CN105652151B - 基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，包括检测故障线路两端采样数据对应的故障起点，利用故障前线路正常运行时的电气量计算两端数据故障起点间的非同步角初值，计算故障距离初值；迭代进行修正，包括根据故障距离修正两端非同步角，计算线路在线参数，并对测距结果进行优化，当满足容许误差时则测距结束。本发明在测距过程中充分考虑了线路参数的变化与两端数据的同步问题，并且运用测距结果优化方法很好地客服了故障相量测量偏差对测距结果的影响，有效提高了输电线路故障测距精度。

Description

基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法

技术领域

本发明涉及到输电线路故障定位领域，特别涉及一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法。

背景技术

作为一种重要的输电线路故障定位方法，故障分析法利用线路故障前后的电流、电压结合相关线路参数进行故障测距。现有的故障分析法测距时大多将线路参数视为已知，然而实际中，线路参数在线路投运后由于气候、环境及地理因素的影响会或多或少的发生变化，因此利用离线参数进行测距势必会产生误差。故障分析法中的双端法由于具有测距精度高、简单实用等优点而被广泛应用。双端测距法除了面临线路参数变化的问题外，还需面临其特有数据同步问题。目前，双端测距一般利用GPS为系统数据授时，使线路两端数据时标同步。但利用GPS授时经济性较差，同时进一步考虑到互感器相移、硬件延时和采样率差别等因素引入的误差，利用GPS也不能保证两端数据严格同步。因此，利用双端法测距时须对两端数据进行非同步校验。

虽然许多学者在研究双端测距方法时也有考虑线路参数的变化或两端数据的同步性问题，但目前绝大部分双端测距方法并没有同时考虑到两大因素的影响，另外少量方法虽然同时将二者纳入测距过程，但均在很大程度上加大了测距方程的求解难度，应用于工程实际对测距精度的提高并不明显。因此，研究一种同时考虑线路参数变化与两端数据同步性的输电线路双端测距方法，并且能够有效控制算法实现的计算量，保证其工程应用价值，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明主要是解决现有方法存在的技术问题，设计出一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法。

本发明提供的技术方案提供一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，包括以下步骤，

步骤1，检测故障线路两端采样数据对应的故障起点，设线路一端为m端，另一端为n端，l为线路长度，记检测出的m端故障数据对应的故障起点为n_m0，n端故障数据对应的故障起点为n_n0；

步骤2，利用故障前线路正常运行时的电气量计算两端数据故障起点间的非同步角初值，实现如下，

在两端采样序列中分别以两端故障起点n_m0与n_n0为基准前推两个工频周波的采样点数后对应于采样点n_m与n_n，再运用傅氏算法计算采样点n_m与n_n对应的两端a相电压与电流相量

计算两端故障起点间的非同步角初值δ⁽⁰⁾如下，

其中，和γ⁽⁰⁾分别为线路的波阻抗初值与传播常数的初值；

步骤3，计算故障距离初值，包括根据线路的波阻抗初值传播常数的初值γ⁽⁰⁾以及非同步角初值δ⁽⁰⁾，采用以下基本测距公式得到m侧故障距离初值x⁽⁰⁾，

其中，δ为两端故障起点间的非同步角、γ为线路的传播常数、x为m侧故障距离、Z_c为线路的波阻抗，为两端正序电压和电流分量；

步骤4，令当前迭代次数为i，初始化i＝1，

步骤5，根据故障距离修正两端非同步角δ⁽ⁱ⁾，利用δ⁽ⁱ⁾计算线路在线参数，所述线路在线参数包括线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾，实现如下，

δ⁽ⁱ⁾＝(2x^(i-1)-l)Im(γ^(i-1))

记非同步角δ⁽ⁱ⁾为求取两端故障起点后1.5个周波内对应采样点间的非同步角k＝1,2,…,1.5×N-1，

其中，N＝min{N_m,N_n}，N_m,N_n分别为线路m端与n端工频分量一周期采样点数；

根据线路正常运行时的传输方程，利用非同步角δ⁽ⁱ⁾求取修正后的线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾；

步骤6，求取故障距离并对测距结果进行优化，k＝0,1,…,1.5×N-1，得到优化结果实现如下，

求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的正序电量，根据线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾以及代入基本测距公式中得到1.5N个修正后的故障距离k＝0,1,…,1.5×N-1；

优化如下，

步骤7，若则测距结束，故障距离否则以为新的故障距离初值，令i＝i+1，进行下一轮迭代求取其中，Δx为容许误差。

而且，步骤1中，检测故障线路两端采样数据对应的故障起点采用小波模极大值法。

而且，步骤3中，两端正序电压和电流分量的求取方式为，运用傅氏算法分别计算出两端故障起点n_m和n_n处对应的三相故障电压及电流向量，采用对称分量法分别对两端保护安装处三相电压和电流进行相模变换。

而且，步骤6中，求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的正序电量实现方式为，运用傅氏算法求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的电流与电压相量，运用对称分量法对步骤D1求得的两端三相各1.5N个采样点对应的电流电压相量进行解耦。

本发明针对输电线路双端故障测距面临的线路参数变化与两端数据非同步问题，设计出一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，方法通过循环迭代机制逐步修正线路参数及两端非同步角，使其逐步逼近在线值，由此达到提高测距精度的目的。为减小故障相量测量偏差对于测距结果的影响，提出了一种测距结果的优化方法。因此，本发明具有如下优点：运用基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法进行输电线路故障测距，充分考虑了测距过程中线路参数的变化与两端数据的同步性，提高了一般双端法的测距精度。同时，采用循环迭代逐步修正机制，很好的控制了方法的计算量。此外，优化测距结果，有效减小了相量测量偏差对测距的影响，提高了方法的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例用于仿真的双端供电系统电路图。

图2为本发明实施例的双端测距流程图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图2，本发明的实施例包括步骤如下：

步骤一、两端故障起点检测的步骤：分别运用小波模极大值法检测故障线路两端采样数据对应的故障起点。

参见图1，线路一端(左端)为m端，另一端(右端)为n端，E_m、E_n和Z_m、Z_n分别表示m端和n端电源的电压与阻抗，l为线路长度，在线路的f点处发生短路故障。记检测出的m端故障数据对应的故障起点为n_m0，n端故障数据对应的故障起点为n_n0；

实施例中，运用小波模极大值法时，采用平稳小波变换(SWT)，选用二次B样条小波作为小波基函数，小波分解级数为5级，各级模阀值λ_i＝0.45md_i.max(i＝1,2,3，4,5)，其中，md_i.max为各级模最大值。定位故障起点时可以低尺度结果为主，综合考虑高尺度结果。

步骤二、利用故障前线路正常运行时的电气量计算两端数据故障起点间的非同步角初值。

实施例的步骤二具体包括对线路两端故障数据执行以下子步骤：

步骤A1、在两端采样序列中分别以两端故障起点n_m0与n_n0为基准前推两个工频周波的采样点数后对应于采样点n_m与n_n，再运用傅氏算法计算采样点n_m与n_n对应的两端a相电压与电流相量

步骤A2、计算两端故障起点间的非同步角初值δ⁽⁰⁾(m侧电量滞后n侧电量的角度)。

其中，和γ⁽⁰⁾分别为线路的波阻抗初值(即离线波阻抗)与传播常数的初值(即离线传播常数)。后续通过循环迭代修正线路参数使其逐步逼近在线值。

步骤三、利用线路故障电量计算故障距离，包括以下子步骤：

步骤B1、运用傅氏算法分别计算出两端故障起点n_m和n_n处对应的三相故障电压及电流向量；

步骤B2、为消除相间耦合，采用对称分量法分别对两端保护安装处三相电压和电流进行相模变换：

其中，U₁₂₀、I₁₂₀为模分量矩阵，U₁₂₀＝[U₁,U₂,U₀]^-1，I₁₂₀＝[I₁,I₂,I₀]^-1(下标1、2、0分别表示正序、负序、零序分量)；U、I为相分量矩阵，U＝[U_a,U_b,U_c]^-1，I＝[I_a,I_b,I_c]^-1(下标a、b、c分别表示a、b、c三相对应的电量)。S为相模变换矩阵，

其中，α＝e^j120°。

相模变换后，将两端正序电压和电流分量作为基本对象进行后续分析计算。

步骤B3、根据考虑两端数据非同步的线路分布参数模型建立故障线路两端电气量方程：

其中，δ为两端故障起点间的非同步角、γ为线路的传播常数、x为m侧故障距离、Z_c为线路的波阻抗。

进而得到基本测距公式：

步骤B4、将线路的波阻抗初值传播常数初值γ⁽⁰⁾以及步骤二中求得的两端非同步角初值δ⁽⁰⁾代入步骤B3所得测距公式中求取m侧故障距离初值x⁽⁰⁾。

步骤四、根据故障距离修正两端非同步角，并计算线路在线参数，包括线路波阻抗与传播常数，包括以下子步骤：

步骤C1、根据步骤三中求得的故障距离修正两端非同步角：

δ＝(2x-l)Im(γ)

将x⁽⁰⁾与γ⁽⁰⁾代入上式即可求得两端非同步角的修正值δ⁽¹⁾。

即，

δ⁽¹⁾＝(2x⁽⁰⁾-l)Im(γ⁽⁰⁾)

其中，Im(γ⁽⁰⁾)表示求传播常数初值γ⁽⁰⁾的虚部。

步骤C2、根据步骤C1中求出的两端故障起点间的非同步角δ⁽¹⁾(记该非同步角为)，求取两端故障起点后1.5个周波内对应采样点间的非同步角(k＝1,2,…,1.5×N-1)，其中，N＝min{N_m,N_n}(N_m,N_n分别为线路m端与n端工频分量一周期采样点数)。

步骤C3、根据线路正常运行时的传输方程，利用两端非同步角求取线路在线波阻抗与传播常数：

将步骤C1中求出的代入以上两式求得线路波阻抗与传播常数的修正值γ⁽¹⁾。

步骤五、求取故障距离并对测距结果进行优化，包括以下子步骤：

步骤D1、运用傅氏算法求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的电流与电压相量(实际中，由于继电保护一般会在故障发生2-3个工频周波的时间后动作，因此只能运用傅氏算法求取故障起点后大约1.5N个采样点对应的电流电压相量；

步骤D2、运用对称分量法对步骤D1求得的两端三相各1.5N个采样点对应的电流电压相量进行解耦，将两端各产生的1.5N个正序电流电压相量作为基本对象进行后续分析计算；

步骤D3、结合各采样点对应的正序电量，将步骤四中求得的线路参数修正值γ⁽¹⁾及两端各采样点间的非同步角(k＝0,1,…,1.5×N-1)(包括了和(k＝1,2,…,1.5×N-1))代入步骤B3中基本测距公式中得到1.5N个修正后的故障距离(k＝0,1,…,1.5×N-1)；

步骤D4、为消除相量测量偏差对测距结果的影响，对测距结果进行优化，得到优化结果

步骤六、根据故障距离初值x⁽⁰⁾和步骤六所得优化结果若(Δx为容许误差，具体实施时本领域技术人员可自行设定取值，本实施例取Δx＝0.001km)，则测距结束，故障距离否则再次依次执行步骤四至步骤六求得

然后，判断是否成立，若成立则测距结束，故障距离否则继续进入下一个测距循环，如此直至满足测距结束条件(i＝3,4,…)，测距结束，

具体实施时，可记当前迭代次数为i，步骤四中故障距离初值x⁽⁰⁾改为上次迭代所得故障距离当前优化结果为方便地进行循环迭代处理：

即初始化i＝1，

根据故障距离修正两端非同步角δ⁽ⁱ⁾，利用δ⁽ⁱ⁾计算线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾；

求取故障距离(k＝0,1,…,1.5×N-1)并对测距结果进行优化，得到优化结果

若则测距结束，故障距离否则以为新的故障距离初值，令i＝i+1，进行下一轮迭代求取如此直至满足测距结束条件测距结束，

具体实施时，可采用计算机软件技术运行流程，包括以下步骤：

步骤1，检测故障线路两端采样数据对应的故障起点，设线路一端为m端，另一端为n端，l为线路长度，记检测出的m端故障数据对应的故障起点为n_m0，n端故障数据对应的故障起点为n_n0；

步骤2，利用故障前线路正常运行时的电气量计算两端数据故障起点间的非同步角初值，实现如下，

在两端采样序列中分别以两端故障起点n_m0与n_n0为基准前推两个工频周波的采样点数后对应于采样点n_m与n_n，再运用傅氏算法和计算采样点n_m与n_n对应的两端a相电压与电流相量

计算两端故障起点间的非同步角初值δ⁽⁰⁾如下，

其中，和γ⁽⁰⁾分别为线路的波阻抗初值与传播常数的初值；

步骤3，计算故障距离初值，包括根据线路的波阻抗初值传播常数的初值γ⁽⁰⁾以及非同步角初值δ⁽⁰⁾，采用以下基本测距公式得到m侧故障距离初值x(⁰)，

其中，δ为两端故障起点间的非同步角、γ为线路的传播常数、x为m侧故障距离、Z_c为线路的波阻抗，为两端正序电压和电流分量；

步骤4，令当前迭代次数为i，初始化i＝1，

步骤5，根据故障距离修正两端非同步角δ⁽ⁱ⁾，利用δ⁽ⁱ⁾计算线路在线参数，所述线路在线参数包括线路波阻抗与传播常数实现如下，

δ⁽ⁱ⁾＝(2x^(i-1)-l)Im(γ^(i-1))

记非同步角δ⁽ⁱ⁾为求取两端故障起点后1.5个周波内对应采样点间的非同步角k＝1,2,…,1.5×N-1，

其中，N＝min{N_m,N_n}，N_m,N_n分别为线路m端与n端工频分量一周期采样点数；

根据线路正常运行时的传输方程，利用非同步角δ⁽ⁱ⁾求取修正后的线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾；

步骤6，求取故障距离并对测距结果进行优化，k＝0,1,…,1.5×N-1，得到优化结果实现如下，

求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的正序电量，根据线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾以及代入基本测距公式中得到1.5N个修正后的故障距离k＝0,1,…,1.5×N-1；

优化如下，

步骤7，若则测距结束，故障距离否则以为新的故障距离初值，令i＝i+1，进行下一轮迭代求取其中，Δx为容许误差。

为验证本发明方法的有效性和可靠性，采用本实施例方法进行以下的仿真实验：

建立如图1所示的仿真模型，m端电源幅值500kV，相角45°，等效阻抗Z_m＝2.11+j56.4Ω；n端电源幅值495kV，相角60°，等效阻抗Z_n＝0.816+j23.6Ω，线路全长200km，已知线路单位长度离线参数为R₀＝0.01186Ω,L₀＝0.9002mH,C₀＝0.01257μF，忽略线路电导。此时相应的线路离线波阻抗Z_c ⁽⁰⁾＝267.67-j5.6101Ω，离线转播常数γ⁽⁰⁾＝0.00002+j0.00106。系统采样频率1MHz。仿真时长0.1s，故障从0.04s持续到0.1s。

线路参数在线路投运后逐渐偏离离线值。故障发生时，设置线路单位长度的在线参数为R₀′＝0.01273Ω,L₀′＝0.9337mH,C₀′＝0.01274μF。相应的线路在线波阻抗Z_c′＝270.78-j5.8730Ω，在线传播常数γ′＝0.00002+j0.00108。运用本文提出的双端测距方法对线路在不同的故障距离、故障类型、过渡电阻等故障条件下的短路故障进行测距，测距结果如表1所示。初测结果为直接利用离线参数进行测距的结果，最终结果为考虑线路参数变化与两端数据非同步并运用本文方法对其进行修正后得到的测距结果。

表1不同故障条件下的测距结果

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，其特征在于：通过循环迭代机制逐步地同时修正线路参数及两端非同步角，并在每次迭代时优化故障距离，包括以下步骤，

步骤1，检测故障线路两端采样数据对应的故障起点，设线路一端为m端，另一端为n端，l为线路长度，记检测出的m端故障数据对应的故障起点为n_m0，n端故障数据对应的故障起点为n_n0；

步骤2，利用故障前线路正常运行时的电气量计算两端数据故障起点间的非同步角初值，实现如下，

在两端采样序列中分别以两端故障起点n_m0与n_n0为基准前推两个工频周波的采样点数后对应于采样点n_m与n_n，再运用傅氏算法计算采样点n_m与n_n对应的两端a相电压与电流相量

计算两端故障起点间的非同步角初值δ⁽⁰⁾如下，

其中，和γ⁽⁰⁾分别为线路的波阻抗初值与传播常数的初值；

步骤3，计算故障距离初值，包括根据线路的波阻抗初值传播常数的初值γ⁽⁰⁾以及非同步角初值δ⁽⁰⁾，采用以下基本测距公式得到m侧故障距离初值x⁽⁰⁾，

其中，δ为两端故障起点间的非同步角、γ为线路的传播常数、x为m侧故障距离、Z_c为线路的波阻抗，为两端正序电压和电流分量；

步骤4，令当前迭代次数为i，初始化i＝1，

步骤5，根据故障距离修正两端非同步角δ⁽ⁱ⁾，利用δ⁽ⁱ⁾计算线路在线参数，所述线路在线参数包括线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾，实现如下，

δ⁽ⁱ⁾＝(2x^(i-1)-l)Im(γ^(i-1))

记非同步角δ⁽ⁱ⁾为求取两端故障起点后1.5个周波内对应采样点间的非同步角k＝1,2,…,1.5×N-1，

其中，N＝min{N_m,N_n}，N_m,N_n分别为线路m端与n端工频分量一周期采样点数；

根据线路正常运行时的传输方程，利用非同步角δ⁽ⁱ⁾求取修正后的线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾；

步骤6，求取故障距离并对测距结果进行优化，k＝0,1,…,1.5×N-1，得到优化结果实现如下，

求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的正序电量，根据线路波阻抗与传播常数γ⁽ⁱ⁾以及代入基本测距公式中得到1.5N个修正后的故障距离k＝0,1,…,1.5×N-1；

优化如下，

步骤7，若则测距结束，故障距离否则以为新的故障距离初值，令i＝i+1，进行下一轮迭代求取其中，Δx为容许误差。

2.根据权利要求1所述基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，其特征在于：步骤1中，检测故障线路两端采样数据对应的故障起点采用小波模极大值法。

3.根据权利要求1或2所述基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，其特征在于：步骤3中，两端正序电压和电流分量的求取方式为，运用傅氏算法分别计算出两端故障起点n_m和n_n处对应的三相故障电压及电流向量，采用对称分量法分别对两端保护安装处三相电压和电流进行相模变换。

4.根据权利要求1或2所述基于线路参数检测与数据非同步校验的双端测距方法，其特征在于：步骤6中，求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的正序电量实现方式为，运用傅氏算法求取两侧故障起点后1.5个工频周波采样点对应的电流与电压相量，运用对称分量法对步骤D1求得的两端三相各1.5N个采样点对应的电流电压相量进行解耦。