CN113376478B - 一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法 - Google Patents

一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，所述故障定位方法包括步骤：对故障起始时刻t进行标定：利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱；计算Canny能量谱阈值及标定出目标信号的故障起始时刻t，依据所述标定步骤，计算出输电线路的两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差，利用双端测距公式进行故障定位。本发明所提供的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法可对雷击线路、低阻接地短路故障、高阻接地短路故障等都具有较高的定位精度。本发明所提供的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法受故障类型的影响小，抗噪能力强，定位精度高，具有较强的鲁棒性。

Description

一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法
技术领域
本发明属于电力领域，特别涉及一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法。
背景技术
输电线路容易出现雷击或短路故障。准确的故障定位方法可以大大缩短供电恢复时间，提升电力系统可靠性。因此，短路故障定位是电力行业关注的重要问题之一。
现有的电力系统短路故障定位方法主要有阻抗法和行波法两种。
其中，阻抗法的定位精度易受线路参数和系统参数的影响。行波法又有很多变种，如基于模极大值的小波法、数学形态法、希尔伯特黄变换、独立分量法、以及固有频率法等双端或单端行波分析方法。利用行波原理进行双端定位的核心问题之一是准确标定暂态波形的起始点。上述各行波法中的参数较难根据短路故障波形特征做出自适应调节，对高阻接地以及故障角为0°等类型的短路故障的定位精度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，应用于线路雷击或短路故障定位。
本发明的一种基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法，包括步骤：
对故障起始时刻t进行标定：
利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱；
计算Canny能量谱阈值及标定出目标信号的故障起始时刻t，
依据所述标定步骤，计算出输电线路的两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差，利用双端测距公式进行故障定位。
进一步，
通过去除雷击或短路故障的暂态波形中的工频分量得到所述去工频暂态波形。
进一步，
所述输电线路遭雷击或发生短路故障时，测量得到所述输电线路附近或变电站内的三相暂态波形[xa(n),xb(n),xc(n)]，所述三相暂态波形[xa(n),xb(n),xc(n)]为选自下列物理量的波形：电压、电场、电流或者磁场，变量n表示测量期间的任意时刻点，
或
测量得到所述输电线路附近或变电站内的单相、两相或多于三相的多相暂态波形。
进一步，
将所述三相暂态波形[xa(n),xb(n),xc(n)]分别减去同相位的三相工频波形，得到不含工频信号的去工频三相暂态波形[gfa(n),gfb(n),gfc(n)]，选取所述去工频三相暂态波形[gfa(n),gfb(n),gfc(n)]中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，
或
将所述单相暂态波形减去同相位的单相工频波形，得到不含工频信号的去工频单相暂态波形，选取所述去工频单相暂态波形作为待分析暂态波形gf(n)，
或
将所述两相暂态波形减去同相位的两相工频波形，得到不含工频信号的去工频两相暂态波形，选取所述去工频两相暂态波形中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，
或
将所述多于三相的多相暂态波形减去同相位的多于三相的多相工频波形，得到不含工频信号的多于三相的多相去工频暂态波形，选取所述多相去工频暂态波形中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，
所述待分析暂态波形gf(n)即为所述去工频暂态波形。
进一步，
在所述去工频两相暂态波形，去工频三相暂态波形[gfa(n),gfb(n),gfc(n)]或多于三相的多相去工频暂态波形中，选取幅值变化最大的一相波形作为所述待分析暂态波形gf(n)。
进一步，
所述利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱包括：
采用Canny算子计算待分析暂态波形gf(n)的Canny值Ccan(k)：
Figure GDA0004106093190000031
其中，所述待分析暂态波形gf(n)为数组形式，N为gf(n)的数组长度或采样点个数，取值是5000～1000000中的正整数，W＝3σ，σ是Canny算子的窗口长度，取值是1～1000中的正整数，i和k为整数，Canny算子
fcanny(x)的表达式为：
Figure GDA0004106093190000032
再计算待分析暂态波形gf(n)的Canny能量谱ECan(k1)：
Figure GDA0004106093190000033
k1为整数。
进一步，
所述计算Canny能量谱阈值及标定出目标信号的故障起始时刻包括：
将Canny能量谱ECan(k1)按照大小排序，并分为m组能量谱值，且m是2～N中的任意正整数；设i1为正整数且i1≤m，第i1组能量谱值中所含能量元素个数为ni1，平均值为si1，第i1组能量谱值出现的概率pi1为：
Figure GDA0004106093190000034
然后计算类间方差
Figure GDA0004106093190000035
i2为正整数且i2∈[2,m]，
Figure GDA0004106093190000036
其中，ω1(i2)和ω2(i2)为概率且满足：
Figure GDA0004106093190000041
μ1(i2)和μ2(i2)为类间均值且满足：
Figure GDA0004106093190000042
其中，j1，j2，j3和ni1为正整数，
再确定所述类间方差
Figure GDA0004106093190000043
的值为最大时的i2，并取预期阈值/>
Figure GDA0004106093190000044
为第i2组能量谱值的平均值，在Canny能量谱ECan(k1)中，第一个大于所述预期阈值/>
Figure GDA0004106093190000045
的Canny能量值ECan(k1)对应的时刻点即为所述目标信号的故障起始时刻t。
进一步，
在所述计算出输电线路两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差之前，分别标定所述输电线路发生短路故障或遭受雷击后、信号测量点测量到的所述输电电路两端的暂态信号的故障起始时刻。
进一步，
根据所述输电线路两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差、行波的波速和线路长度，通过双端测距公式实现故障定位。
进一步，
所述输电线路为架空输电线路、配网线路、电缆线路或由架空线与电缆构成的混合线路，
所述信号测量点设于所述输电线路的末端。
本发明所提供的基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法可对雷击线路、低阻接地短路故障、高阻接地短路故障等都具有较高的定位精度。本发明所提供的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法受故障类型的影响小，抗噪能力强，定位精度高，具有较强的鲁棒性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法示意图；
图2示出了根据本发明实施例的500kV电力系统故障仿真模型；
图3示出了根据本发明实施例的500kV电力系统线路A端测量的三相暂态电压波形[xAa(n),xAb(n),xAc(n)]示意图；
图4示出了根据本发明实施例的500kV电力系统线路B端测量的三相暂态电压波形[xBa(n),xBb(n),xBc(n)]示意图；
图5示出了根据本发明实施例的不含工频信号的、500kV电力系统线路A端测量的三相暂态电压波形[gAa(n),gAb(n),gAc(n)]示意图；
图6示出了根据本发明实施例的不含工频信号的、500kV电力系统线路B端测量的三相暂态电压波形[gBa(n),gBb(n),gBc(n)]示意图；
图7示出了根据本发明实施例的500kV电力系统线路A端测量的A相暂态电压的Canny功率谱及阈值；
图8示出了根据本发明实施例的500kV电力系统线路B端测量的A相暂态电压的Canny功率谱及阈值。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，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。
图1示出了本发明的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法。参见图1，本发明的基于边缘检测的输电线路(简称线路)雷击或短路故障定位方法中，首先，去除雷击或短路故障的暂态波形中的工频分量，得到去工频暂态波形；然后，利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱；之后，计算Canny能量谱阈值，标定出目标信号的故障起始时刻；最后，分别标定线路两端发生短路故障或遭受雷击后、信号测量点测得的暂态信号的起始时刻之后，计算出线路两端的暂态信号到达信号测量点的时间差，再利用双端测距公式进行故障定位。
本发明的基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法在具体实施时，考虑到线路发生故障后，故障行波会向线路两端传输。因而一般在线路末端搭建测量系统，测量传输过来的故障行波，并以此定位。因此本发明在具体实施时，信号测量点往往建在线路末端，具体而言，可将进行信号测量的测量系统装在线路末端的变电站内，输电铁塔上，或装在线路末端的输电线路下方任意有空间的地方。
下面以500kV电力系统的一种故障工况为例，阐述本发明的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法。所述500kV电力系统的模型如图2所示。所述模型的线路由A端至B端长度为200km，故障电阻R为100Ω，故障角度为60°，线路中所发生的故障位于所述A端与B端之间且距A端50km，信号测量装置的采样频率为1MHz，采样时间为20ms。下面设500kV电力系统为三相电压系统。具体的电力系统还可为单相电压系统、两相电压系统或多于三相的多相电压系统，本发明的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法同样可适用于这些电力系统。
步骤1，当发生单相接地故障时，在线路A端测量得到如图3所示的三相暂态波形[xAa(n),xAb(n),xAc(n)]；在线路B端测量得到如图4所示的三相暂态波形[xBa(nn),xBb(nn),xBc(nn)]。本实施例中，三相暂态波形[xAa(n),xAb(n),xAc(n)]和[xBa(nn),xBb(nn),xBc(nn)]均为电压波形，实际工作中，还可采用电场、电流或者磁场波形。其中，变量n和nn表示测量期间的任意时刻点，n和nn为正整数。
将所述线路A端和B端测量得到的三相暂态电压波形[xAa(n),xAb(n),xAc(n)]和[xBa(nn),xBb(nn),xBc(nn)]后，再分别减去同相位的三相工频电压波形，可分别得到线路A端不含工频信号的去工频暂态电压波形[gAa(n),Ab(n),Ac(n)]和线路B端的不含工频信号的去工频暂态电压波形[gBa(nn),gBb(nn),gBc(nn)]。去工频暂态电压波形[gAa(n),gAb(n),gAc(n)]如图5所示，去工频暂态电压波形[gBa(nn),gBb(nn),gBc(nn)]如图6所示。
步骤2，对于线路A端的去工频暂态电压波形[gAa(n),gAb(n),gAc(n)]，因为A相去工频暂态电压相对于B和C两相的变化幅度更大，所以选取A相去工频暂态电压波形gAa(n)进行故障定位分析；对于线路B端的去工频暂态电压波形[gBa(nn),gBb(nn),gBc(nn)]，同理，也选取变化幅度最大的A相去工频暂态电压波形gBa(nn)进行故障定位分析。
步骤3，选取σ＝1，W＝3，gAa(n)和gBa(nn)的采样点个数都取为20000。采用Canny算子分别计算去工频暂态电压波形gAa(n)和gBa(nn)的Canny值CCANA(k)和CCANB(kk)：
Figure GDA0004106093190000071
Figure GDA0004106093190000072
其中，Canny算子为
Figure GDA0004106093190000073
σ是Canny算子的窗口长度，取值是1～1000中的正整数，W＝3σ，i，ii，k和kk为整数。本实施例中，σ＝1，W＝3，采样点个数N＝20000。
步骤4，计算去工频暂态电压波形gAa(n)和gBa(nn)的Canny能量谱EcanA(k1)和EcanB(kk1)：
Figure GDA0004106093190000074
Figure GDA0004106093190000081
其中，采样点序号k1和kk1为整数，max代表在所有采样点中取最大。
步骤5，将Canny能量谱EcanA(k1)的各点值按照大小排序，并分为1000组；设第i1(i1为小于1000的正整数)组中所含元素个数为nAi1，平均值为sAi1，每一组Canny能量谱EcanA(k1)中的值出现的概率为：
pAi1＝nAi1/20000.#(6)，
其中，nAi1为正整数。
步骤6，计算Canny能量谱EcanA(k1)的类间方差
Figure GDA0004106093190000082
i2为正整数且i2∈[2,1000]，
Figure GDA0004106093190000083
其中，ω1(i2)和ω2(i2)为概率且满足：
Figure GDA0004106093190000084
μ1(i2)和μ2(i2)为类间均值且满足：
i2-11000
μ1(i2)＝ΣsAj2pAj2/ω1(i2),μ2(i2)＝ΣsAj3pAj3/ω2(i2).#(8)，
j2＝1j3＝i
其中，j1，j2，j3和nAi1为正整数。
步骤7，当i2＝397时，Canny能量谱EcanA(k1)的类间方差
Figure GDA0004106093190000085
最大，因此，预期阈值(即第一预期阈值)/>
Figure GDA0004106093190000086
即为第397组的平均值0.3965。图7所示即为线路A端测量的A相暂态电压的Canny功率谱(即Canny能量谱EcanA(k1))及阈值(即第一预期阈值/>
Figure GDA0004106093190000087
)。
步骤8，在Canny能量谱EcanA(k1)中，第一个大于第一预期阈值
Figure GDA0004106093190000088
的Canny能量值对应的时刻点即为标定的第一暂态信号起始时刻tA＝24.236ms。
步骤9，将Canny能量谱EcanB(kk1)的各点值按照大小排序，并分为1000组；设第i3(i3为小于1000的正整数)组中所含元素个数为nBi3，平均值为sBi3，每一组Canny能量谱EcanB(kk1)值出现的概率为：
pBi3＝nBi3/20000#(9)，
其中，nBi3为正整数。
步骤10，计算Canny能量谱EcanB(kk1)的类间方差
Figure GDA0004106093190000091
i4为正整数且i4∈[2,1000]，
Figure GDA0004106093190000092
步骤11，当i4＝394时，Canny能量谱EcanB(kk1)的类间方差
Figure GDA0004106093190000093
最大，因此，预期阈值(即第二预期阈值)/>
Figure GDA0004106093190000094
即为第394组的平均值0.3735。图8所示即为线路B端测量的A相暂态电压的Canny功率谱(即Canny能量谱EcanB(kk1))及阈值(即第二预期阈值)/>
Figure GDA0004106093190000095
步骤12，在Canny能量谱EcanB(kk1)中，第一个大于预期阈值
Figure GDA0004106093190000096
的Canny能量值对应的时刻点即为标定的第二暂态信号起始时刻tB＝24.572ms。
步骤13，已知线路长度D为200km，并利用重合闸数据得到已知的行波速度v为298m/μs，计算故障点与A端的距离d为
Figure GDA0004106093190000097
其中，tA-tB即为线路两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差。上述计算结果表明，采用本发明进行定位，定位的结果离真实的故障点50km的定位误差仅为64m。
本发明所提供的基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法可对雷击线路、低阻接地短路故障、高阻接地短路故障等都具有较高的定位精度。本发明所提供的基于边缘检测的输电线路雷击或短路故障定位方法受故障类型的影响小，抗噪能力强，定位精度高，具有较强的鲁棒性。所述线路不仅适用于架空输电线路，也适用于配网线路、电缆线路以及由架空线与电缆构成的混合线路。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，其特征在于，包括步骤：对故障起始时刻t进行标定：利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱；计算Canny能量谱阈值及标定出目标信号的故障起始时刻t，依据所述标定步骤，计算出输电线路的两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差，利用双端测距公式进行故障定位；
其中，通过去除雷击或短路故障的暂态波形中的工频分量得到所述去工频暂态波形；
所述输电线路遭雷击或发生短路故障时，测量得到所述输电线路附近或变电站内的三相暂态波形[xa(n)，xb(n)，xc(n)]，所述三相暂态波形[xa(n)，xb(n)，xc(n)]为选自下列物理量的波形：电压、电场、电流或者磁场，变量n表示测量期间的任意时刻点，或测量得到所述输电线路附近或变电站内的单相、两相或多于三相的多相暂态波形；
将所述三相暂态波形[xa(n)，xb(n)，xc(n)]分别减去同相位的三相工频波形，得到不含工频信号的去工频三相暂态波形[gfa(n)，gfb(n)，gfc(n)]，选取所述去工频三相暂态波形[gfa(n)，gfb(n)，gfc(n)]中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，或将所述单相暂态波形减去同相位的单相工频波形，得到不含工频信号的去工频单相暂态波形，选取所述去工频单相暂态波形作为待分析暂态波形gf(n)，或将所述两相暂态波形减去同相位的两相工频波形，得到不含工频信号的去工频两相暂态波形，选取所述去工频两相暂态波形中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，或将所述多于三相的多相暂态波形减去同相位的多于三相的多相工频波形，得到不含工频信号的多于三相的多相去工频暂态波形，选取所述多相去工频暂态波形中一相波形作为待分析暂态波形gf(n)，所述待分析暂态波形gf(n)即为所述去工频暂态波形；
在所述去工频两相暂态波形，去工频三相暂态波形[gfa(n)，gfb(n)，gfc(n)]或多于三相的多相去工频暂态波形中，选取幅值变化最大的一相波形作为所述待分析暂态波形gf(n)；
所述利用Canny算子求取去工频暂态波形的Canny能量谱包括：采用Canny算子计算待分析暂态波形gf(n)的Canny值Ccan(k)：
Figure FDA0004106093180000021
其中，所述待分析暂态波形gf(n)为数组形式，N为gf(n)的数组长度或采样点个数，取值是5000～1000000中的正整数，W＝3σ，σ是Canny算子的窗口长度，取值是1～1000中的正整数，i和k为整数，Canny算子fcanny(x)的表达式为：
Figure FDA0004106093180000022
再计算待分析暂态波形gf(n)的Canny能量谱ECan(k1)：
Figure FDA0004106093180000023
k1为整数；
所述计算Canny能量谱阈值及标定出目标信号的故障起始时刻包括：将Canny能量谱ECan(k1)按照大小排序，并分为m组能量谱值，且m是2～N中的任意正整数；设i1为正整数且i1≤m，第i1组能量谱值中所含能量元素个数为ni1，平均值为si1，第i1组能量谱值出现的概率pi1为：
Figure FDA0004106093180000031
然后计算类间方差
Figure FDA0004106093180000032
i2为正整数且i2∈[2，m]，/>
Figure FDA0004106093180000033
其中，ω1(i2)和ω2(i2)为概率且满足：
Figure FDA0004106093180000034
μ1(i2)和μ2(i2)为类间均值且满足：
Figure FDA0004106093180000035
其中，j1，j2，j3和ni1为正整数，再确定所述类间方差
Figure FDA0004106093180000036
的值为最大时的i2，并取预期阈值sk*为第i2组能量谱值的平均值，在Canny能量谱ECan(k1)中，第一个大于所述预期阈值sk*的Canny能量值ECan(k1)对应的时刻点即为所述目标信号的故障起始时刻t。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，其特征在于，在所述计算出输电线路两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差之前，分别标定所述输电线路发生短路故障或遭受雷击后、信号测量点测量到的所述输电线路两端的暂态信号的故障起始时刻。
3.根据权利要求2所述的一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，其特征在于，根据所述输电线路两端的暂态信号分别到达信号测量点的时间差、行波的波速和线路长度，通过双端测距公式实现故障定位。
4.根据权利要求2所述的一种基于边缘检测的输电线路短路故障定位方法，其特征在于，所述输电线路为架空输电线路、配网线路、电缆线路或由架空线与电缆构成的混合线路，所述信号测量点设于所述输电线路的末端。
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