CN108627741A - 一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，利用基于GPS同步对时的双端行波法和单端阻抗法相结合，配合故障指示器，故障发生时如果支路上故障指示器没有报警，则说明故障位于主线路上，利用双端行波法进行定位，如果故障指示器报警，说明故障位于该条支路上，利用单端阻抗法进行定位，可以精确判断出故障位于主线路或者支路上的位置。双端行波法波头识别采用一种新算法：MRSVD分解算法加teager能量算子，可以精确确定行波波头到达时刻。该方法解决了双端行波法不能确定支路故障的问题，同时保证了测量的高精度，新的波头识别算法克服了传统小波法和希尔伯特黄变换法的不足，具有很高的实用价值。

Description

一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障 定位方法

技术领域

本发明属于电气二次系统领域，特别涉及一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法。

背景技术

输电线路故障测距技术是电力系统发展过程中的一个研究热点。线路故障后快速、准确的故障定位可以帮助工作人员分析故障原因，及时排除故障恢复供电，减少巡线所需花费的时间和精力，降低停电造成的社会经济损失。近年来，国内外专家学者提出了许多故障定位的原理和算法，有的已经制成装置，但测距精度仍有待进一步提高。因此，研究输电线路故障测距具有重要的现实意义。

近年来，行波法在输电线路故障测距中得到了广泛的应用。行波法根据信息来源可分为单端行波法和双端行波法。单端行波法在线路的一侧设置检测元件，利用故障行波波头从测量点到故障点往返一次的时间差和行波波速计算故障位置。双端行波测距是利用故障初始行波到达线路两端检测点的时间差和波速计算故障位置。单端行波法需要考虑行波的折反射、母线端的出线数等因素，故障行波的反射波由于衰减有时检测困难，易导致定位失败。双端行波法仅使用故障初始行波，易于检测，准确度高，但两端测量点需要配备通信通道，且要求时钟高度同步。全球定位系统技术及GPS时钟修正技术的发展，使得时间同步精度已达到纳秒级，从故障测距的可靠性、准确性出发，一般采用双端行波法。双端行波法的关键之一是准确记录电流或电压行波到达线路两端的时间。当前行波检测方法主要有小波变换(Wavelet Transform，WT)和希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang Transform，HHT)两种。故障产生的行波是一种非平稳变化的高频信号，小波法利用小波模极大值理论对故障信号进行奇异性检测，确定行波波头到达检测点的时间，取得了一定成果。但是，小波变换需要根据具体的信号选择合适的小波基和分解尺度，否则难以达到满意的效果。希尔伯特-黄变换是一种自适应的信号时频分析方法，其计算过程包括经验模态分解和希尔伯特变换两步。首先通过经验模态分解将分析信号分解为一组平稳分量，然后再利用希尔伯特变换计算各分量的瞬时频谱。瞬时频谱上的首个突变点即故障初始行波到达检测点的时刻。HHT方法与WT方法相比，在实际应用中故障定位效果要好。然而，HHT方法理论上存在过包络、欠包络及模态混叠现象等不足，这些会在一定程度上对准确检测行波波头到达时刻造成影响。

针对带分支的双端配电网络，双端行波法不能确定故障是否位于支路上，也不能确定故障位于哪条支路上。如果故障位于支路上，双端行波法不能确定故障的具体位置。则当长距离输电线路带多个分支时，双端行波法对于支路故障的处理识别是乏力的。

行波波速也是影响行波测距精度的关键之一。行波波速与输电线路参数、频率等关系密切，不同故障条件下故障行波的中心频率有所不同，再加上环境等外界因素的影响，波速是一个不确定的量。在应用中采用光速或近似光速的值，必然会造成定位误差。有方法利用故障初始行波和故障点反射波到达母线的时间消除行波波速的影响，或者利用故障初始行波、故障点反射波和对端母线反射波到达母线的时间消除波速的影响，此类方法通过检测故障点反射波或对端母线反射波来进行故障测距，当反射波衰减至无法测量或不存在反射波时，定位失败。

针对上述问题，本文提出一种新的针对双端带分支配电网输电线路故障定位技术方法。

发明内容

为了提高双端带支路电力线路故障定位的效率和精度，本发明提出一种新的定位技术方案以及一种新的行波波头检测算法。即在含有故障指示器的带分支双端配电网络中，用故障指示器判断故障是否位于支路，再利用行波法和阻抗法确定故障位置。

为实现本发明的技术方案，基本步骤如下：

一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，其特征在于，基于以下定义，定义输电线路主线路首末段分别为输电线路的M和N端，具体包括以下步骤，

步骤1：获取输电线路主线路首末段的三相电流信号i_M(t)、i_N(t)；在输电线路主线路首端的电压和电流分量U_M和I_M；所主线路首末段设有GPS同步时钟模块，并且主线路的每一支路入线处设有故障指示器；

步骤2：故障发生时，根据故障指示器的检测结果进行选择执行：

选择步骤1：若故障指示器报警，则故障发生在安装该故障指示器的支路上，计算短路故障位置到测量端的距离：

式中：x为短路故障位置到测量端的距离，X₁为线路单位长度正序电抗，为线路正序阻抗角，a+jb＝I_Mf/I_M，R_M+jX_M＝U_M/I_M，R_M为距离保护的测量电阻，X_M分距离保护的测量电抗，I_Mf为故障分量电流，U_M和I_M为测量电压和测量电流；

则故障点到该支路节点的距离为x减去测量端到该支路节点的距离；

选择步骤2：若故障指示器未报警，故障发生在主线路上，则进行如下子步骤操作：

步骤2.1、利用凯伦布尔变换对输电线路主线路M和N端三相电流信号i_M(t)、i_N(t)进行解耦运算得到α线模分量i_Mα和i_Nα；

步骤2.2、基于步骤2.1得到的线模分量计算能量突变点对应的时刻，能量突变点对应的时刻包括故障行波到达测量端M的时间t_M和故障行波到达测量端N的时间为t_N，

步骤2.3、故障点到两测量端M、N的故障距离x_M和x_N，满足以下公式：

其中，L为输电线路主线路M到N端总长度；

则可得x_M和x_N分别为：

在首端进行短路试验，测量行波从M端到达N端的时间t_MN,行波的波速为：

代入上述距离计算公式可得：

在上述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，在输电线路主线路首末段即M端和N端安装行波信号测取装置，用于获取两个测量端的三相电流信号i_M(t)、i_N(t)；在线路M端安装电压电流测量装置，用于获取电压和电流分量U_M和I_M；在主线路M端和N端安装GPS同步时钟模块，用于完成双端行波法中同步对时。

在上述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，当故障发生时，若故障指示器未报警则说明故障位于主线路，用双端行波法测距，若故障指示器报警，则说明故障位于该支路上，用单端阻抗法测距。

在上述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，用多分辨率奇异值分解算法加teager能量算子来获得故障行波到达测量端M的时间t_M以及故障行波到达测量端N的时间为t_N；具体方法包括：

步骤2.21、针对输电线路主线路M端电流线模分量信号K＝i_Mα＝(k₁,k₂,...,k_n)构造行数为2的矩阵：

步骤2.22、对构造后的矩阵进行SVD分解，分解后可得到两个奇异值S₁和S₂，定义其中S₁＞S₂，对得到的两个奇异值构造矩阵，分别得到矩阵K₁和D₁，K₁矩阵对应的奇异值为S₁，D₁矩阵对应的奇异值为S₂，则K＝K₁+D₁，矩阵K₁对原始信号贡献率大，称为残余信号分量，矩阵D₁对原始信号贡献率小，为细节信号分量；

步骤2.23、对残余信号分量K₁继续构造行数为2的矩阵，再进行SVD分解，得到一个残余信号分量K₂和一个细节信号分量D₂,则K₁＝K₂+D₂；

步骤2.24、重复步骤2.21至步骤2.23，得到一系列细节信号分量D_i(i＝1,2,...,j)和残余信号分量K_j，j为分解层数，分解得的信号满足下式：

K_i-1＝K_i+D_i

步骤2.25、：对分解后的第一个细节分量D₁进行teager能量算子计算，能量算子定义为：

计算得出横轴为时间的能量谱图，能量突变点对应的时刻即为故障行波到达测量端M的时间t_M，重复步骤2.21至步骤2.25得到故障行波到达测量端N的时间为t_N。

从式中可以看出，定位结果是不用考虑波速问题的，只需要最开始进行一次实验即可代入后续的应用，不用考虑反射波的问题，简单可靠。

而且，在利用MRSVD分解算法和teager能量算子进行波头检测过程中，M端和N端的时间为GPS同步时钟模块提供的精确同步时间，使得获得的波头到达时间是在同一时间基准上。

本发明为了完善电力系统配电网络故障的及时发现和排除，首次提出将故障指示器与双端行波法和阻抗法故障定位方法综合运用，使得在双端带多分支网络的情况下，克服单个方法对于故障及时发现和排除的乏力，使得该类型配电网络更加坚强可靠。本发明首次提出将多分辨率奇异值分解算法应用于行波信号波头的识别处理，配合teager能量算子能够很好地从能量的角度简单快捷识别出波头达到测量端对应的具体时刻。本发明首次提出基于实验的行波波速测量手段，在故障定位系统投入使用前，在一端模拟出故障，检测故障行波波头到达另一端的时间，配合整条线路的长度，可以准确的知道故障行波在线路中传播的速度。

附图说明

图1为带支路双端系统定位示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

为简单明了地表述本发明目的及技术方案，以下结合附图及实施例加以说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

双端带支路配电网输电线路系统和定位系统如图1所示，其中包括线路系统、故障指示器的安装、双端行波定位系统的安装、单端阻抗定位系统的安装。定位流程图如图2所示，按照图2所示流程，具体实施步骤如下：

步骤1：在输电线路主线路首末段即M端和N端安装行波信号测取装置，获取两个测量端的三相电流信号i_M(t)、i_N(t)；在线路M端安装电压电流测量装置，获取电压和电流分量U_M和I_M；在主线路的每一支路入线处安装带通讯功能的故障指示器；在主线路M端和N端安装GPS同步时钟模块，以完成双端行波法中同步对时。

步骤2：故障发生时，观察故障指示器是否报警，若故障指示器报警，则说明故障发生在安装该故障指示器的之路上，进入步骤3。若故障指示器未报警，说明故障发生在主线路上，进入步骤4。

步骤3：由单端阻抗法故障定位可知，短路故障位置到测量端的距离可以按照下式计算出：

式中：x为故障距离，X₁为线路单位长度正序电抗，为线路正序阻抗角，a+jb＝I_Mf/I_M，R_M+jX_M＝U_M/I_M为距离保护的测量阻抗，I_Mf为故障分量电流，U_M和I_M为测量电压和测量电流。

用x减去测量端到该支路节点的距离，即为故障点到该支路节点的距离。

步骤4：利用凯伦布尔变换对M和N端三相电流信号i_M(t)、i_N(t)进行解耦运算得到α线模分量i_Mα和i_Nα。

步骤5：先对M端电流线模分量信号i_Mα＝(k₁,k₂,...,k_n)，构造行数为2的矩阵：

对构造后的矩阵进行SVD分解，分解后可得到两个奇异值S₁和S₂，并且满足S₁＞S₂，然后对得到的两个奇异值构造矩阵，分别得到矩阵K₁和D₁，K₁矩阵对应的奇异值为S₁，D₁矩阵对应的奇异值为S₂，且满足K＝K₁+D₁，矩阵K₁对原始信号贡献率大，称为残余信号分量，矩阵D₁对原始信号贡献率小，称为细节信号分量。

对残余信号分量K₁继续进行第一步构造两行矩阵，再进行SVD分解，得到一个残余信号分量K₂和一个细节信号分量D₂,且满足K₁＝K₂+D₂。

以此类推，得到一系列细节信号分量D_i(i＝1,2,...,j)和残余信号分量K_j，j为分解层数，分解得的信号满足下式：

K_i-1＝K₁+D₂

步骤6：对分解后的第一个细节分量D₁进行teager能量算子计算，能量算子定义为：

由计算出的能量算子，可以很清楚的看出能量突变点对应的时刻，即故障行波到达测量端M的时间t_M，同理可得故障行波到达测量端N的时间为t_N。

步骤7：已知t_M和t_N后进行故障距离计算，已知线路总长度L，要求故障点到两测量端M、N的故障距离x_M和x_N，满足以下公式：

则可得x_M和x_N分别为：

，在首段进行短路试验，测量行波到达端的时间t_MN,为：

又：d_Mr+d_Nr＝L

联合各式可得：

此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的范围为准。

Claims (4)

1.一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，其特征在于，基于以下定义，定义输电线路主线路首末段分别为输电线路的M和N端，具体包括以下步骤，

步骤1：获取输电线路主线路首末段的三相电流信号i_M(t)、i_N(t)；在输电线路主线路首端的电压和电流分量U_M和I_M；所主线路首末段设有GPS同步时钟模块，并且主线路的每一支路入线处设有故障指示器；

步骤2：故障发生时，根据故障指示器的检测结果进行选择执行：

选择步骤1：若故障指示器报警，则故障发生在安装该故障指示器的支路上，计算短路故障位置到测量端的距离：

式中：x为短路故障位置到测量端的距离，X₁为线路单位长度正序电抗，为线路正序阻抗角，a+jb＝I_Mf/I_M，R_M+jX_M＝U_M/I_M，R_M为距离保护的测量电阻，X_M分距离保护的测量电抗，I_Mf为故障分量电流，U_M和I_M为测量电压和测量电流；

则故障点到该支路节点的距离为x减去测量端到该支路节点的距离；

选择步骤2：若故障指示器未报警，故障发生在主线路上，则进行如下子步骤操作：

步骤2.1、利用凯伦布尔变换对输电线路主线路M和N端三相电流信号i_M(t)、i_N(t)进行解耦运算得到α线模分量i_Mα和i_Nα；

步骤2.2、基于步骤2.1得到的线模分量计算能量突变点对应的时刻，能量突变点对应的时刻包括故障行波到达测量端M的时间t_M和故障行波到达测量端N的时间为t_N，

步骤2.3、故障点到两测量端M、N的故障距离x_M和x_N，满足以下公式：

其中，L为输电线路主线路M到N端总长度；

则可得x_M和x_N分别为：

在首端进行短路试验，测量行波从M端到达N端的时间t_MN,行波的波速为：

代入上述距离计算公式可得：

2.根据权利要求书1所述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，其特征在于，在输电线路主线路首末段即M端和N端安装行波信号测取装置，用于获取两个测量端的三相电流信号i_M(t)、i_N(t)；在线路M端安装电压电流测量装置，用于获取电压和电流分量U_M和I_M；在主线路M端和N端安装GPS同步时钟模块，用于完成双端行波法中同步对时。

3.根据权利要求书1所述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，其特征在于，当故障发生时，若故障指示器未报警则说明故障位于主线路，用双端行波法测距，若故障指示器报警，则说明故障位于该支路上，用单端阻抗法测距。

4.根据权利要求书1所述的一种基于故障指示器的行波—阻抗法双端带支路配电网故障定位方法，其特征在于，用多分辨率奇异值分解算法加teager能量算子来获得故障行波到达测量端M的时间t_M以及故障行波到达测量端N的时间为t_N；具体方法包括：

步骤2.21、针对输电线路主线路M端电流线模分量信号K＝i_Mα＝(k₁,k₂,...,k_n)构造行数为2的矩阵：

步骤2.22、对构造后的矩阵进行SVD分解，分解后可得到两个奇异值S₁和S₂，定义其中S₁＞S₂，对得到的两个奇异值构造矩阵，分别得到矩阵K₁和D₁，K₁矩阵对应的奇异值为S₁，D₁矩阵对应的奇异值为S₂，则K＝K₁+D₁，矩阵K₁对原始信号贡献率大，称为残余信号分量，矩阵D₁对原始信号贡献率小，为细节信号分量；

步骤2.23、对残余信号分量K₁继续构造行数为2的矩阵，再进行SVD分解，得到一个残余信号分量K₂和一个细节信号分量D₂,则K₁＝K₂+D₂；

步骤2.24、重复步骤2.21至步骤2.23，得到一系列细节信号分量D_i(i＝1,2,...,j)和残余信号分量K_j，j为分解层数，分解得的信号满足下式：

K_i-1＝K_i+D_i

步骤2.25、：对分解后的第一个细节分量D₁进行teager能量算子计算，能量算子定义为：

计算得出横轴为时间的能量谱图，能量突变点对应的时刻即为故障行波到达测量端M的时间t_M，重复步骤2.21至步骤2.25得到故障行波到达测量端N的时间为t_N。