CN113406436B - 基于5g通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统 - Google Patents

基于5g通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统继电保护领域，提供了一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统。其中，该方法包括基于5G基站发送的时间信息来校准时间；利用校准后的时间和晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离。

Description

基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
交/直流输电线路的故障测距担负着快速清除线路故障的任务，故障的精准定位对于及时修复线路，提高供电可靠性具有重要意义。目前常用的故障测距方法中，双端行波故障测距原理简单，测距精度不受过渡电阻和故障类型的影响，更具优越性，其原理如图1所示。设t0M、t0N分别为故障初始行波到达M侧和N侧母线的时刻，则有：
Figure BDA0003119067710000011
式中：v为行波传播速度，接近光速。根据上式，线路两侧可求出LMF、LNF。
由此可以看出，双端行波故障测距在应用时需解决线路两端高精度时间同步及时间信息传输问题，1μs的时间误差将带来大约150m的测距误差。目前常用的对时方式是GPS卫星独立授时，并借助数据传输网开辟的2M信道将本端初始行波的达到时间传给对端，从而完成故障测距计算。发明人发现，利用GPS卫星独立授时存在信号易受干扰、建设成本高的问题；数据传输网作为两端时间信息传输的媒介面临着易受外力破坏、铺设困难、成本高等问题。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法及系统，其利用5G网络提供的高精度时间信息，为线路两端提供高精度时间基准，同时利用5G网络传输行波测距中所需的时间信息。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法。
一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其包括：
基于5G基站发送的时间信息来校准时间；
利用校准后的时间和晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；
将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；
根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离。
作为一种实施方式，在产生同步采样脉冲过程中，电流采样频率与晶振频率相同并保持同步。
作为一种实施方式，在产生同步采样脉冲过程中，通过秒脉冲上升沿对晶振进行同步。
作为一种实施方式，采用电流突变量检测故障时刻。
作为一种实施方式，一旦连续设定数量采样点的电流突变量大于设定门槛值时，锁定初步检测故障时刻前后一周波的采样值，进而对行波波头到达时刻进行精准定位。
作为一种实施方式，对锁定的电流采样值进行多分辨形态梯度变换，计算出行波波头到达时刻。
作为一种实施方式，对锁定的电流采样值进行小波变换，计算出行波波头到达时刻。
本发明的第二个方面提供一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距系统。
一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距系统，其包括：
时间校准模块，其用于基于5G基站发送的时间信息来校准时间；
波头时刻检测模块，利用校准后的时间和晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；
5G通信模块，其用于将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；
故障测距模块，其用于根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用5G网络的高精度时间信息和传输时延估算，可解决故障测距的高精度时间同步问题，与传统方法相比，该技术方案在性能可靠性，部署的方便性和维护成本控制等方便具有明显优势。
(2)本发明首先利用电流突变量启动作为故障时刻的初步检测，一旦启动之后，再对行波波头到达时刻进行测量，有效避免了实时波头检测的数据负担，降低了行波测距的复杂度，同时在1MHz的采样频率下，考虑5G授时误差和行波波头检测误差，可实现测距精度在300米以内。
(3)本发明利用5G网络传输时延低、传输范围广的特点，即便是跨省的交/直流输电线路，仍可保证在故障发生500ms内实现故障测距。传统方案借助数据传输网开辟2兆信道传输时间信息，故障测距时间为数秒钟，与其相比，本技术方案可大大缩短故障测距时间。
(4)本发明利用5G网络，同时解决行波双端故障测距中的高精度时间基准问题和数据传输问题，并提出实用化的技术方案，具有广阔应用前景，本发明的该行波故障测距方法既适用于交流输电线路，也适用于直流输电线路。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是双端行波测距原理图；
图2是本发明实施例的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法流程图；
图3是本发明实施例的秒脉冲及高稳晶振计数示意图；
图4是本发明实施例的行波波头达到时刻测量原理示意图；
图5是本发明实施例的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
如图2所示，本实施例的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：基于5G基站发送的时间信息来校准时间。
具体地，设置所在区域的5G基站下发时间相关信令SIB9，同时将故障测距装置连接5G终端，通过SIM卡接入至5G网络，实时获取来自5G基站的高精度时间信息及传输时延补偿，并输出秒脉冲和绝对时间信息。绝对时间信息包括年、月、日、时、分，秒脉冲精度小于1μs。
其中，秒脉冲输出至计数器，对秒脉冲进行实时计数，每记60个归零。
步骤2：利用校准后的时间和高稳晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻。
采样脉冲由晶振(比如：高稳晶振)控制，实现电流采样频率与高稳晶振频率相同并保持同步，考虑到晶振的漂移误差，进一步可通过秒脉冲上升沿对晶振进行同步，消除误差积累。
其中，计数器同时对晶振进行计数。在秒脉冲的上升沿触发该计数器归零，即实现对每秒内的晶振个数进行计数，如图3所示。
为减轻数据处理负担，首先通过常规故障时刻检测方法实现故障时刻的初步定位，精度在毫秒级。采用电流突变量检测，计算公式为：
ig(k)＝||i(k)-i(k-N)|-|i(k-N)-i(k-2N)||
式中，k为采样序号，N为每周期采样数，ig为电流突变量。
一旦连续设定数量(比如：三个)采样点的电流突变量大于设定门槛值时，故障测距装置启动，锁定初步检测故障时刻前后一周波的采样值。在此基础上，对行波波头到达时刻进行精准定位。
在一实施例中，对锁定的电流采样值进行多分辨形态梯度变换，一般地，进行两级形态梯度运算。若检测到输出梯度幅值超过设定值Mset，则认为该处为梯度值的首个极值点，标记该采样点。即可认为该采样点对应的时刻为行波波头到达时刻。并以xx年xx月xx日xx时xx分xx.yy秒形式输出，其中年、月、日、时、分和秒的整数部分通过秒脉冲计数器及绝对时间信息得出；秒的小数部分通过晶振计数器得出，如下式所示：
Figure BDA0003119067710000061
式中，S为标记采样点对应的晶振个数，f为晶振频率，单位为赫兹，t1为该采样点对应时刻的小数部分，单位为秒。由此得出，采用本方法测量行波波头到达时刻，误差不超过1个晶振周期。在高稳晶振频率为1MHz的情况下，行波波头到达时刻误差在1μs内。行波波头的到达时刻测量原理如图4所示。
其中，首个极值点选择判据为：
M>Mset
其中，M为实时检测的梯度幅值，Mset为设定门槛值，可由经验所得。
在另一实施例中，对锁定的电流采样值进行小波变换，计算出行波波头到达时刻。
需要说明的是，本领域技术人员可根据实际情况来计算行波波头到达时刻。
步骤3：将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端。
在具体实施中，交直流输电线路的故障测距装置之间发送本端的波头到达时间时，首先将信息发送至对端5G终端，再由5G终端转发至故障测距装置。
步骤4：根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离。
根据本端行波波头到达时刻和接收到的对端行波波头到达时刻进行故障测距计算，公式为：
Figure BDA0003119067710000071
其中，v为行波速度，LMF、LNF分别为故障点到线路M、N两端的距离，t0M、t0N分别为M、N两端的波头到达时刻，L为线路全长。
实施例二
本实施例提供了一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距系统，其具体包括如下模块：
时间校准模块，其用于基于5G基站发送的时间信息来校准时间；
波头时刻检测模块，利用校准后的时间和晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；
5G通信模块，其用于将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；
故障测距模块，其用于根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其特征在于，包括：
基于5G基站发送的时间信息来校准时间；
利用校准后的时间和高稳晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；
将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；
根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离；
一旦连续设定数量采样点的电流突变量大于设定门槛值时，锁定初步检测故障时刻前后一周波的采样值，进而对行波波头到达时刻进行精准定位；
对锁定的电流采样值进行多分辨形态梯度变换，计算出行波波头到达时刻。
2.如权利要求1所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其特征在于，在产生同步采样脉冲过程中，电流采样频率与晶振频率相同并保持同步。
3.如权利要求2所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其特征在于，在产生同步采样脉冲过程中，通过秒脉冲上升沿对晶振进行同步。
4.如权利要求1所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其特征在于，采用电流突变量检测故障时刻。
5.如权利要求1所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法，其特征在于，对锁定的电流采样值进行小波变换，计算出行波波头到达时刻。
6.一种基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距系统，其特征在于，包括：
时间校准模块，其用于基于5G基站发送的时间信息来校准时间；
波头时刻检测模块，利用校准后的时间和晶振产生同步采样脉冲并对电流信号进行采集，在此基础上检测故障时刻及本端行波波头到达时刻；
5G通信模块，其用于将本端行波波头到达时刻通过5G网络发送至对端；
故障测距模块，其用于根据本端行波波头到达时刻、对端行波波头到达时刻及线路全长，计算出故障距离任一端的距离；
一旦连续设定数量采样点的电流突变量大于设定门槛值时，锁定初步检测故障时刻前后一周波的采样值，进而对行波波头到达时刻进行精准定位；
对锁定的电流采样值进行多分辨形态梯度变换，计算出行波波头到达时刻。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于5G通信的交直流输电线路行波故障测距方法中的步骤。
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