CN112526290A - 一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法 - Google Patents

一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，属于电力系统继电技术领域。该方法根据实际配电网参数建立配电网仿真模型；根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。该方法克服了行波幅值产生影响，使模拟故障波形更加接近于真实故障波形，理论和大量仿真表明该方法正确有效，易于推广应用。

Description

一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法
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侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法。
背景技术
随着行波测距装置的广泛运用于电力系统中，在不少网，省、市已经逐步实现行波主站系统的建立。组网前行波测距装置大都处于孤岛运行状态，行波装置的组网成功后，将可综合利用故障发生后全网的行波信息进行故障的分析定位，最大限度的保证行波测距的准确性和可靠性。针对配电网的主站系统与目前已经投入试验运行阶段的主站系统类似，该行波主站平台接入云南电网内在运行的所有厂家的220kV及以上电压等级行波测距装置，以达到行波信息的接收和不同厂家行波装置数据分析的功能。
目前，电网的线路较短，变电站母线出线较多，线路存在分支，架空线和电缆混合架设。当故障发生后，每一个行波测点感知到得暂态行波信号不仅仅包含着故障信息，还包含着大量的冗余信息。虽然这些冗余信息中存在着一些固定“特征”，如健全线路的末端母线反射波等，但是其更多的是随着故障线路、故障位置、故障类型的变化而改变的“特征”。由于每次故障的产生原因，发生位置不同，每一个故障都对应着一个独一无二的波形。
现有技术完全依靠工频计算的测量阻抗对线路进行故障定位不但需要时间长，而且完全浪费了存在与暂态部分的重要故障信息，同时阻抗法进行故障定位收到过渡电阻的限制，对于高阻接地故障将丧失故障定位的能力。因此如何克服现有技术的不足是目前本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侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，该方法在已知故障线路的前提下，首先建立与该配电网一致的仿真模型，通过在故障线路每间隔距离n设置一个“虚拟故障”，将得到l/n条模拟故障电压行波信号；当得到所有的模拟信号后，利用每一个“虚拟故障”所得到的模拟信号与故障暂态信号进行对比，以及Pearson分析，选取相似度最高的模拟故障点以及其前后相似度高的模拟故障作为故障的定位区段，确定故障点发生位置，该方法克服了行波幅值产生影响，使模拟故障波形更加接近于真实故障波形。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，包括如下步骤：
根据实际电网参数建立电网仿真模型；
根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；
当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。
进一步，优选的是，n取1000米。
进一步，优选的是，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，设故障信号为A，得到的多个模拟信号为B1,B2,…Bl/n,对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析，相似度最大的模拟信号所在的模拟故障位置即为实际故障发生于该点附近。
进一步，优选的是，采用Pearson相似度对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析。
进一步，优选的是，Pearson相关系数p(X,Y)的几何意义代表着两个变量的取值，根据均值集中后构成的向量之间夹角的余弦；其表达式如下：
Figure BDA0002826379120000031
其中，p(X,Y)为Pearson相关系数；X＝(x1,x2,…xn)和；Y＝(y1,y2,…yn)为两组长度一致数据，
Figure BDA0002826379120000032
和
Figure BDA0002826379120000033
分别为X和Y的平均值；p(X,Y)的取值范围为[-1,1]，其值越接近于1，表示根据数据集合X与数据集合Y之间的相似性最高，时窗所选取的两个行波波形越相似，判断是来自于同一个故障的反射波。
本发明方法对任意故障类型均可适用，优选，所述的虚拟故障类型为单相接地故障或三相短路故障。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、不受过渡电阻和故障初始相角影响，如线路末端的负荷大小，中性点的接地方式等，但可以预见的是，这些影响因素均对算法的影响较小；
2、该方法可对故障位置进行判断，方便巡线工作人员对输电线路进行维护。
3、现有技术完全依靠工频计算的测量阻抗对线路进行故障定位不但需要时间长，而且完全浪费了存在与暂态部分的重要故障信息，同时阻抗法进行故障定位收到过渡电阻的限制，对于高阻接地故障将丧失故障定位的能力。而本发明采用高采样率电流电压数据，有效利用了暂态过程中的故障信息，且不受系统运行方式、故障过渡电阻的影响。
附图说明
图1为基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法的流程图；
图2为模拟故障与实际故障位置差距较大时的仿真波形图；
图3为模拟故障与实际故障位置一致时仿真波形图；
图4为L1线路故障分析得到的Pearson系数图；(a)为故障角为70°过渡电阻为20Ω(b)为故障角为60°过渡电阻为500Ω；
图5为L3线路故障分析得到的Pearson系数图；(a)为故障角为40°过渡电阻为20Ω(b)为故障角为-50°过渡电阻为500Ω；
图6为应用实施例中仿真模型图。
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。
实施例1
一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，包括如下步骤：
根据实际复杂结构电网参数建立复杂结构电网仿真模型；
根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；
当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。
实施例2
一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，包括如下步骤：
根据实际复杂结构电网参数建立复杂结构电网仿真模型；
根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；
当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。
n取1000米。
利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，设故障信号为A，得到的多个模拟信号为B1,B2,…Bl/n,对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析，相似度最大的模拟信号所在的模拟故障位置即为实际故障发生于该点附近。
实施例3
如提1所示，一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，包括如下步骤：
根据实际复杂结构电网参数建立复杂结构电网仿真模型；
根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；
当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。
n取1000米。
利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，设故障信号为A，得到的多个模拟信号为B1,B2,…Bl/n,对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析，相似度最大的模拟信号所在的模拟故障位置即为实际故障发生于该点附近。
采用Pearson相似度对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析。
Pearson相关系数p(X,Y)的几何意义代表着两个变量的取值，根据均值集中后构成的向量之间夹角的余弦；其表达式如下：
Figure BDA0002826379120000051
其中，p(X,Y)为Pearson相关系数；X＝(x1,x2,…xn)和；Y＝(y1,y2,…yn)为两组长度一致数据，x和y分别为X和Y的平均值；p(X,Y)的取值范围为[-1,1]，其值越接近于1，表示根据数据集合X与数据集合Y之间的相似性最高，时窗所选取的两个行波波形越相似，判断是来自于同一个故障的反射波。
所述的虚拟故障类型为单相接地故障或三相短路故障。
应用实例
一种基于广域行波侧后模拟的配电网接地故障定位方法，在已知故障线路的前提下，首先建立与该配电网一致的仿真模型，通过在故障线路每间隔n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中为l故障线路的长度，n为间隔的长度。当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与故障暂态信号进行对比，确定故障点发生位置。
具体步骤如下：
(1)根据实际配电网参数建立配电网仿真模型；
(2)在故障线路每间隔n(n取1000米)设置一个“虚拟故障”将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中为l故障线路的长度，n为间隔的长度，在仿真模型中，对故障线路沿线每间隔1km设置一个过渡电阻为10Ω，故障初相角均为90°度的A相接地故障，提取各测点对应的每一个模拟故障发生时的行波信号；
(3)得到所有的模拟信号后，利用每一个“虚拟故障”所得到的模拟信号与故障暂态信号进行对比，设故障信号为A，得到的多个模拟信号为B1,B2,…Bl/n,使用特定相似度分析方法对实际信号和模拟信号分别进行相似度分析，相似度最大的位置即认为故障发生于该点附近。
(4)Pearson是一种对行波极性变化幅度不敏感，但是对幅值的变化敏感的相似度分析方法，对各测点的模拟波形和实际波形进行Pearson相关分析的波形相似度分析。Pearson相关系数p(X,Y)的几何意义代表着两个变量的取值根据均值集中后构成的向量之间夹角的余弦。其表达式如下：
Figure BDA0002826379120000071
其中p(X,Y)为Pearson相关系数；X＝(x1,x2,…xn)和；Y＝(y1,y2,…yn)为两组长度一致数据，
Figure BDA0002826379120000072
和
Figure BDA0002826379120000073
分别为X和Y的平均值
(5)p(X,Y)的取值范围[-1,1]，接近0称为无相关性，接近1或者-1被称为具有强正相关或强负相关，所以其值越接近于1，表示根据数据集合X与数据集合Y之间的相似性最高，时窗所选取的两个行波波形越相似，可以认为是来自于同一个故障的反射波。
(6)分别设置两个不同故障初相角且过渡电阻分别为20Ω，200Ω，500Ω的故障，利用本发明所提发明方法进行分析。仿真模型如图6所示，分析结果如表1，图2为模拟故障与实际发生故障位置存在差异时实际波形与模拟波形的差异，图3为模拟故障与实际发生故障位置基本重合时实际波形与模拟波形的差异。当两条不同线路发生不同的故障时根据采集到的数据计算Pearson相关系数结果如图4、图5所示。
表1
Figure BDA0002826379120000074
(7)模拟设置的故障位置由于每100m设置一组，在实际中可能与故障位置存在小于100m的误差，因此选取相似度最高的模拟故障点以及其前后相似度高的模拟故障作为故障的定位区段。若需要提高故障定位的精度，通过对故障区段内设置间隔更小的模拟故障进行分析即可，这样就可确定故障的位置。
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 (6)

1.一种基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据实际电网参数建立电网仿真模型；
根据实际现场选线结果确定故障线路，通过在故障线路每间隔长度n设置一个虚拟故障，将得到l/n条模拟故障电压行波信号，其中，l为故障线路的长度，n为间隔的长度；
当得到所有的模拟信号后，利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，然后进行分析，确定故障点发生位置。
2.根据权利要求1所述的基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于：n取1000米。
3.根据权利要求1所述的基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于：利用每一个虚拟故障所得到的模拟信号与实际故障暂态信号进行对比，设故障信号为A，得到的多个模拟信号为
Figure 90481DEST_PATH_IMAGE002
对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析，相似度最大的模拟信号所在的模拟故障位置即为实际故障发生于该点附近。
4.根据权利要求1或3所述的基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于：采用Pearson相似度对实际故障暂态信号和模拟信号分别进行相似度分析。
5.根据权利要求4所述的基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于：Pearson相关系数
Figure 86250DEST_PATH_IMAGE004
的几何意义代表着两个变量的取值，根据均值集中后构成的向量之间夹角的余弦；其表达式如下：
Figure 69249DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 667721DEST_PATH_IMAGE004
为Pearson相关系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为两组长度一致数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别为X和Y的平均值；
Figure 362052DEST_PATH_IMAGE015
的取值范围为[-1,1]，其值越接近于1，表示根据数据集合X与数据集合Y之间的相似性最高，时窗所选取的两个行波波形越相似，判断是来自于同一个故障的反射波。
6.根据权利要求1所述的基于广域行波侧后模拟的复杂电网接地故障定位方法，其特征在于：所述的虚拟故障类型为单相接地故障或三相短路故障。
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