CN108020754A - 基于波形重构的单端行波故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力线路故障测距与定位技术领域，具体涉及一种基于波形重构的单端行波故障测距方法，包括以下步骤：1)获得有效计算网络拓扑；2)故障行波线模分量获取；3)获得可能故障点位置；4)行波波形的构造；5)故障点的确定；本发明通过波形构造来识别故障点反射波头，通过引入有效计算电力网络区域内的拓扑，在使用行波单端行波测距方法时可以更全面的考虑故障线路附近线路的影响，由于仅使用行波信息，该方法也适用于一些未引起保护动作扰动的扰动点分析；此外，本方法还适用于一些线路特殊点故障的分析。

Description

基于波形重构的单端行波故障测距方法

技术领域

本发明涉及电力线路故障测距与定位技术领域，具体涉及一种基于波形重构的单端行波故障测距方法。

背景技术

由于测距精度高，适用范围广，行波测距技术在电力系统中得到了广泛应用。现有的行波测距系统使用的测距原理大多是以本线路双端行波测距原理为主，单端行波测距原理为辅。双端行波测距原理由于仅使用扰动初始行波到达线路两端变电站的时间差、线路长度和波速度，在实际运行中可以自动计算出测距结果，得到了广泛的应用。

除了配置为双端的电力线路外，现有的行波测距系统往往还监测着许多仅有一侧安装有行波测距装置的线路。这些线路的行波测距需要使用单端行波测距原理。单端行波测距原理利用在线路测量点感受到的故障初始行波波头和故障点反射波头来测距。对于单端行波测距原理来说，故障点反射波的正确识别是能否准确可靠进行故障测距的关键问题。但是由于故障线路同母线其他线路的影响等原因，故障点反射波头的识别是很困难的。方向行波的提出从理论上可以计算出波头是来自故障线路自身还是故障线路同母线的其它线路，但目前在电力系统内运行的行波测距系统，一般只采集电流行波或只采集电压行波，无法构成方向行波。

为唯一的确定扰动点反射波头的位置，有文献提出了工频测距和行波测距相结合的方法。该方法使用鲁棒性好的工频阻抗测距算法来确定大致故障范围。在确定的故障范围内，由小波变换获得的行波信号奇异点位置来确定精确的测距结果。但由于现场运行的工频阻抗测距算法经常会出现较大的误差，该方法会无法唯一的确定扰动点反射波头的位置。

发明内容

为了解决上述技术问题中的不足，本发明的目的在于：提供一种基于波形重构的单端行波故障测距方法，解决了单端行波故障波头的识别问题，能够获得准确的故障点位置。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述基于波形重构的单端行波故障测距方法，包括以下步骤：

1)获得有效计算网络拓扑

针对某一次故障，首先以记录到故障行波的变电站为起点进行广域宽度优先搜索，以故障线路的1.5倍长度为门槛，计算获得有效计算网络的拓扑；

2)故障行波线模分量获取

对变电站记录的故障线路行波波形进行相模变换，获得故障线路的行波线模分量。相模变换可以采用凯伦贝尔变换，其计算公式为：

其中的i_a、i_b、i_c分别是三相电流行波，i₀是变换后的行波零模分量，i_α、i_β是变换后的行波线模分量；

3)获得可能故障点位置

可能故障点位置就是识别行波波形中的故障点反射波，识别单端故障波形上的可能故障点的反射波头采用人工识别的方法或者使用小波奇异点检测方法；小波奇异点检测方法由如下所示的Mallat算法实现：

其中j∈[1,∞]；为小波变换结果的逼近分量；为变换结果的小波分量； {h_k}＝{0.125,0.375,0.375,0.125}(k＝-1,0,1,2)；{g_k}＝{-2,2}(k＝0,1)；

4)行波波形的构造

获得可能的故障点位置组后，以可能的故障点位置为故障初始行波的起点，使用故障时刻的电力网络拓扑关系计算的各个阻抗不匹配点的透射和反射系数，迭代结算故障初始行波的透射和反射波头，使用行波网格分析法获得一组构造的行波波形；

5)故障点的确定

将构造的行波波形与故障线路的原始行波线模分量波形进行比较，相似度最高的构造波形对应的可能故障点就是识别出的线路故障点位置。

进一步优选，步骤1)中的获得有效计算网络拓扑用带权的连通图G＝<V,E,W>(V:顶点集，E:边集，W:权集)来表示，其中顶点表示变电站，边表示变电站之间的线路，边上的权值可以表示线路的长度，带权连通图使用带权的邻接矩阵来表示，边上的权值均是表示线路长度的非负实数，对于两个变电站之间的双回线路长度分别填入带权邻接矩阵的上三角和下三角。

进一步优选，步骤4)中的行波构造方法中：

当F点在t＝t₀时刻发生故障时，M点检测到的电压、电流分别是：

u(t)＝(1+ρ_mu)u_b(t-t₀-τ_mf)+γ_muγ_m2uρ_nuu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn) +(1+ρ_mu)ρ_fuρ_muu_b(t-t₀-3τ_mf)+...(3)

i(t)＝(1+ρ_mi)i_b(t-t₀-τ_mf)+γ_miγ_m2iρ_niu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn) +(1+ρ_mi)ρ_fiρ_miu_b(t-t₀-3τ_mf)+...(4)

其中，ρ是行波反射系数，γ是行波折射系数，τ_mf和τ_mn分别是行波在MF和MN线路上传播需要的时间。

进一步优选，步骤5)中，为比较构造后的行波波形与实际记录的行波波形的相似程度，使用相关法来计算相关系数，设实际记录的行波信号为f(t)，构造后的行波信号为g(t)，其相关函数为：

其相关系数为：

当两个信号完全相同时，相关系数等于1；当两个信号完全不同时，相关系数等于0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过波形构造来识别故障点反射波头，通过引入有效计算电力网络区域内的拓扑，在使用行波单端行波测距方法时可以更全面的考虑故障线路附近线路的影响，由于仅使用行波信息，该方法也适用于一些未引起保护动作扰动的扰动点分析；此外，本方法还适用于一些线路特殊点故障的分析。例如当线路中点发生故障时，有可能发生记录点位置故障点反射波头和线路对端反射波头抵消，此时通过构造波形依然可以和实际记录波形比较并确认该点故障。

相对于工频测距方法，电力运行维护人员对行波测距原理掌握较少，该方法可以帮助电力运行维护人员更容易的分析现场大量存在的单端行波故障波形。

本方法只使用行波信息，不依赖保护信息，所以既可以进行保护跳闸的故障测距，也可以对电网较小的扰动进行定位，应用范围更宽，对扰动行波进行分析利用，在一定程度上可以在电力线路故障发生前发现线路绝缘薄弱点，并在电力线路计划检修或由于其它原因巡线时提供参考，防患于未然，进而提高线路供电可靠性。

附图说明

图1本发明流程框图；

图2本发明行波构造方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1

如图1-2所示，所述基于波形重构的单端行波故障测距方法，包括以下步骤：

1)获得有效计算网络拓扑

针对某一次故障，首先以记录到故障行波的变电站为起点进行广域宽度优先搜索，以故障线路的1.5倍长度为门槛，计算获得有效计算网络的拓扑。

有效计算网络拓扑用带权的连通图G＝<V,E,W>(V:顶点集，E:边集，W:权集)来表示，其中顶点表示变电站，边表示变电站之间的线路，边上的权值可以表示线路的长度，带权连通图使用带权的邻接矩阵来表示，边上的权值均是表示线路长度的非负实数，对于两个变电站之间的双回线路长度分别填入带权邻接矩阵的上三角和下三角。

2)故障行波线模分量获取

对变电站记录的故障线路行波波形进行相模变换，获得故障线路的行波线模分量。相模变换可以采用凯伦贝尔变换，其计算公式为：

其中的i_a、i_b、i_c分别是三相电流行波，i₀是变换后的行波零模分量，i_α、i_β是变换后的行波线模分量；

3)获得可能故障点位置

可能故障点位置就是识别行波波形中的故障点反射波，由于不同母线线路数会有不同的反射率，所以仅仅通过变电站采集的行波波形是没有固定的模式去唯一确定故障点反射波的。通过使用小波变换方法获得模极大值点位置，也就是可能的故障点位置，识别单端故障波形上的可能故障点的反射波头采用人工识别的方法或者使用小波奇异点检测方法；小波奇异点检测方法由如下所示的Mallat算法实现：

其中j∈[1,∞]；为小波变换结果的逼近分量；为变换结果的小波分量； {h_k}＝{0.125,0.375,0.375,0.125}(k＝-1,0,1,2)；{g_k}＝{-2,2}(k＝0,1)；

4)行波波形的构造

获得可能的故障点位置组后，以可能的故障点位置为故障初始行波的起点，使用故障时刻的电力网络拓扑关系计算的各个阻抗不匹配点的透射和反射系数，迭代结算故障初始行波的透射和反射波头，使用行波网格分析法获得一组构造的行波波形；

行波构造方法中：

当F点在t＝t₀时刻发生故障时，M点检测到的电压、电流分别是：

u(t)＝(1+ρ_mu)u_b(t-t₀-τ_mf)+γ_muγ_m2uρ_nuu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn) +(1+ρ_mu)ρ_fuρ_muu_b(t-t₀-3τ_mf)+...(3)

i(t)＝(1+ρ_mi)i_b(t-t₀-τ_mf)+γ_miγ_m2iρ_niu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn) +(1+ρ_mi)ρ_fiρ_miu_b(t-t₀-3τ_mf)+...(4)

其中，ρ是行波反射系数，γ是行波折射系数，τ_mf和τ_mn分别是行波在MF和MN线路上传播需要的时间。

5)故障点的确定

将构造的行波波形与故障线路的原始行波线模分量波形进行比较，相似度最高的构造波形对应的可能故障点就是识别出的线路故障点位置。

为比较构造后的行波波形与实际记录的行波波形的相似程度，使用相关法来计算相关系数，设实际记录的行波信号为f(t)，构造后的行波信号为g(t)，其相关函数为：

其相关系数为：

当两个信号完全相同时，相关系数等于1；当两个信号完全不同时，相关系数等于0。

Claims (4)

1.一种基于波形重构的单端行波故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得有效计算网络拓扑

针对某一次故障，首先以记录到故障行波的变电站为起点进行广域宽度优先搜索，以故障线路的1.5倍长度为门槛，计算获得有效计算网络的拓扑；

2)故障行波线模分量获取

对变电站记录的故障线路行波波形进行相模变换，获得故障线路的行波线模分量；相模变换可以采用凯伦贝尔变换，其计算公式为：

其中的i_a、i_b、i_c分别是三相电流行波，i₀是变换后的行波零模分量，i_α、i_β是变换后的行波线模分量；

3)获得可能故障点位置

可能故障点位置就是识别行波波形中的故障点反射波，识别单端故障波形上的可能故障点的反射波头采用人工识别的方法或者使用小波奇异点检测方法；小波奇异点检测方法由如下所示的Mallat算法实现：

其中j∈[1,∞]；S_2jf(n)为小波变换结果的逼近分量；W_2jf(n)为变换结果的小波分量；{h_k}＝{0.125,0.375,0.375,0.125}(k＝-1,0,1,2)；{g_k}＝{-2,2}(k＝0,1)；

4)行波波形的构造

获得可能的故障点位置组后，以可能的故障点位置为故障初始行波的起点，使用故障时刻的电力网络拓扑关系计算的各个阻抗不匹配点的透射和反射系数，迭代结算故障初始行波的透射和反射波头，使用行波网格分析法获得一组构造的行波波形；

5)故障点的确定

将构造的行波波形与故障线路的原始行波线模分量波形进行比较，相似度最高的构造波形对应的可能故障点就是识别出的线路故障点位置。

2.根据权利要求1所述的基于波形重构的单端行波故障测距方法，其特征在于，步骤1)中的获得有效计算网络拓扑用带权的连通图G＝<V,E,W>(V:顶点集，E:边集，W:权集)来表示，其中顶点表示变电站，边表示变电站之间的线路，边上的权值可以表示线路的长度，带权连通图使用带权的邻接矩阵来表示，边上的权值均是表示线路长度的非负实数，对于两个变电站之间的双回线路长度分别填入带权邻接矩阵的上三角和下三角。

3.根据权利要求1所述的基于波形重构的单端行波故障测距方法，其特征在于，步骤4)中的行波构造方法中：

当F点在t＝t₀时刻发生故障时，M点检测到的电压、电流分别是：

u(t)＝(1+ρ_mu)u_b(t-t₀-τ_mf)+γ_muγ_m2uρ_nuu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn)

+(1+ρ_mu)ρ_fuρ_muu_b(t-t₀-3τ_mf)+... (3)

i(t)＝(1+ρ_mi)i_b(t-t₀-τ_mf)+γ_miγ_m2iρ_niu_b(t-t₀-τ_mf-2τ_mn)

+(1+ρ_mi)ρ_fiρ_miu_b(t-t₀-3τ_mf)+... (4)

其中，ρ是行波反射系数，γ是行波折射系数，τ_mf和τ_mn分别是行波在MF和MN线路上传播需要的时间。

4.根据权利要求1所述的基于波形重构的单端行波故障测距方法，其特征在于，步骤5)中，为比较构造后的行波波形与实际记录的行波波形的相似程度，使用相关法来计算相关系数，设实际记录的行波信号为f(t)，构造后的行波信号为g(t)，其相关函数为：

其相关系数为：

当两个信号完全相同时，相关系数等于1；当两个信号完全不同时，相关系数等于0。