CN108535605A - 一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法，方法基于脉冲反射基本原理，周期性地向直流接地极线路注入激励脉冲，并采集激励脉冲和反射脉冲波形，获得无故障下的原始波形以及检测时刻的当前波形，并将原始波形作为初始的参考波形。在后续检测时通过比较当前波形与参考波形的波形差异，进而根据波形差异情况进行参考波形更新，同时对接地极线路是否故障进行判断，进而根据波形分歧点时刻与激励脉冲发射时刻的时间差实现故障测距。本发明通过参考波形的更新解决直流接地极线路参数的缓慢变化和参数不均匀问题，可提高故障点反射脉冲的识别可靠性和灵敏度，以及直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

Description

一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法

技术领域

本发明设计高压直流输电技术领域，特别是一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法。

背景技术

直流输电系统中直流接地极线路长度可能达到几十到一百多公里。接地极线短路或开路故障时，都会对直流系统运行造成安全隐患，因此需要对直流接地极线路进行故障检测，包括监视是否发生故障，以及进行故障测距。目前直流接地极线路故障检测的实用方法主要有两种：一种是阻抗法，如专利EP0360109所述，注入高频信号，检测故障时的阻抗变化情况，可监测是否存在故障，但无法实现故障测距；另一种是脉冲反射法，故障检测系统如图1所示，故障检测装置向直流接地极线路注入激励脉冲，通过检测线路反射脉冲实现故障监视和故障测距。如图2(a)所示，当线路正常时，只有线路末端的反射脉冲；如图2(b)所示，当线路上存在故障点时，故障点会产生额外的反射脉冲。

传统的脉冲反射法原理简单，只需检测故障点反射脉冲即可实现故障检测，但在工程应用中存在如下问题：

(1)由于接地极线路的沿线地理及电磁环境影响，其线路参数并不均匀，因此在线路处于正常状态下也会产生很多反射脉冲，如图3所示，这些反射脉冲与故障点反射脉冲难以区分；

(2)随着季节、天气、导线弧垂等因素变化，直流接地极线路参数实际上会发生缓变，由此会导致线路等效波速的变化，进而会导致传统测距方法的误差。因此，需要设法提高故障点反射波形检测的可靠性和灵敏度，并提高在线路波速缓变情况下的故障测距的精度。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于直流接地极线路故障检测的脉冲波形比较法法，通过比较接地极线路激励脉冲及其反射脉冲的原始波形、参考波形和当前波形，提高故障点反射脉冲检测的可靠性和灵敏度，并提高在线路波速缓变情况下的故障测距的精度。

本发明采取的技术方案为：一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法，包括：

S1，周期性地向直流接地极线路注入激励脉冲，在无故障状态下，获取激励脉冲和反射脉冲波形，保存为原始波形，将原始波形作为初始的参考波形；

S2，故障检测时，采集激励脉冲和反射脉冲的实时波形，作为当前波形；

S3，设置第一波形差异门槛值Thrd1以及第二波形差异门槛值Thrd2，Thrd2＞Thrd1；将S2采集的当前波形与当前参考波形进行比较，得到两者之间的波形差异实时值Dxy；

S4，将S3得到的波形差异实时值Dxy分别与S3设定的第一和第二波形差异门槛值进行比较：若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为S2采集到的当前波形；若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，重复S2至S4进行下一时刻的检测；

S5，根据当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差，计算故障点位置。

本发明所述当前参考波形即当前最后一次更新过的参考波形，如步骤S3中实际进行比较为第一次比较，则当前参考波形即S1中所述“初始的参考波形”。

本发明在应用时，参考波形的持续更新使得故障检测装置可以及时跟踪线路参数的缓慢变化，从而可以准确反映直流接地极线路参数不均匀导致的反射脉冲，这为后续的波形比较提供了有利的条件，使得可以清晰地分辨出故障点引起的反射脉冲波形。

优选的，S1中，以1s为周期向直流接地极线路注入激励脉冲。激励脉冲的注入周期也可设置为几十毫秒到几秒之间的其它数值。

优选的，第一波形差异门槛值Thrd1设置为1％-3％。具体可根据相应直流接地极线路参数因气候、天气、导线弧垂变化引起的线路参数缓慢变化范围进行设定。

优选的，第二波形差异门槛值Thrd2设置为1％～5％。具体可根据过渡电阻R发生单相短路时引起的波形差异的程度确定，直流接地极线路的过渡电阻R取值范围为100～1000Ω。

优选的，S3中，波形差异实时值Dxy为：

式(1)中，Pxy为当前波形与当前参考波形之间的波形相似度系数，且：

定义当前波形和参考波形中，第k个时刻的波形值分别为x(k)和y(k)，当前波形和参考波形的全波形时长相同，均包含N个采样点，则Kxy、Kxx与Kyy的计算公式为：

本发明S4中，当波形差异实时值Dxy在第一波形差异门槛值Thrd1与第二波形差异门槛值Thrd2之间，可视为除线路故障和线路参数变化以外的其它可接受的突发暂生因素导致的波形变化，此时不更新参考波形，仍认为直流接地极线路正常。

优选的，S4包括步骤：

S401，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，并判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则转至步骤S402；

S402，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测。

作为另一种具体实施方式，S4包括步骤：

S411，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S412；

S412，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则不更新参考波形，直接转至步骤S2进行下一时刻的检测。

优选的，S5中，故障点位置与激励脉冲注入点之间的距离X为：

X＝0.5*Δt₁*v (4)

式(4)中，Δt₁为当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差；v为行波波速，且：

v＝2*L/Δt₂ (5)

式(5)中，Δt₂为参考波形中直流接地极线路末端反射脉冲点与激励脉冲发射时刻的时间差，L为接地极线路的全长。

有益效果

本发明通过更新参考波形实现对直流接地极线路参数缓变的跟踪，从而可以提高波形对比的效果，并可获得精确的等效行波波速。通过比较参考波形与当前波形的差异，可以解决直流接地极线路参数不均匀导致的反射脉冲干扰问题，可以提高故障点反射脉冲的识别可靠性和灵敏度。因此，本方法可有效提高直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

附图说明

图1为直流接地极线路故障检测系统结构图；

图2为直流接地极线路正常时和故障时的脉冲波形图；

图3为直流接地极线路的参考波形与当前波形对比图；

图4为本发明脉冲波形比较方法的一种实施例流程示意图；

图5为本发明脉冲波形比较方法的一种具体实施方式流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图4，本发明用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法，包括：

S1，周期性地向直流接地极线路注入激励脉冲，在无故障状态下，获取激励脉冲和反射脉冲波形，保存为原始波形，将原始波形作为初始的参考波形；

S2，故障检测时，采集激励脉冲和反射脉冲的实时波形，作为当前波形；

S3，设置第一波形差异门槛值Thrd1以及第二波形差异门槛值Thrd2，Thrd2＞Thrd1；将S2采集的当前波形与当前参考波形进行比较，得到两者之间的波形差异实时值Dxy；

S4，将S3得到的波形差异实时值Dxy分别与S3设定的第一和第二波形差异门槛值进行比较：若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为S2采集到的当前波形；若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，重复S2至S4进行下一时刻的检测；

S5，根据当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差，计算故障点位置。

本发明所述当前参考波形即当前最后一次更新过的参考波形，如步骤S3中实际进行比较为第一次比较，则当前参考波形即S1中所述“初始的参考波形”。

本发明在应用时，参考波形的持续更新使得故障检测装置可以及时跟踪线路参数的缓慢变化，从而可以准确反映直流接地极线路参数不均匀导致的反射脉冲，这为后续的波形比较提供了有利的条件，使得可以清晰地分辨出故障点引起的反射脉冲波形。

实施例1

S1中，以1s为周期向直流接地极线路注入激励脉冲。激励脉冲的注入周期也可设置为几十毫秒到几秒之间的其它数值。

S3中，第一波形差异门槛值Thrd1设置为1％-3％。具体可根据相应直流接地极线路参数因气候、天气、导线弧垂变化引起的线路参数缓慢变化范围进行设定。

第二波形差异门槛值Thrd2设置为1％～5％。具体可根据过渡电阻R发生单相短路时引起的波形差异的程度确定，直流接地极线路的过渡电阻R取值范围为100～1000Ω。

S3中，波形差异实时值Dxy为：

式(1)中，Pxy为当前波形与当前参考波形之间的波形相似度系数，且：

定义当前波形和参考波形中，第k个时刻的波形值分别为x(k)和y(k)，当前波形和参考波形的全波形时长相同，均包含N个采样点，则Kxy、Kxx与Kyy的计算公式为：

本发明S4中，当波形差异实时值Dxy在第一波形差异门槛值Thrd1与第二波形差异门槛值Thrd2之间，可视为除线路故障和线路参数变化以外的其它可接受的突发暂生因素导致的波形变化，此时不更新参考波形，仍认为直流接地极线路正常。

参考图4，本实施例S4包括步骤：

S401，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，并判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则转至步骤S402；

S402，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测。

S5中，故障点位置与激励脉冲注入点之间的距离X为：

X＝0.5*Δt₁*v (4)

式(4)中，Δt₁为当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差；v为行波波速，且：

v＝2*L/Δt₂ (5)

式(5)中，Δt₂为参考波形中直流接地极线路末端反射脉冲点与激励脉冲发射时刻的时间差，L为接地极线路的全长。

实施例2

参考图5，与实施例1不同的是，本实施例S4包括步骤：

S411，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S412；

S412，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则不更新参考波形，直接转至步骤S2进行下一时刻的检测。

实施例3

本发明基于时域脉冲反射原理。参考图1，由直流接地极线路的故障检测装置周期性地向直流接地极线路注入激励脉冲，并采集激励脉冲和反射脉冲波形，分别保存原始波形和当前波形，并将原始波形作为初始的参考波形。每个时刻的检测过程中，分别通过比较当前波形与当前参考波形的波形差异实现参考波形更新，同时根据当前波形与参考波形的波形差异大小，以及波形分歧点时刻与激励脉冲注入时刻的时间差，实现直流接地极线路故障判别和故障测距。

原始波形、参考波形和当前波形均包含激励脉冲至线路末端反射脉冲的全过程，且三种波形的激励脉冲波形相同、激励脉冲时刻对齐。参考波形如图2中波形(a)所示，其反映的是直流接地极线路正常时的状态。当直流接地极线路故障时，会出现故障点反射脉冲，如图2中波形(b)所示。比较波形(a)与波形(b)，可以明显分辨故障点反射脉冲。

三种波形的形成机制如下：

当前波形是最新检测和记录的脉冲波形，该波形反映了直流接地极线路的当前状态；

原始波形是在直流接地极线路无故障的情况下故障检测装置初始保存的脉冲波形；

参考波形是装置基于原始波形根据当前波形变化自动更新的波形，当前波形和最后一次更新的参考波形的差异小于门槛值Thrd1时，故障检测装置将参考波形更新为当前波形；在直流接地极线路无故障和直流接地极线路参数缓变的情况下，参考波形会被持续更新为最新的当前波形。

参考波形的持续更新使得故障检测装置可以及时跟踪线路参数的缓慢变化，从而可以准确反映直流接地极线路参数不均匀导致的反射脉冲，这为后续的波形比较提供了有利的条件，使得可以清晰地分辨出故障点引起的反射脉冲波形，如图3所示。

参考图4所示，本发明方法存在的一种具体实施步骤为：

1)在直流接地极线路正常的状态下，采集激励脉冲和反射脉冲的原始波形，保存为初始的参考波形；

2)第一个检测时刻t1，故障检测装置计算当前波形与当前参考波形(即原始波形)的波形差异Dxy1；

3)比较得到波形差异Dxy1小于波形差异门槛Thrd1时，用当前波形更新参考波形；

4)下一个检测时刻t2，故障检测装置计算当前波形与3)更新后的参考波形的波形差异Dxy2；

5)比较得到波形差异Dxy2大于波形差异门槛Thrd2，此时判定直流接地极线路处于故障状态，转至步骤6)进行故障测距计算；

若比较得到波形差异Dxy2小于波形差异门槛Thrd2，则判定直流接地极线路处于正常状态；同时若波形差异Dxy2小于波形差异门槛Thrd1，则用t2时刻对应的当前波形更新参考波形，进入下一时刻的检测；

6)进行故障位置计算：首先根据参考波形中线路末端反射脉冲与激励脉冲的时间差Δt₂，计算等效行波波速v，然后计算当前波形与当前参考波形的分歧点时刻与激励脉冲注入时刻的时间差Δt₁，最后基于时间差Δt₁和等效波速v计算故障点位置X。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于直流接地极线路故障监测的脉冲波形比较方法，其特征是，包括：

S1，周期性地向直流接地极线路注入激励脉冲，在无故障状态下，获取激励脉冲和反射脉冲波形，保存为原始波形，将原始波形作为初始的参考波形；

S2，故障检测时，采集激励脉冲和反射脉冲的实时波形，作为当前波形；

S3，设置第一波形差异门槛值Thrd1以及第二波形差异门槛值Thrd2，Thrd2＞Thrd1；将S2采集的当前波形与当前参考波形进行比较，得到两者之间的波形差异实时值Dxy；

S4，将S3得到的波形差异实时值Dxy分别与S3设定的第一和第二波形差异门槛值进行比较：若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为S2采集到的当前波形；若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，重复S2至S4进行下一时刻的检测；

S5，根据当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差，计算故障点位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S1中，以1s为周期向直流接地极线路注入激励脉冲。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，第一波形差异门槛值Thrd1设置为1％-3％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，第二波形差异门槛值Thrd2设置为1％～5％，直流接地极线路的过渡电阻R取值范围为100～1000Ω。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S3中，波形差异实时值Dxy为：

式(1)中，Pxy为当前波形与当前参考波形之间的波形相似度系数，且：

定义当前波形和参考波形中，第k个时刻的波形值分别为x(k)和y(k)，当前波形和参考波形的全波形时长相同，均包含N个采样点，则Kxy、Kxx与Kyy的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S4包括步骤：

S401，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，并判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则转至步骤S402；

S402，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S2进行下一时刻的检测。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S4包括步骤：

S411，将波形差异实时值Dxy与第二波形差异门槛值Thrd2进行比较：

若波形差异实时值Dxy大于第二波形差异门槛值Thrd2，则判断为当前直流接地极线路发生故障，转至S5；否则判断为直流接地极线路正常，转至步骤S412；

S412，将波形差异实时值Dxy与第一波形差异门槛值Thrd1进行比较：

若波形差异实时值Dxy小于第一波形差异门槛值Thrd1，则将参考波形更新为当前波形，转至步骤S2进行下一时刻的检测；否则不更新参考波形，直接转至步骤S2进行下一时刻的检测。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S5中，故障点位置与激励脉冲注入点之间的距离X为：

X＝0.5*Δt₁*v (4)

式(4)中，Δt₁为当前波形与当前参考波形的分歧点时刻，与激励脉冲发射时刻的时间差；v为行波波速，且：

v＝2*L/Δt₂ (5)

式(5)中，Δt₂为参考波形中直流接地极线路末端反射脉冲点与激励脉冲发射时刻的时间差，L为接地极线路的全长。