CN104166073A

CN104166073A - 一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统及方法

Info

Publication number: CN104166073A
Application number: CN201310313709.2A
Authority: CN
Inventors: 王峥; 李国栋; 周雪松; 靳盘龙; 梁伟; 刘云; 王瑶
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2014-11-26

Abstract

本发明涉及一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统及方法，该系统包括由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块构成的终端测量模块及控制中心主机，该方法步骤有：对电流互感器测量的电流行波信号计算出带时标的各相电流相位；对相电流进行解耦，选用线模分量作为故障定位用行波传播模式；将所得行波信号上传至控制中心主机；行波波头检测，对线模分量进行快速本征模态分解；行波到达时间的确定；波速的测量；故障定位，本发明具有更高的检测精度,保证了故障行波在由故障点和3个测量点组成的三线路段中波速的一致,且实现了故障行波波速的精确在线测定。

Description

一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统及方法

技术领域

本发明属于配电网故障定位技术领域，特别是一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统及方法。

背景技术

配电网因其拓扑结构复杂而对故障定位的要求比较高。基于测量故障信号行波到达末端的时间来确定故障点的行波测量算法有很多，其核心在于：1、对信号的捕获，即对于故障行波波头的检测，是针对故障信号其特点利用信号分析的方法能够保证第一时间确定故障行波；2、对于波速的测量，行波波速的准确性是利用行波法精确定位故障点的另一关键因素。故障行波的传播速度与输电线路的实际参数有关,而线路参数是频率的函数,由于频率是实时波动的,因此准确计算行波波速较为困难。3、对于时间的测量，指的是为了获得行波波头到达两端监测点的精确时间，线路两端必须配置高精度的同步时钟。随着全球定位系统(globalpositioning system,GPS)及同类的高精度同步时钟系统在电网中的应用，这已是可以解决的问题。

对于第一个问题，现有的小波变换（Wavelet Transform,WT）虽然在检测行波波头到达时刻上有突破性，但是也有其不可忽视的缺点，就是小波变换缺少自适应性，对于信号选取小波基函数和分解尺度要求比较高；后来更进一步的检测方法有希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform,HHT）在检测波头时刻上面拥有更加精确的优点，而且不存在选取函数的问题，是一种自适应方法，但是希尔伯特-黄变换还是拥有其不足之处，如过包络、欠包络、分解结果不唯一和计算量较大等。

对于第二个问题，在利用行波法进行故障定位时,有的将波速直接取为光速,有的提出使用线路区外故障时由双端行波测距系统本身所测得的波速(即使用离线测得的波速),有的则利用故障初始行波、故障点反射波或对端母线反射波到达母线的时间来消除波速的影响等等。由于输电线路参数是随频率变化的,即使同一线路在不同时刻线路参数也在变化,波速数值也不相同。因此,无论是将波速取

为定值,还是使用离线测得的波速都无法保证故障行波波速的准确性。而对于利用故障点反射波或对端母线反射波消除波速影响的故障定位方法,当反射波衰减至无法测量或不存在反射波时其定位可靠性和定位精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统及方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：包括由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块构成的终端测量模块及控制中心主机，所述传感器模块对电网线路各相电流进行测量，传感器模块输出与微处理器模块输入连接，微处理器模块输出与无线通信模块输入连接，无线通信模块输出与控制中心主机无线通信，所述电源模块为整个终端测量模块供电。

而且，所述传感器模块进一步包括电流互感器、控制器、A/D转换及D/A转换，电流互感器一次侧直接串联到线路中，二次侧通过接入一个运算放大器后与A/D转换连接，A/D转换输出与微处理器模块连接，所述控制器与D/A转换连接，D/A转换输出与微处理器模块连接。

而且，微处理器模块具体采用型号为MSP430F149的微处理器芯片，该微处理器芯片进一步分为应用单元，存储器单元及处理器单元，处理器单元的传感器接入端口接收传感器模块的A/D转换输出信号，应用单元接收传感器模块的D/A转换输出信号,存储器单元与无线通信模块连接实现信息的相互传递。

而且，所述微处理器模块进一步外接一个频率为32.768kHz的低速晶体振荡器及一个频率为8MHz的高速晶体振荡器，微处理器模块通过内部频率为1042kHz时钟和两个外部晶体振荡器进行时间同步和取样频率设定，低速晶体振荡器连接在MSP430F149芯片的XIN和XOUT管脚上，高速晶体振动器作为第二晶体振荡器，连接在MSP430F149芯片的XT2OUT和XT2IN管脚上。

而且，所述MSP430F149芯片在一般情况下工作在低频模式，当需要进行数据监测时，立即切换到高频模式，进行数据的采集、处理和收发等操作，使系统满足低功耗的同时也保证了快速响应。

而且，所述无线通信模块具体采用CC2430单片机，无线通信模块通过串口电路与控制中心主机进行无线通信，将处理后行波信号上传至控制中心主机。

一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，其特征在于：方法的步骤如下：

⑴电流互感器对电网线路各相的电流进行测量；

⑵利用无线通信模块对电流互感器测量的电流行波信号进行初步计算，计算出带时标的各相电流相位；

⑶利用模变换方法对相电流进行解耦，得到地模行波分量和线模行波分量，选用线模分量作为故障定位用行波传播模式；

⑷通过无线通信模块将所得行波信号上传至控制中心主机；

⑸行波波头检测：控制中心主机无线接收无线通信模块发送的行波信号，对线模分量进行快速本征模态分解，其步骤如下：

①找出被分析信号f(t)的所有极值点R(t),如果极值点个数少于三个，说明已分解完毕,停止分解并输出结果;

②利用线性转换连接f(t)的所有极值点,并将其作为初始残余量r(t)，

r (t) = R (t_{j}) + (R (t_{j + 1}) - R (t_{j})) \frac{t - t_{j}}{t_{j + 1} - t_{j}}

然后从被分析信号f(t)中减去初始残余量r(t),将所得结果作为初始IMF分量F(t)＝f(t)-R(t);

⑹行波到达时间的确定：

对于上面快速本征模态分解所得到的首个初始IMF分量利用Teager能量算子提取信号F(t)的能量：

其中：为能量算子,利用Teager能量算子计算其瞬时能量曲线,曲线上首个能量突变点所对应的时刻即为故障初始行波到达该测量点的时刻；

⑺波速的测量：

①三测点选取，三个测量点分别确定在线路的两端A测点和B测点及线路中间的C测点位置；

②控制中心主机根据各测量点的电流采样数据和计算得到的各相电流相位值，根据分相电流相位差动原理计算出故障行波波速V；

假定短路故障发生在AC线路段之间,则可根据故障行波分别到达测点B和测点C的时刻t_B和t_C计算出其在BC段线路上的传输时间△t_BC：

△t_BC＝t_B-t_C，

通过计算即可得到出故障行波波速V：

v = \frac{l_{2}}{Δ t_{BC}}

如果判断出的故障点位于BC段线路,同理可以利用行波到达测点A和测点C的时间差△t_AC和AC之间的线路长度l₁计算出行波波速V：

v = \frac{l_{1}}{Δ t_{AC}};

⑻故障定位：

根据线路两端测点A和B检测到的行波第一次的到达时刻t_A和t_B,利用双端行波定位原理计算式，即可定位出故障距离l_Ad：

l_{Ad} = \frac{l + v (t_{A} - t_{B})}{2} .

而且，所述步骤⑵的计算出带时标的各相电流相位，具体为电流计算利用1/2周波。

而且，所述步骤⑶对相电流进行解耦，具体可取各相约1/8～1/2个周波的电流数据利用凯伦贝尔变换对电流行波信号进行解偶。

而且，所述步骤⑺中的步骤①三测点选取，在实际中第三个测量点不必精确设置在线路中间,一般设在最居中间的杆塔处,该测量点距线路两端的距离是己知的，各测量点配备有终端测量模块。

本发明的优点和积极效果是

1、鉴于波头检测常用的小波变换存在小波基函数和分解尺度选择困难的不足,以及希尔伯特-黄变换存在过包络、欠包络和负频率等问题,本发明提出将快速本征模态分解和Teager能量算子相结合用于故障行波波头到达时刻的检测，该方法具有更高的检测精度,能解决希尔伯特-黄变换存在的问题。

2、鉴于当前行波波速测定在精度上仍存在不足,本发明提出了在线路中途增设测量性能较好的硬件检测终端以测定波速,并在此基础上进行故障定位的具体方法。该方法保证了故障行波在由故障点和3个测量点组成的三线路段中波速的一致,且实现了故障行波波速的精确在线测定。

3、本发明结合信号分析、继电保护以及通信等多种先进技术于一体，是配电网故障定位的一个很有效的方法。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为终端测量模块内部结构示意图：

图3为微处理器模块连接示意图；

图4为本发明方法中三测点选取的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，如图1所示，包括由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块构成的终端测量模块及控制中心主机，所述传感器模块对电网线路各相电流进行测量，传感器模块输出与微处理器模块输入连接，微处理器模块输出与无线通信模块输入连接，无线通信模块输出与控制中心主机无线通信，所述电源模块为整个终端测量模块供电。

其中，如图2或3所示，所述传感器模块进一步包括电流互感器、控制器、A/D转换及D/A转换，电流互感器一次侧直接串联到线路中，二次侧通过接入一个运算放大器后与A/D转换连接，A/D转换输出与微处理器模块连接，所述控制器与D/A转换连接，D/A转换输出与微处理器模块连接。

其中，如图2或3所示，微处理器模块具体采用型号为MSP430F149的微处理器芯片，该微处理器芯片进一步包括应用单元，存储器单元及处理器单元，处理器单元的传感器接入端口接收传感器模块的A/D转换输出信号，应用单元接收传感器模块的D/A转换输出信号,存储器单元与无线通信模块连接实现信息的相互传递。

所述微处理器模块外接两个外部时钟模块，微处理器模块通过内部的一个DCO时钟和两个外部时钟模块进行时间同步和取样频率设定。内部时钟的频率最高可达到1042kHz；外部的两个时钟，一个为低速晶体振荡器，另一个为最高时钟频率为8MHz的高速晶体振荡器。低速晶体振荡器可以支持超低功耗，它在低频模式下使用1个32.768kHz的晶体，该晶体直接连接在MSP430F149芯片的XIN和XOUT管脚上。高速晶体振动器作为它的第二晶体振荡器，连接在芯片的XT2OUT和XT2IN管脚上，它与低速晶体振荡器的不同之处在于功耗较大且必须外接电容。系统可以根据不同的需要选择不同的晶体振荡器作为主时钟，本发明中设定微处理器在一般情况下工作在低频模式，当需要进行数据监测时，系统会立即切换到高频时钟，进行数据的采集、处理和收发等操作。两个晶体振荡器的相互协作，使系统满足低功耗的同时也保证了快速响应。

其中，所述无线通信模块具体采用CC2430单片机，无线通信模块通过串口电路与控制中心主机进行无线通信，将处理后行波信号上传至控制中心主机，

其中，所述电源模块与传感器模块、微处理器模块及无线通信模块连接，保证整个终端测量模块供电。

一种利用上述基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，该方法的步骤如下：

⑴电流互感器对电网线路各相的电流进行测量；

⑵利用无线通信模块对电流互感器测量的电流行波信号进行初步计算，计算出带时标的各相电流相位，其中，电流计算利用1/2周波；

⑶利用模变换方法对相电流进行解耦，得到地模(0模)行波分量和线模(α模和β模)行波分量，选用线模分量作为故障定位用行波传播模式；其中，所述对相电流进行解耦，具体可取各相约1/8～1/2个周波的电流数据利用凯伦贝尔变换对电流行波信号进行解偶。

⑷通过无线通信模块将所得行波信号上传至控制中心主机；

⑸行波波头检测：控制中心主机无线接收无线通信模块发送的行波信号，对线模分量进行快速本征模态分解，其流程如下：

r (t) = R (t_{j}) + (R (t_{j + 1}) - R (t_{j})) \frac{t - t_{j}}{t_{j + 1} - t_{j}}

⑹行波到达时间的确定：

⑺波速的测量：

①三测点选取，如图2所示,假定线路长度为l,三个测量点分别确定在线路的两端，及线路中间位置,保证了线路的各段都将有相同的波速计算式，在实际中第三个测量点不必精确设置在线路中间,一般设在最居中间的杆塔处,该测量点距线路两端的距离是己知的，各测量点配备有本发明所设计的终端测量模块；

②控制中心主机根据各测量点的电流采样数据和计算得到的各相电流相位值，根据分相电流相位差动原理计算出故障行波波速V；具体计算为：如图2所示，假定短路故障发生在AC线路段之间,则可根据故障行波分别到达测点B和测点C的时刻t_B和t_C计算出其在BC段线路上的传输时间△t_BC：

△t_BC＝t_B-t_C

通过计算即可得到出故障行波波速V：

v = \frac{l_{2}}{Δ t_{BC}}

如果判断出的故障点位于BC段线路,同理可以利用行波到达测点A和测点C的时间差△t_AC和AC之间的线路长度l₁计算出行波波速V；

v = \frac{l_{1}}{Δ t_{AC}}

⑧故障定位：

根据线路两端测点A和B检测到的行波第一次的到达时刻t_A和t_B,利用双端行波定位原理计算式，即可定位出故障距离l_Ad(假定故障点为d)

l_{Ad} = \frac{l + v (t_{A} - t_{B})}{2} .

Claims

1.一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：包括由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块构成的终端测量模块及控制中心主机，所述传感器模块对电网线路各相电流进行测量，传感器模块输出与微处理器模块输入连接，微处理器模块输出与无线通信模块输入连接，无线通信模块输出与控制中心主机无线通信，所述电源模块为整个终端测量模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：所述传感器模块进一步包括电流互感器、控制器、A/D转换及D/A转换，电流互感器一次侧直接串联到线路中，二次侧通过接入一个运算放大器后与A/D转换连接，A/D转换输出与微处理器模块连接，所述控制器与D/A转换连接，D/A转换输出与微处理器模块连接。

3.根据权利要求1所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：微处理器模块具体采用型号为MSP430F149的微处理器芯片，该微处理器芯片进一步分为应用单元，存储器单元及处理器单元，处理器单元的传感器接入端口接收传感器模块的A/D转换输出信号，应用单元接收传感器模块的D/A转换输出信号,存储器单元与无线通信模块连接实现信息的相互传递。

4.根据权利要求3所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：所述微处理器模块进一步外接一个频率为32.768kHz的低速晶体振荡器及一个频率为8MHz的高速晶体振荡器，微处理器模块通过内部频率为1042kHz时钟和两个外部晶体振荡器进行时间同步和取样频率设定，低速晶体振荡器连接在MSP430F149芯片的XIN和XOUT管脚上，高速晶体振动器作为第二晶体振荡器，连接在MSP430F149芯片的XT2OUT和XT2IN管脚上。

5.根据权利要求4所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：所述MSP430F149芯片在一般情况下工作在低频模式，当需要进行数据监测时，立即切换到高频模式，进行数据的采集、处理和收发等操作，使系统满足低功耗的同时也保证了快速响应。

6.根据权利要求1所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统，其特征在于：所述无线通信模块具体采用CC2430单片机，无线通信模块通过串口电路与控制中心主机进行无线通信，将处理后行波信号上传至控制中心主机。

7.一种基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，其特征在于：方法的步骤如下：

⑴电流互感器对电网线路各相的电流进行测量；

⑷通过无线通信模块将所得行波信号上传至控制中心主机；

r (t) = R (t_{j}) + (R (t_{j + 1}) - R (t_{j})) \frac{t - t_{j}}{t_{j + 1} - t_{j}}

⑹行波到达时间的确定：

对于上面快速本征模态分解所得到的首个初始IMF分量利用Teager能量算子提取信号F(t)的能量:

⑺波速的测量：

△t_BC＝t_B-t_C，

通过计算即可得到出故障行波波速V:

v = \frac{l_{2}}{Δ t_{BC}}

v = \frac{l_{1}}{Δ t_{AC}};

⑻故障定位：

l_{Ad} = \frac{l + v (t_{A} - t_{B})}{2} .

8.根据权利要求3所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，其特征在于：所述步骤⑵的计算出带时标的各相电流相位，具体为电流计算利用1/2周波。

9.根据权利要求3所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，其特征在于：所述步骤⑶对相电流进行解耦，具体可取各相约1/8～1/2个周波的电流数据利用凯伦贝尔变换对电流行波信号进行解偶。

10.根据权利要求3所述的基于改进双端行波法的配电网故障定位系统的方法，其特征在于：所述步骤⑺中的步骤①三测点选取，在实际中第三个测量点不必精确设置在线路中间,一般设在最居中间的杆塔处,该测量点距线路两端的距离是己知的，各测量点配备有终端测量模块。