CN109001594B - 一种故障行波定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种故障行波定位方法，步骤包括：S1.输电线路发生故障时，采集输电线路的故障行波信号；S2.将采集的故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的分量信号；S3.将故障行波的分量信号进行VMD分解，得到分解后的模态分量；S4.使用Hilbert变换提取模态分量的瞬时频率，根据提取的瞬时频率确定故障初始行波的分量信号的到达时刻；S5.使用故障初始行波的分量信号的到达时刻确定得到故障点的位置。本发明具有实现方法简单、所需成本低、应用灵活且定位效率及精度高等优点。

Description

一种故障行波定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全保护技术领域，尤其涉及一种故障行波定位方法。

背景技术

随着电力系统的规模不断扩大，输电线路的负荷量逐年增加，电力客户对电网安全运行的要求越来越，如何快速查找输电线路故障点位置，实现故障的快速切除已经成为电力系统运行稳定性的重要保障。

行波定位法作为故障定位最有效的方法之一被普遍使用，根据行波定位原理的不同，行波定位法分为单端行波法和双端行波法，其中单端行波法利用故障初始行波到达线路一端的时间和故障点反射行波到该端的到达时间，结合故障行波的传输速度计算故障点位置；双端行波法利用故障初始行波到达线路两端的时间，结合故障行波的传输速度计算故障点位置。由行波定位法的原理可知，上述行波定位法得到的行波定位结果的精度取决于故障行波波头的达到时刻和行波的传输速度。

针对故障行波波头的检测问题，目前存在多种检测方式，如使用小波分析的方法、希尔伯特黄变换(Hilbert Huang Transform，HHT)检测方法等，其中小波分析在一定的噪声情况下对非奇异信号进行检测，具有良好的效果，但不同的分解尺度和小波基函数会导致不同的结果；利用HHT检测时，其中的经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)算法存在模态混叠现象和端点效应，造成测距误差较大，虽然有从业者提出采用EEMD和ELMD方法对模态混叠现象进行抑制，但仍无法消除模态混叠和端点效应的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、所需成本低、应用灵活且定位效率及精度高的故障行波定位方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种故障行波定位方法，步骤包括：

S1.输电线路发生故障时，采集输电线路的故障行波信号；

S2.将采集的所述故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的分量信号；

S3.将所述故障行波的分量信号进行VMD(Variational Mode decomposition，变模态分解) 分解，得到分解后的模态分量；

S3.使用Hilbert变换提取所述模态分量的瞬时频率，

根据提取的瞬时频率确定故障初始行波的分量信号的到达时刻；

S4.使用所述故障初始行波的分量信号的到达时刻确定得到故障点的位置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中采用凯伦布尔变换对故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的零线模分量和线模分量信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中进行VMD分解时，将所述故障行波的零线模分量和线模分量作为实值输入信号f，并分解为多个具有特定稀疏属性的离散模态信号u_k，其中利用多个维纳滤波组实现滤波。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中进行VMD分解的步骤为：

S31.设定初始值，将

和n的初始值设为0，K设置为需要分解的正整数， n＝n+1，{u_k}和{ω_k}分别为k个模态分量和各模态分量的中心频率；

S32.分别更新u_k和ω_k，循环直至K次结束；

S33.利用

更新

其中τ为更新参数；

S34.重复步骤S32～步骤S33，当

时，停止迭代，输出结果。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中根据具体根据故障行波的分量信号提取到的第一个瞬时频率的奇异点位置，确定故障初始行波的对应分量信号的到达时刻。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中基于双端定位方法，使用所述故障行波的零线模分量、线模分量的到达时刻确定得到故障点的位置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中采用下式确定故障点的位置：

其中，t_A1和t_B1分别为线模行波到达线路A、B两端的时间，t_A0和t_B0分别为零模行波到达 A、B两端的时间，v₁、v₀分别为线模行波波速和零模行波波速，l_AB为线路AB的长度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中采用行波传感器提取电压行波信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1通过预先在线路两端变电站的CVT(电容式互感器)接地线安装行波传感器，所述行波传感器为一个罗柯夫斯基线圈，且采用开口式的两个半月形，通过CVT接地线采集电流行波信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过采集故障行波信号进行VMD分解，消除了如EMD算法中的模态混叠现象和端点效应，有效提高了行波信号的信噪比，再利用Hilbert变换利用Hilbert变换提取模态分量信号的瞬时频率，实现初始波头的到达时间标定，结合VMD和Hilbert变换实现行波波头的检测，能够有效提高行波波头的检测精度，由检测到的故障初始行波即可定位到故障点的位置，从而可以提高故障点的定位精度、可靠性。

2、本发明使用VMD-Hilbert检测故障初始行波零模分量和线模分量分别到达各端的时间，同时结合双端行波法的定位原理，利用故障行波零线模分量和线模分量的到达时刻进行双端定位，无需知道故障发生时刻和故障反射行波波头的到达时刻，能够实现与波速无关的双端定位，消除波速对故障定位结果的影响，解决了传统故障行波定位精度受波速不确定性的影响问题，进一步提高了故障定位的精度。

3、本发明结合VMD-Hilbert实现与波速无关的双端定位，能够避免故障反射波的测量，无需得知故障发生时刻，可以减小波头检测时间和难度，从而降低故障定位的复杂程度，有效提高了故障定位精度。

附图说明

图1是本实施例故障行波定位方法的实现流程示意图。

图2是故障行波传输原理示意图。

图3是本发明具体应用实施例中构建的输电线路仿真模型示意图。

图4是本实施例得到的三次B样条小波分量结果示意图。

图5是本实施例得到的线模信号和EMD分解结果示意图。

图6是本实施例得到的HHT变换检测结果示意图。

图7是本实施例得到的线模信号和VMD分解结果示意图。

图8是本实施例得到的VMD-Hilbert变换检测结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例故障行波定位方法步骤包括：

S1.输电线路发生故障时，采集输电线路的故障行波信号；

S2.将采集的所述故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的分量信号；

S3.将所述故障行波的分量信号进行VMD分解，得到分解后的模态分量；

S4.使用Hilbert变换提取所述模态分量的瞬时频率，根据提取的瞬时频率确定故障初始行波的分量信号的到达时刻；

S5.使用故障初始行波的分量信号的到达时刻确定得到故障点的位置。

输电线路发生故障时，故障点将产生故障行波信号沿线路向两端传播，在阻抗不连续点处发生折射和反射。本实施例通过采集故障行波信号进行VMD分解，利用VMD消除了如EMD算法中的模态混叠现象和端点效应，有效提高了行波信号的信噪比，再利用Hilbert变换利用Hilbert变换提取模态分量信号的瞬时频率，实现初始波头的到达时间标定，结合VMD 和Hilbert变换实现行波波头的检测，能够有效提高行波波头的检测精度，由检测到的故障初始行波即可定位到故障点的位置，从而可以提高故障点的定位精度、可靠性。

本实施例中，步骤S1中采用行波传感器提取电压行波信号，具体通过预先在线路两端变电站的CVT接地线安装行波传感器，行波传感器为一个罗柯夫斯基线圈，且采用开口式的两个半月形，通过CVT接地线采集电流行波信号。

可以理解的是，还可以采用其他方式采集故障行波信号以提高检测精度，如实际故障行波录波波形为电力系统一次侧波形经互感器转换后的二次侧波形，由于现有互感器高频传输性能难以满足准确测量的要求，受互感器本身波过程固有频率振荡信号的影响，所检测的二次行波不能真实反映一次行波特征，可通过设置真实测量装置检测故障行波信号，经信号反演消除互感器的传变误差，以及抑制互感器固有频率振荡信号，进一步提高行波信号的检测精度。

由于三相线路间存在耦合现象，线路故障电磁暂态过程中各行波相量相互干扰，本实施例采集到故障行波信号后进行解耦变换，得到故障行波的零线模分量和线模分量信号，即零线模行波以及线模行波信号。本实施例具体采用凯伦布尔变换矩阵对互相耦合的系统进行相模变换，分解成0、1和2三个相互独立的模分量，其中1、2为线模分量，0为零模分量。

故障行波信号分解为零线模分量和线模分量信号后由步骤S3使用VMD算法进行分解， VMD算法一种完全非递归的模态变分方法，具有较好的模态分解能力和噪声鲁棒性，能够解决EMD方法中存在的模态混叠现象和端点效应。本实施例步骤S3中进行VMD分解时，具体将故障行波的零线模分量和线模分量作为实值输入信号f，并分解为多个具有特定稀疏属性的离散模态信号u_k，其中利用多个维纳滤波组实现滤波。

本实施例采用VMD算法进行VMD分解的实现原理如下所示：

VMD是一种完全非递归的模态变分方法，目标是将实值输入信号f分解为多个具有特定稀疏属性的离散模态信号u_k，利用多个维纳滤波组实现滤波，其中各模态信号带宽的计算公式如下：

式中，{u_k}和{ω_k}分别为k个模态分量和各模态分量的中心频率。

为解决公式(1)的约束问题，采用二次惩罚项α和拉格朗日乘数λ相结合的办法，得到如下的增广表达式：

其中式(1)的最小化问题可以转化成增广表达式(2)中的鞍点问题，通过交替方向算法 (ADMM)的迭代次优化序列，得到其模态分量和中心频率的表达式分别为：

式中，

为模态分量的维纳滤波，通过傅里叶逆变换可得实部u_k(t)，

为对应模态函数的中心频率。

本实施例采用的VMD算法实现流程具体如下：

(1)设定初始值，将

和n的初始值设为0，K设置为需要分解的正整数，n＝n+1。

(2)利用公式(1)和公式(2)分别更新u_k和ω_k，循环直至K次结束。

(3)利用

更新

其中τ为更新参数，当分解结果对保真度要求低时，可以设为0。

(4)重复步骤(2)—步骤(5)，当

时，停止迭代，输出结果。

本实施例中，步骤S3中根据具体根据第一个瞬时频率的奇异点位置确定故障初始行波的到达时刻，即利用Hilbert变换提取模态分量信号的瞬时频率，根据第一个瞬时频率的奇异点位置确定故障初始行波的到达时刻，可以有效实现行波波头的检测。

本实施例利用Hilbert变换确定故障初始行波的到达时刻后，基于双端定位方法，使用故障行波的零线模分量、线模分量的到达时刻确定得到故障点的位置，即结合双端定位方法，利用线路故障行波的模分量和传输路径进行双端定位。

双端行波故障定位法是通过利用故障行波波头到达检测两段的时间和故障行波在线路上的传播速度进行故障定位。故障行波的传输速度计算公式为

其中L和C分别是线路单位长度的电感值和电容值，因此不同线路上的故障行波传输速度不一致，并且由于运行环境的影响和线路参数的变动，波速在同一线路的不同时刻和不同位置也并不相同。

如图2所示，当线路F点发生故障后，故障行波由故障点向线路两端传输，根据双端定位公式可得故障点距线路A端和B端的距离：

式中，l_AB为线路AB的距离，v为故障行波波速，t_A、t_B分别为故障行波波头到达A、B两端的时刻。

针对故障行波波速的不确定问题，目前通常是利用故障行波反射波的传输路程，消除行波传播速度对定位结果的影响，使故障定位精度在一定程度上得到提高，但是该类方法需要检测故障发生后前三个故障行波到达线路各端的时间，利用第一个波头到达时刻确定离故障点近的母线端，然后根据前三个波头到达近端母线的时间确定故障点类型消除行波波速对定位结果的影响，以确定故障点位置，而由于反射波的检测与辨识困难、定位算法复杂，使得故障定位精度差、鲁棒性不强。

本实施例使用VMD-Hilbert检测故障初始行波零模分量和线模分量分别到达各端的时间后，结合双端行波法的定位原理，利用故障行波零线模分量和线模分量的到达时刻进行双端定位，无需知道故障发生时刻和故障反射行波波头的到达时刻，能够实现与波速无关的双端定位，消除波速对故障定位结果的影响，解决了传统故障行波定位精度受波速不确定性的影响问题，进一步提高了故障定位的精度。

当线路发生故障时，通过凯伦布尔变换可以将行波信号解耦成零模分量和线模分量，其中线模分量波速设为v₁，零模分量波速度为v₀。可得故障点到A端的距离为：

根据故障行波零模分量和线模分量在线路上的传输过程，可得：

消去v₁、v₀、t₀得：

其中，t_A1和t_B1分别为线模行波(故障行波的线模分量)到达线路的A、B两端的时间，t_A0和t_B0分别为零模行波(故障行波的零模分量)到达A、B两端的时间，v₁、v₀分别为线模行波波速和零模行波波速，l_AB为线路AB的长度。由式(8)可知，行波定位结果与行波传输速度的变化无关。

本实施例具体利用行波传感器采集输电线路的电流行波信号，通过凯伦布尔变换对故障行波信号进行解耦变换，将解耦得到的分量信号进行VMD分解，利用Hilbert变换提取模态分量的瞬时频率，标定第一个瞬时频率的奇异点位置，确定得到故障初始行波的到达时间后，按照式(8)确定得到故障点的位置。

通过上述定位方法，避免了故障反射波的测量，无需得知故障发生时刻，可以减小波头检测时间和难度，从而降低故障定位的复杂程度，有效提高了故障定位精度。

为验证本发明上述方法的可靠性和精度，本实施例在ATP/EMTP中搭建一条如图3所示的220kV输电线路进行实验，其中线路AB长度具体为110km，线路参数具体如表1所示。

表1：输电线路参数

在t＝2μs时，在距离线路A端70km处设置AB两相接地故障，故障行波信号的采样频率为10MHz。本实施例首先通过凯伦布尔变换矩阵对采样信号进行解耦，将解耦后的电流线模分量分别进行三次B样条小波变换、HHT变换和VMD-Hilbert变换，各变换在原始信号中加入信噪比30db白噪声时的检测结果分别如图4～8所示，其中VMD参数设置：K＝4，α＝8000，τ＝2。

如图4～8所示，采用三次B样条变换检测故障初始行波到达时刻如图4所示，从图中可看出三次B样条小波变换能够较好的检测到故障初始行波到达时刻，但检测结果随着分解尺度的不同而发生变化，存在尺度选取不同造成定位误差较大的问题。采用EMD分解检测结果如图5所示，图中EMD分解的模态分量信号存在端点效应和模态混叠现象，难以得到真实的特征信号；加上噪声信号的影响如图6所示，由图6结果显示HHT变换的结果中存在大量干扰信号，无法准确检测故障行波信号的第一个频率突变点；VMD分解结果如图7所示，图中VMD分解的模态分量信号无模态混叠现象和端点效应，其中模态1分量信号相比于其它模态信号，其变化趋势和原始线模分量信号的变化趋势最为一致，因此将模态1分量信号进行Hilbert变换，提取故障行波信号的瞬时频率，如图8所示，根据第一个瞬时频率的突变点确定故障初始行波的到达时间。

比较上述三种故障行波波头检测方法的结果可知，VMD-Hilbert变换相比于三次B样条小波变换不受分解尺度的影响，和HHT变换相比具有更好的噪声鲁棒性，端点效应和模态混叠现象不明显，更容易分辨故障行波信号的第一个频率突变点。

本实施例进一步可得VMD-Hilbert变换检测故障行波到达另一端的时间为235.2μs，根据线路的参数和波速公式计算得到故障行波的传输速度为2.98062924×10⁸m/s，因此故障点与A 端的距离为：

与故障点实际距离A端40km相比，定位误差为82m，即采用本发明定位方法能够满足故障点精确定位的要求。

取三次B样条小波变换中尺度三中第一个突变点的数据为故障初始行波的到达时间，考虑故障点F处发生的不同类型故障，对三种提取方法的定位结果进行比较，如表2所示。

表2：不同故障类型的检测定位结果

通过数据分析可得，在无噪声干扰情况下，三种方法都可以有效提取故障初始行波的到达时刻，定位故障点，其中本发明结合VMD-Hilbert的定位方法相比于三次B样条变换和HHT 方法，得到的故障点位置误差更小，定位精度更高。

为进一步验证本发明定位方法无需波速即可实现双端定位算法的可行性，本实施例通过上述结合VMD-Hilbert方法提取得到f处发生AB两相短路故障时故障初始行波线模分量和零模分量分别到达AB两端的时间，其中A端的零模时间t_A0＝144.2μs，线模时间t_A1＝134μs，B 端的零模时间t_B0＝235.2μs，线模时间t_B1＝253.1μs，将数据代入公式(6)可得：

与故障点实际距离A端40km相比，定位误差为71m，即本采用本发明方法吗相比于传统双端定位误差82m，定位精度更高。

本实施例进一步在距离A端40km、60km和90km处，分别模拟A相接地故障、AB两相接地故障和ABC三相短路故障，通过结合VMD-Hilbert变换检测故障行波零模分量和线模分量到达线路两端的时刻，故障行波波速由计算得2.98062924×10⁸m/s，分别使用本发明上述双端定位方法和传统双端定位方法计算故障点位置，结果如表3和表4所示。

表3：本发明方法定位结果

表4：传统双端定位算法结果

通过表格数据分析可得，本发明上述双端定位算法能够在不同的故障情况下有效实现故障点的精确定位，并随着故障点位置靠近线路中点，且定位误差越小。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种故障行波定位方法，其特征在于，步骤包括：

S1.输电线路发生故障时，采集输电线路的故障行波信号；

S2.将采集的所述故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的分量信号；

S3.将所述故障行波的分量信号进行VMD分解，得到分解后的模态分量；

S4.使用Hilbert变换提取所述模态分量的瞬时频率，根据提取的瞬时频率确定故障初始行波的分量信号的到达时刻；

S5.使用所述故障初始行波的分量信号的到达时刻确定得到故障点的位置；

所述步骤S2中采用凯伦布尔变换对故障行波信号进行解耦变换，得到故障行波的零线模分量和线模分量信号；

所述步骤S5中基于双端定位方法，使用所述故障行波的零线模分量、线模分量的到达时刻确定得到故障点的位置；

所述步骤S5中采用下式确定故障点的位置：

其中，t_A1和t_B1分别为线模行波到达线路A、B两端的时间，t_A0和t_B0分别为零模行波到达A、B两端的时间，v₁、v₀分别为线模行波波速和零模行波波速，l_AB为线路AB的长度。

2.根据权利要求1所述的故障行波定位方法，其特征在于，所述步骤S3中进行VMD分解时，将所述故障行波的零线模分量和线模分量作为实值输入信号f，并分解为多个具有特定稀疏属性的离散模态信号u_k，其中利用多个维纳滤波组实现滤波。

3.根据权利要求2所述的故障行波定位方法，其特征在于，所述步骤S3中进行VMD分解的步骤为：

S31.设定初始值，将

和n的初始值设为0，K设置为需要分解的正整数，n＝n+1，{u_k}和{ω_k}分别为k个模态分量和各模态分量的中心频率；

S32.分别更新u_k和ω_k，循环直至K次结束；

S33.利用

更新

其中τ为更新参数；

S34.重复步骤S32～步骤S33，当

时，停止迭代，输出结果。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的故障行波定位方法，其特征在于，步骤S4中根据具体根据故障行波的分量信号提取到的第一个瞬时频率的奇异点位置，确定故障初始行波的对应分量信号的到达时刻。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的故障行波定位方法，其特征在于，所述步骤S1中采用行波传感器提取电压行波信号。

6.根据权利要求5所述的故障行波定位方法，其特征在于，所述步骤S1通过预先在线路两端变电站的CVT接地线安装行波传感器，所述行波传感器为一个罗柯夫斯基线圈，且采用开口式的两个半月形，通过CVT接地线采集电流行波信号。

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