CN110927530A - 一种直流输电线路故障在线定位终端、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流输电线路故障在线定位终端、方法和系统，终端包括开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置，开口式磁环和高频脉冲发生器均接入直流输电耦合电容器中性点处，非接触式传感器和转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上。本发明不仅大大提高了故障定位的可靠性，且精度受直流输电线路长度和故障过度电阻影响均较小，提高了定位精度。本发明通过多个分布式故障在线定位终端对直流输电线路进行了分段，间接缩短了直流输电线路长；本发明对故障类型进行了辨识，并基于不同故障类型选择相应的故障在线定位，精度高，且实现了高阻故障的在线定位。

Description

一种直流输电线路故障在线定位终端、方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统自动化技术领域，具体涉及一种直流输电线路故障在线定位终端、方法和系统。

背景技术

近年来，高压直流输电在我国获得快速发展，直流输电线路故障定位对于直流输电线路故障后的快速排除、恢复供电、以及电网的安全稳定具有重要意义。输电线路故障定位从原理上可分为：主动定位法和被动定位法。被动定位法利用故障产生的稳态或暂态分量完成故障定位，被动定位方法由于无需一次设备配合，可在故障后自动完成定位分析，是实际工程中主要采用的定位方法。主动定位法是在故障后通过向线路注入特定信号方式完成故障定位，主动定位法需要人工操作以及一次设备的配合，使用上不如被动定位法方便。目前一般基于暂态行波原理的双端行波法(即被动定位法)实现直流输电线路故障定位，在精度上满足了平均误差在1km左右的要求，但具有如下缺点：

(1)可靠性低：由于行波法要求采样率在500kHz以上，难以利用直流互感器采集的数据；现有的直流输电线路故障定位利用换流站内的耦合电容器间接采集暂态电压信号，采样原理如图1所示。耦合电容器间接采集暂态电压信号的方式受线路长度及故障点位置影响大，定值设置也缺少统一规范，极大地影响了故障定位可靠性。

(2)精度及可靠性受故障过渡电阻影响较大：直流线路故障瞬间变化率与故障过渡电阻直接相关，接地/短路瞬间过渡电阻较大时，暂态量幅值较低，会显著降低线路电压变化率，双端行波法在高阻故障下的精度及可靠性明显降低。

(3)精度受直流输电线路长度影响较大：直流输电线路普遍较长，对于双端行波法而言，长距离线路使得波速误差影响相对扩大。假定故障点靠近线路一侧时，设定波速与实际波速误差1％时，会导致约线路全长0.5％的测量误差。

发明内容

为了克服上述现有技术中可靠性低且精度受直流输电线路长度和故障过度电阻影响均较大的不足，本发明提供一种直流输电线路故障在线定位终端，终端包括开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置；开口式磁环，接入直流输电耦合电容器中性点处，用于构建行波边界；高频脉冲发生器接入直流输电耦合电容器中性点处，用于基于行波边界将产生的高频脉冲信号注入直流输电线路；非接触式传感器安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于采集直流输电线路的模拟电压信号；转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送数字电压信号，不仅大大提高了故障定位的可靠性，且精度受直流输电线路长度和故障过度电阻影响均较小，提高了定位精度。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种直流输电线路故障在线定位终端，包括：开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置；

开口式磁环接入直流输电耦合电容器中性点处，用于构建行波边界；

高频脉冲发生器接入直流输电耦合电容器中性点处，用于基于行波边界将产生的高频脉冲信号注入直流输电线路；

非接触式传感器安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于采集直流输电线路的模拟电压信号；

转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送数字电压信号。

所述非接触式传感器包括感应电极、屏蔽电极、测量电容和防护罩；

所述防护罩位于屏蔽电极上部，所述感应电极位于屏蔽电极内部，所述屏蔽电极接地，所述测量电容一端连接感应电极，另一端连接屏蔽电极，且所述测量电容与终端并联。

所述感应电极的面积大于等于0.25m²，所述感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。

所述开口式磁环内径大于接地线缆的外径，其长度不超过0.2m；

所述开口式磁环的电感不小于0.1H。

所述开口式磁环为铁氧体与非晶磁材结合的双磁环。

所述高频脉冲发生器采用冲击电压发生器；

所述冲击电压发生器输出电压等级大于20kV，其注入脉冲信号上升沿不小于1us。

所述非接触式传感器与直流输电线路保持预先设定的安全距离。

另一方面，本发明还提供一种直流输电线路故障在线定位方法，包括：

基于故障在线定位终端采集的数字电压信号，确定故障在线定位终端的故障特征；

基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

所述故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

所述确定故障在线定位终端的故障特征，包括：

基于故障在线定位采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列，并基于模极大值序列确定故障初始时刻；

在固定时间窗内，基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的负极性反射波头为故障点反射波时刻，并基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的正极性反射波头作为线路对端反射波时刻；

确定故障点反射波时刻对应的故障点反射波幅值和线路对端反射波时刻对应的线路对端反射波幅值。

所述常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

所述高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型，包括：

将故障点反射波幅值大于线路对端反射波幅值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障。

所述故障位置按下式确定：

式中，D为故障点与测量点之间的距离，t₁为故障点反射波时刻，t₂为线路对端反射波时刻，v为行波传播波速。

再一方面，本发明提供一种直流输电线路故障在线定位系统，包括：

数据接收模块，用于接收故障在线定位终端发送的数字电压信号；

第一确定模块，用于基于所述数字电压信号，确定故障在线定位终端的故障特征；

第二确定模块，用于基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

定位模块，用于基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

所述故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的直流输电线路故障在线定位终端包括开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置；开口式磁环接入直流输电耦合电容器中性点处，用于构建行波边界；高频脉冲发生器接入直流输电耦合电容器中性点处，用于基于行波边界将产生的高频脉冲信号注入直流输电线路；非接触式传感器安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于采集直流输电线路的模拟电压信号；转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送数字电压信号，不仅大大提高了故障定位的可靠性，且精度受直流输电线路长度和故障过度电阻影响均较小，提高了定位精度；

本发明基于多个分布的故障在线定位终端采集的暂态电压，相邻故障在线定位终端之间直流输电线路相对较短，减少了暂态电压因长距离传输衰减对故障在线定位终端启动可靠性的影响；

本发明中相邻故障在线定位终端之间的直流输电线路长度较短，降低了波速误差影响，提高直流输电线路故障在线定位的精度；

本发明在某个故障在线定位终端异常情况下，也能正常完成故障在线定位，具有较高的可靠性；

本发明通过多个分布式故障在线定位终端对直流输电线路进行了分段，间接缩短了直流输电线路长；

本发明对故障类型进行了辨识，并基于不同故障类型选择相应的故障在线定位，精度高，且实现了高阻故障的在线定位；

本发明提供的技术方案在耦合电容器低压侧完成，由于耦合电容器具有“隔直通交”特性，保证故障定位系统工作不受运行情况限制。

附图说明

图1是现有技术中直流输电线路故障在线定位终端采样原理示意图；

图2是本发明实施例中直流输电线路故障在线定位终端结构示意图；

图3是本发明实施例中开口式磁环结构图；

图4是本发明实施例中非接触传感器结构图。

图5是本发明实施例中直流输电线路故障在线定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种直流输电线路故障在线定位终端，如图2所示，具体包括开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置；

开口式磁环接入直流输电耦合电容器中性点处，用于构建行波边界，阻止高频脉冲发生器产生的高频脉冲信号注入大地；

高频脉冲发生器接入直流输电耦合电容器中性点处，用于基于行波边界将产生的高频脉冲信号注入直流输电线路；

非接触式传感器安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于采集直流输电线路的模拟电压信号；

转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送数字电压信号。

高频脉冲发生器与耦合电容器中性点连接，高频脉冲发生器产生的高频脉冲信号注入直流输电线路，并沿直流输电线路传输到故障点，在故障点发生反射，反射波会返回信号注入端；若故障点电阻较高，则高频脉冲信号还可传输到直流输电线路对端，在直流输电线路对端产生反射波。

开口式磁环与耦合电容器中性点连接，在不影响整体接地情况下增大中性点电感。对于主动注入的脉冲信号而言，信号频率较高，阻抗较大，使得中性点趋近于开路，这就构成了行波边界。

当信号采集点仍然位于耦合电容器中性点位置时，由于反射波信号在外接磁环和耦合电容器间来回折反射波会平滑反射波头，难以完成故障定位。于是，本发明实施例1将非接触式传感器和转换装置均安装在换流站出口处第一级杆塔上，对于从故障点/直流输电线路对端返回的反射波，直流输电线路末端阻抗不连续点为耦合电容器，不存在信号来回折反射问题，反射波信号幅值较强便于识别。如图4所示，非接触式传感器包括感应电极、屏蔽电极、测量电容和防护罩；

防护罩位于屏蔽电极上部，感应电极位于屏蔽电极内部，屏蔽电极接地，测量电容一端连接感应电极，另一端连接屏蔽电极，且测量电容与终端并联。

感应电极的面积大于等于0.25m²，感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。

开口式磁环结构如图3所示，开口式磁环内径大于接地线缆的外径，其长度不超过0.2m；

本发明实施例1中耦合电容器的容值基本为2.8nF，为避免形成低频谐振，开口式磁环的电感不小于0.1H。

考虑到注入脉冲信号为宽频信号，开口式磁环为铁氧体与非晶磁材结合的双磁环，提高了磁环抑制效果。

高频脉冲发生器采用冲击电压发生器；

冲击电压发生器输出电压等级大于20kV，其注入脉冲信号上升沿不小于1us。

非接触式传感器与直流输电线路保持预先设定的安全距离。

实施例2

本发明实施例2提供了一种直流输电线路故障在线定位方法，如图5所示，具体过程如下：

S101：基于故障在线定位终端采集的数字电压信号，确定故障在线定位终端的故障特征；

S102：基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

S103：基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

确定故障在线定位终端的故障特征，包括：

基于故障在线定位采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列，并基于模极大值序列确定故障初始时刻；

在固定时间窗内，基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的负极性反射波头为故障点反射波时刻，并基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的正极性反射波头作为线路对端反射波时刻；

确定故障点反射波时刻对应的故障点反射波幅值和线路对端反射波时刻对应的线路对端反射波幅值。

常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型，包括：

将故障点反射波幅值大于线路对端反射波幅值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障。

故障位置按下式确定：

式中，D为故障点与测量点之间的距离，t₁为故障点反射波时刻，t₂为线路对端反射波时刻，v为行波传播波速。

实施例3

本发明实施例3提供一种直流输电线路故障在线定位系统，包括：

数据接收模块，用于接收故障在线定位终端发送的数字电压信号；

第一确定模块，用于基于数字电压信号确定故障在线定位终端的故障特征；

第二确定模块，用于基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

定位模块，用于基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

第一确定模块具体用于：

基于故障在线定位采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列，并基于模极大值序列确定故障初始时刻；

在固定时间窗内，基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的负极性反射波头为故障点反射波时刻，并基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的正极性反射波头作为线路对端反射波时刻；

确定故障点反射波时刻对应的故障点反射波幅值和线路对端反射波时刻对应的线路对端反射波幅值。

常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

第二确定模块具体用于：

将故障点反射波幅值大于线路对端反射波幅值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障。

定位模块故障位置按下式确定：

式中，D为故障点与测量点之间的距离，t₁为故障点反射波时刻，t₂为线路对端反射波时刻，v为行波传播波速。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，包括：开口式磁环、高频脉冲发生器、非接触式传感器和转换装置；

所述开口式磁环接入直流输电耦合电容器中性点处，用于构建行波边界；

所述高频脉冲发生器接入直流输电耦合电容器中性点处，用于基于行波边界将产生的高频脉冲信号注入直流输电线路；

所述非接触式传感器安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于采集直流输电线路的模拟电压信号；

所述转换装置安装在换流站出口处第一级杆塔上，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送数字电压信号。

2.根据权利要求1所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述非接触式传感器包括感应电极、屏蔽电极、测量电容和防护罩；

所述防护罩位于屏蔽电极上部，所述感应电极位于屏蔽电极内部，所述屏蔽电极接地，所述测量电容一端连接感应电极，另一端连接屏蔽电极，且所述测量电容与终端并联。

3.根据权利要求2所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述感应电极的面积大于等于0.25m²，所述感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。

4.根据权利要求1所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述开口式磁环内径大于接地线缆的外径，其长度不超过0.2m；

所述开口式磁环的电感不小于0.1H。

5.根据权利要求1所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述开口式磁环为铁氧体与非晶磁材结合的双磁环。

6.根据权利要求1所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述高频脉冲发生器采用冲击电压发生器；

所述冲击电压发生器输出电压等级大于20kV，其注入脉冲信号上升沿不小于1us。

7.根据权利要求1所述的直流输电线路故障在线定位终端，其特征在于，所述非接触式传感器与直流输电线路保持预先设定的安全距离。

8.一种直流输电线路故障在线定位方法，其特征在于，包括：

基于权利要求1-7任一所述的故障在线定位终端采集的数字电压信号，确定故障在线定位终端的故障特征；

基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

所述故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

9.根据权利要求8所述的直流输电线路故障在线定位方法，其特征在于，所述确定故障在线定位终端的故障特征，包括：

基于故障在线定位采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列，并基于模极大值序列确定故障初始时刻；

在固定时间窗内，基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的负极性反射波头为故障点反射波时刻，并基于故障初始时刻选取反射波幅值最大的正极性反射波头作为线路对端反射波时刻；

确定故障点反射波时刻对应的故障点反射波幅值和线路对端反射波时刻对应的线路对端反射波幅值。

10.根据权利要求9所述的直流输电线路故障在线定位方法，其特征在于，所述常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

所述高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

11.根据权利要求8所述的直流输电线路故障在线定位方法，其特征在于，所述基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型，包括：

将故障点反射波幅值大于线路对端反射波幅值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障。

12.根据权利要求8所述的直流输电线路故障在线定位方法，其特征在于，所述故障位置按下式确定：

式中，D为故障点与测量点之间的距离，t₁为故障点反射波时刻，t₂为线路对端反射波时刻，v为行波传播波速。

13.一种直流输电线路故障在线定位系统，其特征在于，包括：

数据接收模块，用于接收如权1-7任一项所述的故障在线定位终端发送的数字电压信号；

第一确定模块，用于基于所述数字电压信号，确定故障在线定位终端的故障特征；

第二确定模块，用于基于故障点反射波幅值与线路对端反射波幅值确定故障类型；

定位模块，用于基于故障类型以及故障点与测量点之间的距离、故障点反射波时刻、线路对端反射波时刻和行波传播波速确定故障位置；

所述故障特征包括故障点反射波时刻、故障点反射波幅值、线路对端反射波时刻和线路对端反射波幅值。

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