CN113219296A - 一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，属于输电线路故障定位技术领域。首先读取行波装置同步采集的多通道电流行波数据，对故障电流行波进行绝对值求和，将结果为最大值的通道确定为故障通道。对故障通道的原始故障电流按固定宽度滑窗累加成新的电流序列，使用CUSUM算法对新电流序列数据提取波形突变的起点，对故障通道中的突变点后的电流行波数据进行差分，根据每次差分的收敛程度获得需要的自适应故障窗口终点，按比例折算获得突变起点前的预触发数据长度，实现自适应的故障电流行波波形有效数据片段的截取。本发明提出的故障数据片段自适应截取方法不受故障位置、故障电阻、故障初相角影响。

Description

一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，属于输电线路故障定位技术领域。

背景技术

目前，输电线路的单端测距和双端测距仍存在题：例如工频分量法由于理论限制，无法根本上消除对端助增电流的影响，实际应用误差相对较大；随着行波测距装置的大量普及，积累的线路故障实录波形有助于有效分析行波特征来用以故障测距和故障分析，行波法理论上不受系统运行方式和过渡电阻影响，测距精度高于工频分量法，但是行波法的关键在于行波的准确辨识，而工程现场行波波形复杂，波头辨识困难，无效的波头辨识将导致处理复杂甚至定位结果错误。由于输电线路故障波形形态主要由故障类型、网络的拓扑结构及保护装置等相关，对于波头的标定、故障类型的识别、故障的位置等分析，都需要合适的数据窗大小，因此，分析故障波形时，选择一个合适的时窗来凸显波形的特征是非常必要的，但是如今测量时窗都是根据人工分析，依赖于人工经验，缺乏一种适用于机器自适应确定窗口的方法，迫切需要一种自适应窗口大小截取波形故障特征量，有利于对不同类型故障波形自动识别和定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，能有效截取故障前后的包含行波的时域波形，并基于波形自身的高频分量的衰减确定截取范围，有效保留波形的主导特征，从而解决目前输电线路故障行波数据由于数据窗选择不合理导致行波波头特征识别困难的问题。

本发明的技术方案是：一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，首先读取行波装置同步采集的多通道电流行波数据，对故障电流行波进行绝对值求和，将结果为最大值的通道确定为故障通道。对故障通道的原始故障电流按固定宽度滑窗累加成新的电流序列，使用CUSUM算法对新电流序列数据提取波形突变的起点，对故障通道中的突变点后的电流行波数据进行差分，根据每次差分的收敛程度获得需要的自适应故障窗口终点，按比例折算获得突变起点前的预触发数据长度，实现自适应的故障电流行波波形有效数据片段的截取。

具体步骤为：

Step1：读取多通道COMTRADE格式的故障电流行波数据，记为：

i＝[i₁，i₂，i₃，···i_n] (1)

式中，n为通道总数；

Step2：对各通道电流故障数据分别进行绝对值计算并进行求和，将计算结果最大值的通道确定为故障行波电流通道，故障电流行波数据为i_source；

Step3：对故障电流行波数据i_source按固定step宽度的滑窗进行累加，所得结果为i_step；step可选取为通道总数的十倍。

Step4：利用式(2)进行CUSUM变换对故障行波数据进行处理，处理后的信号记为g_step；

式中，g_step(0)为初值，μ(i)为i_step在i之前的数据的均值，σ(i)为i_step在i之前的数据的标准差；

Step5：设定突变起点检测阈值w_set1，w_set1取四倍μ(i)，确定CUSUM变换后的信号g_step中首个大于阈值w_set1的位置，记录为m，作为g_step突变起始点的位置；

Step6：对CUSUM变换后的信号g_step从g_step(m)往后逐一计算差分：

w_dSc(i)＝g_step(m+i)-g_step(m+i-1) (3)

选取故障电流行波的突变点到终点数据的平均值作为阈值w_set2，当首个w_dSc(i)小于阈值w_set2时，将m+i记为g_step突变终止点的位置；

Step7：将CUSUM变换后检测到的突变起点位置m，突变终点位置m+i，按式(4)换算成原始数据的起始位置t_m和终止位置t_end；

式中，t_m是电流行波故障突变起始位置，t_end是电流行波故障突变终止位置；

Step8：为了保证首波头突变的完整性及首波头在图形化显示水平相对位置的一致，以首波头起始位置t_m到检测终止位置t_end的数据总长度为基准，在突变起始点前取一定比例的预触发数据：

t_start＝t_m-R(t_end-t_m) (5)

式中，t_start是时窗起始数据点位置，t_end是时窗终止数据点位置，则截取的录波数据片段为故障电流行波i_source(k),k∈[t_start,t_end]，R为设置比例。通常取值范围为[0.2,0.5]。

本发明是利用故障线路录波的电流波形突变特征以及后续的衰减特征进行数据片段截取的确定。电流波形突变时具有陡斜的特征，使用CUSUM算法提取波形突变的起点，具有抗噪性强，鲁棒性好的特点，可靠判定波形突变，利用故障波形的特征，后续衰减逐渐趋向于一个定值，根据每次差分的收敛程度获得需要的自适应故障窗口终点，实现自适应故障电流行波波形有效数据片段的截取。

本发明的有益效果是：

(1)自适应行波数据时窗的确定了行波截取的起点和终点，有利于时窗波形特征与同种类型故障行波特征相比较。

(2)通过对行波数据的累计和差分进行预测，从而截取波形与实际波形进行对比，可以自适应选取行波波头特征较为明显，自适应行波数据时窗自适应判别突变点与累计和差分的终点，具有动态识别较好。

(3)针对现场波形复杂、接线方式多样等导致行波波头难以准确辨识的问题，本文提出的一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法。有效改善误差的稳定性，通过统一化误差方法，得到自适应长度的行波辨识时窗，能够提升行波辨识的抗干扰能力。通过分析行波特征规律，实现了不同输电线路行波故障时域窗口下行波波头的准确辨识，波头辨识为故障测距提供了可信波形图像数据片段。

附图说明

图1是本发明实录线路故障多通道电流行波数据图；

图2是本发明提取线路故障通道行波数据图；

图3是本发明实测线路故障波形差分图；

图4是本发明实测线路故障故障波形截取结果图；

图5是本发明实录近端较强故障多通道波形数据图；

图6是本发明提取近端较强故障通道行波数据图；

图7是本发明实测近端较强故障波形差分图；

图8是本发明实测近端较强故障波形截取结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：选取220kV线路故障实测行波录波一组数据，当B相发生故障时如图1所示。针对该行波数据，提出一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，包括如下步骤：

Step1：读取多通道COMTRADE格式的故障电流行波数据，如图1所示，记为：

i＝[i₁，i₂，i₃，···i₂₄] (1)

式中，n为通道总数取值为24。

Step 2：对各通道电流故障数据分别进行绝对值计算并进行求和，将计算结果最大值的通道确定为故障行波电流通道，如图2所示，记故障电流行波数据为i₉。

Step 3：对故障电流行波数据i₉按固定step宽度的滑窗进行累加，所得结果记为i_step，step可选取为10倍的通道总数为240。

Step 4：根据式(2)所列公式进行CUSUM变换对故障行波数据进行处理，处理后的信号记为g_step：

式中，g_step(0)为初值，μ(i)为i_step在i之前的数据的均值，σ(i)为i_step在i之前的数据的标准差。

Step 5：设定突变起点检测阈值w_set1，w_set1取四倍μ(i)。确定CUSUM变换后的信号g_step中首个大于阈值w_set1的位置，记录为m，m＝12，作为g_step突变起始点的位置。

Step 6：如图3所示，对CUSUM变换后的信号g_step从g_step(m)往后逐一计算差分：

w_dSc(i)＝g_step(m+i)-g_step(m+i-1) (3)

选取故障电流行波的突变点到终点数据的平均值的四分之一作为阈值w_set2＝0.079，当首个w_dSc(i)小于阈值w_set2时，将m+i记为g_step突变终止点的位置为21。

Step 7：将CUSUM变换后检测到的突变起点位置m,突变终点位置m+i按式(4)换算成原始数据的起始位置t_m和终止位置t_end：

式中，t_m是电流行波故障突变起始位置，t_end是电流行波故障突变终止位置。

本实施例中所得t_m＝2880，t_end＝5040。

Step 8：如图4所示，为了保证首波头突变的完整性及首波头在图形化显示水平相对位置的一致，以首波头起始位置t_m到检测终止位置t_end的数据总长度为基准，在突变起始点前取一定比例的预触发数据：

t_start＝t_m-R(t_end-t_m) (5)

式中，t_start是时窗起始数据点位置，t_end是时窗终止数据点位置，则截取的录波数据片段为故障电流行波i_source(k),k∈[t_start,t_end]。R为设置比例，通常取值范围为[0.2,0.5]，本实施例中选取R＝0.25作为标准,所得时窗起始数据点位置t_start＝2340。

实施例2：选取近端较强故障实测行波录波数据如图5所示。针对该行波数据，提出一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，包括如下步骤：

Step1：读取多通道COMTRADE格式的故障电流行波数据，如图5所示，记为：

i＝[i₁，i₂，i₃，···i₂₄] (1)

式中，n为通道总数取值为24。

Step 2：对各通道电流故障数据分别进行绝对值计算并进行求和，将计算结果最大值的通道确定为故障行波电流通道，如图6所示，记故障电流行波数据为i₁₀。

Step 3：对故障电流行波数据i₉按固定step宽度的滑窗进行累加，所得结果记为i_step，step可选取为通道总数的十倍，此处取为240。

Step 4：根据式(2)所列公式进行CUSUM变换对故障行波数据进行处理，处理后的信号记为g_step：

式中，初值g_step(0)＝0，μ(i)为i_step在i之前的数据的均值，σ(i)为i_step在i之前的数据的标准差。

Step 5：设定突变起点检测阈值w_set1，w_set1取四倍μ(i)。确定CUSUM变换后的信号g_step中首个大于阈值w_set1的位置，记录为m，m＝12，作为g_step突变起始点的位置。

Step 6：如图7所示，对CUSUM变换后的信号g_step从g_step(m)往后逐一计算差分：

w_dSc(i)＝g_step(m+i)-g_step(m+i-1) (3)

选取故障电流行波的突变点到终点数据的平均值的四分之一作为阈值w_set2＝0.15，当首个w_dSc(i)小于阈值w_set2时，将m+i记为g_step突变终止点的位置为19。

Step 7：将CUSUM变换后检测到的突变起点位置m,突变终点位置m+i按式(4)换算成原始数据的起始位置t_m和终止位置t_end：

式中，t_m是电流行波故障突变起始位置，t_end是电流行波故障突变终止位置。

本实施例中所得t_m＝2880，t_end＝4560。

Step 8：如图8所示，为了保证首波头突变的完整性及首波头在图形化显示水平相对位置的一致，以首波头起始位置t_m到检测终止位置t_end的数据总长度为基准，在突变起始点前取一定比例的预触发数据：

t_start＝t_m-R(t_end-t_m) (5)

式中，t_start是时窗起始数据点位置，t_end是时窗终止数据点位置，则截取的录波数据片段为故障电流行波i_source(k),k∈[t_start,t_end]。R为设置比例，通常取值范围为[0.2,0.5]，本案例中选取R＝0.25作为标准,所得时窗起始数据点位置t_start＝2460。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，其特征在于：

首先读取行波装置同步采集的多通道电流行波数据，对故障电流行波进行绝对值求和，将结果为最大值的通道确定为故障通道；对故障通道的原始故障电流按固定宽度滑窗累加成新的电流序列，使用CUSUM算法对新电流序列数据提取波形突变的起点，对故障通道中的突变点后的电流行波数据进行差分，根据每次差分的收敛程度获得需要的自适应故障窗口终点，按比例折算获得突变起点前的预触发数据长度，实现自适应的故障电流行波波形有效数据片段的截取。

2.根据权利要求1所述的输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，其特征在于具体步骤为：

Step1：读取多通道COMTRADE格式的故障电流行波数据，记为：

i＝[i₁，i₂，i₃，···i_n] (1)

式中，n为通道总数；

Step2：对各通道电流故障数据分别进行绝对值计算并进行求和，将计算结果最大值的通道确定为故障行波电流通道，故障电流行波数据为i_source；

Step3：对故障电流行波数据i_source按固定step宽度的滑窗进行累加，所得结果为i_step；

Step4：利用式(2)进行CUSUM变换对故障行波数据进行处理，处理后的信号记为g_step；

式中，g_step(0)为初值，μ(i)为i_step在i之前的数据的均值，σ(i)为i_step在i之前的数据的标准差；

Step5：设定突变起点检测阈值w_set1，w_set1取四倍μ(i)，确定CUSUM变换后的信号g_step中首个大于阈值w_set1的位置，记录为m，作为g_step突变起始点的位置；

Step6：对CUSUM变换后的信号g_step从g_step(m)往后逐一计算差分：

w_dSc(i)＝g_step(m+i)-g_step(m+i-1) (3)

选取故障电流行波的突变点到终点数据的平均值作为阈值w_set2，当首个w_dSc(i)小于阈值w_set2时，将m+i记为g_step突变终止点的位置；

Step7：将CUSUM变换后检测到的突变起点位置m，突变终点位置m+i，按式(4)换算成原始数据的起始位置t_m和终止位置t_end；

式中，t_m是电流行波故障突变起始位置，t_end是电流行波故障突变终止位置；

Step8：以首波头起始位置t_m到检测终止位置t_end的数据总长度为基准，在突变起始点前取预触发数据：

t_start＝t_m-R(t_end-t_m) (5)

式中，t_start是时窗起始数据点位置，t_end是时窗终止数据点位置，则截取的录波数据片段为故障电流行波i_source(k),k∈[t_start,t_end]，R为设置比例。

3.根据权利要求2所述的输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，其特征在于：所述Step3中，i_step中的step可选取为通道总数的十倍。

4.根据权利要求2所述的输电线路行波故障数据片段自适应截取方法，其特征在于：所述Step8中，R的取值范围为[0.2,0.5]。

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