CN111999598B - 一种混合线路的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合线路的故障定位方法，所述方法包括：步骤1，在混合线路的预设处放置行波探头；步骤2，获取故障点产生的电流行波信号；步骤3，对步骤2获得的电流行波信号进行相模变换，得到电流行波的线模分量；步骤4，提取步骤3相模变换后的α分量，对其进行小波变换；利用小波变换后提取的故障行波波头信息，判断出故障发生的区段；步骤5，基于步骤4获得的故障发生的区段，计算波速和故障起始时间，确定故障位置。本发明可避免区分所到达的行波信号的来源问题，实现故障范围的区分和距离的判定。

Description

一种混合线路的故障定位方法

技术领域

本发明属于高压混合输电线路故障测距技术领域，涉及利用GPS实现多测点的分布式测量方法领域，特别涉及一种混合线路的故障定位方法。

背景技术

架空线、气体绝缘输电线路(GIL)和电缆线因其不同的结构特点，可以满足电力输电系统在不同条件下的铺设安排；实际应用中，采用多种输电线路混合的方法，能够提高整个输电线路的适应性和灵活性。

在混合输电线路中，由于不同类型输电线路的电气参数不同，线路连接点以及故障发生位置存在波阻抗不连续的问题。因此，行波在线路中传输过程中，会产生多次折射和反射现象。随着多种类型混合线路的应用，测量点行波的折反射来源增多，增加了故障定位难度。

目前，基于行波的测距方法主要包括单端法和双端法。单端法和双端法虽然可以在线路终端提取故障行波，通过时间差值计算故障距离，但由于需要区分波头来源，单端法和双端法的可靠性低，且不可避免地存在故障检测的“死区”问题。另外，由于架空线、GIL、电缆线路参数各有特点，且会受到环境因素影响。因此混合线路存在多个阻抗不连续点，导致不同线路的行波传播速度有所差异。所以在故障定位过程中，行波速度计算的准确性也需要不断提高。

综上，亟需一种新的混合线路的故障定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合线路的故障定位方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明利用分布式测量点实现故障行波第一个波头的提取，可避免区分所到达的行波信号的来源问题；利用GPS提供时间基准，准确测量故障信号到达时间，实现故障范围的区分和距离的判定。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种混合线路的故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1，在混合线路的两端、架空线中点、气体绝缘输电线路中点、电缆线中点、架空线与气体绝缘输电线路连接处、气体绝缘输电线路与电缆线连接处均放置行波探头，通过放置的行波探头将整个混合线路电路分割成架空线前段、架空线后段、气体绝缘输电线路前段、气体绝缘输电线路后段、电缆线前段、电缆线后段6个部分；

步骤2，分别从步骤1布置的行波探头处，获取故障点产生的电流行波信号；

步骤3，对步骤2获得的电流行波信号进行相模变换，消除相间耦合影响，得到电流行波的线模分量；

步骤4，提取步骤3相模变换后的α分量，对其进行小波变换；利用小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断出故障发生的区段；

步骤5，基于步骤4获得的故障发生的区段，计算波速和故障起始时间；基于计算获得的波速和故障起始时间，确定故障位置，完成故障定位。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，行波探头包括电流录波器。

本发明的进一步改进在于，步骤2具体包括：利用电流电压检测器检测故障电路中的信息，导出其中的三相电流信号。

本发明的进一步改进在于，步骤3中，对电流行波信号进行相模变换的变换矩阵表达式为：

本发明的进一步改进在于，步骤4中，对α分量进行连续小波变换的表达式为：

式中，χ(t)是为电流信号，a为比例因子，b为转移因子，

为所选择的母小波的复共轭。

本发明的进一步改进在于，步骤4中，所述利用小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断故障发生的区段具体包括以下步骤：

当时间t_m最小时，故障发生在架空线前半段；

当时间t_a最小时，若t_b>t_m，故障发生在架空线前半段；否则，故障发生在架空线后半段；

当时间t_b最小时，若t_d-t_c＝t_c-t_b，故障发生在架空线后半段；否则，故障发生在气体绝缘输电线路前半段；

当时间t_c最小时，若t_b<t_d，故障发生在气体绝缘输电线路前半段；否则，故障发生在气体绝缘输电线路后半段；

当时间t_d最小时，若t_e-t_d＝t_n-t_e，故障发生在气体绝缘输电线路后半段；否则，故障发生在电缆线前半段；

当时间t_e最小时，若t_n>t_d，故障发生在电缆线前半段；否则，故障发生在电缆线后半段；

当时间t_n最小时，故障发生在电缆线后半段；

其中，t_m为终端m处行波探头的第一个波头到达时间，t_a为架空线中点行波探头的第一个波头到达时间，t_b为架空线和气体绝缘输电线路连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_c为气体绝缘输电线路中点处行波探头的第一个波头到达时间，t_d为气体绝缘输电线路和电缆线连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_e为电缆线中点行波探头的第一个波头到达时间，t_n为终端n处行波探头的第一个波头到达时间。

本发明的进一步改进在于，步骤5具体包括：

(1)故障发生在架空线前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝(t_m-t₀)v₁；

(2)故障发生在架空线后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝l₁+(t_a-t₀)v₁；

(3)故障发生在气体绝缘输电线路前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+(t_b-t₀)v₂；

(4)故障发生在气体绝缘输电线路后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+l₂+(t_c-t₀)；

(5)故障发生在电缆线前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+2l₂+(t_d-t₀)v₃；

(6)故障发生在电缆线后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+2l₂+l₃+(t_e-t₀)v₃；

式中，l₁为架空线长度的一半，l₂为气体绝缘输电线路长度的一半，l₃为电缆线长度的一半，v₁为行波在架空线中的传播速度，v₂为行波在气体绝缘输电线路中的传播速度，v₃为行波在电缆线中的传播速度，d为故障位置与终端m的距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法，利用分布式测量点实现故障行波第一个波头的提取，可避免区分所到达的行波信号的来源问题；利用GPS提供时间基准，准确测量故障信号到达时间，实现故障范围的区分和距离的判定。具体的，本发明获取传输线路中各个测量点的电流信息，分析第一个波头到达的时间，比较不同测量点的时间值确定故障发生的区段。利用时间差值和距离计算确定行波在不同类型线路中的传播速度和故障发生的时间，以此计算确定故障具体位置。由于无需利用反射波，因此本发明不需要判断波头的来源信息，能够保证测量方法的可靠性。多个测量点的布置，简化了故障区段的判定流程，可提高位置测量的准确性。本发明的方法基于输电线路的行波信号，适用于输电线路的各种故障类型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，架空线－GIL－电缆输电线路的结构示意图；

图2是本发明实施例中，混合线路故障区段判别流程示意图；

图3是本发明图1实施例中，架空线前半段发生故障时行波传播情况示意图；

图4是本发明图1实施例中，架空线后半段发生故障时行波传播情况示意图；

图5是本发明图1实施例中，GIL前半段发生故障时行波传播情况示意图；

图6是本发明图1实施例中，GIL后半段发生故障时行波传播情况示意图；

图7是本发明图1实施例中，电缆前半段发生故障时行波传播情况示意图；

图8是本发明图1实施例中，电缆后半段发生故障时行波传播情况示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种基于GPS的架空线、气体绝缘输电线路、电缆线混合线路的故障定位方法，该方法将故障行波信号作为检测对象。

所述混合线路包括：混合线路单元、故障发生单元以及故障检测单元；其中，故障检测单元包括：7个电流录波器组成的行波探头故障检测单元。

本发明实施例中，7个行波探头分别放置于混合线路的两端、架空线中点、GIL中点、电缆线中点、架空线与GIL连接处、GIL与电缆连接处。将整个电路分割成6个部分，分别为：架空线前段、架空线后段、GIL前段、GIL后段、电缆前段、电缆后段。

本发明实施例中，分别从7个行波探头处获取故障点产生的电流行波信号；其方法具体包括：利用电流电压检测器检测故障电路中的信息，导出其中的三相电流信号作为行波信号的分析基础。

对电流行波信号进行相模变换，消除相间耦合影响，得到电流行波的线模分量。提取相模变换后的α分量，对其进行小波变换，分析故障信息。利用小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断故障发生的区段；

若故障发生在架空线前半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述架空线波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝(t_m-t₀)v₁；

若故障发生在架空线后半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述架空线波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝l₁+(t_a-t₀)v₁；

若故障发生在GIL前半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述GIL波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+(t_b-t₀)v₂；

若故障发生在GIL后半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述GIL波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+l₂+(t_c-t₀)；

若故障发生在电缆前半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述电缆波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+2l₂+(t_d-t₀)v₃；

若故障发生在电缆后半段，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述电缆波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+2l₂+l₃+(t_e-t₀)v₃；

上述计算公式中，t_m为终端m处的第一个行波到达时间，t_a为架空线中点处探头的第一个行波到达时间，t_b为架空线－GIL连接处的第一个行波到达时间，t_c为GIL中点的第一个行波到达时间，t_d为GIL－电缆连接处探头的波头到达时间，t_e为电缆中点探头的波头到达时间，l₁为架空线长度的一半，l₂为GIL长度的一半，l₃为电缆长度的一半，v₁为行波在架空线中的传播速度，v₂为行波在GIL中的传播速度，v₃为行波在电缆中的传播速度，d为故障位置与终端m的距离。

请参阅图1，本发明实施例的架空线－GIL－电缆输电线路结构包括：架空线、GIL、电缆线路传输单元和分布于线路终端、连接点、中点的行波测量装置。检测电路包括：7个电流录波器组成的行波探头故障检测单元。7个行波探头分别放置于混合线路的两端、架空线路中点、GIL中点、电缆线路中点、架空线与GIL连接处、GIL与电缆连接处。将整个电路分割成6个部分，分别为：架空线前段、架空线后段、GIL前段、GIL后段、电缆前段、电缆后段。

当线路发生故障时，分别从7个行波探头处获取故障点产生的电流行波信号。其方法是：利用电流电压检测器检测故障电路中的信息，导出其中的三相电流信号，并对其进行相模变换，变换矩阵为：

提取相模变换后的α分量作为小波分析的输入信息。利用下式对α分量进行连续小波变换：

上式中：χ(t)是采样信号(即为电流信号)，a为比例因子，b为转移因子，

为所选择的母小波的复共轭。

根据小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断故障发生的区段，判断过程如图2所示：

当时间t_m最小时，容易判断故障就发生在架空线前半段；

当时间t_a最小时，此时故障可能发生在架空线前半段或架空线后半段，通过比较t_b和t_m可以判断出来：若t_b>t_m，故障发生在架空线前半段；否则，故障发生在架空线后半段。

当时间t_b最小时，故障可能发生在架空线后半段或GIL前半段：若t_d-t_c＝t_c-t_b，则故障发生在架空线后半段；否则，故障发生在GIL前半段。

当时间t_c最小时，故障可能发生在GIL前半段或GIL后半段，通过比较t_b和t_d可以判断出来：若t_b<t_d，故障发生在GIL前半段；否则，故障发生在GIL后半段。

当时间t_d最小时，故障可能发生在GIL后半段或电缆前半段，若t_e-t_d＝t_n-t_e，则故障发生在GIL后半段；否则，故障发生在电缆前半段。

当时间t_e最小时，通过比较t_d和t_n可以判断出来：若t_n>t_d，故障发生在电缆前半段；否则，故障发生在电缆后半段。

当时间t_n最小时，容易判断故障就发生在电缆后半段。

其中t_m为终端m处行波探头的第一个波头到达时间，t_a为架空线中点行波探头的第一个波头到达时间，t_b为架空线和GIL连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_c为GIL中点处行波探头的第一个波头到达时间，t_d为GIL和电缆连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_e为电缆中点行波探头的第一个波头到达时间，t_n为终端n处行波探头的第一个波头到达时间。

根据故障发生所在区段以及波头到达时间信息计算行波波速、故障起始时间和故障距离。

若故障发生在架空线前半段，如图3所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述架空线波速和故障发生时间，按下式确定故障：d＝(t_m-t₀)v₁

若故障发生在架空线后半段，如图4所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述架空线波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝l₁+(t_a-t₀)v₁；

若故障发生在GIL前半段，如图5所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述GIL波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+(t_b-t₀)v₂；

若故障发生在GIL后半段，如图6所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述GIL波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+l₂+(t_c-t₀)；

若故障发生在电缆前半段，如图7所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述电缆波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+2l₂+(t_d-t₀)v₃；

若故障发生在电缆后半段，如图8所示，利用下式计算波速和故障起始时间t₀：

根据上述电缆波速和故障发生时间，按下式确定故障位置：d＝2l₁+2l₂+l₃+(t_e-t₀)v₃；

上述计算公式中，t_m为终端m处的第一个行波到达时间，t_a为架空线中点处探头的第一个行波到达时间，t_b为架空线－GIL连接处的第一个行波到达时间，t_c为GIL中点的第一个行波到达时间，t_d为GIL－电缆连接处探头的波头到达时间，t_e为电缆中点探头的波头到达时间，l₁为架空线长度的一半，l₂为GIL长度的一半，l₃为电缆长度的一半，v₁为行波在架空线中的传播速度，v₂为行波在GIL中的传播速度，v₃为行波在电缆中的传播速度，d为故障位置与终端m的距离。

本发明实施例中，为了验证本发明在线路故障定位中的有效性，本发明实施例基于Matlab仿真软件搭建线路模型并进行数据处理。设置架空线路长度200km，GIL长度10km，电缆长度80km，故障起始时间35ms，数据处理选用db4小波进行5层分解变换。仿真计算所得到的结果如表1所示。根据表中数据所示，故障定位误差均保持在0.4％以内，因而该方法具有较高的测量精度。

表1.混合输电线路故障测量结果

综上所述，本发明公开一种基于GPS的架空线－气体绝缘输电线路(GIL)－电缆线混合线路的故障定位方法，属于电力电子的高压输电线路技术领域；包括故障发生单元以及故障检测单元；检测电路包括：7个电流录波器组成的故障检测电路。7个行波探头分别放置于混合线路的两端、架空线中点、GIL中点、电缆中点、架空与GIL连接处、GIL与电缆连接处。将整个电路分割成6个部分，分别为：架空线前段、架空线后段、GIL前段、GIL后段、电缆前段、电缆后段。本发明的特征在于：可以避免行波速度在混合线路中的不连续问题和复杂计算问题；可以直接从第一个波头提取时间确定故障所在区段，简化分段步骤；可以避免分析行波折反射而考虑的波头来源问题，同时解决的线路故障的“死区”问题。本发明实施例方法的优点具体包括：获取传输线路中各个测量点的电流信息，分析第一个波头到达的时间，比较不同测量点的时间值确定故障发生的区段。利用时间差值和距离计算确定行波在不同类型线路中的传播速度和故障发生的时间，以此计算确定故障具体位置。由于无需利用反射波，因此不需要判断波头的来源信息，保证测量方法的可靠性。多个测量点的布置，简化了故障区段的判定流程，提高位置测量的准确性。同时，该方法基于输电线路的行波信号，因此本发明方法适用于输电线路的各种故障类型。

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 (6)

1.一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在混合线路的两端、架空线中点、气体绝缘输电线路中点、电缆线中点、架空线与气体绝缘输电线路连接处、气体绝缘输电线路与电缆线连接处均放置行波探头，通过放置的行波探头将整个混合线路电路分割成架空线前段、架空线后段、气体绝缘输电线路前段、气体绝缘输电线路后段、电缆线前段、电缆线后段6个部分；

步骤2，分别从步骤1布置的行波探头处，获取故障点产生的电流行波信号；

步骤3，对步骤2获得的电流行波信号进行相模变换，消除相间耦合影响，得到电流行波的线模分量；

步骤4，提取步骤3相模变换后的α分量，对其进行小波变换；利用小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断出故障发生的区段；

步骤5，基于步骤4获得的故障发生的区段，计算波速和故障起始时间；基于计算获得的波速和故障起始时间，确定故障位置，完成故障定位；

其中，步骤4中，所述利用小波变换后提取的故障行波波头信息，根据最小时间法以及临近测点时间差值比较法判断故障发生的区段具体包括以下步骤：

当时间t_m最小时，故障发生在架空线前半段；

当时间t_a最小时，若t_b>t_m，故障发生在架空线前半段；否则，故障发生在架空线后半段；

当时间t_b最小时，若t_d-t_c＝t_c-t_b，故障发生在架空线后半段；否则，故障发生在气体绝缘输电线路前半段；

当时间t_c最小时，若t_b<t_d，故障发生在气体绝缘输电线路前半段；否则，故障发生在气体绝缘输电线路后半段；

当时间t_d最小时，若t_e-t_d＝t_n-t_e，故障发生在气体绝缘输电线路后半段；否则，故障发生在电缆线前半段；

当时间t_e最小时，若t_n>t_d，故障发生在电缆线前半段；否则，故障发生在电缆线后半段；

当时间t_n最小时，故障发生在电缆线后半段；

其中，t_m为终端m处行波探头的第一个波头到达时间，t_a为架空线中点行波探头的第一个波头到达时间，t_b为架空线和气体绝缘输电线路连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_c为气体绝缘输电线路中点处行波探头的第一个波头到达时间，t_d为气体绝缘输电线路和电缆线连接处行波探头的第一个波头到达时间，t_e为电缆线中点行波探头的第一个波头到达时间，t_n为终端n处行波探头的第一个波头到达时间。

2.根据权利要求1所述的一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，步骤1中，行波探头包括电流录波器。

3.根据权利要求1所述的一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，步骤2具体包括：利用电流电压检测器检测故障电路中的信息，导出其中的三相电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，步骤3中，对电流行波信号进行相模变换的变换矩阵表达式为：

/>

5.根据权利要求1所述的一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，步骤4中，对α分量进行连续小波变换的表达式为：

式中，χ(t)是为电流信号，a为比例因子，b为转移因子，

为所选择的母小波的复共轭。

6.根据权利要求1所述的一种混合线路的故障定位方法，其特征在于，步骤5具体包括：

(1)故障发生在架空线前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝(t_m-t₀)v₁；

(2)故障发生在架空线后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝l₁+(t_a-t₀)v₁；

(3)故障发生在气体绝缘输电线路前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+(t_b-t₀)v₂；

(4)故障发生在气体绝缘输电线路后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+l₂+(t_c-t₀)；

(5)故障发生在电缆线前半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+2l₂+(t_d-t₀)v₃；

(6)故障发生在电缆线后半段，计算波速和故障起始时间t₀的表达式为：

确定故障位置的表达式为：d＝2l₁+2l₂+l₃+(t_e-t₀)v₃；

式中，l₁为架空线长度的一半，l₂为气体绝缘输电线路长度的一半，l₃为电缆线长度的一半，v₁为行波在架空线中的传播速度，v₂为行波在气体绝缘输电线路中的传播速度，v₃为行波在电缆线中的传播速度，d为故障位置与终端m的距离。

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