CN110927521A - 一种单端行波故障定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种单端行波故障定位方法及装置，属于电力线路故障测距与定位技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤a，开始，行波装置记录扰动行波信号；步骤b，对步骤a所记录的波形首先进行相模变换，获得初始行波线模和零模分量，并获得行波波形奇异点；步骤c，计算故障初始行波线模分量波前斜率k；步骤d，根据步骤c中得到的得出的斜率k计算得到初步扰动点距离D；步骤e，根据初步故障距离和线路分量小波奇异点确认故障点；步骤f，结束。在本单端行波故障定位方法及装置中，基于扰动初始行波的波前信息与故障距离的关系，结合单端行波测距方法准确标定扰动点反射波头，实现了故障点的精确定位。

Description

一种单端行波故障定位方法及装置

技术领域

一种单端行波故障定位方法及装置，属于电力线路故障测距与定位技术领域。

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他线路，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于扰动初始行波的波前信息与故障距离的关系，结合单端行波测距方法准确标定扰动点反射波头，实现故障点精确定位的单端行波故障定位方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该单端行波故障定位方法，包括主站以及通过通讯网络与主站连接的若干变电站，每一个变电站均安装有行波记录系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，当发生线路扰动时，行波记录系统记录扰动行波信号；

步骤b，对步骤a所记录扰动行波信号的波形进行相模变换，获得初始行波线模分量和初始行波零模分量，对初始行波零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点；

步骤c，计算故障初始行波线模分量波前斜率k；

步骤d，根据步骤c中得到的斜率k计算得到初步扰动点距离D；

步骤e，根据初步故障距离D和线路分量小波奇异点确认故障点。

优选的，在进行步骤b中所述的相模变换时，采用凯伦布尔变换，其相模变换矩阵为：

优选的，在进行步骤b中所述的对零模分量进行小波变换的算法为：

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)。

优选的，在进行步骤c中，计算故障初始行波线模分量波前斜率k的方法为：在完成步骤b所述的小波变换后检测到的第一个模极大值对应的波头为扰动初始行波，对于该波头零模分量，从首点开始选取3个采样点，对选中的3个采样点使用最小二乘法进行线性拟合得出其斜率k。

优选的，所述首点的选取方法为：通过小波变换得到模极大值I，首点为i≥I·10％的第一个点。

优选的，所述最小二乘法的公式为：

其中：x，y为目标函数变量，k为斜率，b为常数；x_i为波头零模分量采样点时间，y_i为波头零模分量采样点幅值。

优选的，在所述步骤d中，初步扰动点距离D的计算公式为：

其中：D为扰动点距离；k为最小二乘法拟合所得的斜率。

优选的，在所述步骤e中，确认故障点的方法为：根据步骤d计算得到的初步扰动点距离D以及步骤b中获得的线路分量小波奇异点，选取以D为中心±D·10％内的行波波头，利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离；

若存在超过一个波头的情况，则取min(|D-d|)，d为行波波头对应的扰动点距离，然后利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离。

一种单端行波故障定位装置，包括在发生线路扰动后用于记录扰动行波信号的行波记录系统，其特征在于：还包括：

相模变换单元，其输入端连接所述行波记录系统的输出端，将行波记录系统记录的扰动行波信号的波形进行相模变换，获得初始行波线模和初始行波零模分量，并对初始行波零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点；

斜率计算单元，其输入端连接相模变换单元的输出端，计算得到相模变换单元输出的初始行波线模分量的波前斜率k；

初步扰动点计算单元，其输入端连接斜率计算单元的输出端，根据斜率计算单元输出的斜率k计算得到初步扰动点距离D；

故障点确认单元，其输入端连接初步扰动点计算单元和相模变换单元的输出端，根据初步扰动点计算单元输出的初步扰动点距离D和相模变换单元输出端行波波形奇异点确认故障点的位置。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本单端行波故障定位方法中，基于扰动初始行波的波前信息与故障距离的关系，结合单端行波测距方法准确标定扰动点反射波头，实现了故障点的精确定位。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。

2、在本单端行波故障定位方法中，仅用行波信号就能准确的识别出故障点，不需要其他信号的接入，同时本方法能同时进行线路故障测距，也可以进行未导致线路故障的扰动点定位，适用范围宽。

3、故障点产生的行波是一种非平稳变化的高频信号，而具有良好的时频局部化能力的小波变换被引入来分析行波信号。对记录的行波波形数据，使用小波变换模极大值的求取，可精确标记扰动初始行波的到达时刻以及可能的扰动点。由于扰动线路同母线其他线路的影响，小波变换模极大值的求取不能唯一的确定扰动点反射波头，但可以给出信号奇异点列表。一般情况下，扰动点反射波头的位置就位于列表中的某个点。单端法行波测距是利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离，故障点反射波的识别是单端法的主要问题。

4、本方法具有自具性，只使用行波信息，不依赖工频信息，所以既可以对导致保护跳闸的故障进行测距，也可以对电网较小的扰动进行定位，具有较好的适应性。

附图说明

图1为行波测距系统连接示意图。

图2为单端行波故障定位方法流程图。

具体实施方式

图1～2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种单端行波故障定位方法，包括如图1所示的行波测距系统，行波测距系统包括主站以及若干变电站：变电站A、变电站B、……变电站N，所有变电站均通过通讯网络与主站相连，每一个变电站均配备有行波记录系统。与现有技术相同，行波记录系统一般采用计算机实现，并在计算机上运行行波记录软件通过行波记录系统可以接收变电站内行波信号检测装置记录的扰动记录。

如图2所示，单端行波故障定位方法，还包括如下步骤：

步骤1001，开始；

开始执行单端行波故障定位方法。

步骤1002，获得行波波形奇异点；

当发生线路扰动时，行波装置记录扰动行波信号。对于该波形首先进行相模变换，获得初始行波线模和零模分量，相模变换采用凯伦布尔变换，其相模变换矩阵为：

对零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点，小波变换由如下所示的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)。

该奇异点包括扰动初始时刻、扰动点反射波到达时刻及线路上阻抗不匹配点反射波到达时刻。

步骤1003，计算故障初始行波线模分量波前斜率；

小波变换后检测到的第一个模极大值对应的波头为扰动初始行波。对于该波头零模分量，从首点开始选取3个采样点。

首点的选取方法：通过小波变换得到模极大值I，首点为i≥I·10％的第一个点。对选中的3个采样点使用最小二乘法进行线性拟合得出其斜率k。

最小二乘法由如下公式实现：

其中：x，y为目标函数变量，k为斜率，b为常数；x_i为波头零模分量采样点时间，y_i为波头零模分量采样点幅值。

步骤1004，计算初步扰动点故障距离；

将步骤1003中计算得到的得出的斜率k代入到如下公式(4)中计算得到初步扰动点距离D：

其中：D为扰动点距离；k为最小二乘法拟合所得的斜率。

步骤1005，根据初步扰动点故障距离和线路分量小波奇异点确认故障点；

根据步骤1004计算得到的初步扰动点距离D以及步骤1002中获得的线路分量小波奇异点，选取以D为中心±D·10％内的行波波头，利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离，若存在超过一个波头的情况，则取min(|D-d|)，d为行波波头对应的扰动点距离，然后利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离。在实际配电线路中，扰动点不一定会引起线路故障，而在本申请所公开的单端行波故障定位方法中，通过对初步扰动点故障距离进一步得出故障点的位置，因此本申请所公开的单端行波故障定位方法不仅可以最终确认故障点的位置，并在缺故障点位置时同时对扰动点的位置进行了定位。

步骤1006，结束。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例中提供一种实现图2所示单端行波故障定位方法流程的单端行波故障定位系统。

单端行波故障定位系统包括相模变换单元、斜率计算单元、初步扰动点计算单元以及故障点确认单元，行波记录系统的输出端连接相模变换单元的输入端，相模变换单元的输出端连接斜率计算单元的输入端，斜率计算单元的输出端连接初步扰动点计算单元的输入端，初步扰动点计算单元的输出端连接故障点确认单元的输入端，相模变换单元的输出端同时与故障点确认单元的输入端相连。

相模变换单元在接收到行波记录系统输出的扰动行波信号的波形之后对其进行相模变换，获得初始行波线模和初始行波零模分量，并对初始行波零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点；斜率计算单元根据相模变换单元计算得到相模变换单元输出的初始行波线模分量，计算得到初始行波线模分量波前斜率k。初步扰动点计算单元根据斜率计算单元输出的斜率k计算得到初步扰动点距离D；故障点确认单元最后根据初步扰动点计算单元输出的初步扰动点距离D和相模变换单元输出端行波波形奇异点确认故障点的位置。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单端行波故障定位方法，包括主站以及通过通讯网络与主站连接的若干变电站，每一个变电站均安装有行波记录系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，当发生线路扰动时，行波记录系统记录扰动行波信号；

步骤b，对步骤a所记录扰动行波信号的波形进行相模变换，获得初始行波线模分量和初始行波零模分量，对初始行波零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点；

步骤c，计算故障初始行波线模分量波前斜率k；

步骤d，根据步骤c中得到的斜率k计算得到初步扰动点距离D；

步骤e，根据初步故障距离D和线路分量小波奇异点确认故障点。

2.根据权利要求1所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：在进行步骤b中所述的相模变换时，采用凯伦布尔变换，其相模变换矩阵为：

3.根据权利要求1所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：在进行步骤b中所述的对零模分量进行小波变换的算法为：

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.根据权利要求1所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：在进行步骤c中，计算故障初始行波线模分量波前斜率k的方法为：在完成步骤b所述的小波变换后检测到的第一个模极大值对应的波头为扰动初始行波，对于该波头零模分量，从首点开始选取3个采样点，对选中的3个采样点使用最小二乘法进行线性拟合得出其斜率k。

5.根据权利要求4所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：所述首点的选取方法为：通过小波变换得到模极大值I，首点为i≥I·10％的第一个点。

6.根据权利要求4所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：所述最小二乘法的公式为：

其中：x，y为目标函数变量，k为斜率，b为常数；x_i为波头零模分量采样点时间，y_i为波头零模分量采样点幅值。

7.根据权利要求1所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：在所述步骤d中，初步扰动点距离D的计算公式为：

其中：D为扰动点距离；k为最小二乘法拟合所得的斜率。

8.根据权利要求1所述的单端行波故障定位方法，其特征在于：在所述步骤e中，确认故障点的方法为：根据步骤d计算得到的初步扰动点距离D以及步骤b中获得的线路分量小波奇异点，选取以D为中心±D·10％内的行波波头，利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离；

若存在超过一个波头的情况，则取min(|D-d|)，d为行波波头对应的扰动点距离，然后利用故障初始行波和故障点反射波的时间差，乘以行波传播速度，得出故障距离。

9.一种用于实现权利要求1～8任一项所述单端行波故障定位方法的单端行波故障定位装置，包括在发生线路扰动后用于记录扰动行波信号的行波记录系统，其特征在于：还包括：

相模变换单元，其输入端连接所述行波记录系统的输出端，将行波记录系统记录的扰动行波信号的波形进行相模变换，获得初始行波线模和初始行波零模分量，并对初始行波零模分量进行小波变换分解，获得行波波形奇异点；

斜率计算单元，其输入端连接相模变换单元的输出端，计算得到相模变换单元输出的初始行波线模分量的波前斜率k；

初步扰动点计算单元，其输入端连接斜率计算单元的输出端，根据斜率计算单元输出的斜率k计算得到初步扰动点距离D；

故障点确认单元，其输入端连接初步扰动点计算单元和相模变换单元的输出端，根据初步扰动点计算单元输出的初步扰动点距离D和相模变换单元输出端行波波形奇异点确认故障点的位置。

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