CN109324267A - 基于双采样率的配网线路故障点定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双采样率的配网线路故障点定位方法及其装置，对低采样率测量设备采集的相电流波形进行相位相关度计算，在判定故障发生时启动高采样率测量设备的录波功能，对高采样测量装置采集的相电流波形采用短时傅里叶变换进行处理，然后根据D型行波法对故障点进行精确定位。本发明通过对波形数据进行相关度系数计算，解决了传统幅值触发录波的不可靠问题。并仅对低采样率数据进行相关度计算，有效降低了计算量，提高了故障录波触发速度。同时所用的高采样率测量设备采样时窗小，不依赖大存储容量，有效地降低了配网检测设备的成本。

Description

基于双采样率的配网线路故障点定位方法及装置

技术领域

本发明涉及配电网线路故障诊断方法，更具体地，涉及一种基于短时傅里叶变换的双采样率配网线路故障点精确定位方法及装置。

背景技术

随着经济的不断发展，用户对供电质量的要求日益提高。配电网作为电网中直接与用户交互的部分，对用户的用电体验有着重大影响，配网的故障定位就显得尤为重要。而目前国内配电网多采用中性点非有效接地方式，拓扑结构复杂，分支多；接地故障电流小、故障定位较困难。随着人们对配网自动化水平要求的提高，更加迫切需要从根本上解决配网线路的故障定位问题。

当前国内外配网线路故障定位方法主要有故障指示器法、阻抗法与行波法。相较于故障指示器法和阻抗法，行波法受线路参数、系统运行方式、过渡电阻和故障类型的影响小，定位速度快，准确度高，目前是配网线路故障定位研究的热点。但是配电网复杂的线路结构和众多的分支导致故障行波幅值小、衰减畸变大，给配网故障的定位造成了难度。而目前的故障行波检测装置通常以行波幅值作为故障判据，导致故障的误判与漏判，较难得到较好的故障行波录波波形；同时行波法故障精确定位对检测设备采样率要求较高，对设备硬件性能要求较大，在配电网低成本控制的情况下应用不广泛。

而为了获取行波的到达时间，对行波信号进行奇异点分析就十分重要。目前在工程应用领域，对于信号的频谱分析一般都采用快速傅里叶变换的方法，该方法的应用最为广泛，技术也相对比较成熟，但是快速傅里叶变换方法无法满足非平稳信号的分析，对非平稳过程进行分析时存在无法避免的缺陷，因此快速傅里叶变换只能给出时域或频域内的统计平均结果，而不能提供信号时域和频域局部化的信息。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种配网线路故障点精确定位方法，基于短时傅里叶变换并结合低采样率设备与高采样率设备来对配网线路故障点进行精确定位。

具体地，本发明提供一种配网线路故障点精确定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)相关度系数计算出相关度系数K：

其中，Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差，Var[I1]为I1的方差，Var[I2]为I2的方差；；

步骤S2，根据K的数值大小，判断故障是否发生：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，返回步骤S1，并令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储；

步骤S3，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i；

步骤S4，统计初始行波方向相反的相邻节点，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

步骤S5，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

其中，v是行波速度，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度；T_M与T_N分别为故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间。

进一步地，步骤S3中，若行波方向为由母线流向负载，则m_i为1，否则m_i为-1。

进一步地，步骤S3中，通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω,τ)；

其中g(t-τ)e^-j2t为积分核函数，e^-j2t为限频函数，g(t-τ)为限时函数，G_x(ω,τ)则是反映在τ时刻频率为ω信号频率成分，x(t)是需要进行短时傅里叶变换的目标函数；

取频率成分G_x(ω,τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻，得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值，若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

本发明还提出一种基于双采样率的配网线路故障点定位装置，其特征在于，基于短时傅里叶变换并采用双采样率结合，来对配网线路故障点进行精确定位；包括：

相关度系数计算模块，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)计算出相关度系数K：

其中，Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差，Var[I1]为I1的方差，Var[I2]为I2的方差；

故障判断模块，与相关度系数计算模块相连，根据K的数值大小，判断故障是否发生：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储。

傅里叶变换模块，与故障判断模块相连，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i；

故障线路节点确定模块，与傅里叶变换模块相连，统计初始行波方向m_i相反的相邻节，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

故障点精确定位模块，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

其中，v是行波速度，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度；T_M与T_N分别为故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间。

进一步地，傅里叶变换模块中，若行波方向为由母线流向负载，则n_i为1，否则m_i为-1。

进一步地，通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后在傅里叶变换模块中，以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω,τ)；

其中g(t-τ)e^-jωt为积分核函数，e^-jωt为限频函数，g(t-τ)为限时函数，G_x(ω,τ)则是反映在τ时刻频率为ω信号频率成分，x(t)是需要进行短时傅里叶变换的目标函数；

取频率成分G_x(ω,τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻，得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值，若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

进一步地，行波速度v在架空线中取2.95*10⁸m/s，电缆中取1.5*10⁸m/s。

进一步地，所述低采样率具体指采样率小于20KHz，高采样率具体指大于等于20KHz。

本发明的有益效果是：

(1)配网行波幅值小、衰减畸变大，通过运用相位相关度法，解决了传统设备依靠行波幅值触发录波的不可靠问题；

(2)仅对低采样率波形数据进行相关度系数计算，有效降低了设备的计算量，提高了故障录波触发速度；

(3)不依靠高采样率测量设备实现故障判定，减小了高采样率测量设备的采样时窗，不依赖大容量存储介质，有效地降低了配网检测设备的成本。

(4)采用短时傅里叶变换的方法来克服快速傅里叶变换的不足之处，进而为主轴振动特性分析提供准确可靠的信息。

附图说明

图1为D型行波法故障定位原理示意图。

图2为本发明所述故障定位方法的流程图。

图3为本发明所述故障定位装置的结构图。

图4为本发明实施例的仿真配电网系统拓扑图。

图5为本发明实施例的仿真实验中1号节点A相电流波形图。

图6为本发明实施例的仿真实验中1号节点线模行波波形图。

图7为本发明实施例的仿真配电网系统各节点初始行波方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电力线路发生故障时，由于故障点电压的突变，在线路上将出现暂态行波过程。电力线路上的行波现象可以用建立在分布参数线路模型基础上的电报方程来描述，沿线电压与电流均包含正向和反向两个行波分量，其频域形式可以表示为：

式中，U⁺(x,ω)和I⁺(x,ω)分别表示沿x正方向传播的电压与电流行波；U^-(x,ω)和I^-(x,ω)分别表示沿x反方向传播的电压与电流行波。

如图1所示，故障发生的瞬间，故障点F处产生初始行波，并向着线路两端传播。设故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为T_M与T_N，则两者存在以下关系：

式中，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度。

通过求解上述方程组可以得出故障点至线路两端距离L_MF、L_NF与T_M、T_N的关系，如式(2)所示：

其中，v是行波速度(架空线取2.95*10⁸m/s，电缆取1.5*10⁸m/s)，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度；T_M与T_N分别为故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间。

本发明所采用的短时傅里叶变换的基本运算公式如下：

其中g(t-τ)e^-jωt为积分核函数，e^-1ωt为限频函数，g(t-τ)为限时函数，G_x(ω,τ)则是反映在τ时刻频率为ω信号频率成分，x(t)是需要进行短时傅里叶变换的目标函数。

采用短时傅里叶变换能够对非平稳信号的幅值进行计算，计算值与真实值非常接近，基本满足应用需要，由此可以知道利用固定时窗函数进行短时傅里叶变换，时域内和频域内都有较好的局部性，适合对非平稳信号进行分析。

通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω,τ)。由于行波频率远大于工频(50Hz)，在大于50Hz信号的频域中(ω>50)，取频率成分G_x(ω,τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻。

得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值。若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

得出行波到达时刻与行波极性后，再配合配网拓扑图，就能计算出故障点的位置，实现故障点的精确定位。

参照附图2所示的流程图，本发明所提供的一种基于基于行波法的配网线路故障点精确定位方法，其步骤为：

步骤S1，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2进行按照公式(1)计算出相关度系数K：

其中，Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差，Var[I1]为I1的方差，Var[I2]为I2的方差；；

步骤S2，对K的数值大小进行判定：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，返回步骤S1，并令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储；

步骤S3，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i(若行波方向为由母线流向负载，则m_i为1，否则为-1)；通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω,τ)；取频率成分G_x(ω,τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻，得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值，若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

步骤S4，统计初始行波方向相反的相邻节点i，j，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

步骤S5，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

图3示出了实现上述故障定位方法的装置结构图，如图所示，该装置包括：

相关度系数计算模块，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)计算出相关度系数K：

故障判断模块，与相关度系数计算模块相连，根据K的数值大小，判断故障是否发生：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储。

傅里叶变换模块，与故障判断模块相连，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i；

故障线路节点确定模块，与傅里叶变换模块相连，统计初始行波方向m_i相反的相邻节，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

故障点精确定位模块，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

为验证本发明的有效性，进行以下仿真实验。

本发明所需的故障波形来自于配网线路分布式测量装置，装置内包含了低、高两种采样率的测量设备。每个故障定位节点安装三组测量装置，实时同步采集线路三相电流。

依照发明的故障定位方法，在10kV配电网仿真系统中，设置单相接地故障。系统结构图如图4所示，对图中6个选定节点分别标记为1号至6号节点。测量设备采用的低采样频率为20KHz，高采样频率为1MHz。故障发生时刻为0.025s，故障类型为金属性接地故障。

对于故障点精确定位的实施方式举例：

步骤S1，根据低采样率测量设备测量到的各节点的相电流数据，取工频周期P＝0.02s，时间间隔Q＝0.005s，从t＝0开始计算对应的I1与I2波形的相关度K；其中附图5示例性地示出了1号节点A相电流波形图。

步骤S2，对K与设定阈值0.99的大小进行判定。若K>0.99，判定故障不发生，返回步骤S1，并令t＝t+0.005(s)；若K>0.99，记录下故障发生时段T：(t+P)至(t+P+Q)，对高采样率测量设备T时段的波形进行录波存储。

步骤S3，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得到行波到达时刻与行波极性。其中图6示例性地示出了1号节点线模行波波形图。得出1号至6号节点初始行波的到达时刻T₁～T₆与行波极性，如表1所示。并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向，如图7中箭头所示；

表1各节点的初始行波到达时刻与行波极性

节点编号	到达时刻(s)	行波极性
			1	0.035017s	负
2	0.035051s	正
			3	0.035117	正
4	0.035032	正
			5	0.035084	正
6	0.035151	正

步骤S4，统计初始行波方向m_i与m_j相反的相邻节点i，j，并从中计算选出行波到达时刻T_i、T_j之和最小的一组，其结果为1号节点与2号节点。故将1号节点与2号节点作为故障线路L的两端节点。

步骤S5，根据式(1)，计算出故障线路L上故障点位于1号节点右侧5.005km处(架空线情况波速v取2.95*10⁸m/s)，定位误差为0.005km。

以上实验证明，本发明通过少量的计算就能够精确地定位出配网故障点的位置。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于双采样率的配网线路故障点定位方法，其特征在于，基于短时傅里叶变换并结合低采样率设备与高采样率设备对故障点进行精确定位。

2.根据权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)相关度系数计算出相关度系数K：

其中，Cov(I1，I2)为I1与I2的协方差，Var[I1]为I1的方差，Var[I2]为I2的方差；

步骤S2，根据K的数值大小，判断故障是否发生：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，返回步骤S1，并令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储；

步骤S3，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i；

步骤S4，统计初始行波方向相反的相邻节点，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

步骤S5，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

其中，v是行波速度，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度；T_M与T_N分别为故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间。

3.根据权利要求2所述的故障点定位方法，其特征在于，

步骤S3中，若行波方向为由母线流向负载，则m_i为1，否则m_i为-1。

4.根据权利要求2所述的故障点定位方法，其特征在于，

步骤S3中，通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω，τ)；

其中g(t-τ)e^-jωt为积分核函数，e^-jωt为限频函数，g(t-τ)为限时函数，G_x(ω，τ)则是反映在τ时刻频率为ω信号频率成分，x(t)是需要进行短时傅里叶变换的目标函数；

取频率成分G_x(ω，τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻，得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值，若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

5.根据权利要求1或2所述的故障点定位方法，其特征在于，

步骤S5中，行波速度v在架空线中取2.95*10⁸m/s，电缆中取1.5*10⁸m/s。

6.根据权利要求1-5任一项所述的故障点定位方法，其特征在于，所述低采样率具体指采样率小于20KHz，高采样率具体指大于等于20KHz。

7.一种基于双采样率的配网线路故障点定位装置，其特征在于，基于短时傅里叶变换并采用双采样率结合，来对配网线路故障点进行精确定位；包括：

相关度系数计算模块，根据配网各节点低采样率测量设备采集的相电流波形，依照工频周期P，取一定时间间隔Q，对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1，与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)计算出相关度系数K：

其中，Cov(I1，I2)为I1与I2的协方差，Var[I1]为I1的方差，Var[I2]为I2的方差；

故障判断模块，与相关度系数计算模块相连，根据K的数值大小，判断故障是否发生：当K大于设定阈值时，判定故障不发生，令t＝t+Q；当K小于或等于设定阈值时，判定故障发生，记录下故障发生的时段：(t+P)至(t+P+Q)，记为T，启动高采样率测量设备，对T时段的故障波形进行记录存储；

傅里叶变换模块，与故障判断模块相连，对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行短时傅里叶变换，得出i号节点初始行波的到达时刻T_i与行波极性，并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向m_i；

故障线路节点确定模块，与傅里叶变换模块相连，统计初始行波方向m_i相反的相邻节，从中计算选出行波到达时刻之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N，并将该两点的行波到达时刻记为T_M与T_N；

故障点精确定位模块，根据式(2)，计算出故障线路L上故障点的精确位置。

其中，v是行波速度，L_MF与L_NF分别为线路M端与N端到故障点的距离；L为线路MN的长度；T_M与T_N分别为故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间。

8.根据权利要求7所述的故障点定位装置，其特征在于，

傅里叶变换模块中，若行波方向为由母线流向负载，则m_i为1，否则m_i为-1。

9.根据权利要求7所述的故障点定位装置，其特征在于，

通过在配网线路的节点处放置测量装置，记录故障初始行波波形；然后在傅里叶变换模块中，以故障波形作为x(t)，故障波形开始时间点往后的各个采样点的时刻作为τ时刻，用式(3)进行计算，得到反映了故障波形在τ时刻频率为ω信号频率成分的函数G_x(ω，τ)；

其中g(t-τ)e^-jωt为积分核函数，e_-jωt为限频函数，g(t-τ)为限时函数，G_x(ω，τ)则是反映在τ时刻频率为ω信号频率成分，x(t)是需要进行短时傅里叶变换的目标函数；

取频率成分G_x(ω，τ)最大的采样点时刻作为行波到达的时刻，得出行波达到时刻后，用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值，若结果为正，则行波极性记为正；若结果为负，则行波极性记为负。

10.根据权利要求7所述的故障点定位装置，其特征在于，

行波速度v在架空线中取2.95*10⁸m/s，电缆中取1.5*10⁸m/s。

11.根据权利要求7-10任一项所述的故障点定位装置，其特征在于，所述低采样率具体指采样率小于20KHz，高采样率具体指大于等于20KHz。