CN113447757A - 一种高压输电线路的行波故障检测方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线路的行波故障检测方法、设备及介质，通过利用工频突变量启动元件的启动灵敏、不受故障类型限制、耐过渡电阻能力强、与故障初相角无关以及在任何情况下都能够稳定的启动的优点，将行波启动元件与工频突变量启动元件进行配合使用，能够在行波启动元件失效的情况下，利用工频突变量启动元件输入的外部中断信号重新启动行波启动元件，使得行波启动元件实现在任何条件下的可靠启动，从而提高输电线路行波保护的灵敏性和可靠性。

Description

一种高压输电线路的行波故障检测方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种高压输电线路的行波故障检测 方法、设备及介质。

背景技术

由于输电线路电压等级的不断升高和输电距离的不断增加，高压/特高压输电 线路对继电保护的要求越来越严格，因此，电力系统在发生故障后的快速切除对 于电力系统的安全稳定运行的意义重大。由于行波保护具有超高速动作性能，能 够同时克服传统工频量保护易受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容等影 响的缺点，目前已广泛采用行波保护作为高压/特高压输电线路保护的主保护，而 担负故障检测任务的行波启动元件更是高压/特高压输电线路必不可少的组成部 分之一，能够在故障发生时可靠灵敏地探测故障扰动，有效提高输电线路行波保 护的灵敏性和可靠性。

但是，目前的行波启动元件一般是以识别故障行波的初始波头作为启动判 据，在故障初相角为零或较小时，由于行波突变量一般不存在或很小，会导致行 波启动元件失效，从而导致输电线路行波保护的灵敏性和可靠性较低。

发明内容

本发明提供一种高压输电线路的行波故障检测方法、设备及介质，以解决现 有技术中行波启动元件在故障初相角为零或较小时失效的问题，实现行波启动元 件在任何条件下的可靠启动，从而提高输电线路行波保护的灵敏性和可靠性。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种高压输电线路的行波故障检测方 法，包括以下步骤：

行波启动元件获取高压输电线路的预设采样点处的电压行波分量和电流行波 分量，并根据所述电压行波分量和所述电流行波分量，按照预设的反向行波计算 公式，得到电流反向行波；

所述行波启动元件对所述电流反向行波进行小波变换并提取特定尺度下的 模极大值，并根据所述特定尺度下的模极大值与第一预设阈值的大小关系判断是 否启动；

若是，则所述行波启动元件启动并进行故障检测；

若否，则所述行波启动元件不启动，工频突变量启动元件根据预先获取的工 频电流采样值，按照预设突变量计算公式，得到电流突变量，并在所述电流突变 量大于第二预设阈值时，向所述行波启动元件发送启动中断信号，以使所述行波 启动元件启动并进行故障检测。

作为上述方案的改进，所述预设的反向行波计算公式具体为：

其中，k为采样点，

为k采样点处的电流反向行波，

为k采样点处 的所述电压行波分量，Z_c为线路波阻抗，

为k采样点处的所述电流行波分量，

为模量，包括α模、β模和零模。

作为上述方案的改进，所述对所述电流反向行波进行小波变换并提取特定尺 度下的模极大值的公式具体为：

|W_Sf(x)|<|W_Sf(x₀)|

其中，f(k)为所述电流反向行波，k为采样点，

和

分别为第 j尺度下的逼近系数和小波系数，h(i)和g(i)为小波变换参数，i为小波变换参数 的索引值，x₀为小波变换的模极大值点，x为x₀的邻域，W_Sf(x₀)为f(k)在x₀的小 波变换结果，W_Sf(x)为f(k)在x的小波变换结果。

作为上述方案的改进，所述预设突变量计算公式具体为：

其中，

为k采样点处的所述电流突变量，

为k采样点处的所述工频 电流采样值，N为单周期的采样点数。

作为上述方案的改进，所述获取高压输电线路的预设采样点处的电压行波分 量和电流行波分量，具体包括：

获取高压输电线路的预设采样点处的三相电压行波信号和三相电流行波信 号；

分别对所述三相电压行波信号、所述三相电流行波信号进行凯伦贝尔相模变 换，得到电压行波分量、电流行波分量。

作为上述方案的改进，其特征在于，所述特定尺度为第3尺度。

本发明另一实施例对应提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储 在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所 述计算机程序时实现上述发明实施例所述的高压输电线路的行波故障检测方法。

本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介 质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读 存储介质所在设备执行上述发明实施例所述的高压输电线路的行波故障检测方 法。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种高压输电线路的行波故障检测方 法、设备及介质，通过利用工频突变量启动元件的启动灵敏、不受故障类型限制、 耐过渡电阻能力强、与故障初相角无关以及在任何情况下都能够稳定的启动的优 点，将行波启动元件与工频突变量启动元件进行配合使用，能够在行波启动元件 失效的情况下，利用工频突变量启动元件输入的外部中断信号重新启动行波启动 元件，使得行波启动元件实现在任何条件下的可靠启动，从而提高输电线路行波 保护的灵敏性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高压输电线路的行波故障检测方法的流程示 意图；

图2是本发明实施例提供的输电线路模型的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的预设采样点处的三相电压和三相电流的波形示意 图；

图4是本发明实施例提供的预设采样点处的电压行波分量和电流行波分量的 波形示意图；

图5是本发明实施例提供的电流反向行波的计算结果的波形示意图；

图6是本发明实施例提供的模极大值的计算结果的波形示意图；

图7是本发明实施例提供的突变量的计算结果的波形示意图；

图8是本发明实施例提供的一种终端设备的结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳 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。

参见图1，是本发明实施例提供的一种高压输电线路的行波故障检测方法的 流程示意图，所述方法包括步骤S11至步骤S14：

S11、行波启动元件获取高压输电线路的预设采样点处的电压行波分量和电 流行波分量，并根据所述电压行波分量和所述电流行波分量，按照预设的反向行 波计算公式，得到电流反向行波。

S12、所述行波启动元件对所述电流反向行波进行小波变换并提取特定尺度 下的模极大值，并根据所述特定尺度下的模极大值与第一预设阈值的大小关系判 断是否启动。

S13、若是，则所述行波启动元件启动并进行故障检测。

S14、若否，则所述行波启动元件不启动，工频突变量启动元件根据预先获 取的工频电流采样值，按照预设突变量计算公式，得到电流突变量，并在所述电 流突变量大于第二预设阈值时，向所述行波启动元件发送启动中断信号，以使所 述行波启动元件启动并进行故障检测。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种高压输电线路的行波故障检测方 法，通过利用工频突变量启动元件的启动灵敏、不受故障类型限制、耐过渡电阻 能力强、与故障初相角无关以及在任何情况下都能够稳定的启动的优点，将行波 启动元件与工频突变量启动元件进行配合使用，能够在行波启动元件失效的情况 下，利用工频突变量启动元件输入的外部中断信号重新启动行波启动元件，使得 行波启动元件实现在任何条件下的可靠启动，从而提高输电线路行波保护的灵敏 性和可靠性。

作为上述方案的改进，在所述步骤S11中，所述行波启动元件获取高压输电 线路的预设采样点处的电压行波分量和电流行波分量，具体包括：

获取高压输电线路的预设采样点处的三相电压行波信号和三相电流行波信 号；

分别对所述三相电压行波信号、所述三相电流行波信号进行凯伦贝尔相模变 换，得到电压行波分量、电流行波分量。

示例性的，如图2所示，是本发明实施例提供的输电线路模型的结构示意图， 其中，输电线路MN的长度为400km，线路电压等级为750kV，输电线路参数值 和系统阻抗值如下表1和下表2所示；其中，E_M和E_N分别为1.05倍和1.0倍的 额定电压，E_N落后30°。所述行波启动元件分别通过电压互感器(PT)、电流互 感器(CT)对预设采样点处(保护安装处)的三相电压行波信号和三相电流行波 信号进行采样，采样率为10kHZ，其中，电压互感器变比为7500:1，电流互感器 变比为2500:1。

表1输电线路阻抗参数

线路参数	电阻(Ω/km)	电抗(mH/km)	容抗(nF*km)
				正序	0.0127	0.8531	13.67
零序	0.2729	2.6738	9.30

表2系统阻抗参数

系统参数	M侧(Ω)	N侧(Ω)
			正序	0.4039+j10.1777	0.5337+j12.7336
零序	1.4874+j13.7146	1.8861+j16.1755

作为其中一个可选的实施方式，假设图2中F点处发生A相接地故障，故障 初相角为1°，行波启动元件的采样频率为10kHz，启动门槛值为0.1A(二次侧)， 工频突变量启动元件的采样率为1.2kHz，启动门槛值为0.1A(二次侧)，并以图2 中所示的MN线路的M侧的方向元件R_M为预设采样点处或保护安装处。

作为上述方案的改进，所述行波启动元件对保护安装处的三相电压、三相电 流进行采样，并取故障发生时刻前1ms开始的连续30个点，对30个采样点的瞬 时值进行凯伦贝尔相模变换，得到电压行波分量和电流行波分量，采样数据和计 算得到的模量分别如图3和图4所示。

其中，所述电压行波分量包括α模电压行波分量、β模电压行波分量、零模电 压行波分量，所述电流行波分量包括α模电流行波分量、β模电流行波分量、零模 电流行波分量，公式具体如下：

其中，u_α、u_β、u₀分别表示α模电压行波分量、β模电压行波分量、零模电 压行波分量，i_α、i_β、i₀分别表示α模电流行波分量、β模电流行波分量、零模电 流行波分量，u_a、u_b、u_c为三相电压行波信号，i_a、i_b、i_c为三相电流行波信号。

作为上述方案的改进，根据所述电压行波分量和所述电流行波分量，按照预 设的反向行波计算公式，得到电流反向行波的结果如图5所示，所述预设的反向 行波计算公式具体为：

其中，k为采样点，

为k采样点处的电流反向行波，

为k采样点处 的所述电压行波分量，Z_c为线路波阻抗，

为k采样点处的所述电流行波分量，

为模量，包括α模、β模和零模。

需说明的是，在所述步骤S11计算得到电流反向行波结果后，连续保存结果 2ms。

作为上述方案的改进，在步骤S12中，所述行波启动元件使用连续2ms的时 间窗对连续20个点的所述电流反向行波进行二进小波变换，公式具体为：

其中，

为模量电流反向行波，i_ra、i_rb、i_rc分别为A、B、C三相的电流反 向行波。

然后提取特定尺度下的模极大值，并取j＝3尺度下小波系数，并求取这个序 列的模极大值，计算结果如图6所示，其中，第10个点为故障发生时刻，第17 个点为故障行波传播到M点时刻，由于小波变换模极大值均小于门槛值 0.25kA(对应二次侧0.1A)，因此行波启动元件不启动。其中，第10个点的故障 发生时刻是由仿真设定的，采样率为10kHZ，间隔0.1ms，小波变换的模极大值 出现在1.7MS处，即第17个点。

公式具体为：

|W_Sf(x)|<|W_Sf(x₀)|

其中，f(k)为所述电流反向行波，k为采样点，

和

分别为第 j尺度下的逼近系数和小波系数，h(i)和g(i)为小波变换参数，i为小波变换参数 的索引值，x₀为小波变换的模极大值点，x为x₀的邻域，W_Sf(x₀)为f(k)在x₀的小 波变换结果，W_Sf(x)为f(k)在x的小波变换结果。

值得说明的是，通过根据特定尺度下的模极大值与第一预设阈值的大小关系 判断是否启动，当满足启动条件时，所述行波启动元件启动，并进行故障检测， 若不满足启动条件，则通过所述工频突变量启动元件发出的中断启动元件来启动 所述行波启动元件，使得行波启动元件能够克服故障死区的问题，实现在任何条 件下的可靠启动，从而提高输电线路行波保护的灵敏性和可靠性。

作为上述方案的改进，若所述行波启动元件不启动，则工频突变量启动元件 对保护安装处的三相电压、三相电流进行采样，采样率为1.2kHz，并对瞬时值按 照以下公式求取突变量，公示具体为：

其中，

为k采样点处的所述电流突变量，

为k采样点处的所述工频 电流采样值，N为单周期的采样点数。

需要说明的是，由于工频保护算法需要将三相电压和三相电流都采集出来， 因此，即使所述工频突变量启动元件在计算突变量时未用到三相电压值，也需要 在采集时对保护安装处的三相电压和三相电流都采集上。另外，工频启动元件的 启动时间及条件与行波启动元件无关，两者是独立运行的，只是在行波启动元件 失效的基础上配合使用工频启动元件，可以实现行波启动元件在各种故障条件下 都能可靠启动，而在行波启动元件启动的情况下，工频启动元件也可以正常启动， 两者可以都启动并对线路进行故障检测。

单周期的采样点数的具体大小可以根据实际的需求进行调整，在此不作限 定。

示例性的，单周期的采样点数为24，取故障发生时刻前后各12点，A相电 流与突变量计算结果如图7所示，第12点为故障发生时刻，所述工频突变量启 动元件在故障发生后第2个采样点时突变量大于第二预设阈值，第3个点仍然大 于第二预设阈值，因此经过3个采样周期共2.5ms后工频启动元件启动。其中， 每个周期为0.833ms。

需要说明的是，第一预设阈值和第二预设阈值的具体数值大小可以根据实际 的需求进行调整，在此不作限定。

示例性的，第一预设阈值和第二预设阈值的大小均为一次侧0.25kA(对应二 次侧0.1A)。

需要说明的是，对于任何故障类型，所述工频突变量启动元件都可以启动， 如果所述工频突变量启动元件不满足上述的启动条件，只能说明不需要启动，而 不是所述工频突变量启动元件失效。

作为上述方案的改进，所述工频突变量启动元件在满足启动条件后开始工频 故障处理并向行波保护发送启动中断，所述行波启动元件进入故障处理状态，并 向前推移2.5ms作为数据处理窗起始点，其中，2.5ms为工频启动元件固有启动 时间。

参见图8，是本发明实施例提供的一种终端设备的结构示意图。该实施例的 终端设备8包括：处理器80、存储器81以及存储在所述存储器81中并可在所述 处理器80上运行的计算机程序。所述处理器80执行所述计算机程序时实现上述 各个高压输电线路的行波故障检测方法实施例中的步骤。或者，所述处理器80 执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块的功能。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多 个模块被存储在所述存储器81中，并由所述处理器80执行，以完成本发明。所 述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令 段用于描述所述计算机程序在所述终端设备8中的执行过程。

所述终端设备8可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计 算设备。所述终端设备8可包括，但不仅限于，处理器80、存储器81。本领域 技术人员可以理解，所述示意图仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的 限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件， 例如所述终端设备8还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器80可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以 是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成 电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者 晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也 可以是任何常规的处理器等，所述处理器80是所述终端设备8的控制中心，利 用各种接口和线路连接整个终端设备8的各个部分。

所述存储器81可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器80通过运 行或执行存储在所述存储器81内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储 器81内的数据，实现所述终端设备8的各种功能。所述存储器81可主要包括存 储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需 的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据 手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器81可 以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插 接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD) 卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述终端设备8集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独 立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的 理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序 来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中， 该计算机程序在被处理器80执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中， 所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、 对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括： 能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、 磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软 件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管 辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立 法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离 部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以 是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络 单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们 之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通 技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质 包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存 储介质所在设备执行如上述所述的高压输电线路的行波故障检测方法。

综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的一种高压输电线路的行波 故障检测方法、设备及介质，通过利用工频突变量启动元件的启动灵敏、不受故 障类型限制、耐过渡电阻能力强、与故障初相角无关以及在任何情况下都能够稳 定的启动的优点，将行波启动元件与工频突变量启动元件进行配合使用，能够在 行波启动元件失效的情况下，利用工频突变量启动元件输入的外部中断信号重新 启动行波启动元件，使得行波启动元件实现在任何条件下的可靠启动，从而提高 输电线路行波保护的灵敏性和可靠性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

行波启动元件获取高压输电线路的预设采样点处的电压行波分量和电流行波分量，并根据所述电压行波分量和所述电流行波分量，按照预设的反向行波计算公式，得到电流反向行波；

所述行波启动元件对所述电流反向行波进行小波变换并提取特定尺度下的模极大值，并根据所述特定尺度下的模极大值与第一预设阈值的大小关系判断是否启动；

若是，则所述行波启动元件启动并进行故障检测；

若否，则所述行波启动元件不启动，工频突变量启动元件根据预先获取的工频电流采样值，按照预设突变量计算公式，得到电流突变量，并在所述电流突变量大于第二预设阈值时，向所述行波启动元件发送启动中断信号，以使所述行波启动元件启动并进行故障检测。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，所述预设的反向行波计算公式具体为：

其中，k为采样点，

为k采样点处的电流反向行波，

为k采样点处的所述电压行波分量，Z_c为线路波阻抗，

为k采样点处的所述电流行波分量，

为模量，包括α模、β模和零模。

3.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，所述对所述电流反向行波进行小波变换并提取特定尺度下的模极大值的公式具体为：

|W_Sf(x)|＜|W_Sf(x₀)|

其中，f(k)为所述电流反向行波，k为采样点，

和

分别为第j尺度下的逼近系数和小波系数，h(i)和g(i)为小波变换参数，i为小波变换参数的索引值，x₀为小波变换的模极大值点，x为x₀的邻域，W_Sf(x₀)为f(k)在x₀的小波变换结果，W_Sf(x)为f(k)在x的小波变换结果。

4.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，所述预设突变量计算公式具体为：

其中，

为k采样点处的所述电流突变量，

为k采样点处的所述工频电流采样值，N为单周期的采样点数。

5.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，所述获取高压输电线路的预设采样点处的电压行波分量和电流行波分量，具体包括：

获取高压输电线路的预设采样点处的三相电压行波信号和三相电流行波信号；

分别对所述三相电压行波信号、所述三相电流行波信号进行凯伦贝尔相模变换，得到电压行波分量、电流行波分量。

6.根据权利要求1或3所述的高压输电线路的行波故障检测方法，其特征在于，所述特定尺度为第3尺度。

7.一种终端设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的高压输电线路的行波故障检测方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的高压输电线路的行波故障检测方法。

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