CN103217626B - 一种利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法 - Google Patents

一种利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法，属电力系统继电保护技术领域。输电线路发生雷电且雷击点与闪络点不一致时，测量端检测并记录电流行波数据；根据行波相关特性，对雷击点和故障点在输电线路上的分布情况进行判断，利用小波变换对电流行波数据的模极大值进行求解，在时间轴上得到行波波头；对到达测量端的行波波头的极性和到达时刻进行标定，利用同性质波头出现的周期（即相邻波头的时序间隔）与故障位置的对应关系，通过相应的公式求取多组故障距离，对多组故障距离求平均值得到故障测距结果。具有可减少测距设备投入，测距误差小等优点。

Description

一种利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种雷击点与闪络点不一致时利用正负极性波头时序间隔进行单端行波故障测距的方法。
背景技术
雷击故障是输电线路故障的主要形式之一，且以直击雷为主。当雷电直接击中杆塔塔顶或避雷线时，雷电电流幅值较大，致使一个杆塔距离之内的绝缘子闪络，该情况视为雷击点与闪络点一致。若雷电绕击导线，此时雷电电流幅值较小，雷电行波沿导线传播一段距离后，在一个杆塔距离之外的绝缘薄弱处发生闪络，则认为雷击点与闪络点不一致。雷击点与闪络点位置一致时，测量端得到的行波波头可视为来自于故障点的行波经过折反射形成，该情况不影响单端或双端行波法的测距精度。雷击点与闪络点位置不一致时，线路除了被注入雷电行波外，还存在闪络故障行波，两种行波在线路上反复进行折反射并交替反映在测量端，增加了波头性质识别的难度。
针对雷击点与闪络点位置不一致的情况，目前代表性的测距方法有两种。第一种方法的基本原理是：在雷击侧，由雷电注入引起的电压行波先到达测量端，由故障引起的电压行波后到达测量端，检测到的电压行波起始阶段呈现雷击未故障特征；在闪络侧由故障引起的电压行波先到达测量端，由雷电注入引起的电压行波后到达测量端，检测到的电压行波起始阶段呈现故障特征。利用线路两侧检测到的电压行波线模首波头的幅值进行比较辨识雷击侧和闪络侧，再利用行波双端测距对故障点进行定位，双端行波测距最大的弊端是要求双端采集的数据具备同步性，且需要数据通讯设备和至少两套数据采集装置，建设成本高。第二种方法的基本原理是，雷击点和闪络点不一致时，一定时窗内雷击侧采样到的电流低频分量占总能量的比值小于闪络侧采集到的故障电流占总能量的比值，利用线路两侧的能量分布差异确定雷击点和闪络点的相对位置，该方法受雷电流参数和阻波器边界元件等因素的影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对特高压输电线路雷击点与闪络点不一致的情况，提出一种利用正负极性波头时序间隔进行单端行波故障测距的方法，克服传统双端行波测距设备投入多、要求数据采集同步、需进行数据交换通讯，而传统单端行波测距法测距误差大等问题和不足。
本发明利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法是：
首先，当输电线路发生雷击后，测量端（M端）检测并记录电流行波数据；再根据检测的电流行波相关特性，对雷击点和故障点（闪络点）在输电线路上的分布情况进行判断；
其次，截取故障后一定时间内（4ms）的行波数据，利用小波变换对电流行波数据的模极大值进行求解，在时间轴上得到行波波头；
然后，根据雷击点和故障点（闪络点）在输电线路上分布情况的判断结果，从电流初始行波首次到达测量端（M端）的时刻为起点，在后续                                               时间长度内对到达测量端（M端）的行波波头的极性和到达时刻进行标定；其中，为输电线路的长度，行波在输电线路上的传播速度；
最后，求取正负极性行波波头的时间序列间隔，利用相应的公式求取多组故障距离，对多组故障距离求平均值得到故障测距结果。
所述电流行波相关特性是指：雷击侧，由雷电注入引起的电流行波先到达测量端，由故障引起的电流行波后到达测量端，检测到的电流行波起始阶段呈现雷击未故障特征；闪络侧，由故障引起的电流行波先到达测量端，由雷电注入引起的电流行波后到达测量端，检测到的电流行波起始阶段呈现故障特征；据此相关特性，对雷击点和闪络点在输电线路上的分布情况进行判断。
所述对行波波头的极性标定和求取故障距离的方法是：
1、当雷击点更靠近测量端时
首先，将由雷击点向测量端直接传播过来的初始行波及其在故障点（闪络点）和对端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负；
然后，将正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                        （1）
将负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                       （2）
                          （3）
式（1）、（2）和（3）中，……，……；
再按以下时间序列间隔与故障距离的关系式求取各组故障距离：
                              （4）
                            （5）
                             （6）
式（4）、（5）和（6）中，、和分别表示、和中相邻两元素大值与小值的差值，为故障点（闪络点）到测量端的距离，为输电线路的长度；
最后，对各组故障距离求平均值，得到故障测距结果。
2、当故障点更靠近测量端时
首先，将由雷击点向测量端传播的初始行波在故障点（闪络点）和对端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负；
然后，将正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                           （7）
                          （8）
将负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                           （9）
                         （10）
式（7）、（8）、（9）和（10）中，……；
再按以下时间序列间隔与故障距离的关系式式求取多组故障距离：
                            （11）
                             （12）
                            （13）
                              （14）
式（11）、（12）、（13）和（14）中，、、和分别表示、、和中相邻两元素大值与小值的差值，为故障点（闪络点）到测量端的距离，为输电线路的长度；
最后，对各组故障距离求平均值得到故障测距结果。
本发明中，所求得的故障距离的个数由实际情况确定，主要取决于输电线路的长度和行波在输电线路上的传播速度（行波波头到达测量端M的时刻标定范围为：向M端传播的初始行波首次到达M端起历经时间长度后止）。
本发明的原理是：
图1为特高压输电线路雷击点与闪络点不一致时的结构示意图，其故障分量网络如图2所示。运行经验表明，雷电放电多为负极性脉冲波，雷电流模型目前普遍采用如式（15）所示的双指数形式。
                            （15）
式中，为雷电流幅值，为时间变量，为雷电波波头时间长度，取值范围为1.2~10μs，为雷电波波尾时间长度，取值范围为10~100μs。
图2中，测量端M（雷击侧）检测到的电流行波为：
   （16）
测量端N（闪络侧）检测到的电流行波为：
  （17）
式（16）和式（17）中，、分别为M、N侧母线系统的反射系数，为闪络点的折射系数。为从雷击点流向测量端M的雷电电流，为从雷击点流向测量端N的雷电电流。为故障点闪络电流，为从闪络点流向测量端M的闪络电流，为从闪络点流向测量端N的闪络电流，为雷电波波头时间长度，雷电波为波尾时间长度，为时间变量，为雷电行波到达闪络点的时间，为雷电行波的到达测量端M的时间，为闪络行波到达测量端N的时间。
假设雷击点为F1点，闪络点为F点，实际情况中F1和F的分布有两种情况，即F1靠近M端、F点靠近N端和F1靠近N端、F点靠近M端。下面分别针对上述两种情况进行分析说明。
第一种情况：当雷击点F1点靠近M端、闪络点F靠近N端时，雷电行波从雷击点F1向线路两端（M端和N端）传播，沿M端传播的雷电行波直接到达测量端M，并在M端发生折反射。沿N端传播的雷电行波在绝缘薄弱点F点发生闪络产生故障，增加了闪络电流行波源，此处从故障点折射出来的雷电行波和新产生的闪络行波叠加在一起继续向N端传播，到达N端后在N端发生折反射；在F点发生的反射雷电行波和新产生的闪络行波叠加在一起向M端传播，到达M端后发生折反射。各行波达到测量端M的时序网格图如图3所示。对该情况下行波波头到达测量端M 的时刻和极性进行标定，将由雷击点向M端直接传播过来的初始行波及其在故障点（闪络点）和N端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负。
正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                           (1)
负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                         (2)
                         (3)
式（1）、（2）和（3）中，……，……，为输电线路MN的长度，行波在输电线路上的传播速度。行波波头到达测量端M的时刻标定范围为：向M端传播的初始行波首次到达M端起历经时间长度后止，为输电线路MN的长度，行波在输电线路上的传播速度。
则时间序列间隔与故障距离的关系为：
                                (4)
                               (5)
                                (6)
式（4）、（5）和（6）中，、和分别表示、和中相邻两元素大值与小值的差值，为故障点（闪络点）到测量端的距离，为输电线路MN的长度。
第二种情况：当雷击点F1点靠近N端、闪络点F靠近M端时，雷电行波从雷击点F1向线路两端（M端和N端）传播，沿N端传播的雷电行波直接到达测量端N，并在N端发生折反射。沿M端传播的雷电行波在绝缘薄弱点F点发生闪络产生故障，增加了闪络电流行波源，此处从故障点折射出来的雷电行波和新产生的闪络行波叠加在一起继续向M端传播，到达M端后在M端发生折反射；在F点发生的反射雷电行波和新产生的闪络行波叠加在一起向M端传播，到达M端后发生折反射。各行波达到测量端M的时序网格图如图4所示。对该情况下行波波头到达测量端M 的时刻和极性进行标定，将由雷击点向M端传播的初始行波在故障点（闪络点）和N端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负。正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                               (7)
                              (8)
负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
                               (9)
                             (10)
式（7）、（8）、（9）和（10）中，……。行波波头到达测量端M的时刻标定范围为：向M端传播的初始行波首次到达M端起历经时间长度后止，为输电线路MN的长度，行波在输电线路上的传播速度。
则时间序列间隔与故障距离的关系为：
                              (11)
                               (12)
                               (13)
                                (14)
式（11）、（12）、（13）和（14）中，、、和分别表示、、和中相邻两元素大值与小值的差值，为故障点（闪络点）到测量端的距离，为输电线路MN的长度。
综上分析可知，雷击发生时，无论闪络点位于雷击点的哪一侧，同一性质的电流行波到达测量端时间轴上的时刻呈现周期性，即到达测量端两相邻时刻的差值相等或相近。利用同性质波头出现的周期（即相邻波头的时序间隔）与故障位置的对应关系可实现故障距离的求解。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本方法采用的是单端行波测距，克服了双端行波测距设备投入多，要求数据采集同步，需进行数据交换通讯等问题和不足。
2、本方法利用同性质波头出现的周期（即相邻波头的时序间隔）与故障位置的关系进行故障测距。传统单端行波测距法仅依赖于故障初始行波首次到达测量端的时刻和在故障点反射后第二次到达测量端的时刻，因此故障点反射波波头的辨识和时刻标定误差直接影响测距结果。而本方法充分利用了故障点反射波波头及后续所有同性质波头的综合信息，降低了测距误差产生的风险。
3、通过本方法可一次求得多组故障距离，取多组故障距离的平均值作为测距结果，可有效降低测距误差。
附图说明
图1为本发明特高压输电线路雷击点与闪络点不一致时的结构示意图；
图2为本发明雷击点与闪络点不一致时的故障分量网络图；
图3 为本发明雷击点靠近M端时各行波达到测量端M的时序网格图；
图4为本发明雷击点靠近N端时各行波达到测量端M的时序网格图；
图5为本发明实施例1雷击点靠近M端时测量端M检测并记录到的故障行波波形；
图6为本发明实施例1雷击点靠近M端时测量端M检测到的故障行波波形小波变换模极大值；
图7为本发明实施例2雷击点靠近N端时测量端M检测并记录到的故障行波波形；
图8为本发明实施例2雷击点靠近N端时测量端M检测到的故障行波波形小波变换模极大值。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
针对如图1所示的输电系统，设定网络电压等级为500kV，测量端为M端，输电线路的长度为150。假定两种故障情况，对其进行仿真，验证方法的可靠性。由于实施步骤中对雷击点和闪络点（故障点）位置分布情况的判断方法为常规方法，故不再进行计算说明。
实施例1：雷电绕击输电线路的A相，雷击点距离M端65，闪络点（故障点）距离M端80，测量端M检测并记录的故障行波波形如图5所示，截取故障后4ms的行波数据，利用三次B样条小波函数对其进行小波变换求模极大值，结果如图6所示。从电流初始行波首次到达M端的时刻为起点，在后续时间长度内对不同性质的行波波头进行极性和到达时刻进行标定，结果如表1所示。
表1 雷电点靠近M端时正负序列行波波头时序标定结果
正极性行波波头时序 0  535   1071             （单位）
负极性行波波头时序 0  466  535  937   1071   （单位）
求出正极性行波波头时序间隔为：
求出负极性行波波头时序间隔为：
利用故障测距公式（4）、（5）和（6），取行波波速为298000/s，计算故障距离得：
    
所以故障测距结果为：
79.924。
实施例2：雷电绕击输电线路的A相，雷击点距离M端95，闪络点（故障点）距离M端80，测量端M检测并记录的故障行波波形如图7所示，截取故障后4ms的行波数据，利用三次B样条小波函数对其进行小波变换求模极大值，结果如图8所示。从电流初始行波首次到达M端的时刻为起点，在后续时间长度内对不同性质的行波波头进行极性和到达时刻进行标定，结果如表2所示。
表2 闪络点靠近M端时正负序列行波波头时序标定结果
正极性行波波头时序 0  469  534  938   1070  （单位）
负极性行波波头时序 0  469  535  937   1069  （单位）
求出正负极性行波波头时序间隔为：
利用故障测距公式（11）、（12）、（13）和（14），取行波波速为298000/s，计算故障距离得：
所以故障测距结果为：
79.917。
上面结合附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种利用正负极性波头时序间隔的单端行波故障测距方法，其特征在于按以下步骤进行：
1.1雷击发生后，测量端检测并记录电流行波数据；
1.2根据检测的电流行波相关特性，对雷击点和故障点在输电线路上的分布情况进行判断；
1.3利用小波变换对电流行波数据的模极大值进行求解，在时间轴上得到行波波头；
1.4根据雷击点和故障点在输电线路上分布情况的判断结果，从电流初始行波首次到达测量端的时刻为起点，在后续2l/v时间长度内对到达测量端的行波波头的极性和到达时刻进行标定；其中，l为输电线路的长度，v行波在输电线路上的传播速度；
1.5求取正负极性行波波头的时间序列间隔，利用相应的公式求取多组故障距离，对多组故障距离求平均值得到故障测距结果；
所述步骤1.2中电流行波相关特性是指：雷击侧，由雷电注入引起的电流行波先到达测量端，由故障引起的电流行波后到达测量端，检测到的电流行波起始阶段呈现雷击未故障特征；闪络侧，由故障引起的电流行波先到达测量端，由雷电注入引起的电流行波后到达测量端，检测到的电流行波起始阶段呈现故障特征；据此相关特性，对雷击点和闪络点在输电线路上的分布情况进行判断；
所述步骤1.4和1.5中，对行波波头的极性标定和求取故障距离的方法是：
3.1当雷击点更靠近测量端时
3.1.1将由雷击点向测量端直接传播过来的初始行波及其在故障点和对端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负；
3.1.2将正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
ti+＝(tM1,tM2,tM3,L,tMn)            (1)
将负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
ti1-＝(t′M1,t′M2,t′M4,t′M(2k)L,t′Mn)           (2)
ti2-＝(t′M1,t′M3,t′M5,t′M(2k-1)L,t′M(n-1))            (3)
式(1)、(2)和(3)中，n＝1,2,3……，k＝1,2,3……；
再按以下时间序列间隔与故障距离的关系式求取各组故障距离：
xf＝1/2×v×(Δti+)        (4)
l-xf＝1/2×v×(Δti1-)           (5)
xf＝1/2×v×(Δti2-)            (6)
式(4)、(5)和(6)中，Δti+、Δti1-和Δti2-分别表示ti+、ti1-和ti2-中相邻两元素大值与小值的差值，xf为故障点到测量端的距离，l为输电线路的长度；
3.1.3对各组故障距离求平均值，得到故障测距结果；
3.2当故障点更靠近测量端时
3.2.1将由雷击点向测量端传播的初始行波在故障点和对端折反射得到的行波波头极性标定为正，其他行波波头的极性标定为负；
3.2.2将正极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
ti1+＝(tM1,tM2,tM4,L,tM2n)            (7)
ti2+＝(tM1,tM3,tM5,L,tM2n+1)                  (8)
将负极性波头按照时间顺序排列起来表示为：
ti1-＝(t′M1,t′M2,t′M4L,t′M2n)                (9)
ti2-＝(t′M1,t′M3,t′M5L,t′M2n+1)                  (10)
式(7)、(8)、(9)和(10)中，n＝1,2,3……；
再按以下时间序列间隔与故障距离的关系式求取多组故障距离：
l-xf＝1/2×v×(Δti1+)          (11)
xf＝1/2×v×(Δti2+)          (12)
l-xf＝1/2×v×(Δti1-)         (13)
xf＝1/2×v×(Δti2-)        (14)
式(11)、(12)、(13)和(14)中，Δti1+、Δti2+、Δti1-和Δti2-分别表示ti1+、ti2+、ti1-和ti2-中相邻两元素大值与小值的差值，xf为故障点到测量端的距离，l为输电线路的长度；
3.2.3对各组故障距离求平均值，得到故障测距结果。
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