CN105319479B - 输电线路双端故障测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路双端故障测距系统，包括高频数据采集模块、低频数据采集模块、控制逻辑电路模块、A/D转换模块、计算机装置；所述高频数据采集模块，用于采集高频数据；所述低频数据采集模块，用于采集低频数据；所述高频数据采集模块和所述低频数据采集模块的数据采集受到控制逻辑电路模块的同步控制，保证采集数据的同时性；A/D转换模块，用于对所述高频数据采集模块采集的高频数据进行转换，以及对所述低频数据采集模块采集的低频数据进行转换；计算机装置，用于根据转换后的数据进行故障测距。无需GPS装置即可实现输电线路双端故障测距系统。

Description

输电线路双端故障测距系统

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种输电线路双端故障测距系统。

背景技术

随着区域电网的互联建设等，高压输电线路不断增多，而由于输电走廊途径地区的气候和地形条件等因素的影响，输电线路是电力系统中易于发生故障的环节，及时找出故障位置、排除故障能有效提高系统的供电可靠性，同时对系统的安全稳定和经济运行有重要作用。国内外学者对故障测距技术进行了广泛的研究，提出了多种原理方法，其中双端量法测距技术同时利用故障线路两端的电气量实现故障定位，不受故障类型和过渡电阻等因素的影响，具有很高精度。

现有的双端故障测距算法主要有两种，一种是不需要双端数据同步的算法，不过利用不同步数据的时域算法会受到算法过程中产生误差的影响，算法复杂；另一种是利用同步数据的计算方法，但是依赖基于GPS采样装置的严格数据同步。

实际应用中，一些线路尚未安装GPS装置或者GPS装置时钟同步失效等问题都会引起双端数据的不同步采样，都将影响测距方法的精度。

发明内容

本发明提供一种输电线路双端故障测距系统，无需GPS装置即可实现输电线路双端故障测距系统。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种输电线路双端故障测距系统，包括高频数据采集模块、低频数据采集模块、控制逻辑电路模块、A/D转换模块、计算机装置；

所述高频数据采集模块，用于采集高频数据；

所述低频数据采集模块，用于采集低频数据；

所述高频数据采集模块和所述低频数据采集模块的数据采集受到控制逻辑电路模块的同步控制，保证采集数据的同时性；

A/D转换模块，用于对所述高频数据采集模块采集的高频数据进行转换，以及对所述低频数据采集模块采集的低频数据进行转换；

计算机装置，用于根据转换后的数据进行故障测距。

可选的，还包括：

数据存储模块，用于存储所述A/D转换模块转换后的数据。

可选的，所述高频数据采集模块包括：罗氏线圈、取样电路；

罗氏线圈对线路上的电流信号进行采样，罗氏线圈连接信号取样电路。

可选的，所述取样电路，用于将输电线路行波信号按不同变比进行多路采集，取样电路的最小输出电压不超过A/D转换模块输入电压。

可选的，所述计算机装置包括滤波模块、奇异点识别模块、数据对时模块、故障定位模块；

所述滤波模块、所述奇异点识别模块及所述数据对时模块，用于故障数据的准确对时；

所述故障定位模块，用于进行故障定位。

可选的，所述数据对时模块基于Gabor原子库的MP算法，具体包括：

建立Gabor原子库，Gabor原子由高斯窗函数经过调制而成，高斯窗调制的Gabor原子具有时频分辨率和灵活的时频积，能够准确的捕捉信号的时频细节，使用实数形式的Gabor原子完成基展开，Gabor实数原子表达式为：

式中，常数K_α为原子归一化因子；定义为g_γ(t)的索引，其中s为尺度参数，u为位移因子，ω为频率因子，φ为相位因子；为高斯窗函数，定义Γ＝R⁺×R²×[0,2π),α∈Γ；

从原子库中依照索引扫描找到本次迭代中与当前分析信号内积最大的原子，从当前信号中抽出本次匹配最佳原子的能量，形成新的残余信号，依此循环，每一步都从原子库中找出一个最优原子来线性表出信号；

进行N次迭代后，忽略残余信号能量，s'(n)可以用下式表示：

其中，满足条件

其中，s'(n)为信号总能量，R¹s为第一次迭代的起始信号能量，R^ms为第m次迭代的信号能量，g_αm为原子库中第m次抽取的最佳匹配原子，R^m+1s＝R^ms-<R^ms,g_αm>g_αm为第m次迭代后将获得的最佳匹配原子从残余信号中抽取出去形成新的残余信号，<R^ms,g_αm>为与R^ms内积最大的原子；

Gabor实数原子做傅立叶变换后得到

以为中心，且其有效范围与原子尺度s成反比。

可选的，所述故障定位模块进行计算，确定线路中故障点距测试单元安装点的距离，指导现场迅速查找故障点并有效消除；

阻抗法电压方程如下：

或者，

或者，

其中，Z为线路单位长度的阻抗；D_MF为M端到故障点F的距离；为M端测量到的电压、电流；为N端测量到的电流；R_F为故障点的过渡电阻；为故障点的短路电流。

基于上述技术方案，本发明实施例对高频数据进行转换，以及对低频数据进行转换，根据转换后的数据进行故障测距，从而无需GPS装置即可实现输电线路双端故障测距系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的输电线路双端故障测距系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的高频数据采集模块内部原理图；

图3为本发明实施例的原子分解对信号处理后的时频分布图；

图4为本发明实施例的迭代获得的各原子的参数量；

图5为本发明实施例的单相线路接地故障原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例首先利用数据采集装置分别获得故障线路两端的不同采样频率的两组数据，每侧采样点的两组数据基于同一个时钟，保证本侧采样数据的同时性，将两侧的采集数据通过信道传输到计算机装置，再基于一种新的分析非线性、非平稳信号的方法——时频原子算法对采集到的高频双端故障信号进行波头识别，分析对时，将对时后的低频采样同步数据作为基于同步数据的双端测距算法的基础数据进行计算，即可得出故障点的准确位置。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种输电线路双端故障测距系统，包括高频数据采集模块、低频数据采集模块、控制逻辑电路模块、A/D转换模块、计算机装置；

所述高频数据采集模块，用于采集高频数据；

所述低频数据采集模块，用于采集低频数据；

所述高频数据采集模块和所述低频数据采集模块的数据采集受到控制逻辑电路模块的同步控制，保证采集数据的同时性；

A/D转换模块，用于对所述高频数据采集模块采集的高频数据进行转换，以及对所述低频数据采集模块采集的低频数据进行转换；

计算机装置，用于根据转换后的数据进行故障测距。

可选的，还包括：

数据存储模块，用于存储所述A/D转换模块转换后的数据。

可选的，所述高频数据采集模块包括：罗氏线圈、取样电路；

罗氏线圈对线路上的电流信号进行采样，罗氏线圈连接信号取样电路。

可选的，所述取样电路，用于将输电线路行波信号按不同变比进行多路采集，取样电路的最小输出电压不超过A/D转换模块输入电压。

可选的，所述计算机装置包括滤波模块、奇异点识别模块、数据对时模块、故障定位模块；

所述滤波模块、所述奇异点识别模块及所述数据对时模块，用于故障数据的准确对时；

所述故障定位模块，用于进行故障定位。

可选的，所述数据对时模块基于Gabor原子库的MP算法，具体包括：

建立Gabor原子库，Gabor原子由高斯窗函数经过调制而成，高斯窗调制的Gabor原子具有时频分辨率和灵活的时频积，能够准确的捕捉信号的时频细节，使用实数形式的Gabor原子完成基展开，Gabor实数原子表达式为：

式中，常数K_α为原子归一化因子；定义为g_γ(t)的索引，其中s为尺度参数，u为位移因子，ω为频率因子，φ为相位因子；为高斯窗函数，定义Γ＝R⁺×R²×[0,2π),α∈Γ；

从原子库中依照索引扫描找到本次迭代中与当前分析信号内积最大的原子，从当前信号中抽出本次匹配最佳原子的能量，形成新的残余信号，依此循环，每一步都从原子库中找出一个最优原子来线性表出信号；

进行N次迭代后，忽略残余信号能量，s'(n)可以用下式表示：

其中，满足条件

其中，s'(n)为信号总能量，R¹s为第一次迭代的起始信号能量，R^ms为第m次迭代的信号能量，g_αm为原子库中第m次抽取的最佳匹配原子，R^m+1s＝R^ms-<R^ms,g_αm>g_αm为第m次迭代后将获得的最佳匹配原子从残余信号中抽取出去形成新的残余信号，<R^ms,g_αm>为与R^ms内积最大的原子；

Gabor实数原子做傅立叶变换后得到

以为中心，且其有效范围与原子尺度s成反比。

可选的，所述故障定位模块进行计算，确定线路中故障点距测试单元安装点的距离，指导现场迅速查找故障点并有效消除；

阻抗法电压方程如下：

或者，

或者，

其中，Z为线路单位长度的阻抗；D_MF为M端到故障点F的距离；为M端测量到的电压、电流；为N端测量到的电流；R_F为故障点的过渡电阻；为故障点的短路电流。

本发明实施例对高频数据进行转换，以及对低频数据进行转换，根据转换后的数据进行故障测距，从而无需GPS装置即可实现输电线路双端故障测距系统。

实施例2

如图1所示，本发明实施例提供一种输电线路双端故障测距系统，包括高频数据采集模块、低频数据采集模块、A/D转换模块、数据存储模块及控制逻辑电路模块，高频数据采集模块和低频数据采集模块的数据采集都要受到控制逻辑电路模块的同步控制，保证采集数据的同时性，高频数据采集模块内部结构如图2，其中包含罗氏线圈对线路上的电流信号进行采样，罗氏线圈的输出接到一个信号取样电路，取样电路由8个不同阻值的电阻串联组成，电阻值从下到上依次为R0、2R0、4R0、…、64R0、128R0。取样电路有8个输出端，将一路信号分为8路信号输出。线圈电阻远小于R0，当电流传感器的输出电压为U时，8个输出端自上到下输出电压依次为1/128U、1/64U、...、U。电压取样电路配合电流传感器将输电线路行波信号按不同变比进行多路采集，选择合理的线圈匝数，使得线路中流过最大预测电流时，取样电路的最小输出电压不超过A/D转换模块输入电压，这样可以保证不会因为A/D输入饱和造成采集到的信号全部失真。采集到的高频和低频数据由控制逻辑电路控制传输到计算机中，由软件系统进行数据处理，软件系统包括滤波模块、奇异点识别模块、数据对时模块及故障定位模块，前三个模块负责故障数据的准确对时。

本发明实施例中对时算法基于Gabor原子库的MP算法，具体过程如下：

首先建立Gabor原子库，Gabor原子是由高斯窗函数经过调制而成的，高斯窗调制的Gabor原子具有很高的时频分辨率和灵活的时频积，能够准确的捕捉信号的时频细节。使用实数形式的Gabor原子完成基展开，Gabor实数原子为：

式中，常数K_α为原子归一化因子；定义为g_γ(t)的索引，其中s为尺度参数，u为位移因子，ω为频率因子，φ为相位因子；为高斯窗函数。定义Γ＝R⁺×R²×[0,2π),α∈Γ。

从原子库中依照索引扫描找到本次迭代中与当前分析信号内积最大的原子，然后从当前信号中抽出本次匹配最佳原子的能量，形成新的残余信号，依此循环，每一步都从原子库中找出一个最优原子来线性表出信号。

进行N次迭代后，忽略残余信号能量，s'(n)可以用下式表示：

其中，满足条件

由于计算量的限制，必须在误差允许的范围内舍弃残余信号而获得近似最佳的原子。因为随着分解的不断进行，所余的残余信号的能量会逐渐变弱，这就保证了算法的收敛性。

高斯窗调制的Gabor原子具有很高的时频分辨率和灵活的时频积，能够准确的捕捉信号的时频细节；将式(1)原子表达式做傅立叶变换：

由上式可以看出，是以为中心的，且其有效范围与原子尺度s成反比。当尺度因子s很小时，表示原子在时域范围聚焦，而在频域范围有较宽的连续频谱，因而能够很好的匹配信号突变点的频谱特性。

信号在传播和接收过程中很容易受到噪声的干扰，MP算法可以用在时频方面具有很好局部性的时频原子来进行非平稳信号的刻画，由于噪声信号频率高但能量低，在选取匹配原子过程中内积值太低，不会被选中，所以在近似匹配度下，原子分解的得到的原子难以与噪声信号获得很好的匹配，MP算法具有一定的滤除噪声的能力。例如，含有30分贝白噪声的信号，在含有噪声的情况下，原子分解法的重构信号可以对突变点进行跟踪，依然可以有效的检测出奇异点的所在，也就是说在含有噪声干扰的情况下采用原子分解进行奇异点的捕捉不失其有效性。

参考图3，波形发生突变，即奇异点的产生，此时波形中包含有丰富的频率分量，由图3可以看出，在故障发生的时刻，波形发生突变，即奇异点的产生，此时波形中包含有丰富的频率分量，而在其他时刻波形中的频率分量尤其是高频分量的含量很少，所以可以看出频谱图中奇异点处有明显的指示。除了奇异点产生的其他时刻波形中的频率分量尤其是高频分量的含量很少，所以可以根据原子分解后的迭代结果如图4，查找尺度最小的原子找出奇异点的时域中心即可获得故障信号奇异点的发生时刻。根据故障时刻的唯一性特征，进行双端数据的准确对时，对时精度为微秒级。

本发明实例中对于得到的精确对时的数据，可利用故障定位模块进行计算，找出线路中故障点距测试单元安装点的距离，指导现场迅速查找故障点并有效消除。故障定位算法是基于双端故障数据同步的阻抗法。阻抗法由于利用低频稳态向量作为计算分析依据，因此对电压、电流传感器的要求较低。双端量阻抗法测距则除了需要本端电压、电流外，还必须至少知道对端的电流量或者是电压电流量，通过双端的数据进行准确的定位。利用双端数据的阻抗法测距原理上可以消除过渡电阻的影响，比单端阻抗法测距精度要高。

参考图5，阻抗法电压方程如下：

由于知道了对端的电流量，上式可改写为:

对上式两端取虚部，整理可得

由上式可知，测距结果D_MF不受过渡电阻影响。但是为了得到准确的必须要求两端的电流量和严格同步。

本发明实施例对高频数据进行转换，以及对低频数据进行转换，根据转换后的数据进行故障测距，从而无需GPS装置即可实现输电线路双端故障测距系统。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种输电线路双端故障测距系统，其特征在于，包括高频数据采集模块、低频数据采集模块、控制逻辑电路模块、A/D转换模块、计算机装置；

所述高频数据采集模块，用于采集高频数据；

所述低频数据采集模块，用于采集低频数据；

所述高频数据采集模块和所述低频数据采集模块的数据采集受到控制逻辑电路模块的同步控制，保证采集数据的同时性；

A/D转换模块，用于对所述高频数据采集模块采集的高频数据进行转换，以及对所述低频数据采集模块采集的低频数据进行转换；

计算机装置，用于基于时频原子算法对转换后的数据分析对时以及进行故障测距；

所述计算机装置包括滤波模块、奇异点识别模块、数据对时模块、故障定位模块；所述滤波模块、所述奇异点识别模块及所述数据对时模块，用于故障数据的准确对时；所述故障定位模块，用于进行故障定位；

所述数据对时模块基于Gabor原子库的MP算法，具体包括：

建立Gabor原子库，Gabor原子由高斯窗函数经过调制而成，高斯窗调制的Gabor原子具有时频分辨率和灵活的时频积，能够准确的捕捉信号的时频细节，使用实数形式的Gabor原子完成基展开，Gabor实数原子表达式为：

式中，常数K_α为原子归一化因子；定义为g_γ(t)的索引，其中s为尺度参数，u为位移因子，ω为频率因子，φ为相位因子；为高斯窗函数，定义Γ＝R⁺×R²×[0,2π),α∈Γ；

从原子库中依照索引扫描找到本次迭代中与当前分析信号内积最大的原子，从当前信号中抽出本次匹配最佳原子的能量，形成新的残余信号，依此循环，每一步都从原子库中找出一个最优原子来线性表出信号；

进行N次迭代后，忽略残余信号能量，s'(n)可以用下式表示：

其中，满足条件

其中，s'(n)为信号总能量，R¹s为第一次迭代的起始信号能量，R^ms为第m次迭代的信号能量，g_αm为原子库中第m次抽取的最佳匹配原子，R^m+1s＝R^ms-<R^ms,g_αm>g_αm为第m次迭代后将获得的最佳匹配原子从残余信号中抽取出去形成新的残余信号，<R^ms,g_αm>为与R^ms内积最大的原子；

Gabor实数原子做傅立叶变换后得到

以为中心，且其有效范围与原子尺度s成反比。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

数据存储模块，用于存储所述A/D转换模块转换后的数据。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高频数据采集模块包括：罗氏线圈、取样电路；

罗氏线圈对线路上的电流信号进行采样，罗氏线圈连接信号取样电路。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述取样电路，用于将输电线路行波信号按不同变比进行多路采集，取样电路的最小输出电压不超过A/D转换模块输入电压。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述故障定位模块进行计算，确定线路中故障点距测试单元安装点的距离，指导现场迅速查找故障点并有效消除；

阻抗法电压方程如下：

或者，

对上式两端取虚部，整理可得，

其中，Z为线路单位长度的阻抗；D_MF为M端到故障点F的距离；为M端测量到的电压、电流；为N端测量到的电流；R_F为故障点的过渡电阻；为故障点的短路电流。