CN106093698B - 一种基于多测量信息的行波故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多测量信息的行波故障定位方法，各变电站测量单元通过对接收到的故障初始波头进行相模变换解耦得到零模和线模分量，结合训练过的神经网络求得零模波速，针对零模和线模分量到达同一测量单元的时间不同初步估算故障距离。行波定位主站综合每个测量单元估算的故障距离，确立疑似故障线路集合，结合实时网络拓扑结构和故障行波特征定位故障线路。选取距离故障线路最近的未故障线路，计算实时的线模波速；进一步根据双端或扩展双端测距法，精确计算故障点距离。本发明一种基于多测量信息的行波故障定位方法，使用多点数据进行故障测距，有效避免单个装置故障导致测距失败的情况，提高定位精度和可靠性。

Description

一种基于多测量信息的行波故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于多测量信息的行波故障定位方法，属于电力系统故障排查领域，具体涉及电力网络发生扰动后，利用区域多测量数据进行故障选线和测距。

背景技术

1：行波故障测距因其快速、准确的特点得到快速发展，电网中行波定位装置的应用迅速增加，使其具备了一定的组网条件，能够通过整合全网行波和继电保护动作信息，改善现有故障定位方法的可靠性和精度。

2：在复杂电力网络中，行波折反射的传输路径复杂，单端行波法难以保证准确的波头识别，但单端法无需对时，测距成本比双端法降低一半以上。双端法只检测初始波头，测距准确性更高。但线路两端互感器固定时延不一致，或单个测距装置故障等因素会造成测距误差。另外实时波速的不确定也是行波法需要解决的问题。通过整合多端行波信息，将单端法和双端法配合使用，可提高测距结果的品质，并降低系统投资成本。

3：测量单元为准确记录故障行波数据，其灵敏度通常比继电保护动作灵敏度更高，实际电网中绝缘薄弱点发生扰动，保护可能并不动作，同时考虑保护误动的可能性，行波故障定位时，若仅依靠保护动作信息判断扰动线路，可能导致测距失败。

发明内容

为克服现有的行波故障定位方法的不足，本发明提供一种基于多测量信息的行波故障定位方法。定位系统结构如图1所示，通过预先的优化配置，选取电网中部分变电站安装行波测量单元，并由卫星授时保持测量单元的时间同步，经通信网络，测距主站接收各测量单元的数据，进一步定位故障线路和故障位置。该方法使用多点数据进行故障测距，有效避免单个装置故障导致测距失败的情况，提高定位精度和可靠性。利用行波数据进行故障选线和测距，防止保护误动等因素造成故障定位失败。

本发明所采用的技术方案是：

首先定义临接数：电网中某变电站通过输电线路直接相连接的变电站个数，称为该变电站的临接数。如图2所示，与S0直接相连的有S1、S2、…、Si，则S0的临接数为i，与S1直接相连的只有S0，则S1的临接数为1.含有临接数为1的站点所在线路称为终端线路，如图2中(S0-S1)、(S0-S2)等。

一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其步骤依次为：

1)、电网中的行波测量单元预先经过优化配置，行波定位主站收集所有测量单元采集的行波数据，选取部分测量单元的数据作为故障定位的信息域，即故障测距的数据源；

2)、对行波数据进行相模变换解耦得到零模和线模分量，经训练好的神经网络求得零模波速，根据零模和线模分量到达同一检测点的时间差初步估算故障距离；

3)、设信息域内有i个行波测量单元，则共初步估算出i个故障距离，测距主站根据所有估算的故障距离和网络拓扑结构定位故障线路，并剔除无效的时间数据；

4)、选取距离故障线路最近的未故障线路上的测量数据，根据初始波头到达两个测量点的时间差，结合线路长度，计算实时的线模波速，用于精确的故障测距计算；

5)、确认故障线路后，对于终端线路，即线路的一端不再与其他线路相连，采用单端法进行故障位置计算，对于一般线路，根据多端数据计算故障位置。

步骤2)所述的测距主站定位故障线路的方法具体为：假设信息域内变电站S1、S2、…、Si安装了行波定位装置，其中变电站Sj根据模量速度差法初步估算故障距离为xj，结合网络拓扑结构，到变电站Sj的距离为xj的所有点所在的线路组成集合Cj；同理，所有配置了测量单元的数据都可以计算得到一个集合，分别设为C1、C2、…、Ci，组成新的集合：C＝C1+C2+…+Ci。集合C是疑似故障线路的集合，统计集合C中元素出现的次数n，n最大的元素对应的线路即为故障线路。

步骤3)剔除无效数据的方法具体为：在判断出故障线路后，检查集合C1、C2、…、Ci，若某集合不包含故障线路，则认为该集合对应的测量单元的行波数据无效。

步骤5)精确的故障位置计算具体步骤为：对于一般线路，按故障线路两侧将有效时间分为两组，分别从每组中选取一个初始线模波头到达时间，以双端法原理计算故障距离，并以经过故障线路的最短路径长度(设为L千米)的倒数(1/L)作为该故障距离的权重，最后对所有计算距离进行加权求和，得到最终的精确故障位置。对于终端线路，根据模量速度差法估算的故障距离，结合波速，计算出故障点反射波传播的时间长度，在故障线路邻近的测量单元记录的波形上特定的区域内，查找故障点的反射波，再利用初始波头和反射波的时间差精确计算故障位置。

所述的双端法具体为：设故障线路MN的长度为L_MN，是根据故障线路邻近的未故障线路计算的线模波速，初始线模波头到达M端和N端的时间分别为t_M、t_N，则故障点F到M端的距离为

与现有的技术相比，本发明提供一种基于多测量信息的行波故障定位方法，有益效果在于：

1：本方法不要求电网中所有变电站都安装行波定位装置，特别是临接数为1的终端变电站，可不安装定位装置，综合使用单/双端行波法，节省了设备投资成本。

2：本方法综合区域网络的多点行波数据，对波头到达时间进行校验，有效防止单个定位装置故障等因素造成测距失败，增强定位系统的冗余度和准确度。

3：对于并不引起保护动作的扰动，本方法同样可以定位，并利用行波数据同时进行故障选线和测距，与保护动作信息相互验证，使结果更加可靠。

附图说明

图1定位系统结构图

图2变电站临接数示意图。

图3近端故障时行波传播示意图；

其中:t_a、t_m、t_n、t_b为故障发生后初始波头到达变电站的时间。

图4测距原理示意图；

图5含临接数为1的线路测距示意图。

具体实施方式

一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其步骤依次为：

1)、预先对电网中的行波测量单元进行优化配置，行波定位主站收集各测量单元采集的行波数据，选取部分测量单元的数据作为故障定位的信息域，即故障测距计算数据源；

2)、对行波信号进行相模变换解耦得到线模和零模，经训练好的神经网络求得零模波速，根据零模和线模分量的初始波头到达同一检测点的时间差初步估算故障距离；

3)、根据信息域内i个测量单元记录的行波数据初步估算出i个故障距离，测距主站根据所有估算的故障距离和网络拓扑结构定位故障线路，并剔除无效时间数据；

4)、选取距离故障线路最近的未故障线路上测量单元的数据，根据初始波头到达两个测量单元的时间差和线路长度，计算实时的线模波速，用于精确的故障测距计算；

5)、确认故障线路后，对于终端线路，即线路的一端不再与其他线路相连，采用单端法进行故障位置计算，对于一般线路，根据多端数据计算故障位置。

步骤2)所述的初步估算故障距离的具体方法为：对于同一检测点，设零模和线模的初始波头到达时间分别为t₀、t₁，经训练好的神经网络求得的零模波速为v₀，预设线模波速为v₁，则估算故障点到检测点的距离为

步骤3)所述的测距主站定位故障线路的方法具体为：假设信息域内变电站S1、S2、…、Si安装了行波检测装置，其中变电站Sj初步估算的故障距离为xj，结合网络拓扑结构，到变电站Sj的距离为xj的所有点所在的线路组成集合Cj；同理，根据信息域内每个检测单元的数据都可以得到一个集合，设为C1、C2、…、Ci，得到新的集合：C＝C1+C2+…+Ci。集合C是疑似故障线路的集合，统计集合C中元素出现的次数n，n最大的元素对应的线路即为故障线路。

步骤3)剔除无效数据的方法具体为：判断出故障线路后，检查集合C1、C2、…、Ci，若某集合不包含故障线路，则认为该集合对应的检测单元的初始波头到达时间无效。

步骤5)精确的故障位置计算步骤为：对于一般线路，按故障线路两侧将有效时间分为两组，分别从每组中选取一个线模初始波头到达时间，以双端法原理计算故障距离，并以经过故障线路的最短路径长度(设为L千米)的倒数(1/L)作为该距离的权重，最后对所有计算距离进行加权求和，得到最终的精确故障位置。对于终端线路，根据初步估算的故障距离，结合波速，计算出故障点反射波传播的时间长度，在故障线路邻近的未故障线路上测量单元记录的波形中，查找故障点的反射波，再利用初始波头和反射波的时间差精确计算故障位置。

所述的双端法具体为：设故障线路MN的长度为L_MN，是根据故障线路邻近的未故障线路计算的线模速度，初始线模波头到达M端和N端的时间分别为t_M、t_N，则故障点F到M端的距离为

下面对故障定位的具体过程举例说明：

一种基于多测量信息的行波故障定位方法，包括以下步骤：

1.预先对电网中的测量单元进行优化配置，线路发生扰动后，对记录的行波数据进行相模变换得到零模和线模分量，并向测距主站上传数据。

2.测距主站选取部分测量单元数据作为故障测距信息域，并根据初始波头到达时间，初步估算故障距离，进一步确认故障线路，同时剔除无效数据，具体步骤如下：

1)、假设信息域中变电站S1、S2、…、Si配置了检测单元，测距主站根据各测量单元在网络中的位置和模量时间差Δt(线模和零模到达同一检测点的时间差)，经训练好的神经网络求得零模波速v₀，根据线路参数预设线模波速v₁。设站点Sj基于模量速度差法估算故障距离为：

2)、根据估算的距离x和行波最短传输路径原则，找到所有到测量点Sj的距离为x的点所在的线路，组成集合Cj，同理根据每个测量点的数据都得到一个疑似故障线路的集合，分别设为C1、C2、…、Ci，组成新的集合：C＝C1+C2+…+Ci

C是疑似故障线路的集合，对集合C中的元素出现的次数n进行统计，剔除n≤i/2的元素(其中i是信息域内为测量单元的个数)，剩下的元素组成新的集合C^*，若集合C^*中元素对应的线路不相邻，则n最大的元素对应的线路即为故障线路，设为(M-N)。

3)、检索集合C1、C2…Ci，若某个集合中不含线路(M-N)，则对应测量单元的行波数据将不参与之后精确的故障定位计算，为无效的时间。

4)因为初步故障的故障距离存在误差，当故障点距离测量点很近(下文简称近端故障)，集合C^*中对应的线路可能临接与同一点。以图3为例，M右端发生近端故障，通过模量速度差法初步估算故障距离，线路段(A-M)和(M-N)同时被多个测量点的数据认为是故障线路，只能确认长线路(A-N)为故障线路，需进一步缩小故障区段。检查集合C1、C2…Ci，不含有(A-M)或(M-N)的集合对应的测量点数据认为是无效数据。选取距离线路(A-N)较近的未故障线路上测量单元的数据，根据初始波头到达两个测量点的时间差，结合线路长度，计算出线模波速

对于近端故障，根据双端法测距精度高的特点进一步确认故障线路。如图3所示，其中A、N、B都配置了检测单元，下面分别说明两种情况下的故障线路的确认方法。

①、若M点配置了行波检测单元，且时间信息有效。分别选取两个时间信息有效的站点，如A和B，使得疑似故障线路(A-M)和(M-N)分别包含在(A-M)和(M-B)的最短路径内，则由双端法测距原理，在误差范围内可得：

其中Δt_ij为t_i与t_j之间的时间差，L_ij为测量点I与J之间最短路径长度。计算结果L_AM为线路(A-M)的长度。

根据测量点B和M的数据计算故障距离L_BF有：

由上面两个判断结果知故障点F不在线路(A-M)内,而位于线路(M-N)内。

②、若变电站M未配置检测单元或时间信息无效。任选两段时间信息有效的线路，使得其最短路径包含线路(A-N)，以线路段(A-N)、(A-B)为例，计算故障点F到站点A的距离：

在误差范围内有

由上式的比较结果能够判断故障点F位于线路(M-N)内。

5)、针对不同的故障位置选择不同的故障定位算法，对少数情况下，故障线路含有临接数为1的站点时，采用查找特定反射波的方法；当故障线路不含临接数为1的变电站时，采用多端数据进行定位计算。

①、故障线路不含临接数为1的站点时。故障定位主站将有效的时间信息按故障线路两侧分为两组，根据双端法原理，如图4所示，分别从两组数据中选取一个初始波头到达时间t_i和t_j，，故障点F在线路(M-N)内，则F点到站点I的距离为

令故障线路的一端M到站点I的最短路径长度为L_im，则点F到站点M的距离为：

设变电站I经故障线路到电站J之间的最短传输路径的长度为L_ij千米，则测距主站对赋予的权重R_i为1/L_ij。

将各组数据的计算结果进行加权求和，得到最终的故障距离，即故障点到故障线路一端I的距离为：

②、故障线路含临接数为1的站点。以图5为例，变电站S的临接数为1，当确认故障线路后，设R站点通过模量速度差估算的故障点F到R的距离为L_RF，若初步估算的L_RF准确，则得到方程组1：

其中：Δt₁是故障点F的反射波与初始波头间的时间差，Δt₂是S端的反射波与初始波头的时间差。

由方程组1可以求出Δt₁和Δt₂，设初始波头的到达的绝对时间为t，考虑模量速度差法存在一定的误差，在变电站R记录的波形上标记(t+Δt₁)和(t+Δt₂)点一定范围内的波头，寻找两个波头与初始波头的时间差最接近满足式就可以得到Δt₁和Δt₂的准确值，并带入方程组1便能够计算出精确的故障距离为

6)、输出综合判断后的故障线路和精确的故障位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其特征在于包括以下步骤：

首先进行故障选线，同时剔除无效数据，并计算实时线模波速，进一步精确的计算故障距离，具体步骤如下：

1)、预先对电网中的行波测量单元进行优化配置，扰动发生后，定位主站收集各行波测量单元记录的行波数据，并选取最先检测到初始波头的部分行波测量单元的数据，作为故障测距信息域；

2)、对行波数据进行相模变换解耦得到零模和线模分量，结合训练好的神经网络计算零模波速，根据零模和线模到达同一检测点的时间不同初步估算故障距离；

3)、经步骤2)估算求得故障点到每个行波测量单元的距离，测距主站根据估算的故障距离和网络拓扑结构定位到故障线路，并剔除无效的时间数据；

4)、选取距离故障线路最近的未故障线路的行波数据，计算出实时的线模波速；

5)、确认故障线路后，对于终端线路，采用单端法进行精确的故障位置计算；对于其他线路，根据多端数据和双端法计算故障位置。

2.根据权利要求1所述一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步骤3)所述的测距主站定位故障线路的方法具体为：假设信息域内变电站S1、S2、…、Si安装了行波测量单元，其中由变电站Sj的数据初步估算的故障距离为xj，根据网络拓扑结构，到变电站Sj的距离为xj的所有点所在的线路组成集合Cj；同理，根据信息域内每个行波测量单元的数据都能得到一个集合，分别设为C1、C2、…、Ci，得到新的集合：C＝C1+C2+…+Ci；集合C是疑似故障线路的集合，统计集合C中元素出现的次数n，n最大的元素对应的线路即为故障线路。

3.根据权利要求2所述一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步骤3)剔除无效的时间数据的方法具体为：判断出故障线路后，检查集合C1、C2、…、Ci，若某集合不包含故障线路，则认为该集合对应的行波测量单元的行波数据为无效数据。

4.根据权利要求1所述一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步骤5)具体为：对于除终端线路外的其他线路，按故障线路两侧将有效时间数据分为两组，分别从每组中选取一个初始线模波头到达时间，根据双端法原理计算故障距离，以经过故障线路的最短路径长度，设为L千米的倒数1/L作为计算的故障距离的权重，最后对所有计算的故障距离进行加权求和，得到精确的故障位置；对于终端线路，根据模量速度差法初步估算的故障距离，结合线模波速，在故障线路邻近的行波测量单元记录的波形上查找对端母线和故障点的反射波，然后利用初始波头和反射波的时间差精确计算故障位置。

5.根据权利要求4所述一种基于多测量信息的行波故障定位方法，其特征在于，双端法具体为：设故障线路MN的长度为L_MN，是根据故障线路邻近的未 故障线路计算的线模波速，初始线模波头到达M端和N端的时间分别为t_M、t_N，则故障点F到M端的距离为