CN113238118B - 基于s变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法。该方法通过采集柔性直流电缆两端实时电压电流数据，以故障后5ms内的电压电流为基础，构建出电缆两端所采集的故障后5ms内的暂态信号能量；采用S变换对暂态信号能量进行处理，分离出不同频带的信号能量，根据信号的衰减仅与信号频率和传播的电缆长度的特点，最终以两端同一个频率的信号能量构建故障测距方程进行故障测距。

Description

基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法

技术领域

本发明涉及一种采用双端电气量进行单一频率能量分析的柔性直流电缆故障测距方法，适用于高压直流电缆，属于电力技术领域。

背景技术

20世纪以来我国经济发展迅速，生产力不断提高，对电力能源的需求日益增大，但由于我国地域幅员辽阔，负荷中心和能源资源的分布及其不均衡，因此需要进行大规模的长远距离输电。为了降低长远距离输电带来的巨大线路耗损，输电线路的电压等级被逐渐提高，且与交流输电方式相比，直流输电具有远距离输电容量大、线路电量损耗低等优点。因此在电力需求不断增长、电力电子技术不断发展的推动下，高压直流输电、柔性直流输电等直流输电项目被越来越多的建设。但是由于直流电缆线路较长，故障时采用人工或机器巡线的效率低，不能在故障发生时及时有效的确定故障位置进行故障检修，因此迫切需要高效快速的方法对柔性直流电缆故障进行精确定位。

柔性直流电缆不同区段发生不同类型的接地故障时，在电缆首末两端所采集的电压电流波形存在明显差异。这是由于柔性直流电缆故障时故障点产生向电缆两端传播的故障暂态信号能量，而故障暂态信号中并不是单一频率的信号，而是由多种频带信号能量混合组合成的多重频率信号，不同频率的信号在直流电缆中的衰减情况不同，导致直流电缆两端所采集的电压电流原始波形存在明显的差异性。

利用“参数分离分析思想”将所测取得原始信号进行分离，把多重频率的信号分解成各单一频率的信号，利用单一频率信号进行故障机理特征分析，最终达到通过所测原始数据间接得出故障位置的目的。

在柔性直流电缆发生故障后，故障位置的不同，导致产生的暂态电气量通过输电线路向两端传播时的衰减不同，即能量在传播过程中发生了损耗，且线路的阻抗特性导致各个频带的能量损耗也具有差异。在暂态信息分离的过程中常用到傅里叶变换、快速傅里叶变换、小波变换、S变换等方法。S变换作为小波变换的延展，避免了小波基的选择，使分离后的电气量不会因小波基选择的差异造成错误计算。

对于连续信号，S变换的定义为：

式中，ω(t-τ,f)为S变换使用的窗函数，即高斯窗口，τ是控制高斯窗口变化的时移参数，f代表频率，δ为高斯窗口的窗宽，与频率f绝对值互为倒数。窗宽δ随频率f发生变化，且一个频率f对应一个窗宽δ，时频分辨率可以随着频率f发生改变，让时频分辨率更加多样化。

对于离散型信号，S变换的定义为：

其中k,m,n∈(0,N-1)，N是离散信号的采样点数量，T是采样间隔，

和

分别是离散信号和采用信号经过高斯窗函数后得到的傅里叶变换结果。

S变换处理数据后得到基于时间和频率的时频矩阵，时频矩阵行列向量分别对应着频率f和时间t，可以从矩阵清晰的看到某个时间点对应频率的幅值。得到的时频域矩阵是一个行为k+1，列为n的复矩阵，矩阵第一行为直流分量。取出固定时间点的列向量就可以得到此时间点的不同频率信号幅值特征关系，当取出复矩阵某行，就可以得到该行对应频率在时间上的变化，可以分析出单一频率随时间变化的关系。

发明内容

本发明的目的在于克服柔性直流电缆故障时人工巡检所带来的故障点难以排查且排查时间较长等问题的不足，针对柔性直流电缆故障后需要及时有效的故障测距方法对直流电缆进行故障定位的问题，提出了一种基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法。该方法通过电力监控系统采集柔性直流电缆首末两端的电压电流信号，利用S变换分离各频带的信号，并根据单一频率的信号在柔性直流电缆中衰减特性稳定的特点，构造出基于单一频率信号能量的故障测距方程组，得到故障测距结果。

一种基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法，主要包括以下步骤：

步骤1：采集柔性直流电缆故障后5ms内的两端电压电流数据，计算出5ms内直流电缆两端分别采集的故障暂态信号能量；

步骤2：利用S变换分别对两端所采集的故障暂态信号能量进行S变换处理，分离出各个信号频率的信号能量，最终形成两个暂态信号能量的S时频域矩阵。为了让挑选的单一频率的信号衰减特性良好，选择靠近柔性直流电缆固有主频率的频率信号。

步骤3：挑选步骤2中的额某一行组成特定频率的信号能量，以直流电缆两端所采集的特定信号能量为依据，结合频率确定后，信号的衰减固定的特定，形成故障测距方程。

有益效果

本发明提出了一种基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆接地故障测距方法，对柔性直流电缆接地故障测距具有积极意义。一方面，直流电缆所能够采集的原始信号较少，本发明所述方法利用采集的少量原始信号进行扩展得到更多可以反应直流电缆故障特征的信号量；另一方面，通过实时采集数据进行处理后对故障诊断，保证了在线诊断的快速性。

附图说明

图1柔性直流输电系统图；

图2单一频率故障测距原理图；

图3不同位置发生接地故障电缆两端电压电流波形；

图4不同位置发生接地故障不同频带信号能量比；

图5本发明所述方法故障测距流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，柔性直流输电系统包括交流电源、变压器、换流器、平波电抗器、直流滤波器、滤波器、直流输电线路等。直流电缆线路较长，不同位置均有可能发生故障。

如图2所示，为单一频率故障测距原理图，因直流电缆故障类型主要是单极接地故障和双极短路故障，因此针对两种故障有不同的故障测距方程组。

如图(a)所示为单极接地故障：

假设直流电缆总长为l，在距A端的d处发生单极接地短路故障，接地电阻为R_f，故障后接地点在故障极产生向AB两端传播的故障暂态行波信号，暂态信号中含有丰富的故障信息，利用A、B两站的录波器采集故障后5ms的电压电流波形，利用S变换对电压电流进行时频转换，选择靠近直流电缆固定频率的特定频率电压电流，将得到的两端特定频率的电压电流进行乘积处理，得到直流电缆故障极在故障5ms后特定频率行波能量，设A、B两端经S变换后得到特定频率行波能量记为E_A、E_B，可由时频矩阵计算出来，由故障点产生的此频率能量总和为E，直流电缆在特定频率下的传输系数为ε，在确定特定频率f后，传输系数也可确定，并且是一个常数，根据图(a)列出方程组：

上式中单位长度的电力电缆传输系数ε可在离首端距离确定长度后，设置故障，选择同一高频信号能量计算出来。因此由上述四式可计算出d的值，且计算结果理论上不受过渡电阻R_f的影响。

如图(b)所示为双极短路故障：

在直流电力电缆故障时，测量故障后5ms电力电缆两端的极间电压和极间电流，再利用S变换对电压电流进行时频转换，将某高频的两端电压电流分别进行积分，得到两端所采集的某高频的故障信号能量E_a和E_b，假设故障点处这一高频信号能量为E，正极直流电缆故障点距离A端的距离为d，单位长度电力电缆的传输系数为ε，则可得：

根据公式(7)可以计算出正极直流电缆故障点距离A端的距离，且理论上过渡电阻阻值并不会影响测距的精度。

图3、4可知不同位置发生接地故障电缆两端电压电流波形具有较大差异且分离后的频率信号在总的信号中的占比具有差异。

如图5所示为本发明所述方法故障测距流程图。

步骤1：利用故障录波器录制直流电缆正负两极故障后5ms内的线芯电压电流，计算出直流电缆极间电压电流。

步骤2：根据确定的故障类型，选择将故障极或极间的电压电流进行S变换，时频转换处理，得到各频带故障极或极间的电压电流频域谱，假设以电缆总长为故障点距端点的长度，根据固有主频率公式计算出确定直流电缆长度后的固有主频率，根据选定的直流电缆主频率选择合适的电压电流特征频率，将电压电流特征频率幅值取乘积，得到直流电缆故障后5ms内的信号特征频率能量。

步骤3：针对直流电缆两种不同类型的电气故障，选择相应的故障测距公式，把信号特征频率能量代入，得到故障点距离首末端的距离，完成故障测距。

Claims (1)

1.基于S变换单一频率能量的柔性直流电缆故障测距方法，其特征在于：采集柔性直流电缆两端的实时运行电压电流数据，取故障后5ms的电压电流构建出故障内5ms直流电缆两端所分别采集的故障暂态信号能量；然后将采集的故障暂态信号能量使用S变换将不同频带的信号能量分离出来，选择柔性直流电缆两端其中的单一频率的信号能量，根据信号在电缆中传播衰减特性仅与信号频率和电缆长度有关，构造出不同故障类型的故障测距方程组；

针对单极接地故障的故障测距方程组为：

其中E_A、E_B为A、B两端经S变换后得到的靠近柔性直流电缆固有主频率且信号衰减特性良好的信号的行波能量，E为故障点产生的此频率能量总和，ε为直流电缆在该频率下的传输系数，l为线路总长，d为故障点位置；

针对双极短路故障的故障测距方程组为：

其中E_a、E_b为两端电压电流分别进行积分得到的两端高频故障信号能量，E为故障点产生的此频率能量总和，ε为直流电缆在该频率下的传输系数，l为线路总长，d为故障点位置。

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