CN112649756A - 风电场集电线单相接地故障测距方法、系统、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电场集电线单相接地故障测距方法、系统、介质及设备，测量风电场集电线的三相电压和三相电流；对三相电压和三相电流进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值分别对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻测量得到1模电压或电流低频段的波速度以及0模电压或电流低频段的波速度；计算故障点距离母线处的距离。本发明仅利用初始行波，具有较强的适应性。
Description
技术领域
本发明属于故障测距技术领域，具体涉及一种风电场集电线单相接地故障测距方法、系统、介质及设备。
背景技术
风电场主要建设在自然条件比较恶劣的环境，比如荒漠、戈壁滩、山地等，风机分布广泛，集电线的作用是将风机所发电能进行汇集后接入母线，考虑到集电线长期运行于恶劣环境，发生故障的概率极高，如果故障得不到快速处理，则会影响风电场并网小时数，降低风能的利用效率，为风电场带来巨大经济损失。
集电线故障测距可以为运行人员提供准确的故障位置，为故障的快速排查和处理提供便利，有效提高故障的处理速度，带来巨大的经济效益。
目前故障测距算法主要分为行波法和阻抗法，由于风电场集电线上含有多台风机，故障后因为风机的助增作用导致阻抗法无法适用于集电线故障测距，基于单端行波折反射规律的故障测距算法由于行波在集电线上风机接入节点的折反射特征也不再适用，如果采用双端或多端测距方法，则需要风电场配置通信手段，这无疑会增大风电场的投资。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种风电场集电线单相接地故障测距方法、存储介质及设备，通过利用初始行波的故障特征实现测距，仅利用初始行波，不受风机接入节点折反射的影响，也不受中性点接地方法和过渡电阻的影响，具有较强的适应性。
本发明采用以下技术方案：
风电场集电线单相接地故障测距方法，测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流的行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s，完成故障测距。
具体的，对三相电压和电流进行相模变换，得到模电压和模电流具体如下：
其中，p0、p1、p2分别表示0、1、2模电压或电流，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电压或电流。
具体的，低频段的行波信号中，低频段具体为：当选择D8尺度时，低频段的频带为fs/29～fs/28，当选择D9尺度时，低频段的频带为fs/210～fs/29，当选择D10尺度时，低频段的频带为fs/211～fs/210。
具体的，求取低频行波信号的模极大值具体为：求取所选尺度的重构系数绝对值，并求取最大值，所有绝对值中模值大于最大值10％的为模极大值对应采样点，第一个满足以上要求的就是第一个模极大值点，用于标定行波到达时刻。
具体的，1模电压或电流的低频段的波速度v1为：
其中，L表示被测试线路的长度。
具体的，0模电压或电流的低频段的波速度v0为：
其中，L表示被测试线路的长度。
具体的，故障点距离母线处的距离s具体为：
其中，Δt＝t0-t1。
本发明的另一个技术方案是，一种风电场集电线单相接地故障测距系统，包括：
采集模块，用于测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；
相模变换模块，用于对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；
小波变换模块，用于对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；
计算模块，用于求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s。
本发明的另一个技术方案是，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
本发明的另一个技术方案是，一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明风电场集电线单相接地故障测距方法，对风电场集电线的三相电压和三相电流进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流的行波进行小波变换得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s，完成故障测距；整个方法不受风机接入节点折反射的影响，也不受中性点接地方法和过渡电阻的影响，具有较强的适应性。
进一步的，模电压或模电流可以克服三相线路耦合带来的求解难问题，也可以仅利用首行波不同模量之间的差异实现故障定位，本发明提供的相模变化方法可以任意模量可以反映各种故障类型。
进一步的，选取低频段信号可以更加精确的得到故障距离，因为1模和0模电气量的特征在低频段差异更明显。
进一步的，通过求取模极大值，可以实现行波波头的标定，确定行波到达时刻，从而实现故障定位。
进一步的，通过计算得到1模电压或电流低频段的波速度是本发明专利实现故障定位的前提。
进一步的，通过计算得到0模电压或电流低频段的波速度是本发明专利实现故障定位的前提。
进一步的，当得到故障点距离母线处的距离即可以方便运维人员精准找到故障点，降低故障查找难度，加快故障恢复。
综上所述，本发明可以实现精确的风电场集电线路故障定位，不受中性点接地方式、过渡电阻等因素的影响，具有较强的适应性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为风电场拓扑示意图；
图2为1模和0模电压行波图；
图3为小波变化后的D8尺度细节系数图；
图4为小波变换后D8尺度细节系数对应的模极大值图。
具体实施方式
下面将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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明一种风电场集电线单相接地故障测距方法，包括以下步骤：
S1、在集电线首端安装行波电压传感器和电流传感器测量三相电压和三相电流，假设测量得到的A、B、C相电压和电流分别为uA、uB、uC和iA、iB、iC；
集电线首端位于风电场内，其测量信号在集控室，通过首端信息实现测距后可以安排运维人员快速去抢修，安装于末端后，采集信息需要通信才能传至集控室，这样测距的可靠性依赖于通信网络，同时由于需要配置通信网络增加了成本。
S2、采用式(1)对三相电压和电流进行相模变换，得到模电压和模电流；
其中，p0、p1、p2分别表示0、1、2模电压或电流，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电压或电流。
S3、对1模电压或电流和0模电压或电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；
低频段的选择原则为1模分量和0模分量波速度差异较大的频段，与装置采样率以及分析算法相关。假设装置采样率为fs，为了有较好的测距效果，采样率要求大于10MHz，算法采用db小波进行分解，选择D8～D10尺度对应频带，当选择D8尺度时，低频段的频带为fs/29～fs/28，当选择D9尺度时，低频段的频带为fs/210～fs/29，当选择D10尺度时，低频段的频带为fs/211～fs/210。
S4、对低频行波信号求取模极大值，第一个模极大值对应1模电压或电流和0模电压或电流初始行波到达保护安装处时刻，假设1模电压或电流初始行波到达时刻为t1，0模电压或电流初始行波到达时刻为t0；
求取所选尺度的重构系数的绝对值，并求取最大值，所有绝对值中模值大于最大值的10％都为模极大值对应采样点，第一个满足以上要求的就是第一个模极大值点，可以用来标定行波到达时刻。
S5、测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0，具体测量方法可以是仿真计算，也可以是现场实验测试；
仿真计算的方法为依据实际工程搭建电磁暂态仿真模型，然后通过在被仿真线路上注入行波信号，测量得到的三相电压或电流经步骤2、3、4得到系列初始行波波头和第二个波头到达时刻，假设1模电压或电流第二个波头到达时刻为t12，0模电压或电流第二个波头到达时刻为t02，则1模电压或电流的低频段的波速度为
0模电压或电流的低频段的波速度为
其中，L表示被测试线路的长度。
现场测试的方法为在线路末端注入行波信号，通过步骤S2、S3、S4和式(2)和(3)即可得到1模电压或电流低频段波速度和0模电压或电流低频段波速度。
S6、利用式(4)计算故障点距离母线处的距离s。
其中，Δt＝t0-t1。
当得到故障点距离母线处的距离即可以方便运维人员精准找到故障点，降低故障查找难度，加快故障恢复。
本发明再一个实施例中，提供一种风电场集电线单相接地故障测距系统系统，该系统能够用于实现上述风电场集电线单相接地故障测距方法，具体的，该风电场集电线单相接地故障测距系统包括采集模块、相模变换模块、小波变换模块以及计算模块。
其中，采集模块用于测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；
相模变换模块用于对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；
小波变换模块用于对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；
计算模块用于求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于风电场集电线单相接地故障测距的操作，包括：测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关风电场集电线单相接地故障测距方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s。
请参阅图1，为了说明以上方法的有效性，基于图1所示的风电场进行仿真验证，图中包含3条集电线路，每条集电线路长10km，接入10台双馈风机，风电场分别采用小电阻接地和消弧线圈接地方式。
当风电场采用消弧线圈接地方式时，在集电线路1的2km处设置金属性单相接地故障，仿真采样率为10MHz，此处以电压信号为例进行分析。测量得到的三相电压行波经步骤2的相模变化后的1模和0模电压如图2所示。
请参阅图2，对图2所示的1模电压和0模电压行波波形采用db6小波变化得到D8尺度细节系数，其中D8细节系数对应频带为19.53～39.06kHz，具体波形如图3所示。
请参阅图3和图4，图3对应的模极大值如图4所示。通过计算可得为0模电压初始行波到达时刻t1＝30μs，0模电压初始行波到达时刻t0＝30.5μs。
采用步骤S4的方法测试可得仿真线路对应低频段的1模波速度为2.8409×108m/s，1模波速度为2.6596×108m/s。
最后通过式(4)计算得到的故障距离s＝2083.7m，可以看出与实际距离的相对误差为4.19％，可以看出本方法有效。
表1不同故障位置和过渡电阻下的测距结果
改变不同故障位置以及过渡电阻，最后得到的测距结果如表1所示，改变风电场中性点接地方式为消弧线圈接地，重复以上仿真可以得到相同的结果。综合可以看出测距方法有效，不受中性点接地方式和过渡电阻以及风机馈入电流和分支节点的影响，具有良好效果。
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。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；对1模电压或模电流和0模电压或模电流的行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s，完成故障测距。
2.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，对三相电压和电流进行相模变换，得到模电压和模电流具体如下：
其中，p0、p1、p2分别表示0、1、2模电压或电流，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电压或电流。
3.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，低频段的行波信号中，低频段具体为：当选择D8尺度时，低频段的频带为fs/29～fs/28，当选择D9尺度时，低频段的频带为fs/210～fs/29，当选择D10尺度时，低频段的频带为fs/211～fs/210。
4.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，求取低频行波信号的模极大值具体为：求取所选尺度的重构系数绝对值，并求取最大值，所有绝对值中模值大于最大值10％的为模极大值对应采样点，第一个满足以上要求的就是第一个模极大值点，用于标定行波到达时刻。
5.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，1模电压或电流的低频段的波速度v1为：
其中，L表示被测试线路的长度。
6.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，0模电压或电流的低频段的波速度v0为：
其中，L表示被测试线路的长度。
7.根据权利要求1所述的风电场集电线单相接地故障测距方法，其特征在于，故障点距离母线处的距离s具体为：
其中，Δt＝t0-t1。
8.一种风电场集电线单相接地故障测距系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于测量风电场集电线的三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；
相模变换模块，用于对三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC进行相模变换，得到模电压和模电流；
小波变换模块，用于对1模电压或模电流和0模电压或模电流行波进行小波变换，得到低频段的行波信号；
计算模块，用于求取低频行波信号的模极大值，第一个模极大值对应1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0；根据1模电压或模电流和0模电压或模电流初始行波到达保护安装处时刻t1和t0测量得到1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0；最后根据1模电压或电流低频段的波速度v1以及0模电压或电流低频段的波速度v0计算故障点距离母线处的距离s。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法的指令。
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