CN113092946A - 一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网多分支架空‑电缆混合线路接地故障定位方法及装置，方法为：将配电网每条分支线路线路类型划分区段，在每相邻两个区段连接处设置模拟故障点，在配电网母线观测点设置行波采集装置；行波采集装置采集行波信号，进而提取获取每个模拟故障点的行波全波形；当电网发生实际故障后，相同获取实际故障的行波全波形；将实际故障行波全波形与每个模拟故障点的行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；根据初始行波到达时刻，以及已确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。本发明可提升故障定位的准确度和快速性。

Description

一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法及 装置

技术领域

本发明涉及配电网故障检测技术领域，尤其涉及一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法及装置。

背景技术

随着现代城市建设的发展，城市用电负荷不断增大，现有架空线路已经无法满足城市发展的需要，而且纵横交错的架空线路也影响城市的整体形象。因此，电缆供电取代原有的架空线路供电已成为城市电网发展的必然趋势。但由于电缆的投资造价相当高，大部分能利用架空线路的路径，一般不采用单纯的电缆供电方式，这就出现了许多架空线和电缆的混合线路，而架空-电缆混合线路的广泛应用，使得其故障精确定位具有越来越重要的意义。

发明内容

本发明提供一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法及装置，以提升配电网多分支架空-电缆混合线路中单向接地故障定位的准确度和快速性。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法，包括：

步骤1，将配电网每条分支线路均按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到若干区段，在每相邻两个区段连接处设置1个模拟故障点；另外在配电网的母线设置观测点，并在观测点设置行波采集装置；

步骤2，从行波采集装置记录的每个模拟故障点反射的行波信号中截取预设时间窗的行波信号，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；所有模拟故障点对应的全波形构建得到电网行波全波形数据库；

步骤3，当电网发生实际故障后，从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解得到全波形；

步骤4，将实际故障行波全波形与电网行波全波形数据库中的每个行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；设实际故障所在区段F的前方有m个架空线路区段和n个电缆线路区段；

步骤5，根据步骤3的初始行波到达时刻t₁，以及步骤4确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

在更优的技术方案中，步骤4的具体对比方法为：

步骤4.1，针对实际故障行波全波形以及电网行波全波形数据库中的每个行波全波形，均将每个频段的连续小波系数在时域上进行等分为N个时间小块，按以下计算行波全波形在每个频段每个时间小块的能量，每个行波全波形的所有频率所有时间块的能量构成时大小为M×N的能谱矩阵E：

其中，E(j,i)表示行波全波形在第j个频段第i个时间小块的能量，d_j(k)表示行波全波形在第j个频段内第k个采样点对应的连续小波系数；i₁和i_N为第i个时间小块的起始与结束采样点，M为行波全波形进行时-频分解的频段数

步骤4.2，根据每个模拟故障点对应的能谱矩阵E_G和实际故障行波全波形的时-频能谱矩阵，计算实际故障与每个模拟故障点之间的故障行波波形相关性D_AG，并归一化得到波形相关系数ρ_AG，其中最大关系数对应的模拟故障点N_n所在分支线路即为实际故障所在分支线路；其中波形相关性和相关系数的计算公式为：

步骤4.3，搜索模拟故障点N_n左右预设距离范围内的所有模拟故障点，提取步骤3对应计算得到的波形相关系数，取其中相关系数最大的两个模拟故障点，该两个模拟故障点之间的区段即为实际故障点所在线路区段。

在更优的技术方案中，步骤5按以下方式计算实际故障至母线的距离L：

若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则

若实际故障所在区段的线路类型为电缆线路，则

式中，v₁和v₂分别为行波线模分量在架空线路和电缆上的传播速度，l_o,i为实际故障所在分支线路上第i个区段的架空线路的长度，l_c,j为实际故障所在分支线路上第j个区段的电缆线路的长度，l_a为母线与实际故障所在分支线路的分叉点至检测点的距离，v₀为行波线模分量在母线上的传播速度。

一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位装置，包括模拟故障设置模块、行波采集装置、波形截取模块、时-频分解模块、区段定位模块和精准距离定位模块；

所述模拟故障设置模块，用于在每相邻两个区段连接处设置模拟故障点；所述区段由配电网每条分支线路按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到；

在构建电网行波全波形数据库时：所述行波采集装置，设置于配电网的母线观测点处，用于记录每个模拟故障点反射的行波信号；所述波形截取模块用于对每个模拟故障点反射的行波信号截取预设时间窗的行波信号；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

当电网发生实际故障后：所述波形截取模块，用于从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

所述区段定位模块，用于当电网发生实际故障后，将实际故障行波全波形与每个模拟故障点的故障行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；设实际故障所在区段F的前方有m个架空线路区段和n个电缆线路区段；

所述精准距离定位模块，用于当电网发生实际故障后，根据初始行波到达时刻t₁，以及区段定位模块确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

在更优的技术方案中，所述区段定位模块确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型的具体方法为：

首先，针对实际故障行波全波形以及电网行波全波形数据库中的每个行波全波形，均将每个频段的连续小波系数在时域上进行等分为N个时间小块，按以下计算行波全波形在每个频段每个时间小块的能量，每个行波全波形的所有频率所有时间块的能量构成时大小为M×N的能谱矩阵E：

其中，E(j,i)表示行波全波形在第j个频段第i个时间小块的能量，d_j(k)表示行波全波形在第j个频段内第k个采样点对应的连续小波系数；i₁和i_N为第i个时间小块的起始与结束采样点，M为行波全波形进行时-频分解的频段数；

然后，根据每个模拟故障点对应的能谱矩阵E_G和实际故障行波全波形的时-频能谱矩阵，计算实际故障与每个模拟故障点之间的故障行波波形相关性D_AG，并归一化得到波形相关系数ρ_AG，其中最大关系数对应的模拟故障点N_n所在分支线路即为实际故障所在分支线路；其中波形相关性和相关系数的计算公式为：

最后，搜索模拟故障点N_n左右预设距离范围内的所有模拟故障点，提取步骤3对应计算得到的波形相关系数，取其中相关系数最大的两个模拟故障点，该两个模拟故障点之间的区段即为实际故障点所在线路区段。

在更优的技术方案中，所述精准距离定位模块按以下方式计算实际故障至母线的距离L：

若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则

若实际故障所在区段的线路类型为电缆线路，则

式中，v₁和v₂分别为行波线模分量在架空线路和电缆上的传播速度，l_o,i为实际故障所在分支线路上第i个区段的架空线路的长度，l_c,j为实际故障所在分支线路上第j个区段的电缆线路的长度，l_a为母线与实际故障所在分支线路的分叉点至检测点的距离，v₀为行波线模分量在母线上的传播速度。

有益效果

本发明通过运用连续小波变换提取故障行波时域和频域故障信息，对故障行波波形进行时–频多尺度观测，展现全景故障信息，实现宽频带行波信号时–频域可观测，通过将实际故障行波与模拟故障行波的全波形对比，可以减小由于混合线路对行波定位精确度的影响，因此实现了对故障位置的相对精确定位，更容易对故障进行及时处理。

附图说明

图1为架空线路-电缆混合线路模型中实际故障发生在第m+1段架空线路的示意图；

图2为架空线路-电缆混合线路模型中实际故障发生在第n+1段架空线路的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1，将配电网每条分支线路均按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到若干区段，在每相邻两个区段连接处设置1个模拟故障点；另外在配电网的母线设置观测点，并在观测点设置行波采集装置；

步骤2，行波采集装置记录的每个模拟故障点反射的行波信号中截取预设时间窗的行波信号，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解，展现模拟故障的行波时–频域全景信息，得到行波全波形；所有模拟故障点对应的全波形构建得到电网行波全波形数据库；

步骤3，当电网发生实际故障后，从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解，展现实际故障的行波时–频域全景信息，得到全波形；

步骤4，将实际故障行波全波形与电网行波全波形数据库中的每个行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；本实施例具体步骤包括：

步骤4.1，针对实际故障行波全波形以及电网行波全波形数据库中的每个行波全波形，均将每个频段的连续小波系数在时域上等分为N＝100个时间小块，按以下公式计算行波全波形在每个频段每个时间小块的能量，每个行波全波形的所有频率所有时间块的能量构成时大小为M×N的能谱矩阵E：

其中，E(j,i)表示行波全波形在第j个频段第i个时间小块的能量，d_j(k)表示行波全波形在第j个频段内第k个采样点对应的连续小波系数；i₁和i_N为第i个时间小块的起始与结束采样点，M为行波全波形进行时-频分解的频段数；

步骤4.2，根据每个模拟故障点对应的能谱矩阵E_G和实际故障行波全波形的时-频能谱矩阵E_A，计算实际故障与每个模拟故障点之间的故障行波波形相关性D_AG，并归一化得到波形相关系数ρ_AG；其中波形相关性和相关系数的计算公式为：

根据上式计算得到的波形相关系数ρ_AG，代表检测点检测到某一时间窗内全频带行波波形的相关匹配度，可以准确地估计出故障波形之间的相关性，取值区间为[-1,1]，正负号表示相关的方向，绝对值大小表示相关的程度。对波形相关系数ρ有如下的认定：

距离故障点越近，越接近1；围绕故障点，ρ大于0.8，为高度相关；非故障线路，ρ小于0.3，为微相关。因此，本实施例可根据波形相关系数来确定实际故障所在的分支线路以及所在的线路区段。在该步骤4.2中，最大相关系数对应的模拟故障点N_n所在分支线路，即为实际故障所在分支线路。

步骤4.3，搜索模拟故障点N_n左右预设距离范围内的所有模拟故障点，提取步骤3对应计算得到的波形相关系数，取其中相关系数最大的两个模拟故障点，该两个模拟故障点之间的区段即为实际故障点所在线路区段。

步骤5，根据初始行波到达时刻t₁，以及步骤4确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

图1为架空线路-电缆混合线路模型，在实际故障区段前有m段架空线路和n段电缆线路。如果故障发生在第m+1段架空线路上，初始行波到达时刻t₁可表示如下：

式中，v₁和v₂分别为行波线模分量在架空线路和电缆上的传播速度，l_o,i为实际故障所在分支线路上第i个区段的架空线路的长度，l_c,j为实际故障所在分支线路上第j个区段的电缆线路的长度，l_a为母线与实际故障所在分支线路的分叉点至检测点的距离，v₀为行波线模分量在母线上的传播速度。

因此，若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则实际故障至母线的距离计算公式推导为：

同理，如果故障发生在第m+1段架空线路上，如图2所示，初始行波到达时刻t₁可表示如下：

因此，若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则实际故障至母线的距离计算公式推导为：

与上述实施例所述的配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法相对应，本发明还提供一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位装置，包括模拟故障设置模块、行波采集装置、波形截取模块、时-频分解模块、区段定位模块和精准距离定位模块；

所述模拟故障设置模块，用于在每相邻两个区段连接处设置模拟故障点；所述区段由配电网每条分支线路按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到；

在构建电网行波全波形数据库时：所述行波采集装置，设置于配电网的母线观测点处，用于记录每个模拟故障点反射的行波信号；所述波形截取模块用于对每个模拟故障点反射的行波信号截取预设时间窗的行波信号；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

当电网发生实际故障后：所述波形截取模块，用于从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

所述区段定位模块，用于当电网发生实际故障后，将实际故障行波全波形与每个模拟故障点的故障行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；设实际故障所在区段F的前方有m个架空线路区段和n个电缆线路区段；

所述精准距离定位模块，用于当电网发生实际故障后，根据初始行波到达时刻t₁，以及区段定位模块确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，将配电网每条分支线路均按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到若干区段，在每相邻两个区段连接处设置1个模拟故障点；另外在配电网的母线设置观测点，并在观测点设置行波采集装置；

步骤2，行波采集装置记录的每个模拟故障点反射的行波信号中截取预设时间窗的行波信号，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；所有模拟故障点对应的全波形构建得到电网行波全波形数据库；

步骤3，当电网发生实际故障后，从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形，并采用连续小波变换对预设时间窗的行波信号进行时-频分解得到全波形；

步骤4，将实际故障行波全波形与电网行波全波形数据库中的每个行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；设实际故障所在区段F的前方有m个架空线路区段和n个电缆线路区段；

步骤5，根据步骤3初始行波到达时刻t₁，以及步骤4确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4的具体对比方法为：

步骤4.1，针对实际故障行波全波形以及电网行波全波形数据库中的每个行波全波形，均将每个频段的连续小波系数在时域上进行等分为N个时间小块，按以下计算行波全波形在每个频段每个时间小块的能量，每个行波全波形的所有频率所有时间块的能量构成时大小为M×N的能谱矩阵E：

其中，E(j,i)表示行波全波形在第j个频段第i个时间小块的能量，d_j(k)表示行波全波形在第j个频段内第k个采样点对应的连续小波系数；i₁和i_N为第i个时间小块的起始与结束采样点，M为行波全波形进行时-频分解的频段数；

步骤4.2，根据每个模拟故障点对应的能谱矩阵E_G和实际故障行波全波形的时-频能谱矩阵，计算实际故障与每个模拟故障点之间的故障行波波形相关性D_AG，并归一化得到波形相关系数ρ_AG，其中最大关系数对应的模拟故障点N_n所在分支线路即为实际故障所在分支线路；其中波形相关性和相关系数的计算公式为：

步骤4.3，搜索模拟故障点N_n左右预设距离范围内的所有模拟故障点，提取步骤3对应计算得到的波形相关系数，取其中相关系数最大的两个模拟故障点，该两个模拟故障点之间的区段即为实际故障点所在线路区段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5按以下方式计算实际故障至母线的距离L：

若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则

若实际故障所在区段的线路类型为电缆线路，则

式中，v₁和v₂分别为行波线模分量在架空线路和电缆上的传播速度，l_o,i为实际故障所在分支线路上第i个区段的架空线路的长度，l_c,j为实际故障所在分支线路上第j个区段的电缆线路的长度，l_a为母线与实际故障所在分支线路的分叉点至检测点的距离，v₀为行波线模分量在母线上的传播速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复步骤3-5共K次，设第k次测得实际故障至母线的距离为L_i，使用K个距离进行最小二乘估计，得到融合测距结果

其中最小二乘估计表示为：

若某次测得的实际故障至母线的距离L_a与融合测距结果

相距超过预设值，则认为该次测得到的距离L_a为不良数据，将该数据L_a剔除，使用其余实际故障至母线的距离L_i,i≠a重新计算融合测距结果

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，N＝100。

6.一种配电网多分支架空-电缆混合线路接地故障定位装置，其特征在于，包括模拟故障设置模块、行波采集装置、波形截取模块、时-频分解模块、区段定位模块和精准距离定位模块；

所述模拟故障设置模块，用于在每相邻两个区段连接处设置模拟故障点；所述区段由配电网每条分支线路按照架空线路和电缆两种线路类型划分得到；

在构建电网行波全波形数据库时：所述行波采集装置，设置于配电网的母线观测点处，用于记录每个模拟故障点反射的行波信号；所述波形截取模块用于对每个模拟故障点反射的行波信号截取预设时间窗的行波信号；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

当电网发生实际故障后：所述波形截取模块，用于从实际故障点反射的初始行波到达检测点的时刻t₁开始，截取预设时间窗的行波波形；所述时-频分解模块，用于对截取的行波信号进行时-频分解得到行波全波形；

所述区段定位模块，用于当电网发生实际故障后，将实际故障行波全波形与每个模拟故障点的故障行波全波形进行对比，确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型；设实际故障所在区段F的前方有m个架空线路区段和n个电缆线路区段；

所述精准距离定位模块，用于当电网发生实际故障后，根据初始行波到达时刻t₁，以及区段定位模块确定的实际故障所在分支线路、区段和线路类型，计算实际故障至母线的距离。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述区段定位模块确定实际故障所在分支线路、区段和线路类型的具体方法为：

首先，针对实际故障行波全波形以及电网行波全波形数据库中的每个行波全波形，均将每个频段的连续小波系数在时域上进行等分为N个时间小块，按以下计算行波全波形在每个频段每个时间小块的能量，每个行波全波形的所有频率所有时间块的能量构成时大小为M×N的能谱矩阵E：

其中，E(j,i)表示行波全波形在第j个频段第i个时间小块的能量，d_j(k)表示行波全波形在第j个频段内第k个采样点对应的连续小波系数；i₁和i_N为第i个时间小块的起始与结束采样点，M为行波全波形进行时-频分解的频段数

然后，根据每个模拟故障点对应的能谱矩阵E_G和实际故障行波全波形的时-频能谱矩阵，计算实际故障与每个模拟故障点之间的故障行波波形相关性D_AG，并归一化得到波形相关系数ρ_AG，其中最大关系数对应的模拟故障点N_n所在分支线路即为实际故障所在分支线路；其中波形相关性和相关系数的计算公式为：

最后，搜索模拟故障点N_n左右预设距离范围内的所有模拟故障点，提取步骤3对应计算得到的波形相关系数，取其中相关系数最大的两个模拟故障点，该两个模拟故障点之间的区段即为实际故障点所在线路区段。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述精准距离定位模块按以下方式计算实际故障至母线的距离L：

若实际故障所在区段的线路类型为架空线路，则

若实际故障所在区段的线路类型为电缆线路，则

式中，v₁和v₂分别为行波线模分量在架空线路和电缆上的传播速度，l_o,i为实际故障所在分支线路上第i个区段的架空线路的长度，l_c,j为实际故障所在分支线路上第j个区段的电缆线路的长度，l_a为母线与实际故障所在分支线路的分叉点至检测点的距离，v₀为行波线模分量在母线上的传播速度。

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