CN111812456B - 输电线路故障定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法、装置及系统，所述方法包括计算输电线路中行波测量单元对应的线模电流行波；基于故障后不同频率分量下线模电流初始行波幅值比，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值进行故障区段定位；基于三端电流量的分布式行波，利用相邻非故障区段在线求解行波波速进行故障测距，获取故障点的准确位置。本发明避免了分相相位比较法的相位频谱泄露问题，减小了因行波波速不确定所产生的误差，所得测距结果具有较高的精度。

Description

输电线路故障定位方法、装置及系统

技术领域

本发明属于电网故障定位技术领域，具体涉及一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法、装置及系统。

背景技术

随着电力工业的快速发展和电力系统的不断扩大，电压等级与传输线路的传输容量逐渐增加，并且高电压传输线的数目也增加。然而，高压输电线路跨越大范围，穿越旷野，山河等复杂地形，并在一年四季总是暴露在外。由于恶劣的天气条件，杂物等因素的影响，输电线路很容易出现故障，对工业生产和经济社会造成了巨大的损失。因此，实现快速、精确的输电线路故障定位，有十分重要的意义，减少的经济损失，维护电网的安全运行。

现有基于行波法的故障区段判定多采用分相相位比较法，该方法在应用过程中存在较为严重相位频谱泄露问题，导致同相与反相两种情况下的界限不清晰，使得非故障段与故障区段的判别困难。同时，现场安装的部分行波测量单元也往往不可避免的存在着极性接反的问题，以上两种情况都会降低分相相位比较方法的可靠性。因此，实现输电线路的精确定位，有助于检修人员及时到达故障位置，消除线路故障，提高其检修效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法、装置及系统，避免了分相相位比较法的相位频谱泄露问题，减小了因行波波速不确定所产生的误差，所得测距结果具有较高的精度。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，包括：

基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；

利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置。

可选地，所述线模电流行波的计算公式为：

式中，I_AYj、I_BYj和I_CYj为行波测量单元测量的三相电流行波信号，

和

分别为零模、线模和线模2电流行波。

可选地，所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值的累加和值计算公式为：

式中，

为任意线路区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下的两端行波测量单元所测线模电流初始行波的幅值比值，P为频率分量总个数，

是第j个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值，

是第j+1个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值。

可选地，所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值的计算公式分别:

式中，

和

分别是是任意区段Y_jY_j+1在在第i个频率分量下线模电流初始行波的衰减因子和衰减因子的倒数，α_i为衰减系数，L_j(j+1)是线路区段Y_jY_j+1的长度。

可选地，所述衰减系数α_i的计算公式为：

式中，R、L、G和C分别为输电线路单位长度的正序电阻、电感、电导和电容，f_i为第i个频率分量。

可选地，所述故障区段判据公式为：

式中，ε为阈值。

可选地，所述线路区段的长度的计算方法包括：

对输电线路中的行波测量单元依次进行编号1、2……n；

将相邻两个行波测量单元Y_k和Y_k+1之间的线路看作一个线路区段，获取相邻行波测量单元间的间距L₁₂,L₂₃,L₃₄,....,L_(n-1)n作为线路区段的长度。

可选地，所述基于三端电流量的行波测距的计算公式为：

式中，L_F为故障点F与故障区段Y_kY_k+1首端行波测量单元Y_k的距离，t_k-1、t_k、t_k+1分别为线模电流初始行波到达行波测量单元Y_k-1、Y_k、Y_k+1的时刻，v是线模电流行波波速。

第二方面，本发明提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位装置，包括：

第一计算单元，用于基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

第二计算单元，用于基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

第三计算单元，用于计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

故障区段确定单元，用于逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；

故障位置确定单元，用于利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置。

第三方面，本发明提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位系统，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明，基于线模电流初始行波同一频率分量下非故障、故障区段两端行波测量单元频率分量幅值比之间的差异性，结合线模电流行波的衰减因子及其倒数，并考虑不同频率分量的累加，实现了故障区段的可靠准确判定，在故障区段确定的前提下，利用相邻非故障区段在线求解行波波速，在一定程度上减小因行波波速不确定所产生的误差，构成了基于分布式测量的输电线路故障定位方法，仿真结果表明所得测距结果具有较高的精度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种实施例中基于分布式测量的输电线路故障定位方法的流程示意图；

图2为本发明一种实施例中各行波测量单元所测得的线模电流初始行波的频率分量f_i的幅值示意图；

图3为本发明一种实施例中基于三端电流量的分布式行波故障测距原理示意图；

图4为本发明一种实施例中输电线路故障仿真示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，包括：

基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；

利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述线模电流行波的计算公式为：

式中，I_AYj、I_BYj和I_CYj为行波测量单元测量的三相电流行波信号，

和

分别为零模、线模和线模2电流行波。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值的累加和值计算公式为：

式中，

为任意线路区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下的两端行波测量单元所测线模电流初始行波的幅值比值，P为频率分量总个数，

是第j个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值，

是第j+1个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值计算公式分别为:

式中，

和

分别是是任意区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下线模电流行波的衰减因子和衰减因子的倒数，α_i为衰减系数，L_j(j+1)是线路区段Y_jY_j+1的长度。

所述衰减系数α_i的计算公式为：

其中，R、L、G和C分别为输电线路单位长度的正序电阻、电感、电导和电容，f_i为第i个频率分量。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述故障区段判据公式为：

式中，ε为阈值。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述线路区段的长度的计算方法包括：

对输电线路中的行波测量单元依次进行编号1、2……n；

将相邻两个行波测量单元Y_k和Y_k+1之间的线路看作一个线路区段，获取相邻行波测量单元间的间距L₁₂,L₂₃,L₃₄,....,L_(n-1)n作为线路区段的长度。

所述基于三端电流量的行波测距的计算公式为：

式中，L_F为故障点F与故障区段Y_kY_k+1首端行波测量单元Y_k的距离，t_k-1、t_k、t_k+1分别为线模电流初始行波到达行波测量单元Y_k-1、Y_k、Y_k+1的时刻，v是线模电流行波波速。

一个典型的各行波测量单元所测得的线模电流初始行波中频率分量f_i的幅值如图2所示，基于三端电流量的分布式行波故障测距原理如图3所示，输电线路故障仿真示意图如图4所示，本发明实施例中的基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，包括如下步骤：

(1)获取需要故障定位输电线路中的已有的行波测量单元数量和位置，并依次进行编号1、2……n，从而计算得到相邻两个行波测量单元间的线路长度L₁₂,L₂₃,L₃₄,....,L_(n-1)n，作为各线路区段的长度。

(2)使用karrenbauer变换矩阵将行波测量单元测量的三相电流行波信号I_AYj、I_BYj和I_CYj进行解耦，得到线模电流行波

(3)将线模电流行波使用小波变换进行分析，找到线模电流初始行波并进行频率分解，使用S变换求取10个不同频率分量下线模电流初始行波的幅值

(i＝1,2,……,10，代表10个频率值，分别为200、210、220、230、240、250、260、270、280、290kHz)，如图2所示，将相邻两个行波测量单元同一频率分量下的线模电流初始行波的幅值相除，得到任意区段Y_jY_j+1线模电流初始行波的幅值比值

最后将单个区段10个不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值相加，得到线模电流初始行波的幅值比值的累加和值

(4)求取10个不同频率分量下线模电流行波的衰减因子

将每个线路区段首端即j端行波测量单元的

记为区段Y_jY_j+1线模电流行波的衰减因子

最后将单个区段10个不同频率分量下线模电流行波的衰减因子相加，得到线模电流行波的衰减因子的累加和值

同样的方法得到线模电流行波的衰减因子倒数的累加和值

(5)遍历输电线路中每一个线路区段，分别校验每个线路区段Y_jY_j+1两端线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，直到确定故障区段Y_kY_k+1(k＝1,2……,n-1)。

(6)确定故障区段Y_kY_k+1后，利用故障区段Y_kY_k+1以及故障区段前一个线路区段Y_{k- 1}Y_k的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻t_k-1、t_k、t_k+1，以及故障区段Y_kY_k+1和故障区段前一个线路区段Y_k-1Y_k的线路长度L_k(k+1)、L_(k-1)k代入基于三端电流量的行波测距的公式，计算出故障距离。

仿真验证

为了验证本发明的有效性与可靠性，在PSCAD/EMTDC中搭建500kV架空线路模型如图4所示，线路模型选择频率相关模型，采样频率为2MHz。工频下，输电线路的正序参数和零序参数如表1所示。输电线路总长度为204km，行波测量单元的理论间距为29.1km，线路上共设有8个行波测量单元。线路区段Y₁Y₂、Y₃Y₄、Y₆Y₇的间距分别为29.8km、28.8km、29.4km，其余线路区段均为29km。在0.082s时，在线路区段Y₆Y₇内距行波测量单元6的距离为9.3km处发生A相接地短路，即与线路首端M之间相距154.5km，故障电阻为200Ω。

表1

参数类型	R(Ω/km)	L(H/km)	G(S/km)	C(F/km)
					正序参数	0.035	1.35×10<sup>-3</sup>	1×10<sup>-7</sup>	8.47×10<sup>-9</sup>
零序参数	0.3	3.64×10<sup>-3</sup>	1×10<sup>-7</sup>	6.18×10<sup>-9</sup>

定位误差Δd由下式定义：

Δd＝|L_F-d|

上式中，L_F为计算得到的故障点与故障区段首端的距离，d为故障点与故障区段首端的实际距离。

所提故障区段定位方法中的各线路区段多频率分量下线模电流初始行波的幅值比，以及线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值通过计算获得，具体数值如表2所示。

表2

显然只有区段Y₆Y₇满足故障区段判据公式，因此根据故障区段识别判据可得区段Y₆Y₇为故障区段。验证了所提故障区段定位方法的有效性。判断出故障区段为Y₆Y₇后，通过小波分析获取故障点的线模电流初始行波到达行波测量单元Y₅、Y₆、Y₇的时刻，分别为t_Y5＝0.0821280s，t_Y6＝0.0820320s，t_Y7＝0.0820675s。将t_Y5、t_Y6和t_Y7以及L₅₆和L₆₇代入基于三端电流量的行波测距的计算公式，经计算得出故障位置与行波测量单元Y₆间的距离为L_F＝9.338km，定位误差为Δd＝38m。

实施例2

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位装置，包括：

第一计算单元，用于基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

第二计算单元，用于基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

第三计算单元，用于计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

故障区段确定单元，用于逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；

故障位置确定单元，用于利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置。

其余部分均与实施例1相同。

实施例3

本发明实施例中提供了一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位系统，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。

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。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，其特征在于，包括：

基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置；所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值的累加和值计算公式为：

式中，

为任意线路区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下的两端行波测量单元所测线模电流初始行波的幅值比值，P为频率分量总个数，

是第j个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值，

是第j+1个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值；

所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值的计算公式分别:

式中，

和

分别是任意区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下线模电流初始行波的衰减因子和衰减因子的倒数，α_i为衰减系数，L_j(j+1)是线路区段Y_jY_j+1的长度；

所述故障区段判据公式为：

式中，ε为阈值。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，其特征在于：所述线模电流行波的计算公式为：

式中，

和

为行波测量单元测量的三相电流行波信号，

和

分别为零模、线模和线模2电流行波。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，其特征在于，所述衰减系数α_i的计算公式为：

其中，R、L、G和C分别为输电线路单位长度的正序电阻、电感、电导和电容，f_i为第i个频率分量。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，其特征在于，所述线路区段的长度的计算方法包括：

对输电线路中的行波测量单元依次进行编号1、2……n；

将相邻两个行波测量单元Y_k和Y_k+1之间的线路看作一个线路区段，获取相邻行波测量单元间的间距L₁₂,L₂₃,L₃₄,....,L_(n-1)n作为线路区段的长度。

5.根据权利要求4所述的一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位方法，其特征在于：所述基于三端电流量的行波测距的计算公式为：

式中，L_F为故障点F与故障区段Y_kY_k+1首端行波测量单元Y_k的距离，t_k-1、t_k、t_k+1分别为线模电流初始行波到达行波测量单元Y_k-1、Y_k、Y_k+1的时刻，v是线模电流行波波速。

6.一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于基于输电线路中各行波测量单元测量的三相电流行波信号，计算出对应的线模电流行波；

第二计算单元，用于基于各线路区段两端行波测量单元对应的线模电流行波，计算出各线路区段对应的不同频率分量线模电流初始行波的幅值比值的累加和值；

第三计算单元，用于计算出各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值；

故障区段确定单元，用于逐一判断各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值，以及线模电流行波衰减因子及其倒数的累加和值是否满足故障区段判据公式，确定故障区段；

故障位置确定单元，用于利用故障区段、故障区段前一个线路区段的长度，及对应的三个行波测量单元线模电流初始行波的到达时刻，带入基于三端电流量的行波测距公式，得到准确的故障位置；

所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流初始行波的幅值比值的累加和值计算公式为：

式中，

为任意线路区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下的两端行波测量单元所测线模电流初始行波的幅值比值，P为频率分量总个数，

是第j个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值，

是第j+1个行波测量单元在第i个频率分量下所测线模电流初始行波的幅值；

所述各线路区段对应的不同频率分量下线模电流行波的衰减因子及其倒数的累加和值的计算公式分别:

式中，

和

分别是任意区段Y_jY_j+1在第i个频率分量下线模电流初始行波的衰减因子和衰减因子的倒数，α_i为衰减系数，L_j(j+1)是线路区段Y_jY_j+1的长度；

所述故障区段判据公式为：

式中，ε为阈值。

7.一种基于分布式行波时频信息的输电线路故障定位系统，其特征在于，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-5中任一项所述方法。

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