CN106093702B - 一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，通过在高压输电线路上装设若干组测距装置，利用故障电流检测装置采集各检测点的故障电压电流信号，运用小波变换求取模极大值的方法获取检测点的突变量信号，采用电流偏离度与故障行波到达时刻相结合方法判断故障区间，在上述获得的故障区间及获取的突变量基础上，依靠故障发生后故障点两侧行波波头所到达的位置拟合行波波头传播特性曲线实现对故障测距的准确定位。本发明能够解决常规行波测距方法不能够完全对输电线路所有故障准确定位的问题，有效解决针对输电线路同时发生多处故障的精确定位问题，保障电力线路故障准确高效修复以及保证电力系统安全稳定运行。

Description

一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术的领域，具体涉及一种运用获取有效区间内的故障行波到达故障点时刻并结合检测点故障行波的时序特征来构造行波故障特性曲线获取多点故障位置距离的方法。

背景技术

目前，对于输电线路的在故障定位主要有故障分析法和行波法两大类。其中行波法因具有相对简单的模型，抗干扰性强，有较低的测距误差等特点得到广泛运用。行波法主要分为单端测距法以及双端测距法。

单端测距方法只需要获取线路一侧的电压或电流的行波信号，设备简单，但要区分行波来自故障点反射还是对端母线反射。然而对于行波而言，极性和幅值是其最主要的识别特征，并且线路结构和故障情况不同，很多情况下采用单端测距普适性不强。双端测距法利用故障行波到达两侧的时间差来确定故障距离，记录输电线路两端的故障行波到达时刻，模型相对简单，可靠性和测距精度均很高，但需要实现输电线路两端信息的同步传输，成本较高。

当输电线路某一处发生故障时，尽管在靠近线路端点、或过渡电阻较大的情况下，常规行波测距方法的测量精度会受到一定的影响，但是误差范围都不是很大，基本能够满足故障测距的要求，但当线路发生两处故障时，由于线路上叠加了两个行波波头从线路不同地点朝两端传输，同时在两个故障点都将发生行波的折反射，常规的行波测距在特定的故障下无法正确获取靠近线路首段故障的距离，不能对故障进行正确定位。因此，迫切需要提出一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法。

发明内容

本发明的目的在于解决目前输电线路发生多处故障时，常规的行波测距在特定的故障下无法正确获取距离故障点的初始行波和反射行波到达线路首端的时间，从而不能对故障进行正确定位问题。

为解决上述技术问题，发明人采用了如下的技术方案：

一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，包括以下步骤：

采用分布在输电线路上的若干故障检测装置得到故障电压、电流信号，对其进行相模解耦变换，接着运用小波变换获取模极大值的方法得到各个检测点的故障电压、电流突变量信息，利用获得的故障电压、电流信号以及对输电线路各个检测点电流之间的偏离度得到故障点所处的区间，利用获取的电压、电流突变量和故障所处的有效区间，得到故障行波波头传输特性曲线，从而得到故障位置。

具体步骤为：

第一步，基于分布式的行波故障测距系统读取高压输电线路上的各检测装置是否发出故障信号，判断线路是否发生故障。若发生故障则得到故障暂态电压、电流信号，若未发生故障则系统继续等待故障信号。

第二步，得到检测点信号突变量信息。

步骤2-1)对于高压输电线路，直接测量得到的各相电流、电压之间存在耦合关系，因此，首先采用克拉克变换对输电线路电压电流量进行相模变换，使其解耦，得到独立的电压、电流量，即将保护安装处的电流、电压值乘以克拉克变换矩阵得到解耦电压、电流分量。

步骤2-2)对于高压输电线路故障时产生的行波信号，其频率会随着传递时间的变化而发生变化，因此，采用离散的小波变换对故障行波进行分析。表示如下：

式中，b为小波变换平移因子，a为其尺度因子，为小波变换基小波，t,a,b取离散值，f(t)为解耦之后故障电流信号。

采用小波变换模极大值方法分析故障信号突变点，将时间t₀代入式(2)得到小波变换后的值，并对t∈(t₀-δ,t₀+δ)所有变换后的值进行检验，当满足式：

|W_sf(t)|≤|W_sf(t₀)| (3)

得到时间t₀为故障信号突变点的时间，W_sf(t₀)为模极大值。

第三步，得到故障点所处的区间。

步骤3-1)首先，检测点A_n-1和A_n故障行波波首到达时间，若满足如下条件：

初步判断得到故障所在的区间为A₁与A_n-1之间。其中，t_n-1、t_n分别为故障行波波首到达A_n-1和A_n的时间，L_n-1、L_n分别为输电线路故障测距检测点A_n-1和A_n距M端的距离，v为行波波速。若不满足式(4)则可判断有一故障在检测点n-1和n之间。

步骤3-2)利用欧式空间计算位于故障同一侧两个检测点I_Ak和I_Ag的电流偏离度d_kg和位于故障点不同侧的两个检测点I_Ap和I_Aq的电流偏离度d_pq(1≤k,g≤n)。其中I_Ak,k＝1,2,3…n为各检测点的工频故障电流。设每组检测装置采集的数据长度为L，偏离度计算公式如下：

将得到的d_kg、d_pq进行处理比较，由(5)得到若满足如下关系

d_pq＞K₁d_kg,(1≤k,g或i≤k,g≤n)且(p＞i＞q或p＜i＜q) (6)

其中K₁为偏离系数，且K₁>1，得到区段故障区间位于检测点i和i+1之间。

第四步，得到故障行波波头传输特性曲线。

步骤4-1)获取故障行波时序。根据附图1，利用输电线路检测装置得到各个检测点检测到的故障行波到达时间，公式表示如下：

t_z1，t_z2，…，t_zn为从故障点F1发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t_f1，t_f2，…，t_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值。t′_z1，t′_z2，...，t′_zn为从故障点F2发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t′_f1，t′_f2，...，t′_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值。

又因为L_X2-L_X1≥0且i≤j，可进一步得到检测点A₁,A₂,…,A_i和A_j+1,A_j+2,…,A_n测得的初始故障行波时序：

其中，t_zk为各检测点检测到的第一个行波到达时间。接着确定两故障点之间A_i+1,…,A_j行波到达时间，分以下三种情况：当线路发生两处故障区间相同，该测量点行波到达时间满足式(9)；当线路发生两处故障区间相邻，若L_i+1-L_X1>L_X2-L_i+1即t_zi＜t′_f(j+1)时，t′_z(i+1)＞t_f(i+1)。若L_i+1-L_X1>L_X2-L_i+1即t_zi＞t′_f(j+1)时，t′_z(i+1)＞t_f(i+1)，根据测量点A_i，A_j+1检测到的第一个行波时间判断测量点A_i+1的行波时序；当线路发生两处故障区间不相邻，对于测量点A_k(k＝i+1,i+2,…,j),若L_k-L_X1>L_X2-L_k，t′_zk＜t′_fk。若L_k-L_X1>L_X2-L_k，t′_zk＞t′_fk。因此，最终得到整条输电线路每个故障点行波波头到达时间。

步骤4-2)根据得到的故障所在的区间及结合步骤4-1)故障行波的时序拟合各时刻行波波头达到位置距离线路首端M和线路尾端N的距离曲线，即得到曲线X_M＝m₁(t),X_M＝m₂(t),X_N＝n₁(ti),X_N＝n₂(t)。接着统一两曲线的纵坐标，即都以距线路首段M的距离为纵坐标，根据输电线路满足X_M+X_N＝L,分别将X_N＝n₁(t),X_N＝n₂(t)转化为曲线L-X_N＝f₁(t)，L-X_N＝f₂(t)；得到的故障行波波头传输特性曲线如附图。

第五步，得到故障位置。

联立X_M＝m₁(t),L-X_N＝f₁(t)，两条曲线的交点所在的位置纵坐标就是故障点距输电线路首端M的距离，所在位置的横坐标是故障时刻。X_M＝m₂(t),L-X_N＝f₂(t)同理，从而完成了多点故障定位。

附图说明

图1是本发明分布式故障测距检验系统示意图。

图2是本发明故障测距系统结构框图。

图3是本发明分布式的改进故障测距算法流程图。

图4是本发明故障行波波头传输特性曲线拟合流程图。

图5是本发明系统发生两处故障的仿真模型图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3以及图4所示，本发明公开了一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，通过在高压输电线路上装设若干组测距装置，利用故障电流检测装置采集各检测点的故障电压电流信号，运用小波变换求取模极大值的方法获取检测点的突变量信号，采用电流偏离度与故障行波到达时刻相结合方法判断故障区间，在上述获得的故障区间及获取的突变量基础上，依靠故障发生后某一时刻故障点两侧行波波头所到达的位置拟合行波波头传播特性曲线实现对故障测距的准确定位。

故障测距系统结构图如附图2，得到正确的故障测距结果方法如下：

第一步，通过装设在输电线路上的若干三相故障检测装置，为了提高故障暂态信号的准确性采用罗氏线圈进行采集，得到故障暂态电压、电流信号Ua,Ub,Uc,ia,ib,ic。

第二步，得到检测点信号突变量信息：

步骤2-1)高压输电线路，直接测量得到的各相电流i_a，i_b，i_c、电压U_a，U_b，U_c之间存在耦合关系，因此，首先采用克拉克变换对输电线路电压电流量进行相模变换，使其解耦，得到独立的电压U₀，U₁，U₂、电流量i₀，i₁，i₂，即将保护安装处的电流、电压值乘以克拉克变换矩阵得到解耦电压、电流分量。

步骤2-2)高压输电线路故障时产生的电流信号i₀，i₁，i₂，其频率会随着传递时间的变化而发生变化，因此，采用离散的小波变换对故障行波进行分析。表示如下：

式中，b为小波变换平移因子，a为其尺度因子，为小波变换基小波，t,a,b取离散值，f(t)为解耦之后故障电流信号i₀，i₁，i₂。

采用小波变换模极大值方法分析故障信号突变点，将时间t₀代入式(2)得到小波变换后的值，并对t∈(t₀-δ,t₀+δ)所有变换后的值进行检验，当满足式：

|W_sf(t)|≤|W_sf(t₀)| (3)

得到时间t₀为故障信号突变点的时间，W_sf(t₀)为模极大值。

第三步，得到故障点所处的区间：

步骤3-1)首先，检测点A_n-1和A_n故障行波波首到达时间，若满足如下条件：

初步判断得到故障所在的区间为A₁与A_n-1之间。其中，t_n-1、t_n分别为故障行波波首到达A_n-1和A_n的时间，L_n-1、L_n分别为输电线路故障测距检测点A_n-1和A_n距M端的距离，v为行波波速。若不满足式(4)则可判断有一故障在检测点n-1和n之间。

步骤3-2)利用欧式空间计算位于故障同一侧两个检测点I_Ak和I_Ag的电流偏离度d_kg和位于故障点不同侧的两个检测点I_Ap和I_Aq的电流偏离度d_pq(1≤k,g≤n)。其中I_Ak,k＝1,2,3…n为各检测点的工频故障电流。设每组检测装置采集的数据长度为L，偏离度计算公式如下：

将得到的d_kg、d_pq进行处理比较，由(5)得到若满足如下关系

d_pq＞K₁d_kg,(1≤k,g或i≤k,g≤n)且(p＞i＞q或p＜i＜q) (6)

其中K₁为偏离系数，且K₁>1，得到区段故障区间位于检测点i和i+1之间。

第四步，得到故障行波波头传输特性曲线：

步骤4-1)获取故障行波时序。根据附图1，利用输电线路检测装置得到各个检测点检测到的故障行波到达时间，公式表示如下：

t_z1，t_z2，…，t_zn为从故障点F1发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t_f1，t_f2，…，t_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值。t′_z1，t′_z2，...，t′_zn为从故障点F2发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t′_f1，t′_f2，...，t′_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值。

又因为L_X2-L_X1≥0且i≤j，可进一步得到检测点A₁,A₂,…,A_i和A_j+1,A_j+2,…,A_n测得的初始故障行波时序：

其中，t_zk为各检测点检测到的第一个行波到达时间。接着确定两故障点之间A_i+1,…,A_j行波到达时间，分以下三种情况：当线路发生两处故障区间相同，该测量点行波到达时间满足式(9)；当线路发生两处故障区间相邻，若L_i+1-L_X1>L_X2-L_i+1即t_zi＜t′_f(j+1)时，t′_z(i+1)＞t_f(i+1)。若L_i+1-L_X1>L_X2-L_i+1即t_zi＞t′_f(j+1)时，t′_z(i+1)＞t_f(i+1)，根据测量点A_i，A_j+1检测到的第一个行波时间判断测量点Ai+1的行波时序；当线路发生两处故障区间不相邻，对于测量点A_k(k＝i+1,i+2,…,j),若L_k-L_X1>L_X2-L_k，t′_zk＜t′_fk。若L_k-L_X1>LX2-Lk，t′_zk＞t′_fk。因此，最终得到整条输电线路每个故障点行波波头到达时间。

步骤4-2)根据得到的故障所在的区间及结合步骤4-1)故障行波的时序拟合各时刻行波波头达到位置距离线路首端M和线路尾端N的距离曲线，即得到曲线X_M＝m₁(t),X_M＝m₂(t),X_N＝n₁(t),X_N＝n₂(t)。接着统一两曲线的纵坐标，即都以距线路首段M的距离为纵坐标，根据输电线路满足X_M+X_N＝L,分别将X_N＝n₁(t),X_N＝n₂(t)转化为曲线L-X_N＝f₁(t)，L-X_N＝f₂(t)；得到故障行波波头传输特性曲线流程图如附图4。

第六步，得到故障位置:

联立X_M＝m₁(t),L-X_N＝f₁(t)，两条曲线的交点所在的位置纵坐标就是故障点距输电线路首端M的距离，所在位置的横坐标是故障时刻。X_M＝m₂(t),L-X_N＝f₂(t)同理，从而完成了多点故障定位。

通过仿真来分析本发明提出的基于分布式的改进故障行波测距算法对于多点故障的有效性。假设在输电线路上距离M端40km和170km处发生A相接地故障，仿真系统图见附图5。接着分别设置故障点在65km、240km；140km、260km；50km、80km；150km、170km；240km、275km处。并采用传统的故障行波测距方法和本文所提的基于分布式的改进故障行波测距方法进行仿真实验，测距结果如表1和表2。

表1 不同故障类型及不同故障距离下的传统故障行波测距结果

表2 不同故障类型及不同故障距离下的分布式行波测距结果

根据表1可知，由于传统的故障测距只能在特定的范围内即(L_X1≤1/3L_X2,且L_X1≤1/3L_X-1/3L_X2)可以正确区分故障点发出的故障行波波首到达时间，在特定范围(L_X1≤1/3L_X2,且LX1≤1/3L_X-1/3L_X2)之外无论是单端测距还是双端测距均不能准确得到两个故障点的距离。

由表2可知，运用基于分布式的改进故障行波测距方法对故障位置、故障类型都有一定的适应性，并且检测误差基本小于0.3％，满足工程需要。由上可知，本发明的方法能够有效地计算输电线路多点故障距离位置。

Claims (5)

1.一种考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用分布在输电线路上的若干故障检测装置，对电力线路各个检测点的故障电压、电流信号进行采集处理；

2)获取检测点信号突变量信息，对保护安装处的电压、电流进行相模解耦变换，然后运用小波变换获取模极大值的方法得到各个检测点的故障电压、电流突变量信息；

3)判别故障区间，利用输电线路上故障电流行波的传输特征，即获得的故障电压、电流突变量信号以及对输电线路各个检测点电流之间的偏离度得到故障点所处的区间；

4)对故障行波波头进行曲线拟合，利用获取的电压、电流突变量和故障所处的有效区间，得到故障行波波头传输特性曲线；

5)确定故障位置，根据行波波头传输特性对故障进行测距，确定故障位置；

在所述步骤3)中，判别故障区间具体步骤如下:

步骤3-1)设线路中设有A₁,A₂,A₃,…,A_n个测量点，假设线路发生两处故障时，故障点分别为F1和F2，其中F1位于测量点A_i和A_i+1间，F2位于测量点A_j和A_j+1间,且i≤j；

首先检测点A_n-1和A_n故障行波波首到达时间，若满足如下条件：

则初步判断得到故障所在的区间为A₁与A_n-1之间，其中，t_n-1、t_n分别为故障行波波首到达A_n-1和A_n的时间，L_n-1、L_n分别为输电线路故障测距检测点A_n-1和A_n距输电线路首段M端的距离，v为行波波速；

步骤3-2)利用欧式空间偏离度公式计算位于故障同一侧两个检测点I_Ak和I_Ag的电流偏离度d_kg和位于故障点不同侧的两个检测点I_Ap和I_Aq的电流偏离度d_pq，1≤k,g≤n，其中I_Ak,k＝1,2,3…n为各检测点的工频故障电流；

设每组检测装置采集的数据长度为L，偏离度计算公式如下：

将得到的d_kg、d_pq进行处理比较，由(5)得到：若满足如下关系:

d_pq＞K₁d_kg,(1≤k,g或i≤k,g≤n)且(p＞i＞q或p＜i＜q)(6)

得到区段故障区间位于i和i+1区间，其中K₁为偏离系数，且K₁>1。

2.根据权利要求1所述的考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，其特征在于，在所述步骤1)中，通过装设在输电线路上的若干三相故障检测装置进行各个检测点的故障电压、电流信号的采集，三相故障检测装置采用罗氏线圈进行采集，得到故障暂态电压、电流信号。

3.根据权利要求1所述的考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，其特征在于，在所述步骤2)中，得到各个检测点的故障电压、电流突变量信息，具体实现步骤如下：

步骤2-1)对于高压输电线路，直接测量得到的各相电流、电压之间存在耦合关系，首先采用克拉克变换对输电线路电压电流量进行相模变换，使其解耦，得到独立的电压、电流量，即将保护安装处的电流、电压值乘以克拉克变换逆矩阵得到解耦电压、电流分量，所采用的变换逆矩阵如下：

步骤2-2)对于高压输电线路故障时产生的行波信号，其频率会随着传递时间的变化而发生变化的特性，采用离散的小波变换对故障行波进行分析，表示如下：

式中，b为小波变换平移因子，a为其尺度因子，为小波变换基小波，t,a,b取离散值，f(t)为解耦之后故障电流信号；

采用小波变换模极大值方法分析故障信号突变点，将时间t₀代入式(2)得到小波变换后的值，并对t∈(t₀-δ,t₀+δ)所有变换后的值进行检验，当满足式(3)时：

|W_sf(t)|≤|W_sf(t₀)|(3)

得到时间t₀为故障信号突变点的时间，W_sf(t₀)为模极大值。

4.根据权利要求1所述的考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，其特征在于：在所述步骤4)中，拟合故障行波波头传输特性曲线具体步骤如下:

步骤4-1)获取故障行波时序，利用输电线路检测装置得到各个检测点检测到的故障行波到达时间，公式表示如下：

t_z1，t_z2，…，t_zn为从故障点F1发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t_f1，t_f2，…，t_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值，t′_z1，t′_z2，...，t′_zn为从故障点F2发出的正向行波经折反射后依次到达检测点的时间与故障发生时刻的差值，t′_f1，t′_f2，...，t′_fn为反向行波经折反射后依次到达的时间与故障发生时刻的差值；

由于L_X2-L_X1≥0且i≤j，可进一步得到检测点A₁,A₂,…,A_i和A_j+1,A_j+2,…,A_n测得的初始故障行波时序：

其中，t_zk为各检测点检测到的第一个行波到达时间；

步骤4-2)根据前述得到的故障所在的区间以及步骤4-1)故障行波的时序拟合各时刻行波波头达到位置距离线路首端M和线路尾端N的距离曲线，即得到曲线X_M＝m₁(t),X_M＝m₂(t),X_N＝n₁(t),X_N＝n₂(t)；

接着统一两曲线的纵坐标，即都以距线路首段M的距离为纵坐标，根据输电线路满足X_M+X_N＝L,分别将X_N＝n₁(t),X_N＝n₂(t)转化为曲线L-X_N＝f₁(t)，L-X_N＝f₂(t)。

5.根据权利要求4所述的考虑多点故障的高压输电线路行波测距方法，其特征在于：在所述步骤5)中，确定故障位置具体步骤如下:

联立X_M＝m₁(t),L-X_N＝f₁(t)，两条曲线的交点所在的位置纵坐标就是故障点距输电线路首端M的距离，所在位置的横坐标是故障时刻；

联立X_M＝m₂(t),L-X_N＝f₂(t)，同理可完成多点故障定位。