CN102183709B - 电网故障点及故障严重程度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统测控技术领域中的一种电网故障点及故障严重程度的确定方法。包括：在电网中安装测量单元；将各测量单元划分成不同的测量集合；当电网发生故障时，各测量单元分别同时测量设定时长的电压和电流行波数据；在各测量集合内，确定首先到达的测量单元；针对各测量集合内行波波头首先到达的测量单元，确定整个电网中行波波头首先到达的测量单元，该测量单元所在的测量集合即为故障点所在的测量集合；确定故障点所在的具体位置；计算第一个行波扰动功率峰值，确定故障的严重程度。本发明通过比较电网中不同地点测量的电压或电流行波数据波形的相似度最大值提取时差并计算故障点的位置，提高了测量的准确度和可靠性。

Description

电网故障点及故障严重程度的确定方法

技术领域

本发明属于电力系统测控技术领域，尤其涉及一种电网故障点及故障严重程度的确定方法。

背景技术

由于电力系统输电线路规模庞大，网架结构覆盖地域广阔，当输电线路上发生短路故障时，如何在广阔的电网中及时、准确定位故障点，为线路检修人员快速查找和排除故障，以及为减少因电网停电造成的经济损失具有重要的意义。当电网中发生故障后，如果能确定故障扰动对电网产生危害影响的程度，将对电网运行人员采取相关的电网调控措施提供重要的帮助。

目前国内外用于电力系统输电线路故障定位的方法主要有两类：阻抗法和行波法。对于如何确定故障扰动对电网产生危害影响程度的方法未见报道。

阻抗法需要建立输电线路的数学模型，通过采集故障时的电压和电流信号，利用求解故障点的阻抗以及线路长度与阻抗的关系方程，进而求得故障点的距离。由于受到故障点的过渡电阻、线路参数的精确度、电压和电流变换器误差等因素的影响，以及难以适用于T型等接线结构复杂的线路，使得阻抗法存在测距误差大、适应能力差的缺点。

行波法是根据行波传输理论进行故障测距的方法，当输电线路发生故障时，在故障点会产生沿输电线路传播的暂态行波，其传播速度很快、接近光速，借助于GPS时标，通过测量和计算故障时的电压或电流行波在线路上传播的时间，进而利用行波波速、传播时间和距离的函数关系来计算故障点的位置。行波测距法的关键是要需要准确地识别来自故障点的行波波头并确定其对应的时刻。

目前的行波测距法都是通过检测行波波头最大值对应的时刻来提取行波到达测量点的时间，在目前提取波头到达时刻信息的各种方法中，都是针对单一采样测量点的行波信号进行分析，由于电网中故障类型的多样性、接地电阻的差异性和故障时刻的不确定性等多种因素都会影响行波波头的特征，使得检测波头最大值对应的时刻存在较大的困难和误差。同时，由于行波传播速度快，要想采样得到行波波头的最大值及其对应的时刻，需要测量环节的采样频率非常快，过快的采样频率容易导致系统的抗干扰性能降低；另外，对于有些跳变速度快、尖锐的行波波头，还有可能出现漏检的情况发生，导致测量计算结果的严重失真。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种电网故障点及故障严重程度的确定方法，用于克服目前使用的电网故障点定位方法存在的不足，填补定量分析故障扰动对电网产生危害影响程度的空白。

技术方案是，一种电网故障点及故障严重程度的确定方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在电网中安装行波测量单元；

步骤2：将各行波测量单元划分成不同的测量集合；

步骤3：当电网发生故障时，各行波测量单元分别同时测量设定时长的电压行波数据和电流行波数据；

步骤4：在各测量集合内，比较任意两个行波测量单元测得的电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，提取行波到达所述两个行波测量单元的时差，确定行波波头在该测量集合中首先到达的行波测量单元；

步骤5：针对各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元，比较任意两个行波波头首先到达的行波测量单元的电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，确定各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元中，行波波头最先到达的行波测量单元，该行波测量单元所在的测量集合即为故障点所在的测量集合；

步骤6：确定故障点所在的具体位置；

步骤7：确定故障的严重程度。

所述在电网中安装行波测量单元具体是：

在辐射形结构的电网中，当只有首端结点和末端结点时，在首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元；当除了首端结点和末端结点外，还有中间结点时，在首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元，并任选首端结点和末端结点之间的1个中间结点安装行波测量单元；

在环形结构电网中，在最长线路的首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元，当两个相邻环形结构电网共享公共线路时，以共享的公共线路为最长线路，再选取该最长线路以外的任意1个结点安装行波测量单元；

行波测量单元用于采集与结点相连的所有线路上的电流行波数据和母线上的电压行波数据。

所述步骤4具体包括：

步骤101：设定任意两个行波测量单元分别为行波测量单元A和行波测量单元B；

步骤102：行波测量单元A和行波测量单元B在设定时长t内，测得电压行波数据或者电流行波数据，其中，电压行波数据分别为f_VA(τ)、f_VB(τ)，τ∈[0，t]，电流行波数据分别为f_IA(τ)、f_IB(τ)，τ∈[0，t]；

步骤103：设定行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数，具体为：

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电压行波数据分别为f_VA(τ)和f_VB(τ)时，行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{AB}}\left(x\right)={\∫}_0^t{f}_{\mathrm{VA}}(\mathrm{\τ}-x){\·f}_{\mathrm{VB}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{d\τ},$

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电流行波数据分别为f_IA(τ)和f_IB(τ)时，行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{AB}}\left(x\right)={\∫}_0^t{f}_{\mathrm{IA}}(\mathrm{\τ}-x){\·f}_{\mathrm{IB}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{d\τ};$

同时设定行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数，具体为：

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电压行波数据分别为f_VA(τ)和f_VB(τ)时，行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{BA}}\left(x\right)={\∫}_0^t{f}_{\mathrm{VB}}(\mathrm{\τ}-x){\·f}_{\mathrm{VA}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{d\τ};$

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电流行波数据分别为f_IA(τ)和f_IB(τ)时，行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{BA}}\left(x\right)={\∫}_0^t{f}_{\mathrm{IB}}(\mathrm{\τ}-x){\·f}_{\mathrm{IA}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{d\τ};$

步骤104：在时间段[0，t]内，令R_AB-MAX为R_AB(x)中的最大值，R_BA-MAX为R_BA(x)中的最大值；

步骤105：判断R_AB-MAX与R_BA-MAX的大小，如果R_AB-MAX＞R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元B，然后到达行波测量单元A，R_AB-MAX对应的x值为行波到达测量单元B后再到达行波测量单元A的时差；如果R_AB-MAX＜R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元A，然后到达行波测量单元B；R_BA-MAX对应的x值为行波到达波测量单元A后再到达行波测量单元B的时差。

所述确定故障的严重程度具体是，利用故障点两侧的两个行波测量单元的电压行波数据和电流行波数据相乘运算后的第一个扰动功率峰值之和来确定故障的严重程度。

本发明的效果在于，通过比较电网中相邻两个测量单元的电压或电流行波数据波形的相似度最大值来提取行波通过该两测量单元的时差，进而计算故障点的具体位置，避免了测量波头最大值出现的漏检问题，提高了测量的准确度和可靠性；利用行波波头最先到达的测量单元处的行波扰动功率的峰值描述故障对电网造成危害的严重程度，为电网运行操作人员观测故障的危害程度提供了一个直观的参考依据。

附图说明

图1是电网故障点定位方法流程图；

图2是电网中行波测量单元安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是电网故障点定位方法流程图。图1中，本发明提供的电网故障点定位方法包括下列步骤：

步骤1：在电网中安装行波测量单元。

图2是电网中行波测量单元安装示意图。图2中，将电网中的各个变电站视作电网的结点，并用数字表示。在图2的电网结构中，共有11个变电站结点，分别为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11。各变电站结点之间已知的线路长度分别为：L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13。

一般电网结构可以分为两类：辐射形和环形。环形的电网结构又可按照包含结点的数量进行划分，分为：3结点、4结点、5结点、6结点以上等环形电网结构。在图2的电网结构中，从结点4到结点1为辐射形结构的电网；同时包含3个环形结构的电网，结点4、结点5和结点6构成一个3结点环形结构的电网，结点4、结点6、结点7和结点8构成一个4结点环形结构的电网，结点4、结点5、结点9、结点10和结点11构成一个5结点环形结构的电网。

在图2所示的电网中，安装行波测量单元具体是：在结点4到结点1组成的辐射形结构的电网中，在首端结点1和末端结点4各安装1个行波测量单元，分别为行波测量单元C1和C3，并任选首端结点1和末端结点4之间的1个中间结点3安装行波测量单元C2。在辐射形结构的电网中，如果只有首端结点和末端结点，则只在首端结点和末端结点上各安装1个行波测量单元即可。

在环形结构电网中，在最长线路的首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元，当两个相邻环形结构电网共享公共线路时，以共享的公共线路为最长线路，再选取该最长线路以外的任意1个结点安装行波测量单元。图2中，结点4和结点5之间组成的线路以及结点4和结点6之间组成的线路成为3个环形结构电网的共享公共线路，因此，分别在结点4、结点5和结点6上安装行波测量单元。结点4已有行波测量单元C3，结点5和结点6上的行波测量单元分别为C4和C6。选取最长线路(共享公共线路)以外的任意1个结点安装行波测量单元，即图2中，选取结点7和结点10安装行波测量单元C7和C5。行波测量单元用于采集与结点相连的所有线路上的电流行波数据和母线上的电压行波数据。

步骤2：将各行波测量单元划分成不同的测量集合。

各行波测量单元按照电网结构划分测量集合。在图2中，将安装在辐射形结构的电网中的行波测量单元C1、C2、C3分为测量集合1；将安装在由结点4、5、6构成的环形结构电网中的测量单元C3、C4、C6分为测量集合2；将安装在由结点4、6、7、8构成的环形结构电网中的测量单元C3、C6、C7分为测量集合3；将安装在由结点4、5、9、10、11构成的环形结构电网中的测量单元C3、C4、C5分为测量集合4。

步骤3：当电网发生故障时，各行波测量单元分别同时测量设定时长的电压行波数据和电流行波数据。

测量结果可以送入计算中心或者中央处理单元。

步骤4：在各测量集合内，比较任意两个行波测量单元电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，提取行波到达所述两个行波测量单元的时差，确定行波波头在该测量集合中首先到达的行波测量单元。本实施例以电压行波数据为例，说明首先到达的行波测量单元的过程是：

步骤101：设定任意两个行波测量单元分别为行波测量单元A和行波测量单元B。

步骤102：行波测量单元A和行波测量单元B在设定时长t内测得的电压行波数据分别为f_VA(τ)、f_VB(τ)，τ∈[0，t]。

步骤103：设定行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数为：

x∈[0，t]；即将A点测量数据前移一个时间x，然后与B点测量数据进行乘积运算。

同时设定行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数为：x∈[0，t]；即将B点测量数据前移一个时间x，然后与A点测量数据进行乘积运算。

步骤104：在时间段[0，t]内，令R_AB-MAX为R_AB(x)中的最大值，R_BA-MAX为R_BA(x)中的最大值。

步骤105：判断R_AB-MAX与R_BA-MAX的大小，如果R_AB-MAX＞R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元B，然后到达行波测量单元A，R_AB-MAX对应的x值为行波到达测量单元B后再到达行波测量单元A的时差；如果R_AB-MAX＜R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元A，然后到达行波测量单元B；R_BA-MAX对应的x值为行波到达波测量单元A后再到达行波测量单元B的时差。

步骤5：针对各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元，比较任意两个行波波头首先到达的行波测量单元的电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，确定各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元中，行波波头最先到达的行波测量单元，该行波测量单元所在的测量集合即为故障点所在的测量集合。

本步骤中，确定整个电网结构中行波波头最先到达的行波测量单元。其过程与步骤4中的过程相似，只是行波测量单元已经不是测量集合中的行波测量单元，而是每个测量集合中行波波头最先到达的行波测量单元。

步骤6：确定故障点所在的具体位置。

如果整个电网结构中，行波最先到达的测量单元被两个测量集合所共享，需要在两个测量集合内根据提取的电压行波数据或者电流行波数据通过相邻测量单元的时差和已知的相邻线路长度，利用行波波速的计算方法，分别计算线路长度与时差的比值，当比值发生明显变化时，该段线路即为包含故障点的线路。

如图2所示，假设输电线路短路故障发生在5结点与11结点之间，根据第5步可以确定行波测量单元C4为行波波头最先到达的测量单元。由于已知各行波测量单元之间的线路长度，即：C4分别与C3、C6、C5之间的线路长度为L4、L5、L12+L13，如果在步骤5中提取的行波到达C4与C3、C6、C5之间的时差分别为：ΔT₄₃、ΔT₄₆、ΔT₄₅，由于行波在线路上的波速基本一致，则计算的行波波速有如下结果：

其中c_b波速。

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_{45}}{L_{12}+L_{13}}<\frac{1}{c_b}$

根据时差与线路长度比值的突变性特点，可以确定故障点在测量单元C4与C5之间。

再根据波速和步骤5计算的行波测量单元C4与C5之间的时差，即可按公式

计算得出故障点距离C4的距离s。

步骤7：确定故障的严重程度。

确定了故障点所在的线路之后，利用故障点两侧的两个行波测量单元的电压行波数据和电流行波数据相乘运算后的第一个扰动功率峰值之和来确定故障的严重程度。

以三相A、B、C短路为例，设故障点两侧的两个行波测量单元分别为行波测量单元M和行波测量单元N。行波测量单元M的电压行波数据为U_MA、U_MB和U_MC，电流行波数据为I_MA、I_MB和I_MC；行波测量单元N的电压行波数据为U_NA、U_NB和U_NC，电流行波数据为I_NA、I_NB和I_NC。故障点两侧的两个行波测量单元的电压行波数据和电流行波数据相乘运算为P_M＝U_MA×I_MA+U_MB×I_MB+U_MC×I_MC，P_N＝U_NA×I_NA+U_NB×I_NB+U_NC×I_NC。P_M和P_N为扰动功率值，P_M和P_N第一个扰动功率峰值分别为

其中，

代表扰动功率P_M第一个周期内的最大值，代表扰动功率P_N第一个周期内的最大值。由于行波扰动功率是一个有一定周期的波动变量，只有第一个波动周期的峰值完全是由故障造成的，其它后续周期混合一定的反射或其它因素，不能准确用来表示故障的影响。因此，在本发明中，为准确判断故障严重程度，使用第一个扰动功率峰值之和

确定故障的严重程度。在确定故障的严重程度后，技术人员可以根据情况采取相应的措施，保障电网运行安全。

本发明通过比较电网中相邻两个测量站的电压行波数据波形的相似度最大值来提取行波通过该两测量站的时差，进而计算故障点的具体位置；而不是仅仅针对一个测量站的行波数据，寻找行波波头最大值对应的时刻，通过计算各时刻之间的差来提取时差。由于故障行波在电网中是一个具有一定特殊形状的波头传播过程，波头形状中的各个点的数据都包含波头的一定信息，通过比较不同测量站之间行波波头的相似度来提取时差，避免了测量波头最大值出现的漏检问题，提高了测量准确度和可靠性。同时，利用包含故障点两侧的两个行波测量单元的电压行波和电流行波相乘运算后的第一个扰动功率峰值之和来确定故障的严重程度，能够准确定量地描述在某一时刻电网所受到的故障危害程度，为电网运行操作人员快速及时地观测电网中故障的危害程度及其动态过程提供准确的信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种电网故障点及故障严重程度的确定方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在电网中安装行波测量单元，具体是：

在辐射形结构的电网中，当只有首端结点和末端结点时，在首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元；当除了首端结点和末端结点外，还有中间结点时，在首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元，并任选首端结点和末端结点之间的1个中间结点安装行波测量单元；

在环形结构电网中，在最长线路的首端结点和末端结点各安装1个行波测量单元，当两个相邻环形结构电网共享公共线路时，以共享的公共线路为最长线路，再选取该最长线路以外的任意1个结点安装行波测量单元；

行波测量单元用于采集与结点相连的所有线路上的电流行波数据和母线上的电压行波数据；

步骤2：将各行波测量单元划分成不同的测量集合；

步骤3：当电网发生故障时，各行波测量单元分别同时测量设定时长的电压行波数据和电流行波数据；

步骤4：在各测量集合内，比较任意两个行波测量单元测得的电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，提取行波到达所述两个行波测量单元的时差，确定行波波头在该测量集合中首先到达的行波测量单元；

步骤5：针对各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元，比较任意两个行波波头首先到达的行波测量单元的电压行波数据或者电流行波数据波形的相似度最大值，确定各测量集合内行波波头首先到达的行波测量单元中，行波波头最先到达的行波测量单元，该行波测量单元所在的测量集合即为故障点所在的测量集合；

步骤6：确定故障点所在的具体位置；

步骤7：确定故障的严重程度，具体是：利用故障点两侧的两个行波测量单元的电压行波数据和电流行波数据相乘运算后的第一个扰动功率峰值之和来确定故障的严重程度。

2.根据权利要求1所述的一种电网故障点及故障严重程度的确定方法，其特征是所述步骤4具体包括：

步骤101：设定任意两个行波测量单元分别为行波测量单元A和行波测量单元B；

步骤102：行波测量单元A和行波测量单元B在设定时长t内，测得电压行波数据或者电流行波数据，其中，电压行波数据分别为f_VA(τ)、f_VB(τ)，τ∈[0,t]，电流行波数据分别为f_IA(τ)、f_IB(τ)，τ∈[0,t]；

步骤103：设定行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数，具体为：

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电压行波数据分别为f_VA(τ)和f_VB(τ)时，行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{AB}}\left(x\right)={\&Integral;}_0^t{f}_{\mathrm{VA}}(\mathrm{\&tau;}-x)\&CenterDot;f_{\mathrm{VB}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;},$

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电流行波数据分别为f_IA(τ)和f_IB(τ)时，行波测量单元A相对于行波测量单元B的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{AB}}\left(x\right)={\&Integral;}_0^t{f}_{\mathrm{IA}}(\mathrm{\&tau;}-x)\&CenterDot;f_{\mathrm{IB}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;};$

同时设定行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数，具体为：

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电压行波数据分别为f_VA(τ)和f_VB(τ)时，行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{BA}}\left(x\right)={\&Integral;}_0^t{f}_{\mathrm{VB}}(\mathrm{\&tau;}-x)\&CenterDot;f_{\mathrm{VA}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;};$

当行波测量单元A和行波测量单元B测得的电流行波数据分别为f_IA(τ)和f_IB(τ)时，行波测量单元B相对于行波测量单元A的曲线顺序相似度函数为：

$R_{\mathrm{BA}}\left(x\right)={\&Integral;}_0^t{f}_{\mathrm{IB}}(\mathrm{\&tau;}-x)\&CenterDot;f_{\mathrm{IA}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;};$

步骤104：在时间段[0,t]内，令R_B-MAX为R_AB(x)中的最大值，R_BA-MAX为R_BA(x)中的最大值；

步骤105：判断R_B-MAX与R_BA-MAX的大小，如果R_B-MAX>R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元B，然后到达行波测量单元A，R_B-MAX对应的x值为行波到达行波测量单元B后再到达行波测量单元A的时差；如果R_AB-MAX<R_BA-MAX则行波先到达行波测量单元A，然后到达行波测量单元B；R_BA-MAX对应的x值为行波到达行波测量单元A后再到达行波测量单元B的时差。

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