CN111766470A - 高压直流输电线路的故障定位方法、系统及直流输电线路 - Google Patents

高压直流输电线路的故障定位方法、系统及直流输电线路 Download PDF

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CN111766470A CN202010589249.6A CN202010589249A CN111766470A CN 111766470 A CN111766470 A CN 111766470A CN 202010589249 A CN202010589249 A CN 202010589249A CN 111766470 A CN111766470 A CN 111766470A
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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路的故障定位方法及系统，利用输电线路沿线各测量点所测电气量获得波头的极性及到达时刻，构建故障区段定位判据、建立故障精确定位方程，根据波头极性实现故障区段判别、通过定位方程求解实现故障位置准确获取。所提出分布式定位方案，利用输电线路沿线多点测量电气量建立故障定位方程，定位原理简单、可靠、精确度高，不存在定位死区，且消除了定位精度对线路参数的依赖。

Description

高压直流输电线路的故障定位方法、系统及直流输电线路
技术领域
本发明属于高压输电线路故障定位技术领域，尤其涉及一种高压直流输电线路的故障定位方法、 系统及直流输电线路。
背景技术
与传统的交流输电相比，直流输电具备线路走廊窄，损耗小，输送容量不受系统运行限制，跨区 域非同步联网等经济性和技术性优势。自20世纪50年代首个直流输电工程投运以来，其应用浪潮在 电力系统中逐步展开，输电等级和输送容量得到不断提升。
作为电力系统的命脉，直流输电线路是电力系统中最容易发生故障的部分，若其发生故障，将造 成线路传输功率下降，换流站设备损坏，系统停运等一系列严重后果，直流电缆行波衰减严重，波速 度不易确定，直流架空线路分布参数特征明显，故障概率较高，结合线路故障危害，制定完善精准的 直流输电线路故障定位方案显得尤为重要。
目前直流输电线路故障定位主要采用单端法、双端法。郗传鑫等人分析故障行波波头各频率分量 的到达时刻，提出一种基于S变换的直流电缆线路故障定位方法，但该方法定位精度易受行波波速影 响，导致定位精度不稳定。王永进等人研究分析了行波波速与线路参数频变特性、行波波头的衰减特 性，提出一种考虑强非线性系统的特高压直流输电直流线路故障定位方法，但该方法定位精度同样易 受行波波速影响。段建东等人在研究直流线路故障行波速度与行波到达时刻的特定瞬时频率关系的基 础上，提出一种基于行波瞬时频率的高压直流输电线路双端故障定位方法，但该方法存在故障定位死 区。随着通信技术和信息同步技术的发展，多端测距技术同样具备良好的工程应用前景，段宽等人通 过在线路中点增加一套以Rogowski线圈为核心的行波检测单元，提出一种基于多端量测、考虑波速 及弧垂效应的特高压直流线路测距方法，但当故障发生在长距离直流输电线路首末端时，仍可能无法 检测故障、实现定位，存在故障定位死区的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压直流输电线路的故障定位方法及系统，以解决采用波 速度作为故障定位方程的自变量而导致影响故障定位精度，以及存在故障定位死区的问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种高压直流输电线路的故障定位方法， 包括：
步骤1：获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，所述电气量测量值为电流测量值或 电流测量值与电压测量值；
步骤2：计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻；
或根据每个所述测量点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量 点的电压反行波初始波头到各自测量点的初始时刻；
步骤3：标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，并根据各测 量点的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定故障点位于 哪两个测量点之间；
步骤4：以故障点所对应的两个测量点以及所述两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自 变量构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点的精度位置。
本发明所述故障定位方法以各测量点的电气量(电流测量值或电压测量值和电流测量值)为原始 数据，根据电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据而确定故障点 位于哪两个测量点之间，同时采用算法求解电流测量值初始波头或电压反行波初始波头到达各自测量 点的初始时刻，再以该两个测量点以及两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自变量构建故障 点的定位方程，由定位方程计算出故障点发生的精确位置，实现了直流输电线路故障的精度定位，以 电气量作为原始数据来进行故障的定位，消除了直流输电线路行波波速度对故障定位精度的影响，有 效地解决了采用波速度作为故障定位方程的自变量而导致影响故障定位精度的问题。
进一步地，所述步骤1中，在直流输电线路沿线以及直流输电线路的首端和末端分别安装有电气 量测量装置，以每个电气量测量装置的安装位置作为一个测量点。
采用分布式布置方式设置电气量测量装置，以检测到的电气量作为原始数据，避免了引入直流输 电线路波速度作为故障点定位方程的自变量。同时，这种分布式设置方式大大缩短了故障点与测量点 之间的距离，有效消除了故障定位死区，且在直流输电线路的首末端均有测量点，进一步消除了故障 定位死区。
优选的，在所述直流输电线路沿线上的多个电气量测量装置为不等间距分布。
进一步地，每个所述电气量测量装置内设有5G通信模块，各电气量测量装置之间采用5G通信 技术来进行通信。
采用5G通信通道来代替高频通道、微波通道以及光纤等传统保护通信信道，降低了对这些传统 保护通信信道的依赖，有效地降低了通信传输延迟(传输延迟低至1ms)，进一步地提高了故障定位 精度，提高了故障定位速度。
进一步地，所述步骤2中，各测量点的电压反行波的计算表达式为：
Figure BDA0002555768910000031
式中，
Figure BDA0002555768910000032
为第k个测量点的电压反行波，uk(t)为第k个测量点的电压测量值，ik(t)为第k个 测量点的电流测量值，k＝0,1,2,3,…,D,D+1，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，当k为0时， 测量点M0为直流输电线路首端的测量点，当k为D+1时，测量点MD+1为直流输电线路末端的测量 点，ZC为直流输电线路的波阻抗，
Figure BDA0002555768910000033
Lm、Cm分别为直流输电线路单位长度的电感、 电容。
进一步地，所述步骤2中，采用小波变换算法、希尔伯特黄变换算法或S变换算法计算各测量点 的电流测量值初始波头到达各自测量点的初始时刻，或电压反行波初始波头到达各自测量点的初始时 刻。
进一步地，所述步骤3中，采用小波变换法计算各测量点电流测量值的模极大值或电压反行波的 模极大值，根据所述模极大值标定电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，故障点 位于测量点Mk(0≤k≤D)和测量点Mk+1之间的定位判据为：
Figure BDA0002555768910000034
或sign(B(ik(t)))×sign(B(ik+1(t)))<0
式中，
Figure BDA0002555768910000035
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure BDA0002555768910000036
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性； B(ik(t))、B(ik+1(t))分别表示第k个、第k+1个测量点处电流测量值的模极大值，sign(B(ik(t)))、sign(B(ik+1(t)))分别表示第k个、第k+1个测量点处电流测量值初始波头的极性。
优选的，当无法获取测量点Mk的电气量测量值时，故障点位于测量点Mk-1(1≤k≤D)和测量点 Mk+1之间的定位判据为：
Figure BDA0002555768910000037
或sign(B(ik-1(t)))×sign(B(ik+1(t)))<0
式中，
Figure BDA0002555768910000038
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure BDA0002555768910000039
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性； B(ik-1(t))、B(ik+1(t))分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电流测量值的模极大值，sign(B(ik-1(t)))、sign(B(ik+1(t)))分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电流测量值初始波头的极性。
进一步地，所述步骤4中，位于测量点Mk和测量点Mk+1(k＝1、...、D-1)之间的故障点的定位方 程为：
Figure BDA0002555768910000041
Figure BDA0002555768910000042
Figure BDA0002555768910000043
式中，
Figure BDA0002555768910000044
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，D为直流输电线路沿线的 测量点的数量，k为测量点Mk的序号，Ψ为测量点的序号，tk-1、tk、tk+1、tk+2分别为测量点Mk-1、 Mk、Mk+1、Mk+2所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，Lk-1|k为 测量点Mk-1与测量点Mk之间的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离，即故障 点在直流输电线路上的精确位置。
优选的，当故障点位于直流输电线路首端测量点M0与直流输电线路沿线第一个测量点M1之间 时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000045
式中，t0、t1、t2分别为测量点M0、M1、M2所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的 精确距离；
当故障点位于直流输电线路沿线最后一个测量点MD与直流输电线路末端测量点MD+1之间时， 故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000051
式中，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，tD-1、tD、tD+1分别为测量点MD-1、MD、MD+1所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，LD|D+1为测量点MD与测量点 MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度。
进一步地，所述步骤4中，当无法获取测量点Mk所对应的初始时刻，且故障点位于测量点Mk-1与测量点Mk+1(k＝2、...、D-1)之间时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000052
Figure BDA0002555768910000053
Figure BDA0002555768910000054
式中，
Figure BDA0002555768910000055
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，D为直流输电线路沿线的 测量点的数量，k为测量点Mk的序号，k＝2,3,…,D-1，tk-2、tk-1、tk+1、tk+2分别为测量点Mk-2、 Mk-1、Mk+1、Mk+2所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，Lk-1|k为 测量点Mk-1与测量点Mk之间的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之间的线路长度，Lk-2|k-1为测量点Mk-2与测量点Mk-1之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离。
优选的，当无法获取直流输电线路沿线第一个测量点M1所对应的初始时刻，且故障点位于直流 输电线路首端测量点M0与测量点M2之间时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000056
式中，t0、t2、t3分别为测量点M0、M2、M3所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度，L2|3为测量点M2与测量点M3之间的 线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离；
当无法获取直流输电线路沿线最后一个测量点MD所对应的初始时刻，且故障点位于测量点 MD-1与直流输电线路末端测量点MD+1之间时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000061
式中，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，tD-2、tD-1、tD+1分别为测量点MD-2、MD-1、MD+1所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，LD|D+1为测量点MD与测量点 MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度，LD-2|D-1为测量点MD-2与 测量点MD-1之间的线路长度。
本发明还提供一种高压直流输电线路的故障定位系统，包括：
电气量获取单元，用于获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，所述电气量测量值为 电流测量值或电流测量值与电压测量值；
初始时刻计算单元，用于计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻； 或根据每个所述测量点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量点的 电压反行波初始波头到各自测量点的初始时刻；
故障点确定单元，用于标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性， 并根据各测量点的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定 故障点位于哪两个测量点之间；
故障点精确定位单元，用于以所述故障点确定单元所确定的两个测量点以及该两个测量点的相邻 测量点所对应的初始时刻为自变量构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点 的精度位置。
本发明还提供一种直流输电线路，包括上述故障定位系统。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种高压直流输电线路的故障定位方法及系统，基于各测量点所 测电气量，根据电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据而确定故 障点位于哪两个测量点之间，同时采用算法求解电流测量值初始波头或电压反行波初始波头到达各自 测量点的初始时刻，再以该两个测量点以及两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自变量构建 故障点的定位方程，由定位方程计算出故障点发生的精确位置，实现了直流输电线路故障的精度定位， 以电气量作为原始数据来进行故障的定位，消除了直流输电线路波速度对故障定位精度的影响，有效 地解决了采用波速度作为故障定位方程的自变量而导致影响故障定位精度的问题。同时，测量装置采 用分布式设置方式，大大缩短了故障点与测量点之间的距离，有效消除了故障定位死区，且在直流输 电线路的首末端均有测量点，进一步消除了故障定位死区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中高压直流输电系统的示意图；
图2是本发明实施例中故障区段定位判据的原理分析图；
图3是本发明实施例中故障定位的原理图，图3(a)为故障点位于输电线路测量点M2与测量 点M3之间，图3(b)为故障点位于输电线路测量点M0与测量点M1之间，图3(c)为故障点位于 输电线路测量点M4与测量点M5之间；
其中，1-整流站，2-逆变站，3-直流输电线路，4-电气量测量装置。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技 术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明所提供的一种高压直流输电线路的故障定位方法，包括：
1、获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，电气量测量值为电流测量值或电流测量 值与电压测量值。
如图1所示，高压直流输电系统包括整流站1、逆变站2以及连接整流站1与逆变站2的直流输 电线路3，在直流输电线路沿线以及直流输电线路3的首端和末端分别安装电气量测量装置4，以每 个电气量测量装置4的安装位置作为一个测量点，通过电气量测量装置4分别获取每个测量点的电压 测量值和电流测量值或电流测量值。直流输电线路3上的测量点包括直流输电线路沿线的测量点以及 直流输电线路首端和末端的测量点，直流输电线路3为直流架空线或直流电缆。如图1所示，直流输 电线路首端测量点的电压测量值为u0(t)，电流测量值为i0(t)，直流输电线路末端测量点的电压测量 值为u5(t)，电流测量值为i5(t)，直流输电线路沿线测量点的电压测量值分别为u1(t)、u2(t)、u3(t)、 u4(t)，电流测量值分别为i1(t)、i2(t)、i3(t)、i4(t)，即直流输电线路沿线的测量点数量D等于4。
每个电气量测量装置内设有5G通信模块，各电气量测量装置之间采用5G通信技术来进行通信。 采用5G通信通道来代替高频通道、微波通道以及光纤等传统保护通信信道，降低了对这些传统保护 通信信道的依赖，有效地降低了通信传输延迟(传输延迟低至1ms)，进一步地提高了故障定位精度， 提高了故障定位速度。
2、计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻；或根据每个所述测量 点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量点的电压反行波初始波头 到各自测量点的初始时刻。
当发生故障时，故障点处故障分量叠加于正常负荷分量上，进而形成由故障点向整流站1、逆变 站2传播的电压反行波和由整流站1、逆变站2反射后向故障点传播的电压前行波。电压反行波最先 达到距离故障点最近的两个测量点，即电压反行波初始波头到达距离故障点最近的两个测量点的时刻 最短(该时刻即为初始时刻)。每个测量点的电压反行波的计算表达式为
Figure BDA0002555768910000081
式(1)中，
Figure BDA0002555768910000082
为第k个测量点的电压反行波，uk(t)为第k个测量点的电压测量值，ik(t)为 第k个测量点的电流测量值，k＝0,1,2,3,…,D,D+1，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，当k 为0时，测量点M0为直流输电线路首端的测量点，当k为D+1时，测量点MD+1为直流输电线路末 端的测量点，ZC为直流输电线路的波阻抗，
Figure BDA0002555768910000083
Lm、Cm分别为直流输电线路单位长 度电感、电容。
在获取测量点的电流测量值或求得测量点的电压反行波后，电气量测量装置内部的初始时刻计算 单元可完成初始时刻的计算。电流测量值初始波头或电压反行波初始波头到达各测量点的初始时刻的 计算为现有技术，可采用小波变换算法，具体计算步骤参考褚旭等提出的Coupling characteristic analysis and a fault Pole detectionScheme for single circuit and double-circuit HVDC transmission lines[J].Electric Power Systems Research,181(2020)106179.；还可以采用希尔伯特-黄变换算法，具体步骤参 考胡广书编著的现代信号处理教程(第2版)[M].北京：清华大学出版社,2015.；还可以采用S变 换算法，具体步骤参考李钊等提出的基于S变换的HVDC输电线路纵联保护方法[J].中国电机工程学 报,2016,36(05):1228-1235.。
3、标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，并根据各测量点 的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定故障点位于哪两 个测量点之间。
以基于电压反行波初始波头极性的故障区段定位判据为例，当正极输电线路发生故障时，故障附 加网络和相应的电压反行波传输过程如图2所示，规定初始电压反行波由整流侧传至逆变侧时，波头 极性为正；初始电压反行波由逆变侧传至整流侧时，波头极性为负。根据极性定义，初始电压反行波 从故障点处开始向两侧传播后，距故障点最近的整流侧测量点、逆变侧测量点检测到的电压反行波初 始波头极性相反，此外，整流侧、故障点间测量点检测到的电压反行波初始波头极性相同，逆变侧、 故障点间测量点检测到的电压反行波初始波头极性相同。因此，基于小波奇异性检测理论，各测量装 置内故障点确定单元通过小波变换求取电压反行波模极大值的正负，进而标定电压反行波初始波头极 性。利用电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，进而确定故障点位于哪两个测量点之间。 故障点位于测量点Mk(0≤k≤D)和测量点Mk+1之间的定位判据为：
Figure BDA0002555768910000091
式(2)中，
Figure BDA0002555768910000092
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure BDA0002555768910000093
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性。以 图1中沿线布置4个电气量测量装置的高压直流输电线路故障定位系统为例，输电线路长度为1000km， 且测量点M1、M2、M3、M4与直流输电线路首端的距离分别为0.2L、0.4L、0.6L、0.8L。利用PSCAD 搭建高压直流输电系统仿真模型，分别仿真距整流侧50km、250km、450km处单极接地故障(过渡 电阻Zf为50Ω)故障工况，从而利用基于syms5小波的平稳小波变换对各仿真数据进行分析处理， 验证结果如表1所示。
表1单极接地下的故障区段定位仿真结果
Figure BDA0002555768910000101
分析表1可知，当距离输电线路整流侧50km、250km、450km处发生单极接地故障时，通过故 障区段定位判据式(2)，可准确判定故障分别发生在测量点M0与测量点M1之间、测量点M1与测量 点M2之间、测量点M2与测量点M3之间。
如果直流输电线路沿线任意一个电气量测量装置损坏，导致无法正常获取该测量点的电压电流测 量值，则选择与该电气量测量装置相邻的电气量测量装置来替代，以此来进行故障点位于哪两个测量 点之间的确定。假设无法获取测量点Mk(1≤k≤D)的电压电流测量值，则故障点位于测量点 Mk-1(1≤k≤D)和测量点Mk+1之间的定位判据为：
Figure BDA0002555768910000102
式(3)中，
Figure BDA0002555768910000103
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure BDA0002555768910000104
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性。 在任意一个电气量测量装置损坏时，同样可以精确定位到故障点位于哪两个测量点之间。
4、以故障点所对应的两个测量点以及所述两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自变量 构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点的精度位置。
4.1所有电气量测量装置为正常时定位方程的构建
当直流输电线路上的电气量测量装置均正常工作时，位于测量点Mk和测量点Mk+1(k＝1、...、D-1)之间的故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000111
Figure BDA0002555768910000112
Figure BDA0002555768910000113
式(4)-(6)中，
Figure BDA0002555768910000114
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，D为直流输电 线路沿线的测量点的数量，k为测量点Mk的序号，Ψ为测量点的序号，tk-1、tk、tk+1、tk+2分别为 测量点Mk-1、Mk、Mk+1、Mk+2所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路 长度，Lk-1|k为测量点Mk-1与测量点Mk之间的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线 路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精 确距离，即故障点在直流输电线路上的精确位置。
当故障点位于直流输电线路首端测量点M0与直流输电线路沿线第一个测量点M1之间时，故障 点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000115
式(7)中，t0、t1、t2分别为测量点M0、M1、M2所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度。
当故障点位于直流输电线路沿线最后一个测量点MD与直流输电线路末端测量点MD+1之间时， 故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000116
式(8)中，tD-1、tD、tD+1分别为测量点MD-1、MD、MD+1所对应的初始时刻，LD|D+1为测量点MD与测量点MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度。
3.2任意电气量测量装置损坏时定位方程的构建
如果直流输电线路沿线任意一个电气量测量装置损坏，导致无法正常获取该测量点对应的初始时 刻，则选择与该电气量测量装置相邻的电气量测量装置来替代，以此来进行故障点的定位方程的构建。 假设无法获取测量点Mk的初始时刻，且故障点位于测量点Mk-1与测量点Mk+1(k＝2、...、D-1)之间时， 故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000121
Figure BDA0002555768910000122
Figure BDA0002555768910000123
式(9)-(11)中，
Figure BDA0002555768910000124
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，k为测量点Mk的序号，k＝2,3,…,D-1，tk-2、tk-1、tk+1、tk+2分别为测量点Mk-2、Mk-1、Mk+1、Mk+2所对应的 初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，Lk-1|k为测量点Mk-1与测量点Mk之间 的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之 间的线路长度，Lk-2|k-1为测量点Mk-2与测量点Mk-1之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路 首端的精确距离。
当无法获取直流输电线路沿线第一个测量点M1所对应的初始时刻，且故障点位于直流输电线路 首端测量点M0与测量点M2之间时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000125
式(12)中，t0、t2、t3分别为测量点M0、M2、M3所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度，L2|3为测量点M2与测量点M3之间的线路长度。
当无法获取直流输电线路沿线最后一个测量点MD所对应的初始时刻，且故障点位于测量点 MD-1与直流输电线路末端测量点MD+1之间时，故障点的定位方程为：
Figure BDA0002555768910000131
式(13)中，tD-2、tD-1、tD+1分别为测量点MD-2、MD-1、MD+1所对应的初始时刻，LD|D+1为测量点MD与测量点MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度，LD-2|D-1为测量点MD-2与测量点MD-1之间的线路长度。
本发明还提供一种高压直流输电线路的故障定位系统，包括：
电气量获取单元，用于获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，所述电气量测量值为 电流测量值或电流测量值与电压测量值；
初始时刻计算单元，用于计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻； 或根据每个所述测量点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量点的 电压反行波初始波头到各自测量点的初始时刻；
故障点确定单元，用于标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性， 并根据各测量点的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定 故障点位于哪两个测量点之间；
故障点精确定位单元，用于以所述故障点确定单元所确定的两个测量点以及该两个测量点的相邻 测量点所对应的初始时刻为自变量构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点 的精度位置。
实施例2
为了兼顾经济性和定位精度，本实施例电气量测量装置总数量为6个，如图1所示，直流输电线 路首端和末端各一个(分别对应的测量点为M0、M5)，直流输电线路沿线依次设置4个(分别对应 的测量点为M1、M2、M3、M4)，且测量点M1、M2、M3、M4与直流输电线路首端的距离分 别为0.2L、0.4L、0.6L、0.8L。这种设置能够保证输电线路任意一点故障时，测量点距离故障点的最 大距离限制在0.2L范围内，从而能够有效地提高电流测量值或电压反行波初始波头识别的准确度， 提升了故障定位精度。本实施例以直流输电线路单极接地故障为例，且不考虑测量装置损坏的情况， 采用平稳小波变换算法求解电压反行波初始波头到达各测量点时的初始时刻，以完成后续故障定位步 骤。
如图1所示，直流输电线路首端测量点M0的电压测量值为u0(t)，电流测量值为i0(t)；直流输 电线路末端测量点M5的电压测量值为u5(t)，电流测量值为i5(t)；直流输电线路沿线测量点M1、M2、 M3、M4的电压测量值分别为u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)，电流测量值分别为i1(t)、i2(t)、i3(t)、 i4(t)。
通过步骤2建立故障区段定位判断，并由式(2)确定故障点位于哪两个测量点之间，如图3所 示。图3(a)为故障点位于输电线路测量点M2与测量点M3之间，图3(b)为故障点位于输电线路 测量点M0与测量点M1之间，图3(c)为故障点位于输电线路测量点M4与测量点M5之间，R、I 分别表示输电线路整流侧、逆变侧，F表示单极接地故障。由步骤2得到电压反行波初始波头到达各 测量点的初始时刻，并根据步骤3中的式(4)-(6)计算出图3(a)故障点F的精确位置，根据式 (7)计算出图3(b)故障点F的精确位置，根据式(8)计算出图3(c)故障点F的精确位置。如 图3(a)所示，当故障点位于测量点M2、测量点M3之间时，选择电压反行波初始波头到达测量点 M1时的初始时刻t1、到达测量点M2时的初始时刻t2、到达测量点M3时的初始时刻t3、到达测量点 M4时的初始时刻t4作为自变量，建立式(4)-(6)并求解，完成故障点F的故障定位；如图3(b) 所示，当故障点位于直流输电线路首端测量点M0、直流输电线路沿线第一个测量点M1之间，选择 电压反行波初始波头到达测量点M0时的初始时刻t0、到达测量点M1时的初始时刻t1、到达测量点 M2时的初始时刻t2作为自变量，建立式(7)并求解，完成故障点F的故障定位；如图3(c)所示， 当故障点位于直流输电线路沿线最后一个测量点M4、直流输电线路末端测量点M5之间，选择电压 反行波初始波头到达测量点M3时的初始时刻t3、到达测量点M4时的初始时刻t4、到达测量点M5时 的初始时刻t5作为自变量，建立式(8)并求解，完成故障点F的故障定位。
利用PSCAD搭建直流输电系统仿真模型，对不同故障情况(与输电线路首端的距离分别为100km、 300km、475km、500km、525km、700km、900km处发生单极接地故障，过渡电阻Zf分别为0Ω、100Ω、300Ω)进行了仿真验证，并利用仿真数据进行验证，验证结果如表2所示。结果表明该方法原理简 单可靠、不存在定位死区，定位精度高。该方法基于5G通信技术，利用分布式多测量点测量初始时 刻之差，定位精度不依赖于波速度的获取，具有较好的工程应用前景。
表2单极接地下的故障定位仿真结果(线路全长L为1000km)
Figure BDA0002555768910000151
注：绝对误差＝|测距结果-实际故障距离|，
Figure RE-GDA0002614437400000152
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。

Claims (10)

1.一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，所述电气量测量值为电流测量值或电流测量值与电压测量值；
步骤2：计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻；
或根据每个所述测量点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量点的电压反行波初始波头到各自测量点的初始时刻；
步骤3：标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，并根据各测量点的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定故障点位于哪两个测量点之间；
步骤4：以故障点所对应的两个测量点以及所述两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自变量构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点的精度位置。
2.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤1中，在直流输电线路沿线以及直流输电线路的首端和末端分别安装有电气量测量装置，以每个电气量测量装置的安装位置作为一个测量点；
优选的，在所述直流输电线路沿线上的多个电气量测量装置为不等间距分布。
3.如权利要求2所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：每个所述电气量测量装置内设有5G通信模块，各电气量测量装置之间采用5G通信技术来进行通信。
4.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中，各测量点的电压反行波的计算表达式为：
Figure FDA0002555768900000011
式中，
Figure FDA0002555768900000012
为第k个测量点的电压反行波，uk(t)为第k个测量点的电压测量值，ik(t)为第k个测量点的电流测量值，k＝0,1,2,3,…,D,D+1，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，当k为0时，测量点M0为直流输电线路首端的测量点，当k为D+1时，测量点MD+1为直流输电线路末端的测量点，ZC为直流输电线路的波阻抗，
Figure FDA0002555768900000013
Lm、Cm分别为直流输电线路单位长度电感、电容。
5.如权利要求1或4所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中，采用小波变换算法、希尔伯特黄变换算法或S变换算法计算各测量点的电流测量值初始波头到达各自测量点的初始时刻，或电压反行波初始波头到达各自测量点的初始时刻。
6.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤3中，采用小波变换法计算各测量点电流测量值的模极大值或电压反行波的模极大值，根据所述模极大值标定电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，故障点位于测量点Mk(0≤k≤D)和测量点Mk+1之间的定位判据为：
Figure FDA0002555768900000021
或sign(B(ik(t)))×sign(B(ik+1(t)))<0
式中，
Figure FDA0002555768900000022
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure FDA0002555768900000023
分别表示第k个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性；B(ik(t))、B(ik+1(t))分别表示第k个、第k+1个测量点处电流测量值的模极大值，sign(B(ik(t)))、sign(B(ik+1(t)))分别表示第k个、第k+1个测量点处电流测量值初始波头的极性；
优选的，当无法获取测量点Mk的电气量测量值时，故障点位于测量点Mk-1(1≤k≤D)和测量点Mk+1之间的定位判据为：
Figure FDA0002555768900000024
或sign(B(ik-1(t)))×sign(B(ik+1(t)))<0
式中，
Figure FDA0002555768900000025
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波的模极大值，
Figure FDA0002555768900000026
分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电压反行波初始波头的极性；B(ik-1(t))、B(ik+1(t))分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电流测量值的模极大值，sign(B(ik-1(t)))、sign(B(ik+1(t)))分别表示第k-1个、第k+1个测量点处电流测量值初始波头的极性。
7.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤4中，位于测量点Mk和测量点Mk+1(k＝1、...、D-1)之间的故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000027
Figure FDA0002555768900000028
Figure FDA0002555768900000031
式中，
Figure FDA0002555768900000032
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，k为测量点Mk的序号，Ψ为测量点的序号，tk-1、tk、tk+1、tk+2分别为测量点Mk-1、Mk、Mk+1、Mk+2所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，Lk-1|k为测量点Mk-1与测量点Mk之间的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离；
优选的，当故障点位于直流输电线路首端测量点M0与直流输电线路沿线第一个测量点M1之间时，故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000033
式中，t0、t1、t2分别为测量点M0、M1、M2所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离；
当故障点位于直流输电线路沿线最后一个测量点MD与直流输电线路末端测量点MD+1之间时，故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000034
式中，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，tD-1、tD、tD+1分别为测量点MD-1、MD、MD+1所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，LD|D+1为测量点MD与测量点MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度。
8.如权利要求1所述的一种高压直流输电线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤4中，当无法获取测量点Mk所对应的初始时刻，且故障点位于测量点Mk-1与测量点Mk+1(k＝2、...、D-1)之间时，故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000041
Figure FDA0002555768900000042
Figure FDA0002555768900000043
式中，
Figure FDA0002555768900000044
均表示故障点距离直流输电线路首端的初步测量距离，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，k为测量点Mk的序号，k＝2,3,…,D-1，tk-2、tk-1、tk+1、tk+2分别为测量点Mk-2、Mk-1、Mk+1、Mk+2所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，Lk-1|k为测量点Mk-1与测量点Mk之间的线路长度，Lk|k+1为测量点Mk与测量点Mk+1之间的线路长度，Lk+1|k+2测量点Mk+1与测量点Mk+2之间的线路长度，Lk-2|k-1为测量点Mk-2与测量点Mk-1之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离；
优选的，当无法获取直流输电线路沿线第一个测量点M1所对应的初始时刻，且故障点位于直流输电线路首端测量点M0与测量点M2之间时，故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000045
式中，t0、t2、t3分别为测量点M0、M2、M3所对应的初始时刻，L0|1为测量点M0与测量点M1之间的线路长度，L1|2测量点M1与测量点M2之间的线路长度，L2|3为测量点M2与测量点M3之间的线路长度，Lf为故障点距离直流输电线路首端的精确距离；
当无法获取直流输电线路沿线最后一个测量点MD所对应的初始时刻，且故障点位于测量点MD-1与直流输电线路末端测量点MD+1之间时，故障点的定位方程为：
Figure FDA0002555768900000046
式中，D为直流输电线路沿线的测量点的数量，tD-2、tD-1、tD+1分别为测量点MD-2、MD-1、MD+1所对应的初始时刻，LΨ-1|Ψ为测量点MΨ-1与测量点MΨ之间的线路长度，LD|D+1为测量点MD与测量点MD+1之间的线路长度，LD-1|D为测量点MD-1与测量点MD之间的线路长度，LD-2|D-1为测量点MD-2与测量点MD-1之间的线路长度。
9.一种高压直流输电线路的故障定位系统，其特征在于，包括：
电气量获取单元，用于获取直流输电线路上多个测量点处的电气量测量值，所述电气量测量值为电流测量值或电流测量值与电压测量值；
初始时刻计算单元，用于计算每个所述测量点的电流测量值初始波头到各自测量点的初始时刻；或根据每个所述测量点的电流测量值和电压测量值计算各测量点的电压反行波，并计算每个测量点的电压反行波初始波头到各自测量点的初始时刻；
故障点确定单元，用于标定各测量点的电流测量值初始波头的极性或电压反行波初始波头的极性，并根据各测量点的电流测量值初始波头极性或电压反行波初始波头极性构建故障区段定位判据，确定故障点位于哪两个测量点之间；
故障点精确定位单元，用于以所述故障点确定单元所确定的两个测量点以及该两个测量点的相邻测量点所对应的初始时刻为自变量构建该故障点的定位方程，由该故障点的定位方程计算出该故障点的精度位置。
10.一种直流输电线路，包括权利要求9所述的故障定位系统。
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