CN112526289A - 一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明对复杂电网各线末端的暂态行波信息进行分析，确定了各线路末端测点的暂态行波信息中，某些有效波头均与故障首波头存在着相同的时差和极性，根据这一性质，从广域行波的角度出发，首先利用二分递推SVD分解提取各测点暂态行波信息中的所有波头，再通过一系列条件的波头筛选，确定可以满足测距的有效行波波头后，进行故障定位；通过理论和大量仿真表明该方法正确有效。本发明方法克服了由于其奇异点位置偏移和检测脉冲宽度大导致无法得到准确的行波波头位置的缺陷，可以很好的对包含着众多有效波头的暂态行波信号进行分析，易于推广应用。

Description

一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法。

背景技术

110kV复杂电网是城市配电网的主干网络，助力了我国城市化的快速推进，110kV复杂电网呈现出网络结构复杂化、架空线-电缆混合线路增多、设备众多等特点，导致了已经在输电系统运用的许多故障定位技术难以直接应用于此类结构电网。随着用户的用电需求快速增长，复杂电网安全可靠运行的要求也随之提高。

然而如今，我国在不少地区仍然还在使用人工巡线和倒闸的方法进行故障排查，虽然利用工业级无人机进行快速巡线可大大提高故障查找的速度，但是在一些特定的情况下，仍需要靠人工，如电力电缆，无人机禁飞区等。这些传统的故障查找方式不仅耗时、耗力，而且随着故障状态下的长时间运行，可能还会造成电力设备的损坏。因此如何克服现有技术的不足是目前电力系统继电保护技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，通过利用广域行波信息的进行综合分析，对可用来进行测距的有效行波波头进行识别后，利用有效行波波头进行测距。该方法通过综合多个测点信息进行故障定位，利用二分SVD分解标定行波信号中的行波波头，分解后可得到各个波头模极大值，根据变换后幅值最大的前两个模极大值点作为计算行波波头，克服了由于其奇异点位置偏移和检测脉冲宽度大导致无法得到准确的行波波头位置的缺陷，可以很好的对包含着众多有效波头的暂态行波信号进行分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，包括如下步骤：

步骤(1)，当电网线路发生故障时，根据故障选线的结果提取故障线路末端测点暂态信号的电压行波；

步骤(2)，利用二分递推SVD算法对信号进行分解标定步骤(1)提取的电压行波信号中的行波波头，提取各个波头波到达时刻；

步骤(3)，根据各个波头波到达时刻，剔除干扰波头，得到2个有效行波波头，分别为健全线路测点所对应的对端母线反射波和母线故障点反射波；

步骤(4)，将步骤(3)得到的2个有效行波波头中模极大值最大的波头确定为有效波头，然后采用下式来计算另一有效波头的波到时刻：

(Δt_nMf+Δt_nd)v_k＝2l_k；Δt_nMf，Δt_nd分别为第n条健全线路和故障线路末端所检测的故障点反射波的波到时差、故障线路对端母线反射波与故障线路故障首波头间的波到时差；v_k为故障线路的行波波速，l_k为故障线路长度；

步骤(5)，利用行波浪涌前两次波头到达观测端的时间差Δt进行故障定位。

进一步，优选的是，步骤(3)中，若在各出线测点的暂态行波信号中，没有与故障行波的首波头的同一相对位置均出现的波头，判断为干扰波头；

进一步，优选的是，步骤(5)中，利用行波浪涌前两次波头到达观测端的时间差Δt进行故障定位的具体方法为：

d为观测端到故障点的距离，v_k为故障线路的行波波速，；Δt为Δt_nMf、Δt_nd差值的绝对值。

进一步，优选的是，利用对端母线反射波与初始浪涌到达观测端的时延，进行单端故障测距：

x为观测端对端到故障点的距离，l_k为故障线路长度，v_k为故障线路的行波波速。

进一步，优选的是，v_k取3*10⁸m/s

本发明是在选线结果已知情况下进行故障定位，对选线方法没有限制。

本发明通过对复杂电网各线末端的暂态行波信息进行分析，确定了各线路末端测点的暂态行波信息中，某些有效波头均与故障首波头存在着相同的时差和极性，根据这一性质，从广域行波的角度出发，首先利用二分递推SVD分解提取各测点暂态行波信息中的所有波头，再通过一系列条件的波头筛选，确定可以满足测距的有效行波波头后，进行故障定位。理论和大量仿真表明该方法正确有效。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、由于复杂电网的结构较为繁杂，位于各条线路末端的行波检测装置得到的暂态行波信号往往包含了大量的行波波头，且波头的幅值、陡度均存在较大的衰减，所以为了防止位于其中的有效波头的遗漏，需要一种能针对这些能量较弱波头的波头标定手段，提出了一种基于二分递推SVD的信号奇异性位置精确检测，在电压信号的处理中有着优异的检测效果，并且克服了常用于信号奇异性检测的小波奇异性检测的位置偏移缺陷问题。

2、该方法适用于故障线路末端未安装行波装置或故障线路和某一健全线路未安装行波装置的情况；

3、不会因为出线数量的增加而导致算法的失效。随着出线数量的增加，行波在母线处的折射系数将减小，经过母线次数越多的行波波头，其幅值衰减越严重，本发明所需的两个有效波头，均仅经过一次母线的折射，相较于其余行波波头衰减较少，这使得波头标定算法在对其进行标定的同时，将滤除更多的干扰波头。

附图说明

图1为单端测距原理图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为复杂电网模型结构图；

图4为各健全线路以及故障线路测点暂态行波波形和二分递推SVD结果；(a 1)为L1末端电压行波信号；(a2)为L1末端电压行波信二分递推SVD分解；(b 1)为L2末端电压行波信号；(b2)为L2末端电压行波信二分递推SVD分解；(c1)为L2T末端电压行波信号；(c2)为L2T末端电压行波信二分递推SVD分解；(d 1)为L3末端电压行波信号；(d2)为L3末端电压行波信二分递推SVD分解；(e 1)为L4末端电压行波信号；(e2)为L4末端电压行波信二分递推SVD分解；

图5为故障线路测点暂态行波波形和二分递推SVD分解结果；(a1)为L2末端电压行波信号；(a2)为L2末端电压行波信二分递推SVD分解；(b1)为L2T末端电压行波信号；(b2)为L2T末端电压行波信二分递推SVD分解；

图6为健全线路测点暂态行波波形和二分递推SVD分解结果。(a1)为L1末端电压行波信号；(a2)为L1末端电压行波信二分递推SVD分解；(b1)为L3末端电压行波信号；(b2)为L3末端电压行波信二分递推SVD分解；(c1)为L4末端电压行波信号；(c2)为L4末端电压行波信二分递推SVD分解；

图7为二分递推原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，包括如下步骤：

步骤(1)，当电网线路发生故障时，根据故障选线的结果提取故障线路末端测点暂态信号的电压行波；

步骤(2)，利用二分递推SVD算法对信号进行分解标定步骤(1)提取的电压行波信号中的行波波头，提取各个波头波到达时刻；

步骤(3)，若在各出线测点的暂态行波信号中，没有与故障行波的首波头的同一相对位置均出现的波头，判断为干扰波头；剔除干扰波头后，得到2个有效行波波头，分别为健全线路测点所对应的对端母线反射波和母线故障点反射波；

步骤(4)，将步骤(3)得到的2个有效行波波头中模极大值最大的波头确定为有效波头，然后采用下式来计算另一有效波头的波到时刻：

(Δt_nMf+Δt_nd)v_k＝2l_k；Δt_nMf，Δt_nd分别为第n条健全线路和故障线路末端所检测的故障点反射波的波到时差、故障线路对端母线反射波与故障线路故障首波头间的波到时差；v_k为故障线路的行波波速，l_k为故障线路长度；

步骤(5)，利用行波浪涌前两次波头到达观测端的时间差Δt，测距如下：

d为观测端到故障点的距离，v_k为故障线路的行波波速，；Δt为Δt_rMf、Δt_nd差值的绝对值。

优选，利用对端母线反射波与初始浪涌到达观测端的时延，进行单端测距：

x为观测端对端到故障点的距离，l_k为故障线路长度，v_k为故障线路的行波波速。

优选，v_k取3＊10⁸m/s。

利用二分递推SVD算法对信号进行分解标定步骤(1)提取的电压行波信号中的行波波头，故障线路末端测点所对应的对端母线反射波的极性与初始行波波头的极性相反，健全线路末端测点所对应的对端母线反射波的极性应与故障初始行波波头的极性一致；

二分递推SVD算法的原理如下：

对于一个m×n的矩阵H，能分解为正交矩阵U＝(u₁，u₂，…，u_m)∈R^m×m和正交矩阵V＝(v₁，v₂，…，v_n)∈R^n×n，SVD满足下式：

H＝USV^T

式中，S为对角矩阵，S＝[diag(σ₁，σ₂，…，σ_n)，0]或转置，取决于m≤n还是m＞n，

m≤n时，S＝[diag(σ₁，σ₂，…，σ_n)，0]；m＞n时，S＝[diag(σ₁，σ₂，…，σ_n)，0]的转置；

S∈R^m×n，0代表零矩阵；

q＝min(m，n)，有σ₁≥σ₂≥…≥σ_q＞0时，σ_i(i＝1，2，…，q)即为矩阵H的奇异值；

根据图7二分递推原理图的过程，由于递推中矩阵行数均取2，每次可以分解得到两个分量信号，因此经过SVD分解处理后，能够得到2个奇异值，在获得的2个奇异值中，奇异值σ₁将远大于奇异值σ₂；

对复杂电网各线末端的暂态行波信息进行分析，确定了各线路末端测点的暂态行波信息中，某些有效波头均与故障首波头存在着相同的时差和极性，根据这一性质，从广域行波的角度出发，首先利用二分递推SVD分解提取各测点暂态行波信息中的所有波头，再通过一系列条件的波头筛选，确定可以满足测距的有效行波波头后，进行故障定位。

应用实例

以某110kV变电站的Ⅱ段母线作为基础如图3所示，利用电磁仿真软件PSCAD来搭建仿真模型。进线端接三绕组变压器，中性点经消弧线圈接地，额定电压为110/38.5/10.5kV，单台主变容量为50MVA，共有4条架空线路出线，其中1条架空线路存在T接，负载为fixed load模型。测点分别位于出线末端变压器一次侧，如图4所示。

各条线路的具体相关数据如表1所示：

表1线路参数表

线路编号	导线型号	线路长度/km
			L1	LGJ-120/20	21.4
L2	LGJ-120/20	40.7+1.1
			L2T	LGJ-120/20	40.7+7.3
L3	LGJ-120/20	14.9
			L4	LGJ-120/20	4.2

设置一个位于L3线路6.2km处，过渡电阻为50Ω，故障初始相角为70°的A相接地故障，以故障初始行波到达前25μs为时窗起点，以窗宽为300μs的时窗选取行波波形，各健全线路以及故障线路测点暂态行波波形和二分递推SVD。

设有一离散信号X＝(x₁,x₂,…,x_N)，对原始信号构造成一个n×(N+1-n)维的矩阵H：

H∈R^(N+1-n)×n，取H矩阵前两行进行SVD分解，即可获得2个奇异值，在H矩阵中每行都比前一行滞后一个数据，因此两行之间为高度相关。经过SVD分解处理后，在得到的2个奇异值中，奇异值σ₁将远大于奇异值σ₂。

矩阵H即可改写成向量u_i、v_i表示：

H＝σ₁u₁v₁ ^T+σ₂u₂v₂ ^T

其中，u_i∈R^2×1，v_i∈R^2×1，i＝1，2。令H₁＝σ_i1u_i1v_i1 ^T，H₂＝σ_i2u_i2v_i2T，H₁，H₂∈R^2×1。H₁的数据结构与H相类似，H₁的具体表达为：

矩阵H₁中，应与H有着类似的结构，应满足H₁(n，1)＝H₁(n-1，2)，而通过以上的计算，可以看出二者并不相等，需要对其进行平均值计算，得到的值才可作为分量信号A＝(a₁，a₂…，a_N)。同理，H₂＝σ₂u₂v₂ ^T也可以获得一个分量信号D＝(d₁，d₂…，d_N)。从式H＝σ₁u₁v₁ ^T+σ₂u₂v₂ ^T可以看出，分量信号A对应的是第一个奇异值σ₁，而分量信号D对应的是奇异值σ₂，因此A反应信号的主体，D反映的是信号的细节特征。对A构造如式H＝σ₁u₁v₁ ^T+σ₂u₂v₂ ^T的结构，同样可以继续分解得到两个信号。

结果如图5所示。根据仿真数据的二分SVD结果，故障线路提取在[t₁，t₁+2l₃/v_k]时窗内极性与故障初始波头相反的所有行波波头，t₁为故障初始波头，l₃为本出线线路长度(即l_k，k＝3)，v_k为波速，取值3*10⁸m/s，健全线路提取与故障初始波头极性相同的所有行波波头。

表2各测点提取的满足要求的行波波头波到时刻

由于每条线路的参数不同，得到的暂态电压信号中同一个行波波头的陡度和幅值均会存在一定的差异，标定得到的各波头的波到时刻也会存在微小的差异，因此，把波到时刻相差不超过2μs的波到时刻认定为同一时间点。

通过排除后，可以得到位于同一波到时刻的波头：

表3不同测点配置方案下的分析结果

当测量线路为L1，L2，L2T，L3，L4时，通过综合分析后，得到一个对应模极大值最大的行波波头，因此暂时认定该波头为有效行波波头。

而当测量线路为L1，L3，L4时，通过分析后，得到了满足要求的两个分别位于68μs和84μs相对时刻处的有效波头，通过对两个有效波头进行区分后，测距结果为距离母线6.37km，误差为1.14％。

由于T结点的存在，行波的折反射次数增加，其干扰行波波头也随着增加，因此含有分支线路末端的测点得到的暂态行波信息难以进行分析，且干扰了其余测点的分析结果。因此在本实例中，仅使用L1，L3，L4测点的信息进行分析(注：可以选择任意的测点，本处所取测点是随机选取的)。

为了分析所提算法在存在T接线路的情况下，各种故障情况下的适用性，在仿真模型中设置的4个不同位置和故障初始相角的故障，过渡电阻分别为5Ω，50Ω，300Ω的情况，进行分析。

表4不同故障情况下的算法分析结果

过渡电阻为50Ω时，故障位于L2线路14km处的故障线路暂态行波波形和二分递推SVD结果如图6所示。

可以看出，由于T节点的存在，利用故障线路的末端测点进行分析十分不易，因此选用其余线路的测点进行分析。由于故障位于T节点之前，故障将对应着两个线路末端，假设分支导线参数均一致，则线路较短的分支线路末端母线反射波模极大值必然比线路较长的分支线路末端母线反射波大，因此用线路较短的分支线路末端作为故障线路的末端进行分析。

健全线路末端暂态行波及其二分递推SVD分解如图7所示。

通过分析后发现，有两个对应时刻各健全线路均检测到了与首波头同极性的行波浪涌，对应时刻分别为121μs和216μs。由于121μs处所对应的模极大值较大，因此先认定其为有效行波波头，将其带入分析后，确定216μs处的行波波头为另一个有效行波波头，在进行波头的区分后，进行测距，测距结果为14.29km。

通过仿真分析可以看出，本发明方法在针对发生于含有T接线路的配电网的故障均能可靠的进行有效行波波头的提取；并且在故障线路未安装行波装置的情况下，对其进行故障定位。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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 (5)

1.一种基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，当电网线路发生故障时，根据故障选线的结果提取故障线路末端测点暂态信号的电压行波；

步骤(2)，利用二分递推SVD算法对信号进行分解标定步骤(1)提取的电压行波信号中的行波波头，提取各个波头波到达时刻；

步骤(3)，根据各个波头波到达时刻，剔除干扰波头，得到2个有效行波波头，分别为健全线路测点所对应的对端母线反射波和母线故障点反射波；

步骤(4)，将步骤(3)得到的2个有效行波波头中模极大值最大的波头确定为有效波头，然后采用下式来计算另一有效波头的波到时刻：

(Δt_nMf+Δt_nd)v_k＝2l_k；Δt_nMf，Δt_nd分别为第n条健全线路和故障线路末端所检测的故障点反射波的波到时差、故障线路对端母线反射波与故障线路故障首波头间的波到时差；v_k为故障线路的行波波速，l_k为故障线路长度；

步骤(5)，利用行波浪涌前两次波头到达观测端的时间差Δt进行故障定位。

2.根据权利要求1所述的基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，步骤(3)中，若在各出线测点的暂态行波信号中，没有与故障行波的首波头的同一相对位置均出现的波头，判断为干扰波头；

3.根据权利要求1所述的基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，步骤(5)中，利用行波浪涌前两次波头到达观测端的时间差Δt进行故障定位的具体方法为：

d为观测端到故障点的距离，v_k为故障线路的行波波速，；Δt为Δt_nMf、Δt_nd差值的绝对值。

4.根据权利要求1所述的基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，其特征在于，利用对端母线反射波与初始浪涌到达观测端的时延，进行单端故障测距：

x为观测端对端到故障点的距离，l_k为故障线路长度，v_k为故障线路的行波波速。

5.根据权利要求1所述的基于广域行波信息共有特征的复杂电网故障定位方法，其特征在于，v_k取3*10⁸m/s。

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