CN105676075A - 一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其使用的测量终端的终端节点位于配电网的各支线的末端位置，该方法包括：计算各终端节点的故障初始波头时刻的步骤；根据各终端节点的故障初始波头时刻和支线线路长度计算主干线上与各终端节点对应的各虚拟节点的故障初始波头时刻的步骤；根据各终端节点的小波变换模值、各虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据来确定主干线上的基准节点的步骤；根据基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据判断故障点在主干线或者在支线上的步骤；以及计算出故障点位置的步骤。根据本发明的方法实现对主干线路和分支线路故障精确定位，系统具有较高的可靠性。

Description

一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法。

背景技术

3～66kV的中低压配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式(统称小电流接地系统)。小电流接地系统具有较高的供电可靠性，故障电流幅值低，可在故障后继续运行一定时间；但由于故障电流微弱，且线路结构复杂，配电网故障后定位难度较大。

目前，在配电网故障定位领域主要研究方向是故障区段定位，按照原理的不同可分为：主动故障定位与被动故障定位两大类。

主动故障定位方法基本原理是在故障发生后，通过电压互感器(或其他设备)向接地线路注入特定频率信号，用信号探测器探测注入信号流过的路径确定故障线路。

主动故障定位方法主要用于故障分支的定位，而无法做到故障点的精确定位，并且设备复杂、成本较高，不适合长距离线路，特别是信号发生设备在运行中还存在一定的安全隐患。

被动故障定位方法包括：利用FTU或故障指示器等方法，但存在以下问题：系统成本较高，需要逐级杆塔布设；且受故障类型、故障过渡电阻影响大。

目前，基于行波原理的输电线路故障定位装置(也称为行波故障测距装置)已经在国内高电压等级线路上获得了广泛应用，取得了良好效果，降低了故障后巡线工作量，缩短了停电时间。

实际运行经验表明，行波故障定位基本不受系统运行方式、过渡电阻等因素影响，上述特点使其适用于配电网精确故障定位。近年来，国内外多个研究单位开展了配电网行波故障定位研究，普遍应用双端行波法，但也发现以下限制因素：

(1)配电网复杂的线路结构，存在数量众多的T接线。若采用传统双端法，要求大量布设采样终端，且多在线路主干上配置采样终端，则无法对分支线路故障进行定位。同时，数量众多的T接线还导致行波信号衰减及波形畸变严重，降低了波头识别精度，导致坏数据出现概率增大。

(2)受装置成本、现场安装条件限制，就地安装的终端装置可靠性相对较低，GPS丢星、采样异常等情况出现概率较高。

总体而言，上述因素影响了配电网行波故障定位系统的精度及可靠性，限制了其实用化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法，以提升行波定位的精度及可靠性。

为此，本发明提供了一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法，使用测量终端，其特征在于，测量终端的终端节点位于配电网的所有支线的末端位置，方法包括：计算各终端节点的故障初始波头时刻的步骤一；根据各终端节点的故障初始波头时刻和线路长度数据计算主干线上与各终端节点对应的各虚拟节点的故障初始波头时刻的步骤二；根据各终端节点的小波变换模值、各虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据来确定主干线上的基准节点的步骤三；根据基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据判断故障点在主干线上还是在基准节点所在的支线上的步骤四；以及计算出故障点位置的步骤五。

进一步地，上述线路长度数据包括配电网的各支线的线路长度和主干线上各节点之间的线路长度。

进一步地，上述步骤一包括：采用克拉克变换将各终端节点的三相电压变换获得α、β、0模量的相模变换步骤；以及选取α模量利用小波变换检测暂态电压信号突变点、作为故障初始波头时刻的步骤。

进一步地，上述步骤二包括：基于各终端节点的初始波头时刻和终端节点所在支线的线路长度计算该终端节点所在的支线的主干虚拟节点的故障初始波头时刻。

进一步地，上述步骤三包括：对小波变换模值的幅度最大的终端节点和故障初始波头时刻最早的终端节点是否重合的判断步骤；当判断终端节点重合时，则判定该终端节点对应的虚拟节点为基准节点的步骤；当判断终端节点不重合时，则对幅值最大的终端节点和故障初始波头时刻最早的终端节点进行约束条件一的校验以判定基准节点的步骤。

上述步骤三中的进行约束条件一的校验包括：对比幅度最大的终端节点和初始波头时刻最早的终端节点满足下列表达式的终端节点总数，数量较多者则为基准节点：t₀-l₀/v+Σz_n/v-σ≤t'_n≤t₀+Σz_n/v+σ，其中，t'_n为第n个虚拟节点的故障初始波头时刻，t₀为各终端节点测量到的最早故障时刻，l₀为最早故障时刻的终端节点所在的支线的线路长度，v为波速，Σz_n为各虚拟节点n与基准节点间距离之和，σ为测量标准误差。

进一步地，上述步骤四包括：根据基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻完成初始故障定位，并估算故障发生时刻；根据初始故障定位和故障发生时刻进行约束条件二的校验，以判定故障点在主干线上还是支线上。

进一步地，上述步骤四中的约束条件二的校验包括：当初始故障定位获得的故障点距离两虚拟节点中的第一虚拟节点的距离和故障发生时刻满足下列表达式时则判定故障点在支线上，否则判定故障点在主干线上：

其中，d₁为故障点距离第一虚拟节点的距离，t为故障发生时刻，t₀为最早故障初始波头时刻，l₀为最早故障初始波头时刻对应的支线的线路长度，v为线路波速。

进一步地，上述步骤五包括：若判定故障点在主干线上，将初始故障定位获得的故障点作为实际故障点的步骤；以及若判定故障点在支线上，则包括：故障点初始计算的步骤；以及在判定故障点距离支线末端距离d'₁≥1km时，辅助单端行波法进行二次故障定位的步骤。

进一步地，上述步骤五中辅助单端行波法进行二次故障定位的步骤包括：利用单端行波法中故障点反射波识别出故障点反射波到达支路末端时刻t”₁，结合以下表达式三进行二次故障定位：d'₁＝(t'₁-t”₁)*v/2，其中d'₁为故障点到支路末端距离，t'₁为第一虚拟节点的故障初始波头时刻，v为线路波速。

上述方法利用配电网支线终端数据推算主干线上初始波头时刻，利用主干初始波头时刻完成初始故障定位，在此基础上综合多个终端数据进一步完成精确故障定位，与现有基于双端行波原理或D型行波法的配电网故障定位算法相比较，本发明根据分支线路末端的初始波头时刻推算主干线路上初始波头时刻，扩大了系统监测范围，不仅可实现对主干线路故障精确定位，也可实现对分支线路上的故障精确定位。基于多端数据完成故障定位，系统具有较高的可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的基于多端数据的配电网行波故障定位方法的流程图。

图2是根据本发明优选实施例的基于多端数据的配电网行波故障定位方法的原理图；

图3是根据本发明优选实施例的基于多端数据的配电网行波故障定位方法的流程图；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的配电网行波故障定位方法，使用测量终端，其终端节点位于配电网的所有支线的末端位置，结合参照图1，该方法包括以下步骤：计算各终端节点的故障初始波头时刻的步骤S10；根据各终端节点的故障初始波头时刻和线路长度数据计算主干线上与各终端节点对应的各虚拟节点的故障初始波头时刻的步骤S12；根据各终端节点的小波变换模值、各虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据来确定主干线上的基准节点的步骤S14；根据基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据判断故障点在主干线上还是在基准节点所在的支线上的步骤四S16；以及计算出故障点位置的步骤五S18。

上述方法利用配电网支线终端数据推算主干线上初始波头时刻，利用主干初始波头时刻完成初始故障定位，在此基础上综合多个终端数据进一步完成精确故障定位，与现有基于双端行波原理或D型行波法的配电网故障定位算法相比较，本发明根据分支线路末端的初始波头时刻推算主干线路上初始波头时刻，扩大了系统监测范围，不仅可实现对主干线路故障精确定位，也可实现对分支线路上的故障精确定位。基于多端数据完成故障定位，系统具有较高的可靠性。

下面结合图2和图3以发明人惯有的表达方式对根据本发明定位方法的优选实施例的进行详细说明。

一)数据预处理，即步骤S10

该步骤包括两个环节：1)相模变换，由于暂态行波在传输过程中存在耦合，减少相间耦合的影响，本发明中采用Clark(克拉克)变换将三相电压变换获得α、β、0模量，选取α模量进行分析。2)查找故障初始时刻，本发明利用小波变换检测暂态电压信号突变点，作为故障初始时刻。

二)主干虚拟节点时刻推算，即步骤S12

如图3所示，假设配电网线路发生接地或短路后，故障产生的暂态行波会向两端传输，因此，在配电网线路上各终端均能检测到暂态行波。

t₀为实际终端节点测量到的最早故障时刻，t'₀为当故障初始波头传输到主干上时刻，l₀₁、l₀₂分别为故障点与主干破口距离和支路末端距离；t₁、t₂、t₃、t₄分别为安装在分支线路末端的终端节点测量到初始波头时刻；t'₁、t'₂、t'₃、t'₄分别为基于实际终端节点初始波头时刻t_n推算得到的主干虚拟节点的初始波头时刻；l₁、l₂、l₃、l₄分别为各分支线路长度，即主干虚拟节点与实际终端间距离；z₁、z₂、z₃、z₄分别为各主干虚拟节点间距离。假设线路波速为v，由图2可知，除t₀、t'₀外，各主干虚拟节点时刻可由下式得到：

t'_n＝t_n-l_n/v--------------------(1)；

而t₀、t'₀满足下式：

t₀-l₀/v≤t'₀≤t₀-------------------(2)；

三)基准节点选取及坏节点数据识别，即步骤S14

由于暂态行波信号衰减程度与传输距离呈指数关系，因此，理论上距离故障点最近的终端采集到初始波头幅值最大。其次，在选择合适的小波变换基及分析尺度情况下，小波变换模值能进一步反映暂态信号强度，因此，本发明将小波变换模值作为选取条件1。理论上，幅值最大的终端节点初始波头时刻也是最早的，因此，以波头初始时刻作为选取条件2。若同时满足上述两个条件2，则可直接认定为基准节点。

若不能同时满足条件1、2，分别校验幅值最大终端节点和初始波头时刻最早的终端节点是否符合时间-位置约束条件。基本原理如下。各主干虚拟节点时刻与基准节点间应满足下式：

t'₀+Σz_n/v-σ≤t'_n≤t'₀+Σz_n/v+σ-----------(3)；

公式3中，Σz_n为主干虚拟节点n与主干基准节点间距离之和，σ为测量标准误差(一般在1～3us左右)。由公式2可知，基准节点与虚拟主干节点满足下式：

t₀-l₀/v+Σz_n/v-σ≤t'_n≤t₀+Σz_n/v+σ------(4)；

若系统共有n个实际终端节点，理论上正确选择基准节点情况下，满足公式4主干虚拟节点的总数为n-1个；若错误选择节点，应有1个主干虚拟节点不满足公式4，则总数应少于n-1个。对比幅值最大终端节点和初始波头时刻最早的终端节点满足条件4的终端总数，数量较多者为基准节点。

在选定基准节点的基础上，还可根据公式4识别坏数据终端，避免由于装置异常、GPS丢星导致的坏数据对后续计算的影响。

四)初始故障定位，即步骤S16

传统双端行波定位中，线路长度误差及波速不准确对定位精度影响与故障点位置、线路长度相关，一般来说，当线路总长较短时，线路长度、波速导致的误差会相对降低。减少线路长度误差对定位精度的影响，本文所述方法根据距离基准节点最近的两个主干虚拟节点t'₁、t'₄两个初始波头时刻完成初始故障定位，并估算故障发生时刻。

d₁＝(z₁+z₄)-(t′₄-t′₁)*v/2-----------------(5)；

t＝t′₄-d₁/v----------------------------(6)；

公式5、6中d₁为故障点距离主干虚拟节点1位置，t为故障发生时刻。当d₁、t满足下列条件时，则可判断故障点位于分支线路上，需做进一步的精确故障定位；否则，故障点位于主干线路，即可直接输出结果。

$\{\begin{array}{c}{d}_1\≈z_1\\ t\≤t_0-l_0/v\end{array}---\left(7\right);$

五)精确故障定位，即步骤S18

当判断故障点位于主干线路上，则利用上述公式5直接输出结果。

当判断故障点在支路上，则采用以下过程精确定位故障点：

单端行波定位具有定位精度受线路长度、波速影响较小的特点，但故障点距离支路末端过近时，有可能存在入射波与反射波叠加问题，一般认为，故障点距离支路末端少于1km时不宜采用单端故障定位。因此，针对单端法特点，本发明通过以下两个步骤完成精确故障定位：

1)故障点初始计算：利用t'₁(或t'₄)、t₀两个初始波头时刻完成故障定位。

d′₁＝(z₁+l₀)-(t₀-t′₁)*v/2-----------------(8)；

2)单端行波法二次故障定位

d′₁＝(t′₁-t″₁)*v/2-------------------------------(9)；

上述公式(8)中d'₁为故障点到支路末端距离，但判定d'₁≥1km时，则采取单端法精确定位，依靠d'₁提供大致范围辅助单端行波法中故障点反射波识别(如公式10所示)识别出故障点反射波到达支路末端时刻t”₁，完成最终精确故障定位。

t'₁+d'₁/v-σ≤t”₁≤t'₁+d'₁/v+σ-------------------(10)。

下面对本发明优选实施例的上述方法的技术特点进行说明。

(1)主干波头时刻推算以及根据幅值-时间-位置复合信息的基准节点选取

由于配电网线路发生接地或短路后，故障产生的暂态行波会向两端传输，因此，在配电网线路上各终端均能检测到暂态行波，本发明提出基于支线终端节点检测到的初始波头时刻推算得到的主干初始波头时刻，以便于进一步的基准节点选取。

由于暂态行波信号衰减程度与传输距离呈指数关系，因此，理论上距离故障点最近的终端采集到初始波头幅值最大。其次，在选择合适的小波变换基及分析尺度情况下，小波变换模值能进一步反映暂态信号强度，因此，本发明将小波变换模值作为选取条件1。理论上，幅值最大的终端节点初始波头时刻也是最早的，因此，以波头初始时刻作为选取条件2。若同时满足上述两个条件2，则可直接认定为基准节点。若不能同时满足条件1、2，分别校验幅值最大终端节点和初始波头时刻最早的终端节点是否符合时间-位置约束条件。

(2)单端法/双端法综合应用的配电网故障定位算

传统双端行波定位中，线路长度误差及波速不准确对定位精度影响与故障点位置、线路长度相关，一般来说，当线路总长较短时，线路长度、波速导致的误差会相对降低。

为减少线路长度误差对定位精度的影响，本发明选择距离基准节点最近的两个主干节点初始波头时刻代入双端故障定位，根据定位结果判别故障点位于线路主干上或分支线路上。当判断故障点位于分支线路上，则利用单端法定位精度受线路长度、波速影响较小的特点，通过双端初始计算及单端二次定位完成最终精确故障定位。

与现有基于双端行波原理或D型行波法的配电网故障定位算法相比较，上述优选实施例的方法具有以下优点：

(1)本发明根据分支线路末端的初始波头时刻推算主干线路上初始波头时刻，扩大了系统监测范围，不仅可实现对主干线路故障精确定位，也可实现对分支线路上的故障精确定位。

(2)基于多端数据完成故障定位，系统具有较高的可靠性，且在选取基准终端的过程中，通过幅值、初始时刻及时间-位置约束条件校验减少了坏数据对定位的影响。

(3)通过选择合适的终端数据进行故障定位及与单端行波法，本发明降低了线路信息不完整对故障定位精度的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多端数据的配电网行波故障定位方法，使用测量终端，其特征在于，所述测量终端的终端节点位于配电网的所有支线的末端位置，所述方法包括：

计算各所述终端节点的故障初始波头时刻的步骤一；

根据各所述终端节点的故障初始波头时刻和线路长度数据计算主干线上与各终端节点对应的各虚拟节点的故障初始波头时刻的步骤二；

根据各所述终端节点的小波变换模值、所述各虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据来确定主干线上的基准节点的步骤三；

根据所述基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻、以及线路长度数据判断故障点在主干线上还是在基准节点所在的支线上的步骤四；以及

计算出故障点位置的步骤五。

2.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述线路长度数据包括配电网的各支线的线路长度和主干线上各节点之间的线路长度。

3.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤一包括：

采用克拉克变换将各终端节点的三相电压变换获得α、β、0模量的相模变换步骤；以及

选取α模量利用小波变换检测暂态电压信号突变点、作为故障初始波头时刻的步骤。

4.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤二包括：基于各终端节点的初始波头时刻和终端节点所在支线的线路长度计算该终端节点所在的支线的主干虚拟节点的故障初始波头时刻。

5.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤三包括：

对小波变换模值的幅度最大的终端节点和故障初始波头时刻最早的终端节点是否重合的判断步骤；

当判断终端节点重合时，则判定该终端节点对应的虚拟节点为基准节点的步骤；

当判断终端节点不重合时，则对幅值最大的终端节点和故障初始波头时刻最早的终端节点进行约束条件一的校验以判定基准节点的步骤。

6.根据权利要求5所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤三中的所述进行约束条件一的校验包括：

对比幅度最大的终端节点和初始波头时刻最早的终端节点满足下列表达式的终端节点总数，数量较多者则为基准节点：t₀-l₀/v+Σz_n/v-σ≤t'_n≤t₀+Σz_n/v+σ，

其中，t'_n为第n个虚拟节点的故障初始波头时刻，t₀为各终端节点测量到的最早故障时刻，l₀为最早故障时刻的终端节点所在的支线的线路长度，v为波速，Σz_n为各虚拟节点n与基准节点间距离之和，σ为测量标准误差。

7.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤四包括：

根据基准节点相邻的两虚拟节点的故障初始波头时刻完成初始故障定位，并估算故障发生时刻；

根据初始故障定位和故障发生时刻进行约束条件二的校验，以判定故障点在主干线上还是支线上。

8.根据权利要求1所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤四中的约束条件二的校验包括：

当初始故障定位获得的故障点距离两虚拟节点中的第一虚拟节点的距离和故障发生时刻满足下列表达式时则判定故障点在支线上，否则判定故障点在主干线上：

其中，d₁为故障点距离第一虚拟节点的距离，t为故障发生时刻，t₀为最早故障初始波头时刻，l₀为最早故障初始波头时刻对应的支线的线路长度，v为线路波速。

9.根据权利要求8所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤五包括：

若判定故障点在主干线上，将初始故障定位获得的故障点作为实际故障点的步骤；以及

若判定故障点在支线上，则包括：

故障点初始计算的步骤；以及

在判定故障点距离支线末端距离d'₁≥1km时，辅助单端行波法进行二次故障定位的步骤。

10.根据权利要求9所述的基于多端数据的配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤五中辅助单端行波法进行二次故障定位的步骤包括：

利用单端行波法中故障点反射波识别出故障点反射波到达支路末端时刻t”₁，结合以下表达式三进行二次故障定位：d'₁＝(t'₁-t”₁)*v/2，

其中d'₁为故障点到支路末端距离，t'₁为第一虚拟节点的故障初始波头时刻，v为线路波速。