CN112098779A - 一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种架空线‑电缆混合线路故障点定位方法和系统，所述方法将行波到达架空线‑电缆混合线路两端测量点的时间差值用来确定故障区段，然后采用单端行波分析算法，对故障区段的数据进行数学形态学梯度变换。根据数学形态学梯度变换后的数据波形图确定折反射行波到达测量点时刻，结合混合线路的长度情况分析后确定折相应的反射行波，计算其时间差值并结合实际波速来进行故障定位。本申请降低了线路两端检测装置同步性问题对定位精度的影响；采用的数学形态学梯度变换法能较好的标记出信号中突变点对应的时刻，且受故障类型和故障区段的影响较小，有较好地适应性。

Description

一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法和系统

技术领域

本发明属于混合线路故障定位技术领域，涉及一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法和系统。

背景技术

输电线路可进行跨区域长距离的能量输送，且具有较大的传输规模和很高的输电效率，实现了在我国能源资源分布不均的国情下，能源在不同地域间的优化利用。

现阶段，电能的传递主要通过架空线和电缆线路。在架空线路段输电线路下可能有较高的树木，某些情况下会对树木进行放电导致接地短路；森林火灾也可能会使架空线路的燃烧最终导致断线；电缆在运行过程中存在由于绝缘受潮或者受到外力破坏作用等导致的接地或断线的情况。由于架空线-电缆混合线路运行环境复杂，检修维护有一定的难度，故障后检修不及时，更是加深了故障对整个供配电系统的影响。

目前常见的混合线路故障定位方法为：选取线路的两个测量点，然后计算行波第一次到达两个测量点的时间差值，通过时间差值和波速来进行定位，这种检测方法虽然简单易行，但是由于行波在传输过程中由故障点传播至测量点时，途经电缆和架空线，由于线路损耗的影响，导致波形到达测量点时暂态特征已经不突出，同时受限于两测量点检测装置的同步问题，不能准确确定时间差。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法和系统，将行波到达架空线-电缆混合线路两端测量点的时间差值用来确定故障区段。然后采用单端行波分析算法，对该区段的数据进行数学形态学梯度变换。根据数学形态学梯度变换后的数据确定折反射行波到达测量点时刻，结合混合线路的长度情况分析后选取合适的折反射行波，计算其时间差值并结合实际波速来进行故障定位。

为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：

一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

步骤2：计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

步骤3：计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

步骤4：步骤3计算的行波时间差Δt与步骤2计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则执行步骤5，若已确定故障点，则定位结束；

步骤5：采用单端行波分析算法定位故障点。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，步骤1具体为：将故障架空线-电缆混合线路PQ以架空线和电缆的连接点E点和F点为端点分为PE段、EF段和FQ段，其中EF段中点为G点；

在PE段中点设置第一测量点C点，在FQ段中点设置第二测量点D点。

优选地，所述步骤2具体包括：

计算当故障发生在C点或PC段时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₁；

计算当故障发生在E点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₂；

计算当故障发生在G点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₃；

计算当故障发生在F点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₄；

计算当故障发生在D点或DQ段时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₅；

计算当故障发生在C点时，C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₆；

计算当故障发生在D点时，D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₇。

优选地，所述步骤4中，若Δt₁＜Δt＜Δt₂，则故障区段为CE段；Δt＝Δt₁，故障发生在C点或PC段，Δt＝Δt₂，故障点为E点；

若Δt₂＜Δt＜Δt₃，则故障区段为EG段；Δt＝Δt₃，故障点为G点；

若Δt₃＜Δt＜Δt₄，则故障区段为GF段；Δt＝Δt₄，故障点为F点；

若Δt₄＜Δt＜Δt₅，则故障区段为FD段；Δt＝Δt₅，故障发生在D点或DQ段；

若Δt>Δt₆，则故障区段为PC段；Δt＝Δt₆，故障点为C点；

若Δt>Δt₇，则故障区段为DQ段；Δt＝Δt₇，故障点为D点。

优选地，步骤5具体为：

步骤5.1：在matlab中采用形态梯度法对同一单端测量点的电流或电压数据进行形态学梯度变换，得到梯度变换后的数据波形图；

步骤5.2：根据梯度变换后数据波形图中的暂态突变点确定折反射行波第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点时刻；

步骤5.3：分析混合线路的长度情况，确定第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点的折反射行波；

步骤5.4：根据步骤5.2和步骤5.3分别计算折反射行波第一次和第二次到达步骤5.1所选用测量点的时间差值，并结合实际波速来进行故障点定位。

本申请还公开了另一件发明，即一种架空线-电缆混合线路故障点定位系统，所述系统包括设置模块、第一计算模块、第二计算模块、比较模块和定位模块；

所述设置模块，用于在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

所述第一计算模块，用于计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

所述第二计算模块，用于计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

所述比较模块，用于第二计算模块计算的行波时间差Δt与第一计算模块计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则进入定位模块，若已确定故障点，则定位结束；

所述定位模块，用于采用单端行波分析算法定位故障点。

本申请所达到的有益效果：

1.本申请采用行波第一次到达架空线-电缆混合线路两端测量点的时间差值来确定故障区段，确定故障区段后采用单端行波分析算法来进行精确点定位，从而降低线路两端检测装置同步性问题对定位精度的影响；

2.本发明采用的数学形态学梯度变换法能较好的标记出信号中突变点对应的时刻，且受故障类型和故障区段的影响较小，有较好地适应性；

3.采用本申请方法处理混合线路的故障问题，在实际混合线路故障定位运用中有较好的效果。

附图说明

图1是本申请一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法的流程图；

图2是本申请实施例中架空线-电缆混合线路结构示意图。

图3是本申请实施例中单端行波分析算法中行波折反射示意图；

图4为本申请实施例中C、D两点的电流数据波形及其形态学梯度变换后得到的数据波形图；

图5为本申请实施例中C点波形局部展开图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本申请的一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，包括以下步骤：

步骤1：在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

如图2所示，本申请实施例中，步骤1具体为：将故障架空线-电缆混合线路PQ以架空线和电缆的连接点E点和F点为端点分为PE段、EF段和FQ段，其中EF段中点为G点；

在PE段中点设置第一测量点C点，在FQ段中点设置第二测量点D点。

PE段和FQ段线路类型相同，EF段与PE段和FQ段线路类型不同；

本申请实施例中，PE段和FQ段线路为架空线A段和架空线B段，EF段为电缆。

步骤2：计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

本申请实施例中，步骤2具体包括：

计算当故障发生在C点或PC段时，故障行波到达C点和D点的时间差Δt₁，计算公式为：

T_C为故障行波到达C点的时间，T_D为故障行波到达D点的时间，L_CE为CE段的线路长度，L_EF为EF段的线路长度，L_FD为FD段的线路长度，V_j为故障行波在架空线的传输速度，V_d为故障行波在电缆中的传输速度；

计算当故障发生在E点时，故障行波到达C点和D点的时间差Δt₂，计算公式为：

计算当故障发生在G点时，故障行波到达C点和D点的时间差Δt₃，计算公式为：

L_GE为EG段的线路长度，L_GF为GF段的线路长度；

计算当故障发生在F点时，故障行波到达C点和D点的时间差Δt₄，计算公式为：

计算当故障发生在D点或DQ段时，故障行波到达C点和D点的时间差Δt₅，计算公式为：

当故障发生在C点或PC段时，行波到达C、D两点的时间差相同，因此需要定义另一个变量来确定故障发生在C点还是PC段，分析行波过程发现，当故障发生在C点时，C点第一次和第二次监测到的行波时间差为L_PE/V_j，当故障点在PC段时，行波第一次和第二次到达C点的时间差是大于L_PE/V_j的，因此可以以Δt₆为整定值来区别C点故障还是PC段故障，D点和DQ段故障的区别也可以按照此方法来确定，即：

计算当故障发生在C点时，C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₆，计算公式为：

L_PE为PE段的线路长度；

计算当故障发生在D点时，故障行波前两次折反射到达D点，即D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₇，计算公式为：

L_FQ为FQ段线路长度。

步骤3：计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

步骤4：步骤3计算的行波时间差Δt与步骤2计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则执行步骤5，若已确定故障点，则定位结束；

若Δt₁＜Δt＜Δt₂，则故障区段为CE段；Δt＝Δt₁，故障发生在C点或PC段，Δt＝Δt₂，故障点为E点；

若Δt₂＜Δt＜Δt₃，则故障区段为EG段；Δt＝Δt₃，故障点为G点；

若Δt₃＜Δt＜Δt₄，则故障区段为GF段；Δt＝Δt₄，故障点为F点；

若Δt₄＜Δt＜Δt₅，则故障区段为FD段；Δt＝Δt₅，故障发生在D点或DQ段；

若Δt>Δt₆，则故障区段为PC段；Δt＝Δt₆，故障点为C点；

若Δt>Δt₇，则故障区段为DQ段；Δt＝Δt₇，故障点为D点。

步骤5：故障行波的折反射波叠加于正常电流波形后，会在故障波形上留下暂态突变点，确定故障波形中暂态突变点所对应的时刻，采用单端行波分析算法即可定位故障点，具体为：

步骤5.1：在matlab中采用形态梯度法对同一单端测量点的电流或电压数据进行形态学梯度变换，得到梯度变换后的数据波形图；

以故障发生在GF段为例，架空线A段PE＝30km，电缆段EF＝18km，架空线B段FQ＝30km在matlab中采用形态梯度法来对仿真数据进行处理，选取C点作为参考点。

测得C、D两点的电流数据波形如图4(a)(c)所示，对C、D两点的电流数据进行形态学梯度变换得到如图4(b)(d)所示的数据波形图，C点波形局部展开图如图5所示。

根据图4(b)(d)可以确定故障行波第一次传输到C点的时间T_C和第一次传输到D点的时间T_D的时间差Δt＝T_C-T_D＝40.5μs，Δt₃＜Δt＜Δt₄，也可以确定故障区段的位置在GF段。

步骤5.2：根据梯度变换后数据波形图中的暂态突变点确定折反射行波第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点时刻；

步骤5.3：分析混合线路的长度情况，确定第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点的折反射行波；

当GF段X点发生接地故障后，传播过程如图3所示，行波a到达架空线A段和电缆连接点E处时，行波a分解为折射波a1继续向前传播，a2反射波反向传播，行波b在架空线B段和电缆连接点F也分解为正向的折射波b1和反向反射波b2，a1在经过母线端的折反射形成后反射波为a4，b2在经过E点的折反射后分为折射波b3和反射波b4。

当GF段X点发生故障时，第一次到达C点的是行波a的折射波a1，因此，需要对第二次和第三次经过C点的行波进行分析，行波到达测量点C点的时间如表1所示。

表1行波到达测量点C点的时间

由于

得出第二次达到C点的行波为b3，第三次到达C点的行波为a4。

步骤5.4：根据步骤5.2和步骤5.3分别计算折反射行波第一次和第二次到达步骤5.1所选用测量点的时间差值，并结合实际波速来进行故障点定位。

故障行波经过折反射到达测量点的时刻为局部极值点，由梯度变换后的波形图可知前两次故障行波到达C点的时刻，T₁＝0.150129s，T₂＝0.150211s，由之前的分析T₁为行波a1到达的时刻，T₂为行波b3到达的时刻。

将T₁和T₂带入上式后求得y＝2.932km

即故障点位于电缆段GF段距G点2.932km处。

本申请的一种架空线-电缆混合线路故障点定位系统，所述系统包括设置模块、第一计算模块、第二计算模块、比较模块和定位模块；

所述设置模块，用于在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

所述第一计算模块，用于计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

所述第二计算模块，用于计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

所述比较模块，用于第二计算模块计算的行波时间差Δt与第一计算模块计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则进入定位模块，若已确定故障点，则定位结束；

所述定位模块，用于采用单端行波分析算法定位故障点。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

步骤2：计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

步骤3：计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

步骤4：步骤3计算的行波时间差Δt与步骤2计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则执行步骤5，若已确定故障点，则定位结束；

步骤5：采用单端行波分析算法定位故障点。

2.根据权利要求1所述的一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，其特征在于：

步骤1具体为：将故障架空线-电缆混合线路PQ以架空线和电缆的连接点E点和F点为端点分为PE段、EF段和FQ段，其中EF段中点为G点；

在PE段中点设置第一测量点C点，在FQ段中点设置第二测量点D点。

3.根据权利要求2所述的一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，其特征在于：

所述步骤2具体包括：

计算当故障发生在C点或PC段时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₁；

计算当故障发生在E点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₂；

计算当故障发生在G点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₃；

计算当故障发生在F点时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₄；

计算当故障发生在D点或DQ段时，C点和D点监测到故障行波的行波时间差Δt₅；

计算当故障发生在C点时，C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₆；

计算当故障发生在D点时，D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差Δt₇。

4.根据权利要求3所述的一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，其特征在于：

步骤4中，若Δt₁＜Δt＜Δt₂，则故障区段为CE段；Δt＝Δt₁，故障发生在C点或PC段，Δt＝Δt₂，故障点为E点；

若Δt₂＜Δt＜Δt₃，则故障区段为EG段；Δt＝Δt₃，故障点为G点；

若Δt₃＜Δt＜Δt₄，则故障区段为GF段；Δt＝Δt₄，故障点为F点；

若Δt₄＜Δt＜Δt₅，则故障区段为FD段；Δt＝Δt₅，故障发生在D点或DQ段；

若Δt>Δt₆，则故障区段为PC段；Δt＝Δt₆，故障点为C点；

若Δt>Δt₇，则故障区段为DQ段；Δt＝Δt₇，故障点为D点。

5.根据权利要求1所述的一种架空线-电缆混合线路故障点定位方法，其特征在于：

步骤5具体为：

步骤5.1：在matlab中采用形态梯度法对同一单端测量点的电流或电压数据进行形态学梯度变换，得到梯度变换后的数据波形图；

步骤5.2：根据梯度变换后数据波形图中的暂态突变点确定折反射行波第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点时刻；

步骤5.3：分析混合线路的长度情况，确定第一次和第二次到步骤5.1所选用测量点的折反射行波；

步骤5.4：根据步骤5.2和步骤5.3分别计算折反射行波第一次和第二次到达步骤5.1所选用测量点的时间差值，并结合实际波速来进行故障点定位。

6.一种架空线-电缆混合线路故障点定位系统，所述系统包括设置模块、第一计算模块、第二计算模块、比较模块和定位模块，其特征在于：

所述设置模块，用于在故障架空线-电缆混合线路上设置第一测量点C点和第二测量点D点；

所述第一计算模块，用于计算不同故障位置情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差、C点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差，以及D点第一次和第二次监测到故障行波的行波时间差；

所述第二计算模块，用于计算实际故障情况下，C点和D点监测到故障行波的行波时间差；

所述比较模块，用于第二计算模块计算的行波时间差Δt与第一计算模块计算的行波时间差比较，确定实际故障区段或故障点，若得到故障区段，则进入定位模块，若已确定故障点，则定位结束；

所述定位模块，用于采用单端行波分析算法定位故障点。

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