CN107091973B - 一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法 - Google Patents

一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其步骤主要是：当高压直流输电线路发生雷击短路故障时，检测并记录雷击电流及故障电流行波信号并进行相模变换，得到整流侧和逆变侧的电流行波模信号；利用小波变换获取电流行波数据的模极大值对应的时刻，进而得到雷击点与整流侧的初步距离；根据雷击点在输电线路上的位置分区，分别采用多信号分类的谱估计方法提取相应侧电流行波模信号的固有频率的主成分，并利用基于固有频率的单端故障测距方法求取输电线路故障点与整流侧的距离。该方法对高压直流输电线路短路故障点的定位精度高，定位运算量小，定位速度快。

Description

一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术中的故障点定位方法，具体地说是一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法。
背景技术
高压直流输电具有线路造价低、能量损耗小、不存在功角稳定问题等优点，在远距离、大容量输送和电网互联方面起到越来越重要的作用。但由于输电线路长且沿线地理环境复杂多变，存在着线路故障率高、故障点难以查找等问题。在实际运行中，雷击是导致线路短路故障的主要原因之一。当雷绕击导线(雷绕过杆塔的避雷线直接击在导线上)，雷击电流幅值大时，会在雷击点发生短路故障，此时雷击点与短路故障点一致；雷击电流幅值小时，在雷击点并不发生短路故障，但是雷击电流行波在沿输电线路传输过程中，会在一定距离内的绝缘薄弱处发生闪络，导致短路故障，出现雷击点与短路故障点不一致的情况。通常的行波测距方法只能测出雷击点而不能测出短路故障点，导致无法快速、准确的对输电线路短路故障进行修复。
针对雷击点与短路故障点不一致的情况，目前主要的测距方法有两种，均为时域方法。第一种方法的基本原理是，在一定的时窗内，雷击侧采样到的电流高频分量占总能量的比值大于短路故障侧采集到的故障电流高频分量占总能量的比值，所以可利用线路两侧能量分布的差异确定雷击点和短路故障点的相对位置，随后采用单端测距的方法定位短路故障点。其识别的准确性和可靠性受雷电流的相关参数和线路物理边界元件等因素影响较大。第二种方法的基本原理是，根据双端采集到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头含有的时域故障信息，先对雷击点和短路故障点一致性进行判定，再定位故障点。但是在雷击点与故障点不一致时，雷电行波和短路故障行波在线路上反复折射、反射并交替反映在测量端的时域信息，将增大后续波头识别的难度，会导致算法复杂度高、测距误差大。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点定位方法，该方法对高压直流输电线路短路故障点的定位精度高，定位运算量小，定位速度快。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为，一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其步骤为：
A、数据采集与预处理
高压直流输电线路的测控系统检测到发生了雷击及短路故障时，安装于输电线路整流侧的录波装置和逆变侧的录波装置分别获取得到整流侧电流行波信号和逆变侧电流行波信号，并传送至故障定位装置；故障定位装置对收到的两个电流行波信号进行克拉克相模变换，分别得到整流侧电流行波模信号iR(t)和逆变侧电流行波模信号iI(t)，其中t表示采样时刻；
B、雷击点的定位
故障定位装置利用小波变换计算出整流侧电流行波模信号iR(t)的第一个模极大值对应的时间tR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的第一个模极大值对应的时间tI；进而得到雷击点与输电线路整流侧的距离xR，同时得到雷击点与输电线路逆变侧的距离xI，实现对雷击点的初步定位；其中L为输电线路的总长度、v为行波在输电线路上的传播速度；
C、短路故障点的定位
当|xR-xI|≤β时，其中β为线路中段区的长度，取值为50～100km；采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR和短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，
当xR-xI＞β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝L-dI；
当xR-xI＜-β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR，最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝dR。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本方法利用小波变换计算电流行波模信号第一个模极大值对应的时间实现对定位雷击点的初步定位，即利用时域信号的简单运算初步定位出雷击点。如初步定位出的雷击点靠近整流侧或逆变侧，则采用整流侧或逆变侧的电流行波信号进行精确的频域运算定位出故障点的位置；而不再进行离雷击点更远、干扰更大、准确度低的另一侧电流行波信号的频域定位运算；只是在雷击点位于中部即|xR-xI|≤β时，才同时进行两侧的频域定位运算，以两侧定位结果的平均值作为故障点定位结果，该种情况发生概率很小。因此本发明减少约一倍的频域定位运算量，其定位运算量小、定位速度快。
二、本发明定位运算主要利用的是离雷击点更近、故障信息含量更丰富、干扰更小、准确度更高的雷击侧的行波频域信息，故其定位精度高。
三、现有时域定位方法需要先行判断雷击点与故障点是否一致，因此需要提取多个行波波头，而电流行波在线路发复折射、反射，使得多个行波波头难以提取，导致其计算过程复杂，定位精度低。而本发明无需对雷击点进行精确定位，只需定位出雷击点是位于线路的中段、整流侧或逆变侧的大致位置即可(短路故障点的精确定位由后续的频域算法实现)。因此雷击点判断位置步骤只需提取第一个行波波头(模极大值)，其计算过程简单、快速、可靠。
进一步，本发明的步骤C中得出短路故障点与整流侧的距离df后，还进行雷击点与故障点是否一致的判断，雷击点与故障点是否一致的判断方法是：
若|xR-df|≤1km，则判定雷击点与故障点一致；否则，判定雷击点与故障点不一致。
当二者一致时，只需对故障点进行故障修复；二者不一致时，既要对雷击点进行预防性修护，又要对故障点进行故障修复。从而能对高压直流输电线路的故障维修提供更加可靠、准确的维修指导。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其步骤为：
A、数据采集与预处理
高压直流输电线路的测控系统检测到发生了雷击及短路故障时，安装于输电线路整流侧的录波装置和逆变侧的录波装置分别获取得到整流侧电流行波信号和逆变侧电流行波信号，并传送至故障定位装置；故障定位装置对收到的两个电流行波信号进行克拉克相模变换，分别得到整流侧电流行波模信号iR(t)和逆变侧电流行波模信号iI(t)，其中t表示采样时刻；
B、雷击点的定位
故障定位装置利用小波变换计算出整流侧电流行波模信号iR(t)的第一个模极大值对应的时间tR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的第一个模极大值对应的时间tI；进而得到雷击点与输电线路整流侧的距离xR，同时得到雷击点与输电线路逆变侧的距离xI，实现对雷击点的初步定位；其中L为输电线路的总长度、v为行波在输电线路上的传播速度；
C、短路故障点的定位
当|xR-xI|≤β时，其中β为线路中段区的长度、取值为50～100km；采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR和短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，
当xR-xI＞β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝L-dI；
当xR-xI＜-β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR，最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝dR。
2、如权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其特征在于：所述的步骤C中得出短路故障点与整流侧的距离df后，还进行雷击点与故障点是否一致的判断，雷击点与故障点是否一致的判断方法是：
若|xR-df|≤1km，则判定雷击点与故障点一致；否则，判定雷击点与故障点不一致。
以下通过仿真实验，对本发明方法进行验证。
仿真实验
建立一个长800km的800kV高压直流输电线路的仿真模型，其直流输电线路为六分裂导线，采用J.R.Marti频率相关模型，杆塔为多波阻抗模型。线路两侧装有40mH的平波电抗器和直流滤波器，其中直流滤波器为12/24/36三调谐滤波器。雷电流模型采用双指数模型，雷电放电为负极性脉冲波，雷击电流幅值为30kA，波头时间常数T1的取值为1μs，波尾时间常数T2的取值为50μs。设线路在距离整流侧100km处发生雷绕击，导致在距离整流侧150km处发生短路故障，雷击点和短路故障点相距50km。采用本例的方法对进行雷击点和短路故障点定位，定位时故障录波装置的采样率Fs为1MHz，小波分析时采用三次B样条小波，中段区的长度β的取值为50。
定位出的雷击点距整流侧的距离为99.875km，定位出的短路故障点距整流侧的距离为149.863km，相对误差为0.137％，并判断得到雷击点与短路故障点不一致。其可定位的相对误差仅为0.137％，可见，本发明方法的定位结果误差小，定位精度高。

Claims (2)

1.一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其步骤为：
A、数据采集与预处理
高压直流输电线路的测控系统检测到发生了雷击及短路故障时，安装于输电线路整流侧的录波装置和逆变侧的录波装置分别获取得到整流侧电流行波信号和逆变侧电流行波信号，并传送至故障定位装置；故障定位装置对收到的两个电流行波信号进行克拉克相模变换，分别得到整流侧电流行波模信号iR(t)和逆变侧电流行波模信号iI(t)，其中t表示采样时刻；
B、雷击点的定位
故障定位装置利用小波变换计算出整流侧电流行波模信号iR(t)的第一个模极大值对应的时间tR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的第一个模极大值对应的时间tI；进而得到雷击点与输电线路整流侧的距离xR，同时得到雷击点与输电线路逆变侧的距离xI，实现对雷击点的初步定位；其中L为输电线路的总长度、v为行波在输电线路上的传播速度；
C、短路故障点的定位
当|xR-xI|≤β时，其中β为线路中段区的长度，取值为50～100km；采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR和逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR和短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，
当xR-xI＞β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI；再由逆变侧电流行波模信号iI(t)的固有频率的主成分fI，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与逆变侧的初算距离dI；最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝L-dI；
当xR-xI＜-β时，采用多信号分类的谱估计方法分别提取出整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR；再由整流侧电流行波模信号iR(t)的固有频率的主成分fR，利用基于固有频率的单端故障测距方法分别得出短路故障点与整流侧的初算距离dR，最后得出短路故障点与整流侧的距离df，df＝dR。
2.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击点与短路故障点的定位方法，其特征在于：所述的步骤C中得出短路故障点与整流侧的距离df后，还进行雷击点与故障点是否一致的判断，雷击点与故障点是否一致的判断方法是：
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