CN102087332A - 一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法，包括：首先根据确定的初始波速以及故障行波传到整流侧与逆变侧的时间，通过测距公式求取故障距离，记作x⁽⁰⁾；然后根据求得的故障距离对故障距离-波速曲线进行插值，分别求取故障行波从故障点传播到线路的整流侧的波速v₁和逆变侧的波速v₂；利用求得的波速v₁和v₂，再次计算故障距离，记作x⁽ⁱ⁾；将第n次的测距结果与第n+1的测距结果进行比较，判断两者误差是否小于设定值或超出最大迭代次数，若小于设定值或超出最大迭代次数则输出故障距离；若大于设定值，则用x_(i)再次进行插值，进行循环计算到故障距离。采用本发明可不改动现有测距装置硬件设施的前提下，本发明可大大地提高直流线路行波故障测距精度。

Description

一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法

技术领域

本发明涉及一种故障测距方法，尤其涉及的是一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法。

背景技术

行波故障测距是根据行波在线路上的传输理论实现的故障定位方法。当输电线路发生故障时，将会产生向线路两端以接近光速传播的电流和电压行波，通过分析故障行波包含的故障点信息，利用故障行波的传输时间就可以计算出故障距离。以传统的双端行波测距为例，该方法主要是通过检测故障波头到达线路两端的传输时间差，并利用以下公式计算得到测距结果：

X＝(L+Δt·v)/2

其中，X为故障点与线路末端的距离；L为线路总长；Δt为故障波头到线路两端的传输时间差；v为故障行波的波速。

上述传统的行波故障测距主要存在着几个主要的问题：

(1)选取固定的波速进行计算，忽略了行波波速的变化特性。事实上，受线路色散效应和衰减特性的影响，故障行波波速并不是一个稳恒量，而是一个受过渡电阻、传输距离等因素影响的变化量。选取固定的经验波速进行计算，在线路色散效应以及衰减特性较为明显时，会造成相当大的测距误差；

(2)波头的检测与波速的选取缺乏有效的配合。对应每一种波头的定义都应该有相应的波速与其相适应，更进一步每一种过渡电阻和每一个故障距离都有相应的波速与其相对应，然而传统的行波测距算法中大多忽略了这些对应关系，或者对这种对应关系处理不当，造成了故障测距误差的不可预测性和不可接受性；

(3)测距结果受过渡电阻影响较大。线路发生高阻接地时，故障行波的波头幅值变小，测距误差增大。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法，旨在解决现有的故障测距方法会造成相当大的测距误差；且故障测距误差的不可预测性和不可接受性；以及测距结果受过渡电阻影响较大等问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，包括以下步骤：

S100：初始化测距装置，并进行录波，以录波装置的最小分辨率为阀值确定初始波速，并通过小波变换分别确定故障行波到达线路的整流侧与逆变侧的时间；

S200：根据确定的初始波速以及故障行波传到整流侧与逆变侧的时间，通过测距公式求取故障距离，记作x⁽⁰⁾；

S300：通过仿真得到故障距离-波速曲线，根据求得的故障距离对故障距离-波速曲线进行插值，分别求取故障行波从故障点传播到线路的整流侧的波速v₁和逆变侧的波速v₂；

S400：利用上一步求得的波速v₁和v₂，再次计算故障距离，记作x⁽ⁱ⁾，其中，i＝n+1，n为自然数；

S500：将第n次的测距结果与第n+1的测距结果进行比较，判断两者误差是否小于设定值或超出最大迭代次数，若小于设定值或超出最大迭代次数则执行步骤S600；若大于设定值，令i＝i+1，并执行步骤S300；

S600：结束计算，输出故障距离。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述录波装置确定初始波速的方法为：根据录波装置的分辨率设定一个速度值作为故障行波的初始波速，并令录波装置检测到的第一个数据点的时间为波头的到达时间。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述步骤S200中所述的测距公式为：

x⁽⁰⁾＝[l+(t₁-t₂)·v₀]/2

其中，x⁽⁰⁾均指初始确定的故障点距整流侧的距离，t₁为行波到达线路的整流侧的时间，t₂为行波到达线路的逆变侧的时间，l表示线路的总长度，v₀表示初始波速。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，在利用故障距离对故障距离-波速曲线进行插值前，对所述故障距离-波速曲线进行的修正，其具体步骤包括：

A1：根据实际输电线路参数建立仿真模型，间隔距离X进行故障仿真，得到初始的故障距离-波速仿真曲线v(x)；

A2：根据实测或系统已有的先前故障数据，得到部分点的实测样本，并将其与仿真曲线的进行对比、拟合，得到修正系数f(x)；

A3：利用修正系数对仿真曲线进行修正，获得修正后的故障距离-波速曲线v′(x)＝v(x)+f(x)。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述仿真曲线的修正系数f(x)为：

f(x)＝ax+b

其中，f(x)为修正系数，a和b为常数，x为故障点距整流侧的距离。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述仿真曲线通过电磁暂态仿真软件建立。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，利用波速v₁和v₂，再次计算故障距离的公式为：

$x^{\left(i\right)}=\frac{{\mathrm{lv}}_1-v_1{v}_2(t_2-t_1)}{v_1+v_2}$

其中，x⁽ⁱ⁾为再次计算得到的故障点距整流侧的距离，v₁表示行波传播到整流侧的速度，v₂表示行波传播到逆变侧的速度，l表示线路的总长度，t₁为行波到达线路的整流侧的时间，t₂为行波到达线路的逆变侧的时间。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述最大迭代次数为30。

所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其中，所述误差值为300米。

本发明的有益效果：本发明通过建立利用宽频故障信息的波头与波速配合体系，并基于这一体系对波速进行寻优，消除线路色散效应、衰减特性以及过渡电阻对测距结果的影响。在基于当前直流工程行波测距装置的采样率水平，不改动现有测距装置硬件设施的前提下，本发明可大大地提高直流线路行波故障测距精度。

附图说明

图1是本发明提供的测距方法流程图；

图2是本发明提供的测距方法的故障发生示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

为了使本发明提供的在宽频体系下基于波速寻优的直流行波故障测距方法能够成功的实施，本本实施例首先提供一种宽频体系下波头检测与波速选取配合方法，旨在减少乃至消除过渡电阻对测距结果的影响。

因为初始故障行波为阶跃波，其包含了从零频到无穷频的所有分量。由于色散效应的存在，不同频率分量在直流线路中有着不同的传播速度，经过一段时间的传输之后，各频率分量之间相位关系将发生变化，造成波头形状的畸变，波头的前面部分只包含高频分量，波头的尾部则同时含有高频和低频分量。因此，故障行波的传播速度是只由波头的最前面部分决定的。实际中，录波装置的分辨率总是有限的，录波装置检测到的故障行波的传播速度并不由实际故障行波的最前面部分决定，而是由其能够检测到的第一个数据点决定。也就是说，录波装置检测到的故障行波并不以光速传播，而是以一个与装置分辨率密切相关的速度向前传播，称这一速度为信号速度，也就是对于给定分辨率的录波装置，为其能够检测到的故障行波的传播速度。

基于上述分析，本发明实施例在进行故障测距时采用如下的波头检测与波速选取配合方法确定初始波速：对于给定分辨率的录波装置，选取与其相适应的信号速度作为故障行波的传播速度，定义其检测到的第一个数据点为波头到达时刻以与信号速度相配合，则可实现波头定义与波速定义的有机统一。在此配合体系下，波头的检测不受过渡电阻的影响，同时，若录波装置最小分辨率满足要求(百伏级以上)，可以认为波速变化与过渡电阻无关。因此，该波头与波速配合体系能有效减少乃至消除过渡电阻对测距结果的影响。

当输电线路发生接地故障时，本发明提供的基于波速寻优的双端行波测距方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S100：初始化测距装置，并进行录波，以录波装置的最小分辨率为阀值确定初始波速，并通过小波变换分别确定故障行波到达线路的整流侧与逆变侧的时间。

其中，t₁为到达线路的整流侧的时间，t₂为到达线路的逆变侧的时间。具体参见图2所示，其中的R侧表示整流侧(Rectifier)；I侧表示逆变侧(Inverter)，l表示线路的总长度。本发明所说的故障距离x均指故障点距整流侧的距离，故障点距逆变侧的距离为(l-x)。

步骤S200：根据确定的初始波速以及故障行波到整流侧与逆变侧的时间，通过测距公式求取故障距离，记作x⁽⁰⁾。

预先初始设定的初始波速为v₀，所述测距公式为x＝[l+(t₁-t₂)·v]/2，通过初始波速求得的初始故障距离为x⁽⁰⁾＝[l+(t₁-t₂)·v₀]/2。

步骤S300：通过仿真得到故障距离-波速曲线，根据求得的故障距离对故障距离-波速曲线进行插值，分别求取故障行波从故障点传播到线路的整流侧的波速v₁和逆变侧的波速v₂。

其中，v₁表示传播到整流侧的速度，通过用初始故障距离x⁽⁰⁾对故障距离与波速的关系曲线进行插值得到；v₂表示传播到逆变侧的速度，通过用l-x⁽⁰⁾对故障距离与波速的关系曲线进行插值得到。

步骤S400：利用上一步求得的波速v₁和v₂，再次计算故障距离，记作x⁽ⁱ⁾。

本实施例根据波速随故障距离的变化特性，提供的再次计算故障距离为：

$x^{\left(i\right)}=\frac{{\mathrm{lv}}_1-v_1{v}_2(t_2-t_1)}{v_1+v_2}$

其中，x⁽ⁱ⁾为计算得到的故障距离值，v₁表示传播到整流侧的速度，v₂表示传播到逆变侧的速度，l表示线路的总长度，t₁为到达线路的整流侧的时间，t₂为到达线路的逆变侧的时间，其中，i＝n+1，n为自然数。

步骤S500：将第n次的测距结果与第n+1的测距结果进行比较，判断两者误差是否小于设定值或超出最大迭代次数，若小于设定值或超出最大迭代次数则执行步骤S600；若大于设定值，则令i＝i+1，并执行步骤S300，进行下一轮的迭代，直至满足迭代条件为止。

其中，本发明设定的误差最大值为300m，最大迭代次数n为30次。

步骤S600：结束计算，输出故障距离。

在本发明所采用的波头与波速配合体系中，若录波装置最小分辨率满足要求，可以认为波速只是故障距离的函数，而与过渡电阻无关，波速成为故障距离的一元函数，即故障距离-波速曲线(以下统一简称为l-v曲线)。

l-v曲线是本发明提供的测距方法进行波速修正、优化的依据，其准确性对测距精度有着重要的影响。一方面，由于需要的数据量较大，如果完全用现场测试的数据来获得l-v曲线是不现实的；另一方面，由于实际直流工程线路受大地电阻率、弧垂变化等不确定因素的影响，以及数值仿真本身的固有误差，使得仿真所得的l-v曲线与实际之间可能存在着一定的误差。因此，必须在仿真的基础上合理利用有限的实测数据对仿真曲线进行修正，从而获得与实际相符的l-v曲线。

本发明实施例还提供一种故障距离-波速曲线的获取与修正方法，应用于实际行波测距的l-v曲线通过如下方法获得：

步骤A1：根据实际输电线路参数建立详细的仿真模型，按一定距离间隔进行故障仿真，得到初始的l-v仿真曲线。本发明的仿真模型是在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立的。

步骤A2：根据现场实测或系统已有的先前故障的录波数据，得到部分点的实测样本，并将其与相同条件下的仿真样本进行对比、拟合，得到修正系数f(x)。由于仿真曲线与实测曲线之间的误差与距离x相关，因此，其修正系数也应该是距离x的函数。此外，考虑到实测样本的数量有限，且仿真曲线与实测曲线之间的误差随距离的增长呈单调递增的趋势，因此令f(x)为一阶函数，如下式所示：

f(x)＝ax+b

修正函数最少需要2个实测样本确定系数a与系数b，当实测样本数量超过2个时，采用最小二乘法进行拟合，确定系数。实测样本越多，经修正后的l-v曲线就越准确。

下面举一例子，假设通过现场实测或录波数据，得到90km、240km、510km、750km、930km，5个波速实测样本，与仿真样本进行对比，可得下表：

故障距离/km	90	240	510	750	930
						仿真波速/km/s	294475	290631	287167	284854	283713
实际波速/km/s	293851	289551	285671	283280	282199
						f(x)/km/s	623.746	1080.27	1496.45	1573.99	1514.2

然后，根据表格对仿真样本与实测样本的对比，对已有的数据通过最小二乘法进行拟合，可得f(x)的具体表达式为：f(x)＝1.0304x+738.41。

步骤A3：利用修正系数对仿真样本进行修正，获得修正后可应用于实际行波测距的l-v曲线。修正公式如下所示：

v′(x)＝v(x)+f(x)

其中，v′(x)为修正后的l-v曲线，v(x)为由仿真得到的初始曲线，f(x)则为修正系数。

通过上述的修正方法可以得到一条优于仿真样本拟合出的故障距离-波速曲线，使插值更加的准确。

本发明的优点：

(一)有效地提高了目前直流行波故障测距的测距精度

方案充分考虑了线路色散效应、衰减特性等因素对故障行波波速的影响，对行波波速进行了迭代的修正与优化，大大提高了行波测距的精度；

(二)有效减少乃至消除了过渡电阻对测距结果的影响

方案以录波装置的最小分辨率作为阀值，通过小波变换检测行波波头到达时刻，并选取该分辨率下的信号速度作为波速，在这种波头检测与波速选取配合方案下，能明显提高行波测距对过渡电阻的耐受能力，有效减少甚至消除过渡电阻对测距结果的影响；

(三)具有良好的经济效益和工程实用价值

方案基于当前行波测距装置的采样率水平，在不改动现有测距装置硬件设施的前提下，只需对现有的行波测距装置从软件逻辑上进行改造，即可有效提高测距精度，投资小，效果好，具有良好的经济效益和工程实用价值。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：初始化测距装置，并进行录波，以录波装置的最小分辨率为阀值确定初始波速，并通过小波变换分别确定故障行波到达线路的整流侧与逆变侧的时间；

S200：根据确定的初始波速以及故障行波传到整流侧与逆变侧的时间，通过测距公式求取故障距离，记作x⁽⁰⁾；

S300：通过仿真得到故障距离-波速曲线，根据求得的故障距离对故障距离-波速曲线进行插值，分别求取故障行波从故障点传播到线路的整流侧的波速v₁和逆变侧的波速v₂；

S400：利用上一步求得的波速v₁和v₂，再次计算故障距离，记作x⁽ⁱ⁾，其中，i＝n+1，n为自然数；

S500：将第n次的测距结果与第n+1的测距结果进行比较，判断两者误差是否小于设定值或超出最大迭代次数，若小于设定值或超出最大迭代次数则执行步骤S600；若大于设定值，令i＝i+1，并执行步骤S300；

S600：结束计算，输出故障距离。

2.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述录波装置确定初始波速的方法为：根据录波装置的分辨率设定一个速度值作为故障行波的初始波速，并令录波装置检测到的第一个数据点的时间为波头的到达时间。

3.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述步骤S200中所述的测距公式为：

x⁽⁰⁾＝[l+(t₁-t₂)·v₀]/2

其中，x⁽⁰⁾均指初始确定的故障点距整流侧的距离，t₁为行波到达线路的整流侧的时间，t₂为行波到达线路的逆变侧的时间，l表示线路的总长度，v₀表示初始波速。

4.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，在利用故障距离对故障距离-波速曲线进行插值前，对所述故障距离-波速曲线进行的修正，其具体步骤包括：

A1：根据实际输电线路参数建立仿真模型，间隔距离X进行故障仿真，得到初始的故障距离-波速仿真曲线v(x)；

A2：根据实测或系统已有的先前故障数据，得到部分点的实测样本，并将其与仿真曲线的进行对比、拟合，得到修正系数f(x)；

A3：利用修正系数对仿真曲线进行修正，获得修正后的故障距离-波速曲线v′(x)＝v(x)+f(x)。

5.根据权利要求4所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述仿真曲线的修正系数f(x)为：

f(x)＝ax+b

其中，f(x)为修正系数，a和b为常数，x为故障点距整流侧的距离。

6.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述仿真曲线通过电磁暂态仿真软件建立。

7.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，利用波速v₁和v₂，再次计算故障距离的公式为：

$x^{\left(i\right)}=\frac{{\mathrm{lv}}_1-v_1{v}_2(t_2-t_1)}{v_1+v_2}$

其中，x⁽ⁱ⁾为再次计算得到的故障点距整流侧的距离，v₁表示行波传播到整流侧的速度，v₂表示行波传播到逆变侧的速度，l表示线路的总长度，t₁为行波到达线路的整流侧的时间，t₂为行波到达线路的逆变侧的时间。

8.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述最大迭代次数为30。

9.根据权利要求1所述的基于波速寻优的直流行波故障测距方法，其特征在于，所述误差值为300米。

Images