CN106019076B - 一种高压直流输电线路故障测距方法 - Google Patents

一种高压直流输电线路故障测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：步骤1：采集故障线路两端的电压正、负极数据；步骤2：对采集到的正、负极电压数据进行滤波处理；步骤3：对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据；步骤4：确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2；步骤5：计算出故障距离粗测值d；步骤6：计算0.9d～1.1d所对应的频段dk；步骤7：对频段dk提取固有频率主成分fk；步骤8：利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值d1。本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，解决了传统固有频率法测距中由于“模混叠”现象引起的固有频率难以提取的问题，提高了故障测距的精确度。

Description

一种高压直流输电线路故障测距方法
技术领域
本发明属于电力系统高压直流输电继电保护技术领域，具体涉及一种高压直流输电线路故障测距方法。
背景技术
随着坚强智能电网的建设以及电力系统的不断发展，高电压、远距离、大容量的输电线路在电网的安全稳定运行中发挥着极为重要的作用。但高压直流输电线路一般都较长，且沿途地形复杂，环境恶劣，这使线路故障查找异常困难。因此，研究如何快速、准确的直流输电线路故障测距具有重要意义。
当前，高压直流输电线路故障测距方法主要是行波法。单端行波测距仅依赖于一端的行波信号便可以计算故障距离，但可靠性受故障点反射波波头的识别影响。双端行波测距法虽无需识别故障点的反射波波头，但要求两端定位装置严格同步，成本较高。且无论单端、双端行波测距法均存在传播速度难以确定等问题。
为了克服时域行波测距面临的困难，一些学者开始对故障暂态行波频谱进行研究，从频率角度提出了基于固有频率的输电线路故障测距方法。输电线路故障行波频谱与故障距离之间存在数学关系，利用故障行波频谱可以实现测距，该方法只需单端暂态电气量，且不受行波波头识别的限制，较识别行波波头的方法更准确可靠。但直流输电线路两侧的实体物理边界对行波高频成分和低频成分表现的频率特性不同，此外，在非对称短路点发生线模与零模行波相互交叉透射，致使故障线路自然频率的“混叠”。使上述两种影响均使得固有频率的提取存在一定困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电线路故障测距方法，解决了现有技术中存在的固有频率法由于“模混叠”现象所引起的固有频率难以提取的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高压直流输电线路故障测距方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据；
步骤2：利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行滤波处理，去除噪声并提取真实的信号；
步骤3：利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据；
步骤4：对线模电压数据进行二进小波变换，利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2；
步骤5：利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻t1、t2，根据双端测距公式计算出故障距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d～1.1d；
步骤6：计算0.9d～1.1d所对应的频段dk；
步骤7：对频段dk提取固有频率主成分fk；
步骤8：利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值d1。
本发明的特点还在于：
步骤4中利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2的具体方法为：对行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然后选择最佳尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极大值来确定初始行波分别到达故障点的时刻t1、t2。
步骤5中故障距离粗测值d采用双端D型测距公式得到，为：
其中，L为线路总长度，t1、t2分别为故障行波到达整流侧和逆变侧的时刻，v为故障行波的传播速度。
步骤6中0.9d～1.1d所对应的频段dk，为：
其中，v为故障行波的传播速度。
步骤8中故障距离精确值d1为：
其中，v为故障行波的传播速度。
故障行波的传播速度v取经验值2.96×108m/s。
本发明的有益效果是：本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，是行波法和固有频率法组合的故障测距方法，实现了行波法和固有频率法优势的互补，解决了传统固有频率法测距中由于“模混叠”现象引起的固有频率难以提取的问题，提高了故障测距的精确度。
附图说明
图1是本发明一种高压直流输电线路故障测距方法的流程图；
图2是本发明中故障发生后线路两端的正、负极电压波形图；
图3是本发明中相模变换后的线模电压行波波形图；
图4(a)是本发明中线模电压二进小波变换图，图4(b)是通过原始信号直接获得故障点图；
图5是本发明中双端测距的原理图；
图6是本发明中所用模型系统边界图；
图7是本发明中利用MUSIC算法提取固有频率主成分的幅值-频率图；
图8是本发明中双极十二脉冲HVDC直流输电仿真模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据，如图2所示为故障发生5ms后采集到的线路两端的正、负极电压波形；
步骤2：利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行滤波处理，去除噪声并提取真实的信号，防止产生虚假频率突变点；
步骤3：由于高压直流输电系统处于双极运行，而两极之间存在互感，会导致模混叠现象，固利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据，如图3所示的线路两端的线模电压波形；
步骤4：对两端线模电压数据进行二进小波变换，变换后如图4(a)所示，利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2，具体方法为：
对行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然后选择最佳尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极大值来确定初始行波分别到达故障点的时刻t1、t2。
如图4(b)所示为采集到的原始信号中确定的故障点，可以看出，直接采用原始信号确定故障点时，会出现干扰，确定出的故障点不准确，同时，通过图4(a)和图4(b)图片的对比验证了小波模极大值法识别故障到达测量端时刻的准确性。
最佳尺度的选择原则为：
在用小波变换模极大值法判断信号突变点时，需要把多尺度结合起来综合观察。尺度越小，平滑区域小，小波系数模极大值点与突变点位置的对应越准确。但是，小尺度下小波系数受噪声影响非常大，产生许多伪极值点，往往只凭一个尺度不能定位突变点的位置。相反，在大尺度下，对噪声进行了一定的平滑，极值点相对稳定，但由于平滑作用了一定的平滑，极值点相对稳定，但由于平滑作用使其定位又产生了偏差。同时，只有在适当尺度下各突变点引起的小波变换才能避免交迭干扰。
步骤5：利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻t1、t2，根据双端测距公式计算出故障距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d～1.1d；
双端D型测距公式的推导如下，原理图如图5所示：
设L为线路总长度；R、I分别代表直流线路的整流侧和逆变侧；d为故障点到整流侧的距离；t、t1、t2分别为故障发生时刻以及两侧检测到的故障行波到达时刻；v为故障行波到达两侧的波速。
根据波速、传输时间和故障距离三者之间的关系有下述等式成立：
d＝v(t1-t)
L-d＝v(t2-t)
联立上述两式，并消去参数t得到双端D型测距公式为：
步骤6：取某一侧线模电压数据利用Daubechies系列中的db7小波进行5层小波包分解，分解为32个频段。计算0.9d～1.1d所对应的频段dk；
例如，本发明采用采样率为10kHz，根据奈奎斯特采样定理可知，提取的暂态信号的范围为(0～5000Hz)。通过小波包分解之后的32个频段的频域范围分别为：d1(0～156.25)、d2(156.25～312.5)……d32(4843.75～5000)。
根据行波固有频率与故障距离间的简化关系式计算得到0.9d～1.1d所对应的频段dk，为：
因为小波包分解频段划分局限性，故障距离粗测值可能会跨越两个频段，此时为了减小误差性，本文选择分别对其所跨越的两个频段进行MUSIC算法求取固有频率值，最后取平均值。
行波固有频率与故障距离的简化关系式推导如下：
行波固有频率与故障距离、边界条件(测量端反射系数Γ1、故障点反射系数Γ2和故障类型对应关系)三者之间存在一定数学关系。将输电线路等效为输入-状态-输出模型，并在Laplace域内对等效电路进行分析，可得到故障测距公式如式(3)：
式中：θ1、θ2为测量端和故障点处的反射角度。fn为行波固有频率n次成分的频率，v为此频率下的波速；k的取值为使方程为非零值中的最小值。
本申请所用模型系统边界如图6所示，对边界进行分析，当系统阻抗为0时式(3)可化简为：
在实际的计算中，由于故障行波频谱主成分的幅值最高，且最容易提取，故采用固有频率主成分进行故障测距计算。即式(4)可简化为：
则，可得0.9d～1.1d所对应的频段dk，为：
由式(5)知固有频率与故障距离之间存在一定的数学关系，若已知故障距离的大致范围，则可以利用二者之间的关系反推出固有频率的范围。
步骤7：对频段dk利用MUSIC算法提取固有频率主成分fk，如图7所示为所得幅值-频率图，由图7可得固有频率主成分fk。
固有频率的形成机制
直流输电线路发生故障后，相当于在故障点叠加了一个与额定电压值相反的故障电源，在输电线路中，由分布电容引起的高频暂态分量中的周期性分量在短路点和系统端之间来回反射，形成故障行波。其频谱由一系列谐波形式的频率组成，称为行波固有频率。故障行波的频谱由一系列谐波形式的频率组成，称为故障行波的自然频率，其最低次频率占比重最大，为主成分，其他谐波成分含量随频率的增高而降低，直至频率为无穷高(实际最高频率受到信号采样率的限制，为有限值)。
多信号分类方法(MUSIC)是现阶段比较常用的固有频率提取方法。该方法主要采用衰减的正弦谐波模型对信号进行拟合，电力系统的大部分信号均可用来进行分析。MUSIC算法的基本思想是对阵列数据的自相关矩阵作特征值分解，并且按照特征值的大小来区分信号和噪声两个正交的子空间，根据这两个子空间正交的原理构建特征多项式和代数方程组来计算谐波分量的频率计幅值。具有抗噪声强、运算速度快的特点，特别是行波衰减速度快、有效行波信号长度较短的时候具有很高的估计精度。故本申请选择MUSIC算法来提取行波固有频率。
步骤8：利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值d1为：
其中，v为故障行波的传播速度。
本申请中故障行波的传播速度v取经验值2.96×108m/s。
实施例
选取国际大电网会议Cigre模型为原型，在暂态仿真软件PSCAD/EMTDC上搭建双极十二脉冲HVDC直流输电模型，仿真模型如图8所示。分别在距离整流侧100、400、500、700、900km处设置单极接地故障，故障过渡电阻分别为0Ω和100Ω。设置系统在1.5s发生单级接地故障，采样率为10kHz。
1)单极接地故障
对于直流线路上的单极接地故障，在线路两端采集故障电压数据，利用本申请所提算法得到的故障行波到达线路两端时刻、故障距离粗测值、故障距离粗测范围、固有频率范围、所在小波包频段及固有频率值，并计算故障距离，如表1所示。
由表1可知，利用小波模极大值的方法可以粗测出故障距离，且粗测距离绝对误差最小值为在50km处，误差为0，最大误差为75.15km。混合测距算法当故障发生在靠近线路两端区段时，测距精度相对较高。但绝对误差都在1.5km以内，相对误差均在0.5％以内，相对误差最大值为0.427％，最小值为0.017％。且测量值绝对误差最大值为-1.523km，最小值为0.152km。
表1单极接地故障的计算结果
2)极间故障
对于正负极线路在某处发生短路故障，在线路两侧采集故障初始行波电压信号，利用本申请所提算法得到的故障行波到达线路两端时刻、故障距离粗测值、故障距离粗测范围、固有频率范围、所在小波包频段及固有频率值，并计算故障距离，如表2所示。
表2极间短路故障计算结果
由表2可知，利用小波模极大值的方法可以粗测出故障距离，粗测绝对误差最小值为0km，最大误差为75.15km。同时，也可知当故障发生在靠近线路两端区段时，测距精度相对较高。但绝对误差都在1.5km以内，相对误差均在0.5％以内。且测量值绝对误差最大值为-1.523km，最小值为0.152km；相对误差最大值为0.427％，最小值为0.017％。同时对比表1表2可知，故障类型对故障测距结果影响较小。

Claims (5)

1.一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据；
步骤2：利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行滤波处理，去除噪声并提取真实的信号；
步骤3：利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据；
步骤4：对线模电压数据进行二进小波变换，利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2；
步骤5：利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻t1、t2，根据双端测距公式计算出故障距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d～1.1d；
步骤6：计算0.9d～1.1d所对应的频段dk；
步骤7：对频段dk提取固有频率主成分fk；
步骤8：利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值d1；
所述步骤4中利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2的具体方法为：对行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然后选择最佳尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极大值来确定初始行波分别到达故障点的时刻t1、t2。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤5中故障距离粗测值d采用双端D型测距公式得到，为：
其中，L为线路总长度，t1、t2分别为故障行波到达整流侧和逆变侧的时刻，v为故障行波的传播速度。
3.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤6中0.9d～1.1d所对应的频段dk，为：
其中，v为故障行波的传播速度。
4.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤8中故障距离精确值d1为：
其中，v为故障行波的传播速度。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述故障行波的传播速度v取经验值2.96×108m/s。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107091973B (zh) * 2017-07-05 2019-10-18 西南交通大学 一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法
CN107271787B (zh) * 2017-07-20 2019-08-02 南方电网科学研究院有限责任公司 附加阻抗的确定方法及装置
CN108646136A (zh) * 2018-04-08 2018-10-12 南瑞集团有限公司 一种直流线路单端测距方法及系统
CN109633269B (zh) * 2019-01-02 2020-10-16 江苏科技大学 基于时频功率谱密度极大值的小波分解尺度确定及故障特征增强方法
CN110187238A (zh) * 2019-06-14 2019-08-30 国网北京市电力公司 一种基于时域特征的固有频率测距系统及方法
CN110275114B (zh) * 2019-07-22 2021-06-25 山东正晨科技股份有限公司 基于组合滤波算法的蓄电池内阻在线监测方法
CN112147460B (zh) * 2020-09-04 2024-04-26 国电南瑞科技股份有限公司 混合直流输电线路保护方法、系统及其存储介质
CN112611944A (zh) * 2020-11-27 2021-04-06 武汉三相电力科技有限公司 一种直流输电线路异常放电在线监测及预警方法和系统
CN113419141B (zh) * 2021-08-26 2021-12-03 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 直流线路故障定位方法及装置
CN114152840B (zh) * 2021-11-29 2022-10-25 昆明理工大学 一种lcc-mmc混合直流输电线路故障测距方法及系统
CN114578184B (zh) * 2021-11-29 2022-11-25 昆明理工大学 一种直流输电线路双端行波频差比值故障测距方法及系统
CN114200246B (zh) * 2021-11-29 2022-06-21 昆明理工大学 一种直流输电线路故障测距方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6879917B2 (en) * 2002-06-14 2005-04-12 Progress Energy Carolinas Inc. Double-ended distance-to-fault location system using time-synchronized positive-or negative-sequence quantities
CN102967799A (zh) * 2012-11-29 2013-03-13 深圳市双合电气股份有限公司 一种电力系统故障综合测距方法
CN103176107A (zh) * 2013-03-08 2013-06-26 山东大学 高压直流输电线路混合故障测距方法
CN103728535A (zh) * 2013-10-28 2014-04-16 昆明理工大学 一种基于小波变换暂态能量谱的特高压直流输电线路故障测距方法
CN104597376A (zh) * 2015-01-07 2015-05-06 西安理工大学 一种考虑实测波速的高压直流输电线路故障测距方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6879917B2 (en) * 2002-06-14 2005-04-12 Progress Energy Carolinas Inc. Double-ended distance-to-fault location system using time-synchronized positive-or negative-sequence quantities
CN102967799A (zh) * 2012-11-29 2013-03-13 深圳市双合电气股份有限公司 一种电力系统故障综合测距方法
CN103176107A (zh) * 2013-03-08 2013-06-26 山东大学 高压直流输电线路混合故障测距方法
CN103728535A (zh) * 2013-10-28 2014-04-16 昆明理工大学 一种基于小波变换暂态能量谱的特高压直流输电线路故障测距方法
CN104597376A (zh) * 2015-01-07 2015-05-06 西安理工大学 一种考虑实测波速的高压直流输电线路故障测距方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高压直流输电线路单端故障测距组合算法;李博雅等;《电力系统保护与控制》;20140201;第42卷(第3期);第118页第2栏至第119页第3栏

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