间，利用（3-3）以及（3-4）式准确计算故障距离。
（3）人工电话联系
如不具备自动通信条件，可借用电话联系，人工交换记录到的故障初始行波到达的时间，利用（3-3）、（3-4）式计算故障距离。
5.XC-21的安装
5.1组屏
装置采用4U19”标准机箱一个,单独或与其他变电站自动装置一起组屏，可安装在标准机柜上。
注意在装置安装时，应给装置的上下留有5～10cm的空间，以供装置散热。
5.2装置接线
5.2.1装置的接线端子图（见附录B）
5.2.2接线说明
1）模拟量输入端子：
上方第一排端子从左至右的第1～48端子为8回线路A、B、C三相电流输入，按Ic8，Ib8，Ia8；Ic7，Ib7，Ia7；Ic6，Ib6，Ia6；Ic5，Ib5，Ia5；Ic4，Ib4，Ia4；Ic3，Ib3，Ia3；Ic2，Ib2，Ia2；Ic1，Ib1，Ia1顺序排列，见附录B。
2）TEST1、TEST2口：
是两个测试口。
TEST2口用于测试第一～第四回线路的启动情况；TEST1口用于测试第五～第八回线路的启动情况。
见附录C。
3）串口COM1、COM2、COM3：
COM1是GPS时钟接口,插座为九针插座，符合RS485标准，波特率从1200、2400、4800、9600可选，默认为2400bps，用配件中的RS232串口线将它与T-GPS时钟的RS485/422连接即可；COM2为PC机接口,插座为九针插座，标准232接口，波特率从1200、2400、4800、9600、19200可选，默认为19200bps；COM3为备用接口。
4）绿色小端子排说明：
A、右起第1、2端子，接交流220V（或者直流220V，接直流220V时，不必区分直流极性）。
第3端子为装置地（机壳），应牢固地接大地。
B、第4、5端子接GPS同步时钟的“TTL电平秒脉冲输出”端子。
第4端子接正，第5端子接负。
注：
当本装置已上电，且GPS时钟接收到卫星信号时，如果本装置的GPS秒脉冲指示灯不能每秒一次地闪烁，则可能是将本装置的秒脉冲正负接反，可将第4、5端子交换一下。
第6、7端子为“TTL电平秒脉冲（PPS）输出”端子，作脉冲扩展时使用。
C）第8端子为空脚。
D）第9、10端子为第一对开关量输入端子，第11、12端子为第二对开关量输入端子。
这两对开关输入量为备用端子，其内部接线如图5.1。
图5.1开关输入量与XC—21的接线图
E）开关输出量：
第13、14端子为装置启动输出信号（干接点）；第15、16端子为装置运行异常时的开关输出量（干接点）。
这两对接点的容量为28VDC/2A,250VAC/0.5A。
6.XC-21使用指南
6.1开机
装置安装完毕后，接通电源，扳动装置后面板左下角的电源开关ON/OFF至ON位置。
前面板上，电源（+5V、+/-12V、24V）指示灯亮，DAU板的RUN指示灯亮，显示器上显示当前的时间。
如果显示器上显示“ERROR”，表示装置自检出错误，错误原因详见7.3节。
6.2复位
当装置出现异常时，装置将会自动复位。
6.3设置定值、时间、显示亮度
前面板有“Menu”、“”、“+”、“Ô等4个按键，开机后,如果需要修改装置的时间、定值等，可通过这4个按键进行操作,面板上EEPROM保护开关需设置在（“”）状态。
设置完毕，EEPROM（非挥发存储器）保护开关应拨到禁止写入状态。
A．XC-21在运行状态，按住“”、“+”键,可以连续调节显示亮度,左起第一位数码管为亮度指示，“0”为最暗，“F”最亮。
B．在运行状态下按住“Ô键，会显示当前日期。
C.在运行状态下按“Menu”键，进入设置菜单。
若面板上EEPROM保护开关在设置（“”）状态，每项设置后，按“Ô键确定，会显示“GOOD”,表示设置值已存入EEPROM中；否则，显示“ERROR”,表示EEPROM被写保护，不能写入数据。
若要写入数据，应将定值保护开关设置为允许写入状态（“”）。
左起第1位数码管显示为菜单值，装置进入设置状态，并指向菜单1。
当再次按动“Menu”键时，菜单值递增1。
当项目值分别：
（1）为“1”时：
设置与PC机通信的波特率。
按动“”、“+”可在1200、2400、4800、9600、19200之间选择，选择好后，按“Ô键存入EEPROM，并显示“GOOD”。
按“Menu”键，进入下一个设置菜单。
（2）为“2”时：
设置XC-21内部的时钟时间。
第三位数码管显示当前时间的小时十位数，第四位数码管显示当前时间的小时个位数，第五位数码管显示当前时间的分钟十位数，第六位数码管显示当前时间的分钟个位数，第七位数码管显示当前时间的秒十位数，第八位数码管显示当前时间的秒个位数。
按动“”键，使得需要修改的位闪烁，按动“+”键，修改这一位的数值，然后按动“”键至下一个需要修改的位，再按动“+”键，设置这一位。
依次设定下去。
设置完成后，按动“Ô确定，存入EEPROM中，并显示“GOOD”。
按“Menu”键，进入下一个设置菜单。
（3）为“3”时：
设置XC-21内部的时钟的日期。
第三位数码管显示当前日期的年十位数，第四位数码管显示当前日期的年个位数，第五位数码管显示当前日期的月十位数，第六位数码管显示当前日期的月个位数，第七位数码管显示当前日期的日十位数，第八位数码管显示当前日期的日个位数。
按动“”键，使得需要修改的位闪烁，按动“+”键，修改这一位的数值，然后按动“”键至下一个需要修改的位，再按动“+”键，设置这一位。
依次设定下去。
设置完成后，按动“Ô确定，存入EEPROM中，并显示“GOOD”。
按“Menu”键，进入下一个设置菜单。
（4）为“L1”时：
设置XC-21监视的第一条线路的长度（单位Km）。
第六位数码管显示线路长度的百位数，第七位数码管显示线路长度的十位数，第八位数码管显示线路长度的个位数。
按动“”键，使得需要修改的位闪烁，按动“+”键，修改这一位的数值，然后按动“”键至下一个需要修改的位，再按动“+”键，设置这一位。
依次设定下去。
设置完成后，按动“Ô确定，存入EEPROM中，并显示“GOOD”。
按“Menu”键，进入下一个设置菜单。
注：
如果本线路未监视实际线路，应将线路的长度设置为“000”。
（5）为“L2”时：
设置XC-21监视的第二条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（6）为“L3”时：
设置XC-21监视的第三条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（7）为“L4”时：
设置XC-21监视的第四条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（8）为“L5”时：
设置XC-21监视的第五条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（9）为“L6”时：
设置XC-21监视的第六条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（10）为“L7”时：
设置XC-21监视的第七条线路的长度。
设置方法与（4）同。
（11）为“L8”时：
设置XC-21监视的第八条线路的长度。
设置方法与（4）同。
6.4通信波特率的设置
（1）与PC机通讯的波特率设置
具体设置方法见6.3节。
（2）与T-GPS时钟通讯的波特率设置
在本装置的CPU主板上有一短路块，改变其位置可改变其接收GPS时钟信息的波特率，如图6.1所示。
图6.1CPU板与GPS通讯的波特率设置
出厂时，设置为2400bps。
如需改变，应同时改变一下GPS时钟的波特率。
GPS时钟的波特率设置见GPS时钟的说明书。
6.5故障启动、记录
6.5.1启动
装置的故障启动元件通过比较检测到的行波电流的幅值是否超过整定门槛值来判定故障是否发生。
装置的门槛值取决于线路电压等级和电流互感器的变比。
出厂时，该值已由制造单位调试好。
如果出现非操作和故障情况下的频繁误启动，请与我公司联系。
6.5.2自动存储
若被监视的八回线路中任一回发生故障，则XC-21的启动元件将动作，装置自动记录下故障线路的三相电流行波数值和接于同一装置的其它几回非故障线路电流行波数值，同时自动记录下装置被触发的准确时间，这组数据不会轻易丢失，即使装置停电也会继续得到保存。
XC-21的存储空间可连续记录八条线路八次故障数据。
第九次故障数据将把第一次故障记录冲去。
如果XC-21已通过串口与当地处理机连接，并且当地处理机上已运行了后台软件，则故障数据会自动地传给当地处理机并存储起来。
6.6分析故障电流行波波形测距
使用我公司提供的后台分析软件进行分析。
在XC-21的后面板上、‘COM2接口’位置插上九针标准串行口线，并接入计算机，运行我公司提供的数据通讯软件，则故障记录将被读入计算机，并进行进一步分析。
后台分析软件的使用，请参阅专门的使用说明。
6.7两端测距的实现
输电线路故障后，若该线路两端都装有测距装置XC-21，那么，两端装置都将启动，根据两端装置所记录的故障波形及其所记录的故障时间，可由第三部分XC-21测距原理3.2节中的公式—（3-3）或公式—（3-4）实现两端故障测距。
例如：
下面的故障报告为某地区电业局所属临禹线的临邑变侧和禹城变侧的故障数据，
临邑变侧的故障时间为97-07-06/21:
38:
43/132632uS,
禹城变侧的故障时间为97-07-06/21:
38:
43/132662uS，
临禹线全长43Km，
波速度v等于光速的98%，光速为0.3Km/uS。
则：
故障点距临邑变为
L1=[（132632-132662）*0.3*98%+43]/2=17.1Km,
故障点距禹城变为
L2=[（132662-132632）*0.3*98%+43]/2=25.9Km。
7.XC-21的运行维护及异常处理
7．1定期检查装置
应该定期检查装置，发现异常，及时处理。
检查内容：
（1）通过显示器的提示，了解各部分的运行情况是否正确；
（2）检查装置的整定值是否被改过或破坏；
（3）检查开关输入量、输出量是否完好；
（4）检查装置是否能正确启动。
7.2通风及散热
保持设备干净、整洁及良好的通风效果，请勿在装置上堆放打印纸及其他设备，影响装置的散热。
7.3常见异常情况及处理
●现象：
电源指示灯不亮。
处理：
Ⅰ、检查是否有电源输入；
Ⅱ、检查电源开关是否打开；
Ⅲ、检查保险丝是否已断，如已断则更换保险丝。
（保险丝型号：
RF-1-202A/250V）
●现象：
显示器无显示。
处理：
Ⅰ、装置重新开关机一次；
Ⅱ、按“+”键，调节显示亮度至高亮。
●现象：
GPS指示灯常亮或常灭。
处理：
Ⅰ、检查T-GPS时钟是否已经失去同步，时钟的PPS指示灯不再闪烁；
Ⅱ、检查连接线缆是否压紧或接错。
●现象：
显示Error1。
原因：
RAM损坏。
处理：
更换RAM。
●现象：
显示Error2。
原因：
T-GPS串口数据接收不到。
处理：
Ⅰ、检查GPS时钟运行是否正常；
Ⅱ、检查GPS时钟串口线是否连接良好；
Ⅲ、检查GPS时钟波特率是否与XC-21一致（出厂设定为2400bps）。
●现象：
显示Error3。
原因：
T-GPS的PPS脉冲丢失。
处理：
Ⅰ、检查GPS时钟是否收到卫星信号；
Ⅱ、检查1PPS连接线是否连接错或接触不良。
●现象：
显示Error4。
原因：
+15V电源不正常。
处理：
更换电源。
●现象：
显示Error5。
原因：
-15V电源不正常。
处理：
更换电源。
●现象：
显示Error6。
原因：
24V电源不正常。
处理：
更换电源。
●现象：
显示Error7。
原因：
高速采集的CPU-CLK出错。
●现象：
显示Error8。
原因：
IO板的芯片2D29出错。
●现象：
显示Error9。
原因：
DAU#1号板（监视第一、二回线路）的芯片4D25出错。
●现象：
显示Error10。
原因：
DAU#2号板（监视第三、四回线路）的芯片4D25出错。
●现象：
显示Error11。
原因：
DAU#3号板（监视第五、六回线路）的芯片4D25出错。
●现象：
显示Error12。
原因：
DAU#4号板（监视第七、八回线路）的芯片4D25出错。
●现象：
显示Error13。
原因：
DAU#1号板（监视第一、二回线路）的+0.5V比较电压出错。
●现象：
显示Error14。
原因：
DAU#1号板（监视第一、二回线路）的-0.5V比较电压出错。
●现象：
显示Error15。
原因：
DAU#2号板（监视第三、四回线路）的+0.5V比较电压出错。
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