CN103116113A - 基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法 - Google Patents

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徐国卿
周翊民
陈炎锋
宋莉波
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本发明公开一种基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，包括如下步骤：从输电线路的一端提取电压故障信号；对所述电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率；根据所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离；其中，所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线采用仿真模型计算获得。上述方法具有较高的测量精度。

Description

基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法
技术领域
本发明涉及输电线路测距，特别是涉及一种基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法。
背景技术
电力行业一直都非常重视输电线路故障点定位问题。随着电力系统的不断发展，超高压、长距离输电线路越来越多，线路故障点的准确定位更彰显其重要性。输电线是连接发电站和用户的渠道，当输电线出现故障时，需要及时发现和定位故障点，才不至于因故障给生产生活带来不便甚至损失。对输电线路故障点的迅速准确地定位，还可以减轻巡线负担，及时发现安全隐患，加快线路恢复供电，减少因停电而造成的经济损失。
传统的对输电线路故障测距的方法主要包括阻抗法和行波法等。阻抗法由于不考虑过渡电阻、线路参数及系统参数(线路换位方式等)、故障暂态谐波等因素的影响，导致测量结果存在测距误差大，通常只作为一个辅助的手段，实现粗定位。行波法采用小波分析法识别波头、定位波头，然而因为受到采样频率、线路干扰和波形畸变等影响，常常产生波头难识别、波头精确定位难等状况，大大减低了测量的精度，甚至导致测距失败。也有采用基于行波固有频率的方法实现线路故障的单端测距，该方法是以频谱估计作为手段，得到线路的固有频率，而这个估计值与真实值之间容易产生较大的偏差，最终降低了测量的精度。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其具有较高的测量精度。
一种基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，包括如下步骤：
从输电线路的一端提取电压故障信号；
对所述电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率；
根据所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离；
其中，所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线采用如下步骤获得：
建立实际输电系统的仿真模型；
以第一步长从距离为零开始逐步对故障点到测量端的距离进行取值，模拟输电线故障；
对每一次故障模拟，提取仿真模型的电压故障信号；
对所述仿真模型的电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述仿真模型的电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率，并最终得到第一谐振点频率与故障距离的关系曲线、第二谐振点频率与故障距离的关系曲线以及第三谐振点频率与故障距离的关系曲线；
以故障点一作为所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，故障点二作为所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，将前述的三条关系曲线合成为所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线；
其中，所述故障点一为：第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率相差不超过频率阈值一的故障点；所述某故障点二为：第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率相差不超过频率阈值二的故障点。
在其中一个实施例中，所述第一步长为0.5千米。
在其中一个实施例中，所述频率阈值一为0.85千赫兹，所述频率阈值二为0.5千赫兹。
在其中一个实施例中，所述高通滤波采用截止频率为4.2千赫兹的椭圆形高通滤波器进行滤波。
在其中一个实施例中，所述根据第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离的步骤具体包括：
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第1谐振点的频率大于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点一对应的频率，则采用所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第2谐振点的频率小于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，并且大于或等于所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，则采用所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第3谐振点的频率小于或等于所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，则采用所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值；
若从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值。
上述方法，通过仿真模型建立故障距离和第1、2、3个谐振频率的关系，该关系在实际测量中，可通过分析电压故障信号，根据上述关系计算出故障点，具有较高的测量精度。
附图说明
图1为一实施例的基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法流程图；
图2为采用仿真模型获取频率与故障点关系曲线的流程图；
图3为输电线路等效电路图；
图4为滤波处理后的故障信号曲线图；
图5为进行傅里叶变换后的故障信号曲线图；
图6为第1、2、3个谐振点频率与距离的关系曲线；
图7为根据图6的关系曲线合成的故障点与频率的关系曲线。
具体实施方式
电网在故障、操作或遭受雷击会产生暂态故障信号，故障信号沿输电线路以接近光速的速度向整个电网传播，而在线路由于电感、电阻和电容的存在，所以故障信号中的某些频率点与线路构成谐振，导致该点频率的幅值增大。本技术就是基于谐振频率，测量故障点的位置。
如图1所示，为一实施例的基于谐振频率的输电线路的单端测距方法流程图。该方法包括如下步骤。
S101：从输电线路的一端提取电压故障信号。
S102：对所述电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率。
S103：根据所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离。
其中，如图2所示，所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线采用如下步骤获得：
S201：建立实际输电系统的仿真模型。确定输电线路单位长度阻抗，包括电阻R、电感L和电容C。如图3所示，为输电线路等效电路图。Es为单相电源，Zs为电压源的等效阻抗，m点和n点之间为输电线路，t点为测量点，f点为故障发生点，Zt为测量装置的等效阻抗。本实施例中，所建立的输电系统的仿真模型中，电源Es峰值为27.5千伏，Zs为j7.243，输电线路的单位长度电阻R=0.232欧姆/千米，单位长度电感L=1.64毫亨/千米，单位长度电容C=10.5纳法/千米。并且m点和t点之间的距离lt=10千米，m点和f点之间的距离lf=20千米，m点和n点之间的距离l=30千米。
S202：以第一步长从距离为零开始逐步对故障点到测量端的距离进行取值，模拟输电线故障。从t点开始，以第一步长逐渐增加距离作为故障模拟点来模拟输电线路的故障。本实施例中，第一步长为0.5千米。也即依次将距离t点0.5千米、1千米、1.5千米、……等处的点作为故障模拟点，在该处模拟短路接地等故障。
S203：对每一次故障模拟，提取仿真模型的电压故障信号。当故障发生时，会产生故障信号，提取该仿真模型的电压故障信号作为分析的基础。
S204：对所述仿真模型的电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述仿真模型的电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率，并最终得到第一谐振点频率与故障距离的关系曲线、第二谐振点频率与故障距离的关系曲线以及第三谐振点频率与故障距离的关系曲线。
其中，所述高通滤波采用截止频率为4.2千赫兹的椭圆形高通滤波器进行滤波。滤波后的电压故障信号经过傅里叶变换后，得到频域的曲线，分别可以得到多个谐振点频率，也即曲线中振幅峰值处所对应的频率。请参考图4和图5，分别是故障信号滤波和进行快速傅里叶变换后的曲线图。在图5中，可以看到多个幅度峰值，取幅度峰值最大的三处所对应的频率，即为上述的第1、2、3个谐振点频率。
通过对每隔0.5千米的距离模拟故障，可以得到第1、2、3个谐振点频率与距离的关系曲线。该关系曲线首先是通过离散点采样，然后通过拟合得到。如图6所示，为采用上述参数的输电线路的距离与频率的关系曲线图。拟合得到的曲线函数关系如下：其中fe为谐振频率，lf为故障距离。
第一谐振点曲线： l f = - 0.0002 * f e 3 + 0.0275 * f e 2 - 0.9968 * f e 1 + 13.6760
第二谐振点曲线： l f = - 0.0011 * f e 3 + 0.094 * f e 2 - 2 . 878 * f e 1 + 37 . 9538
第三谐振点曲线： l f = - 0.0056 * f e 3 + 0.3522 * f e 2 - 8 . 1302 * f e 1 + 81 . 7711 .
S205：以故障点一作为所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，以某故障点二作为所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，将前述的三条关系曲线合成为所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线。
如图7所示，是一条第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线。其中故障点一（设为A点）距离测量点6千米处，某故障点二（设为B点）距离测量点14千米处。该函数关系曲线由：第一谐振点频率与故障距离的关系曲线F1的前一部分、第二谐振点频率与故障距离的关系曲线F2的中间一部分以及第三谐振点频率与故障距离的关系曲线F3的后一部分合成。在第一谐振点频率与故障距离的关系曲线F1和第二谐振点频率与故障距离的关系曲线F2的衔接处，就对应该故障点一（A点）；在第二谐振点频率与故障距离的关系曲线F2和第三谐振点频率与故障距离的关系曲线F3的衔接处，就对应该某故障点二（B点）。
其中，故障点一和故障点二由以下方法确定。从测量点t开始，距离逐渐增加的过程，在曲线F1上，所述故障点一为第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率首次相差不超过频率阈值一的故障点；从测量点t开始，距离逐渐增加的过程，在曲线F2上，所述故障点二为第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率相差不超过频率阈值二的故障点。在优选的实施例中，所述频率阈值一取0.85千赫兹，频率阈值二取0.5千赫兹。例如，在5.5千米处，曲线F1对应的频率为11.25千赫兹，而在6千米处的频率为10.33千赫兹，6.5千米处的频率为9.55千赫兹，那么6千米处就作为故障点一。某故障点二的判断同此方法，只不过将频率阈值取为0.5千赫兹。
至此，就通过仿真模型得到了所述故障点距离和频率的关系曲线。根据该第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，就可以计算得到所述故障点距离。由于该曲线包括三段并不连续的曲线，具体采用哪段进行计算也需要确定。计算方法具体如下：
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第1谐振点的频率大于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点一距离对应的频率，则采用所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离。
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第2谐振点的频率小于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二距离对应的频率，并且大于或等于所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二距离对应的频率，则采用所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离。
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第3谐振点的频率小于或等于所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二距离对应的频率，则采用所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离。
若从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值。
若从从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
从输电线路的一端提取电压故障信号；
对所述电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率；
根据所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离；
其中，所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线采用如下步骤获得：
建立实际输电系统的仿真模型；
以第一步长从距离为零开始逐步对故障点到测量端的距离进行取值，模拟输电线故障；
对每一次故障模拟，提取仿真模型的电压故障信号；
对所述仿真模型的电压故障信号进行高通滤波和快速傅里叶变换，得到所述仿真模型的电压故障信号的第1、2、3个谐振点频率，并最终得到第一谐振点频率与故障距离的关系曲线、第二谐振点频率与故障距离的关系曲线以及第三谐振点频率与故障距离的关系曲线；
以故障点一作为所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，故障点二作为所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值终点和所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线的取值起点，将前述的三条关系曲线合成为所述第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线；
其中，所述故障点一为：第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率相差不超过频率阈值一的故障点；
所述故障点二为：第一次出现其对应的谐振频率与相隔所述第一步长的下一故障点距离对应的谐振频率相差不超过频率阈值二的故障点。
2.根据权利要求1所述的基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其特征在于，所述第一步长为0.5千米。
3.根据权利要求1所述的基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其特征在于，所述频率阈值一为0.85千赫兹，所述频率阈值二为0.5千赫兹。
4.根据权利要求1所述的基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其特征在于，所述高通滤波采用截止频率为4.2千赫兹的椭圆形高通滤波器进行滤波。
5.根据权利要求1所述的基于谐振频率的输电线路的单端故障测距方法，其特征在于，所述根据第1、2、3个谐振点频率与故障点距离的函数关系曲线，计算得到所述故障点距离的步骤具体包括：
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第1谐振点的频率大于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点一对应的频率，则采用所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第2谐振点的频率小于或等于所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，并且大于或等于所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，则采用所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号的第3谐振点的频率小于或等于所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线上故障点二对应的频率，则采用所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离；
若从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第一谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值；
若从输电线路的一端提取电压故障信号可以通过所述第二谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，也可以通过所述第三谐振点频率与故障距离的关系曲线计算故障距离，则该点的实际距离为两次计算结果的平均值。
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