CN106019088A - 一种直流接地极线路测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流接地极线路测距方法，包括如下：S10，以设定时间间隔从中性母线端向接地极端的线路上注入脉冲信号，并在中性母线端接收反向脉冲信号和故障暂态行波信号；S20，计算脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离；S30，依据脉冲信号下的故障点所在区段，以及故障暂态行波的传播路径，计算两次接收到的故障暂态行波信号的行程，从而计算故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离；S40，脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，与故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离，两者算术平均值作为实际故障点的逼近位置。本发明的测距方法可以快速、准确的定位故障点，缩短故障线路修复时间，对于降低整个直流输电系统的停运率具有重要意义。

Description

一种直流接地极线路测距方法

技术领域

本发明涉及电力线路故障检测领域，具体涉及一种直流接地极线路基于脉冲注入信号和故障暂态行波的测距方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展，用电量呈连年增加的态势，采用高压直流输电的方式对我国实际的资源能源的应用配置具有重要意义。直流接地极线路是高压直流输电系统中的重要组成部分，不仅提供了直流电流的回流路径，单极运行时，可利用接地极-大地作为电流返回方式，降低系统损耗。接地极线路发生故障后会影响直流双极系统，严重时造成双极停运，不仅影响直流系统的安全运行，而且影响大电网骨干网架的稳定运行。

目前，针对高压直流接地线路出现的故障，已经提出了多种故障测距的方法，主要有电流差分法、阻抗法、行波法。电流差分法根据接地极线路某一回路出现故障，引起并行线路的电流出现差距进行测距，其方法存在判断死区以及无法识别故障类别的缺陷。阻抗法通过实时测量接地极线路电压、电流计算其阻抗值来进行测距，测距精度受线路参数、故障类型和过渡电阻等因素的影响，测距误差较大。行波法是利用故障时刻线路自身产生的暂态行波或者由人工发射脉冲信号，分别检测行波波头到达线路一端或两端的时刻，再根据行波的传播速度以及传播特性来确定故障距离，不受线路参数分布不均匀、故障类型和过渡电阻等因素的影响。行波法分为单端行波测距方法、双端行波测距方法和广义上的脉冲信号注入法，单端行波测距方法具有很高的准确性，但难以兼顾可靠性；双端行波测距方法具有很高的可靠性，但在准确性上较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于脉冲注入信号和故障暂态行波的直流接地极线路测距方法，实现高压直流接地极线路发生故障后，快速、准确、可靠的定位故障点，测距精度较高，有利于降低整个直流输电系统的停运率。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种直流接地极线路测距方法，包括如下步骤：

步骤S10，以设定时间间隔从中性母线端向接地极端的线路上注入脉冲信号，并在中性母线端接收反向脉冲信号和故障暂态行波信号，所述故障暂态行波信号包括有故障反射波信号和接地极端反射波信号；

步骤S20，根据反向脉冲信号的行程计算脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，及其所处的接地极线路上的区段；

步骤S30，依据脉冲信号下的故障点所在区段，以及故障暂态行波的传播路径，计算两次接收到的故障暂态行波信号的行程，从而确定故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离；

步骤S40，脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，与故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离，两者的算术平均值作为实际故障点的逼近位置。

进一步，所述步骤S10的注入脉冲信号是在故障发生暂态过程结束后，再向接地极线路注入脉冲信号。

进一步，还包括步骤S31，所述中心母线端和接地极端之间的待检测线路全长为d，中性母线端设为M端，接地极端设为N端，反向脉冲信号下的故障点设为F1点，令F1点至中性母线端距离为d_MF1,直流接地极线路故障时脉冲信号发射时刻为t_M1，来自F1点的反向脉冲信号到达中性母线端的时刻为t_M2，时间差Δt＝t_M2-t_M1，则故障距离表示为：

$d_{MF1}=\frac{1}{2}{v}_1\mathrm{\Δ}t\mathrm{...}\left(1\right)$

其中v₁是脉冲信号的传输速度。

进一步，还包括有步骤S21，若F1点到M端的距离d_MF1小于d/2，则F1点位于M端和待检测线路中点之间；d_MF1等于d/2,则F1点位于待检测线路中点；若d_MF1大于d/2，则F1点位于检测线路中点和N端之间。

进一步，所述故障暂态行波下的故障点记为F2点，还包括有步骤S31，F1点位于M端和待检测线路中点之间，则M端检测到的第二个波形为故障暂态行波下的故障点反射波，则F2点至M端的距离为d_MF2，其为暂态故障行波的传播路程的一半，即

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right)$

其中t_M3是M端检测到第一个故障暂态波形的时刻，t_M4是M端检测到第二个故障暂态波形的时刻，v₂是故障暂态行波的传送速度。

进一步，还包括有步骤S32，F1点位于待检测线路中点，此时故障点反射波与接地极反射波同时到达M端，因此F2点至M端的距离依然为

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right).$

进一步，还包括有步骤S33，F1点位于待检测线路中点与接地极端之间，则M点第一次检测到故障反射波信号，第二次检测到接地极反射波信号，则F2点与M点的距离为

$d_{MF2}=d-\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(3\right).$

进一步，所述实际故障点的距离M点的逼近距离为：

$d_{MF}=\frac{1}{2}(d_{MF1}+d_{MF2})\mathrm{...}\left(4\right).$

进一步，所述设定时间间隔为周期性时间间隔。

本发明的一种直流接地极线路测距方法，基于脉冲注入信号和故障暂态行波，通过将单端行波测距法和脉冲信号注入法相结合的测距原理，在故障发生暂态过程结束，本文设定故障后0.05s后向接地极线路注入脉冲信号，根据公式(1)给出故障接地极线路的第一个测距结果，同时确定故障的发生区段(MO段、中点O处、NO段)，从而确定第二次到达母线M侧的故障行波是故障点反射波还是接地极N端母线反射波；其次，根据故障暂态行波，运用单端行波测距公式(2)或(3)，给出另一个测距结果；最后，通过公式(4)取两个测距结果的平均值，得到最终的测距结果，从而达到减小误差的效果。此方法能够避免单独使用单端测距法不好识别第二个反向行波的性质的问题，可靠性大大提高，同时采用对脉冲信号注入法和单端测距法的测距结果取平均值的方式，缩小测距误差，达到了准确性的要求。

附图说明

图1为高压直流双极输电系统中性点两端接地方式的电路原理图。

图2为本发明的高压直流接地极线路原理图。

图3为本发明的直流接地极线路注入脉冲信号的折反射图。

图4为本发明的直流接地极线路故障行波信号的折反射图。

图5为本发明的直流接地极线路测距方法步骤流程图。

图6a为本发明的直流接地极线路30km处故障电压暂态波形图。

图6b为本发明的直流接地极线路30km处故障脉冲电压波形图。

图7a为本发明的直流接地极线路70km处故障电压暂态波形图。

图7b为本发明的直流接地极线路70km处故障脉冲电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

参看图1，其为高压直流双极输电系统中性点两端接地方式的电路原理图，其整流侧中性点A1和逆变侧中性点A2均通过接地极介入大地或海水中，这种方式类似于两个以大地或海水作为回流的单极方式。在对称运行情况下，两回流电流大小一致、方向相反，实际电流很小，当一极故障退出运行时，另一极仍可以大地或海水作为回流方式，输送50％的电力，这种方式提高了直流输电的可靠性和可用率。但这种方式在运行时，由于变压器参数、触发控制角度等个不完全对称，会在中性点有一定的电流流通，从而对附近中性点接地产生影响。目前建设和运行中的高压直流输电工程多为这种双极两端中性点接地方式。

在高压直流输电系统一极出现故障停运时，在本实施例中，以图1的高压直流双极输电系统转换为单极大地回线运行模式进行说明，参看图2，第一、第二换流变压器分别与第一、第二直流接地极线路AC₁、AC₂连接，第一、第二环流变压器在第一换流桥HB₁和第二换流桥HB₂之间设置直流输电线路D，在直流输电系统运行时，第一直流接地极线路AC₁的电流从第一变压器T₁和第一换流桥HB₁构成的第一换流变压器流出,通过平波电抗器H₁、电感H与电容C构成的谐波滤波器后，流入双回并行架空接地极线路X₁-X₂，在接地极极址末端经接地环流入大地，所述双回并行架空线路包括有第一架空接地极线路X₁和第二架空接地极线路X₂。所述第一、第二架空接地极线路X₁、X₂的长度都为100km，在第一架空线接地极线路X₁上分别设置两个仿真故障点，其分别距离M端的距离分别为30km和70km。在本实施例中，在第一换流桥HB₁、平波电抗器H₁及双回并行架空线路X₁-X₂的共同侧上的N点设置脉冲发生器DC，该N点为接地极线路脉冲电源发射端测量点，其产生的脉冲电压V1，仿真频率为1MHz；在第一架空接地极线路X₁的中性母线端为M₁端作为测量点，M₁端为接地极线路故障测距时M端测量点其上设置信号接收器(未图示)，用以接收故障暂态电压V2。

参看图3至图4，分别为本发明的直流接地极线路注入脉冲信号、故障暂态行波信号的折反射图。

在本实施例中，不对第二架空接地极线路X₂做故障点检测，第一架空接地极线路X₁在注入脉冲信号后的行波折反射过程，参看图3，脉冲信号到达故障点F1时发生折反射，到达中性母线端和接地极端时也发生折反射。其中，M和N为第一架空接地极线路X₁两端，F1点为脉冲信号对应的故障点,d_NF1为故障点到接地极N端的距离；t_M1为直流接地极注入脉冲信号的时刻，t_M2为注入脉冲信号沿直流接地极线路向前传播到故障点F1点形成第一次反射并到达M端的时刻。由于本发明所提方法只用到脉冲信号发射时刻，以及脉冲信号经F1点反射第一次到达M端的时刻，图3中M端和N端发生折射的过程没有标出，也省略了对后续脉冲发生折、反射过程的描述。

直流接地极线路发生故障后，行波浪涌到达中性母线端和接地极极端时都会发生折反射，到达故障点时也会发生折反射，行波在线路中的折反射情况如下图2所示。图2中：M和N为直流接地极线路两端；O为线路中点；F为故障点；d为线路全长；d_MF2为故障点到中性母线M端的距离；d_NF2为故障点到接地极N端的距离；t_M表示故障行波分别到达中性母线M端的绝对时刻。

从图2中可以看出，当故障发生时，故障行波从故障点同时向中性母线M端和接地极N端传播，到达两端后发生折射和反射，图中未标出M、N两端的折射波图，经M端和N端反射后的行波在故障点处发生折反射后向两端传播，M端和N端接收到第二次故障行波，由于本发明所提方法只用到前两次故障行波到达的时刻，因而省略了对后续故障行波的折、反射过程的描述。

本发明实施例的一种直流接地极线路测距方法，参看图5，包括如下步骤：

步骤S10，以设定时间间隔从中性母线端向接地极端的线路上注入脉冲信号，并在中性母线端接收反向脉冲信号和故障暂态行波信号，所述故障暂态行波信号包括有故障反射波信号和接地极端反射波信号；

作为一个实施例，所述设定时间间隔为周期性时间间隔；

步骤S20，根据反向脉冲信号的行程计算脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，及其所处的接地极线路上的区段；即通过周期性地从直流接地极线路始端注入一个脉冲信号，根据脉冲信号由发射装置到故障点的往返时间来探测线路故障距离；

步骤S30，依据脉冲信号下的故障点所在区段，以及故障暂态行波的传播路径，可以确定前两次到达中心母线端M的故障暂态行波信号中，第二次是故障点反射波还是接地极N端反射波；计算两次接收到的故障暂态行波信号的行程，从而确定故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离；

步骤S40，脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，与故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离，两者的算术平均值作为实际故障点的逼近位置，从而达到减小误差的效果。

进一步，所述步骤S10的注入脉冲信号是在故障发生暂态过程结束后，再向接地极线路注入脉冲信号，在本实施例中，设定故障发生暂态过程的结束时间为0.05s。

作为一个实施例，还包括步骤S31，所述中心母线端和接地极端之间的待检测线路全长为d，中性母线端设为M端，接地极端设为N端，反向脉冲信号下的故障点设为F1点，令F1点至中性母线端距离为d_MF1,直流接地极线路故障时脉冲信号发射时刻为t_M1，来自F1点的反向脉冲信号到达中性母线端的时刻为t_M2，时间差Δt＝t_M2-t_M1，则故障距离表示为：

$d_{MF1}=\frac{1}{2}{v}_1\mathrm{\Δ}t\mathrm{...}\left(1\right)$

其中v₁是脉冲信号的传输速度。

进一步，还包括有步骤S21，若F1点到M端的距离d_MF1小于d/2，则F1点位于M端和待检测线路中点O之间，且在单端行波测距方法中M端第二次接收到的波形为故障点反射波；d_MF1等于d/2,则F1点位于待检测线路中点，且在单端行波测距方法中故障点反射波和接地极端反射波同时到达M端；若d_MF1大于d/2，则F1点位于检测线路中点和N端之间，且在单端行波测距方法中M端第二次接收到的波形为接地极端反射波。

进一步，所述故障暂态行波下的故障点记为F2点，还包括有步骤S31，F1点位于M端和待检测线路中点之间，则M端检测到的第二个波形为故障暂态行波下的故障点反射波，则F2点至M端的距离为d_MF2，其为暂态故障行波的传播路程的一半，即

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right)$

其中t_M3是M端检测到第一个故障暂态波形的时刻，t_M4是M端检测到第二个故障暂态波形的时刻，v₂是故障暂态行波的传送速度。

进一步，还包括有步骤S32，F1点位于待检测线路中点，此时故障点反射波与接地极反射波同时到达M端，因此F2点至M端的距离依然为

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right).$

进一步，还包括有步骤S33，F1点位于待检测线路中点与接地极端之间，则M点第一次检测到故障反射波信号，第二次检测到接地极反射波信号，根据图2故障暂态行波浪涌的传播路径可知，在t_M3和t_M4的时间间隔内，故障行波的传播路程为2d_NF2，则F2点与M点的距离为

$d_{MF2}=d-\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(3\right).$

进一步，所述实际故障点的距离M点的逼近距离为：

$d_{MF}=\frac{1}{2}(d_{MF1}+d_{MF2})\mathrm{...}\left(4\right).$

通过PSCAD仿真上述模型及方法，根据相关参数，通过仿真、计算求得脉冲信号在接地极线路中的传播速度为v₁＝298km/ms，故障暂态行波信号在接地极线路中的传播速度为v₂＝298km/ms。

以第一架空接地极线路X₁发生金属性接地故障为例仿真验证，过渡电阻为1Ω，设故障距离30km，故障起始时间为0.6s，故障持续时间为0.2s。经MATLAB对仿真结果进行数据的处理和提取，直流接地极线路M₁点电压暂态行波波形如下图6a所示(从故障点0.6s开始截取0.7ms波形数据)。

在t_M1＝0.65s注入幅值为48V的单极性脉冲信号，脉冲时窗宽度t₁＝32us。经MATLAB对仿真结果进行数据的处理和提取，直流接地极线路脉冲发射端N点电压波形如图6b所示(从0.6499s开始截取0.7ms波形数据)。

由图6b仿真结果得：

t_M1＝0.65s，

t_M2＝0.650200s，

求得Δt＝0.000200s，

则：d_NF1＝d-d_MF1＝70.2km，显然：d_MF1<d/2，说明故障发生在MO段，且判定在单端行波测距方法中M端第二次接收到的波形为故障点反射波。

由图6a仿真结果得：

t_M3＝0.600100s，t_M4＝0.600302s，

求得Δt＝0.000202s，则：d_NF2＝d-d_MF2＝69.90km。

最终结果：

$d_{MF}=\frac{1}{2}(d_{MF1}+d_{MF2})=29.95km$

$d_{NF}=\frac{1}{2}(d_{NF1}+d_{NF2})=70.05km$

本结果与实际故障点的位置相比，测量误差约为0.05km。

以第一架空接地极线路X₁发生金属性接地故障为例仿真验证，过渡电阻为1Ω，设故障距离70km，故障起始时间为0.6s，故障持续时间为0.2s。经MATLAB对仿真结果进行数据的处理和提取，直流接地极线路M₁点电压暂态行波波形如下图7a所示(从故障点0.6s开始截取0.7ms波形数据)。

在t_M1＝0.65s注入幅值为48V的单极性脉冲信号，脉冲时窗宽度t₁＝32us。经MATLAB对仿真结果进行数据的处理和提取，直流接地极线路脉冲发射端N点电压波形如图7b所示(从0.6499s开始截取0.7ms波形数据)。

由图7b仿真结果得：

t_M1＝0.65s，t_M2＝0.650469s，

求得Δt＝0.000469s，则：d_NF1＝d-d_MF1＝30.12km。

显然，d_MF1>d/2，说明故障发生在NO段，且判定在在单端行波测距方法中M端第二次接收到的波形为接地极端反射波。

由图7a仿真结果的：

t_M3＝0.600233s，t_M4＝0.600434s，

求得Δt＝0.000201s，则：d_MF2＝d-d_NF2＝69.90km。

最终结果：本结果与实际故障点的位置相比，测量误差约为0.11km。

表1给出了直流接地极线路仿真时在发生接地性故障时所取得6个不同的点，根据基于注入脉冲信号和故障暂态行波相结合的测距方法所得到的测距结果与误差，以脉冲时窗宽度t₁＝32us为例。

表1 故障仿真的测距结果

序号	故障点实际距离/km	测距/km	测距误差/km
				1	20	19.82	0.18
2	30	29.95	0.05
				3	40	39.63	0.37
4	50	50.36	0.36
				5	70	69.89	0.11
6	85	85.32	0.32

从表1中的测距结果中可以明显看出，在直流接地极线路上应用基于注入脉冲信号和故障暂态行波相结合的测距方法测距的误差一般较小。单独使用单端测距法时，工程中不好区分故障点与接地极端的反射波，造成测距可靠性差，结合脉冲信号注入法测距，可简单、快速、准确的得出测距结果，且误差较小。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种直流接地极线路测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10，以设定时间间隔从中性母线端向接地极端的线路上注入脉冲信号，并在中性母线端接收反向脉冲信号和故障暂态行波信号，所述故障暂态行波信号包括有故障反射波信号和接地极端反射波信号；

步骤S20，根据反向脉冲信号的行程计算脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，及其所处的接地极线路上的区段；

步骤S30，依据脉冲信号下的故障点所在区段，以及故障暂态行波的传播路径，计算两次接收到的故障暂态行波信号的行程，从而确定故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离；

步骤S40，脉冲信号下的故障点至中性母线端的距离，与故障暂态行波下的故障点至中性母线端的距离，两者的算术平均值作为实际故障点的逼近位置。

2.根据权利要求1所述的换流变压器对称加压空载试验电路，其特征在于，所述步骤S10的注入脉冲信号是在故障发生暂态过程结束后，再向接地极线路注入脉冲信号。

3.根据权利要求1或2所述的换流变压器对称加压空载试验电路，其特征在于，还包括步骤S31，所述中心母线端和接地极端之间的待检测线路全长为d，中性母线端设为M端，接地极端设为N端，反向脉冲信号下的故障点设为F1点，令F1点至中性母线端距离为d_MF1,直流接地极线路故障时脉冲信号发射时刻为t_M1，来自F1点的反向脉冲信号到达中性母线端的时刻为t_M2，时间差Δt＝t_M2-t_M1，则故障距离表示为：

$d_{MF1}=\frac{1}{2}{v}_1\mathrm{\&Delta;}t\mathrm{...}\left(1\right)$

其中v₁是脉冲信号的传输速度。

4.根据权利要求3所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，还包括有步骤S21，若F1点到M端的距离d_MF1小于d/2，则F1点位于M端和待检测线路中点之间；d_MF1等于d/2,则F1点位于待检测线路中点；若d_MF1大于d/2，则F1点位于检测线路中点和N端之间。

5.根据权利要求4所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，所述故障暂态行波下的故障点记为F2点，还包括有步骤S31，F1点位于M端和待检测线路中点之间，则M端检测到的第二个波形为故障暂态行波下的故障点反射波，则F2点至M端的距离为d_MF2，其为暂态故障行波的传播路程的一半，即

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right)$

其中t_M3是M端检测到第一个故障暂态波形的时刻，t_M4是M端检测到第二个故障暂态波形的时刻，v₂是故障暂态行波的传送速度。

6.根据权利要求4或5所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，还包括有步骤S32，F1点位于待检测线路中点，此时故障点反射波与接地极反射波同时到达M端，因此F2点至M端的距离依然为

$d_{MF2}=\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(2\right).$

7.根据权利要求6所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，还包括有步骤S33，F1点位于待检测线路中点与接地极端之间，则M点第一次检测到故障反射波信号，第二次检测到接地极反射波信号，则F2点与M点的距离为

$d_{MF2}=d-\frac{1}{2}(t_{M4}-t_{M3})v_2\mathrm{...}\left(3\right).$

8.根据权利要求1或7所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，所述实际故障点的距离M点的逼近距离为：

$d_{MF}=\frac{1}{2}(d_{MF1}+d_{MF2})\mathrm{...}\left(4\right).$

9.根据权利要求1所述的直流接地极线路测距方法，其特征在于，所述设定时间间隔为周期性时间间隔。