CN106019081B - 一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法。该方法在输电线路两端变电站的电容式电压互感器（CVT）等容性设备地线上安装专用电压行波传感器；利用专用电压行波传感器检测输电线路故障后产生的一次电压行波信号，输出二次电压行波信号；利用专用电压行波传感器的高频传递函数模型建立专用电压行波传感器的高频反演函数模型，根据高频反演函数模型设计随机共振‑反卷积反演算法进行波形反演，输出反演一次电压行波信号，实现二次电压行波信号到一次电压行波信号的精确反演。本发明能有效解决一次电压行波信号经过专用电压行波传感器传变后产生的波形畸变问题，实现一次电压行波信号的准确有效检测。

Description

一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法。
背景技术
行波技术由于具有故障定位精度高、保护动作速度快和不受过渡电阻、电流互感器饱和、系统振荡及长线分布电容影响等独特优点，成为国内外继电保护领域的研究热点。经国内外众多专家学者的不断努力，行波定位技术逐步实用化，但交流电网的行波保护技术尚无法真正实际应用。随着我国电力系统规模的不断扩大和对电网安测要求的不断提高，为促进行波技术实用化而开展的电网故障行波精确检测技术研究，具有重要的科学意义和应用前景。
目前行波检测技术研究表明常规电流互感器能对暂态电流行波具有良好传变能力，电压互感器能够无延时地传输行波波头最高频带信号和极性。但在热备用线路和终端线路故障时，无法有效检测电流行波信号，且需检测每条出线的电流信号，投入较大；从电压互感器二次侧提取电压行波信号的方法可有效检测电压行波信号的波头信息，但不能准确检测完整的电压行波信号。加拿大B.C Hydro采用一小电抗器串联在电容式电压互感器（CVT）的地线上提取电压行波信号，但其安装需要改变一次系统接线，不符合中国等国家电力系统的运行规程；有文献提出了在CVT地线上套接电压行波传感器检测电压行波的方法，但受电压行波传感器的非线性特性、传输色散等因素影响，一次电压行波信号经过电压行波传感器传变后会产生波形畸变。总之，现有行波检测技术所检测二次行波信号的波形特征不能真实反映电网一次行波信号的波形特征。
发明内容
本发明针对上述存在的问题提出了一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法，该方法在输电线路两端的电容式电压互感器（CVT）等容性设备地线上安装专用电压行波传感器；利用专用电压行波传感器检测输电线路故障后产生的一次电压行波信号，输出二次电压行波信号；利用专用电压行波传感器的高频传递函数模型建立专用电压行波传感器的高频反演函数模型，根据高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法进行波形反演，输出反演一次电压行波信号，实现二次电压行波信号到一次电压行波信号的精确反演。仿真分析表明，本发明能有效解决一次电压行波信号经过专用电压行波传感器传变后产生的波形畸变问题，实现一次电压行波信号的准确有效检测。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
（1）在输电线路两端变电站的电容式电压互感器（CVT）等容性设备地线上安装专用电压行波传感器；
（2）利用专用电压行波传感器检测输电线路故障后产生的一次电压行波信号，输出二次电压行波信号；
（3）专用电压行波传感器的高频传递函数模型，即：
式中U1为一次电压行波信号，U2为二次电压行波信号，M、L、C、R和Rf为专用电压行波传感器的电磁参数，分别表示互感、自感、分布电容、内阻和采样电阻；
根据专用电压行波传感器的高频传递函数模型建立专用电压行波传感器的高频反演函数模型为：
式中Z[G(s)]为对高频传递函数模型G(s)进行Z变换得到的函数G(z)，a1、a2、b1和b2表示高频反演函数模型的系数，取值范围分别为：a1=-0.0372~-0.7196、a2=0~9.163×10-14、b1=0.0820~1.585、b2=-0.0820~-1.585；
（4）根据高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法对二次电压行波信号进行波形反演，输出反演一次电压行波信号，实现二次电压行波信号到一次电压行波信号的精确反演。具体反演过程如下：
根据专用电压行波传感器的高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法对二次电压行波信号s进行波形反演，首先将二次电压行波信号代入随机共振公式得：
式中s为二次电压行波信号，y为随机共振公式的解；
然后根据专用电压行波传感器的高频反演函数模型进行形式变化，可得：
将上式进行差分方程变换，得到反卷积公式：
式中a1、a2、b1和b2为反卷积运算系数，取值与高频反演函数模型的系数相同，取值范围分别为：a1=-0.0372~-0.7196、a2=0~9.163×10-14、b1=0.0820~1.585、b2=-0.0820~-1.585；
最后将随机共振公式的解y代入反卷积公式进行运算，所得反卷积运算的解x即为反演一次电压行波信号。
本发明的技术效果在于：本发明可实现一次电压行波信号的有效准确提取，有效解决一次电压行波信号经过专用电压行波传感器传变后产生的波形畸变问题，实现一次电压行波信号的准确有效检测，有助于进一步提高输电线路故障行波保护技术的可靠性，且实现过程简单易行，具有广阔的应用前景。
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是实施本发明的仿真系统结构图；
图2是本发明的仿真结果波形图；
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
参见仿真系统结构图如图1所示，图1中输电线路MN为一条长度为100km的110kV高压输电线路，M、N表示输电线路MN两端的变电站，f为故障点位置，d为故障距离（约定为故障点f到变电站M的距离）。
以图1所示系统进行仿真分析：
（1）在输电线路MN两端变电站的电容式电压互感器（CVT）等容性设备地线上安装专用电压行波传感器。
（2）利用专用电压行波传感器检测输电线路故障后产生的一次电压行波信号，输出二次电压行波信号。假定输电线路MN上发生接地电阻Rg为500Ω、故障距离d为30km、故障初相角为45°的单相接地故障，以输电线路MN的M变电站检测电压行波信号为例进行分析。在M变电站利用专用电压行波传感器检测一次电压行波信号如图2中曲线1所示，输出二次电压行波信号如图2中曲线2所示。实际专用电压行波传感器的高频传递函数模型的变比较大，导致一次电压行波信号与二次电压行波信号的幅值差距非常大；为明显体现一次电压行波信号与二次电压行波信号的波形特征差异，本仿真所用专用电压行波传感器高频传递函数模型的变比为5：1，其它参数按实际情况设定。
（3）建立专用电压行波传感器的高频传递函数模型为：
利用专用电压行波传感器的高频传递函数模型建立专用电压行波传感器的高频反演函数模型：
式中高频反演函数模型的系数为：a1=-0.7196、a2=9.163×10-14、b1=1.585和b2=-1.585。
（4）根据高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法对二次电压行波信号进行波形反演，将二次电压行波信号代入随机共振公式中的s：
求取随机共振公式的解y，然后对所得随机共振的解y进行反卷积运算：
式中反卷积公式的系数分别为：a1=-0.7196、a2=9.163×10-14、b1=1.585和b2=-1.585。
反卷积公式的解x即为反演一次电压行波信号，对应图2中的曲线三。
仿真分析结果表明，本发明在输电线路发生故障后，能通过二次电压行波信号的波形反演实现一次电压行波信号的准确提取，有效解决一次电压行波信号经过专用电压行波传感器传变后产生的波形畸变问题。

Claims (3)

1.一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法，包括如下步骤：
(1)在输电线路两端变电站的电容式电压互感器(CVT)容性设备地线上安装电压行波传感器；
(2)利用电压行波传感器检测输电线路故障后产生的一次电压行波信号，输出二次电压行波信号；
(3)根据电压行波传感器的高频传递函数模型建立电压行波传感器的高频反演函数模型，其中电压行波传感器的高频传递函数模型为：
式中U1和U2分别表示一次电压行波信号和二次电压行波信号，M、L、C、R和Rf为电压行波传感器的电磁参数，分别表示互感、自感、分布电容、内阻和采样电阻；
(4)根据电压行波传感器的高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法对二次电压行波信号进行波形反演，输出反演一次电压行波信号，实现二次电压行波信号到一次电压行波信号的精确反演。
2.根据权利要求1所述的一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法，所述步骤(3)中根据电压行波传感器的高频传递函数模型建立电压行波传感器的高频反演函数模型为：
式中U1为一次电压行波信号，U2为二次电压行波信号，Z[G(s)]为对高频传递函数模型G(s)进行Z变换得到的函数G(z)，a1、a2、b1和b2为高频反演函数模型的系数，取值范围分别为：a1＝-0.0372～-0.7196、a2＝0～9.163×10-14、b1＝0.0820～1.585、b2＝-0.0820～-1.585。
3.根据权利要求2所述的一种基于波形反演的输电线路故障电压行波精确检测方法，所述步骤(4)中根据电压行波传感器的高频反演函数模型设计随机共振-反卷积反演算法对二次电压行波信号U2进行波形反演，首先将二次电压行波信号代入随机共振公式得：
式中U2为二次电压行波信号，y为随机共振公式的解；
然后根据电压行波传感器的高频反演函数模型进行形式变化，可得：
U1(z)＝b1U2(z)z-1+b2U2(z)z-2-a1U1(z)z-1-a2U1(z)z-2
将上式进行差分方程变换，得到反卷积公式：
x(n)＝b1y(n-1)+b2y(n-2)-a1x(n-1)-a2x(n-2)
式中a1、a2、b1和b2为反卷积运算系数，取值与高频反演函数模型的系数相同，取值范围分别为：a1＝-0.0372～-0.7196、a2＝0～9.163×10-14、b1＝0.0820～1.585、b2＝-0.0820～-1.585；
最后将随机共振公式的解y代入反卷积公式进行运算，所得反卷积运算的解x即为反演一次电压行波信号。
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