CN114034979A - 一种交流输电线路测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流输电线路测距方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号；对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量；利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量；利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量；利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。本发明采用双端测距法，仅使用入射行波进行故障定位，避免了在故障点使用反射波，方法简单，可靠性高，精确性高；基本不受故障类型、故障初始相角和接地电阻的影响,定位精度较高。

Description

一种交流输电线路测距方法及系统

技术领域

本发明涉及一种交流输电线路测距方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高和社会经济的不断进步，人们对民用、工业用电的需求量在逐年递增，使得电力行业逐渐成为国民经济的支柱性产业，因此，电力系统的安全稳定运行是事关国计民生的大事。输电线路作为电力系统的重要组成部分，担负着输送电能、连接电网以及电气设备的重任，输电线路的正常运行是电力系统安全稳定运行的基础。由于长期受风雨、覆冰、雷电、鸟兽等不确定因素的影响，势必会使高压输电线路产生不同种类的故障。有数据表明，90％以上的电网故障发生在输电线路上，而这种种故障正是导致输电线路不能安全可靠运行的罪魁祸首。因此，快速、有效地检测并且切除输电线路故障是电力系统安全运行所要解决的首要问题。

目前常用输电线路故障定位方法包括阻抗法、行波法等，阻抗测距法因简单、实用，已被广泛应用于各种故障测距中，但受过渡电阻影响，无法取得很高的测距精度。行波法在工程中应用最为广泛，行波法根据数据处理的角度不同，有可以分为频域法与时域法。单端A型定位法由于反射波头不易提取，波速难以准确标定造成其故障定位误差明显。双端D型定位法由于数据时钟同步问题，需要加装GPS等设备，使得测距成本较高。现有的基于行波的测距方法不能很好的解决这些问题，使得定位效果并不好，甚至定位失败。而且考虑线路参数的频变特性，行波在沿线路传播的过程中会发生一定的畸变和衰减，使得故障特征检测与提取较困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种交流输电线路测距方法及系统，用以解决现有技术中交流输电线路故障测距方法波头不易提取、定位效果差等问题。

TDQ变换是基于派克变换提出的一种瞬态检测方法，可以对实时的采样数据进行处理，不仅可用于普通线路金属性故障时的故障检测，还可用于高阻故障的初始浪涌检测和波到时刻标定。本发明将TDQ变换这一特性成功应用于线路故障测距，并且基于TDQ变换后的电气量来构建故障表征量，对其进行数值运算，得到一种交流输电线路故障测距方法及其系统。

本发明的技术方案是：一种交流输电线路测距方法，使用电压或电流作为单个输入样本，或者同时对两个量进行采样便可有效提高故障定位精度的输电线路双端行波故障测距，具体步骤为：

Step1：当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号。

Step2：对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量。

Step3：利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量。

Step4：利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量。

Step5：利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。

所述采集线路双端三相电压信号或三相电流信号应包含故障发生时刻的电流电压信号。

所述TDQ变换为：A_dq为直轴分量和交轴分量，A_abc为三相电压分量或三相电流分量，P_dq为变换矩阵。

φ＝kωΔt+θ，ω为工频角速度，Δt为采样间隔，θ为A_d的相角。

所述不同形式的故障表征量为：

c_Σ＝i_d，c_Σ＝i_q

c_Σ＝u_d，c_Σ＝u_q

c_Σ＝i_d ²+i_q ²，c_Σ＝u_d ²+u_q ²

所述增量为：c_dif(k)＝c_Σ(k)-c_Σ(k-1)。

所述突变能量ξ_dif(k)为：

式中，ξ_dif(k)表示ξ_dif的第k个值，N表示一定时间窗内的采样点数，a表示能量指标。

一种交流输电线路测距系统，包括：

故障信号采集模块，用于采集线路双端的故障信号。

数据处理模块，用于对所采集的数据进行计算处理。

测距启动模块，用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小。

故障测距模块，用于计算和记录故障测距结果。

所述故障信号采集模块包括：

电压电流变送单元，用于变换互感器二次侧的电压电流信号为行波装置A/D采集的信号。

A/D转换单元，用于将电压电流模拟量信号转换成数字信号。

突变量启动单元，用于判断波形突变是否大于设定的启动阈值，若是，则将电压电流信号存储成录波数据文件。

数据存储单元，用于按时标命名录波数据文件，并存储于本地存储器。

所述数据处理模块包括：

交直轴分量计算单元，用于对采集的信号进行TDQ变换得到交直轴分量。

故障表征量选择单元，用于对各种形式的故障表征量进行选择，进行差分计算，构建其增量。

突变量计算单元，利用对增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量。

所述测距启动模块用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小。

所述故障测距模块具体包括：

测距计算单元，用于对双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距。

测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。

本发明采用TDQ变换，TDQ变换可以对实时的采样数据进行处理，可用于高阻故障的初始浪涌检测和波到时刻标定。TDQ变换先将三相系统(在abc坐标系中)的时域分量转换为正交静止坐标系(αβ)中的两个分量，然后将αβ坐标系中的两个分量转化为一个正交旋转坐标系(dq)。该变换可将交流电流和电压波形转换为直流信号，从而简化计算。

从物理意义上看，TDQ变换就是将交变的三相电压或电流变换到d、q坐标轴上，对于对称三相电压或电流，经过TDQ变换后，成为直流量。线路发生故障后，由于叠加故障附加源，故障三相电压、电流的幅值及相位会发生变化，经过TDQ变换后不再为直流量，可以将此特征用于交流输电线路故障测距。

本发明的有益效果是：

1、解决了交流输电线路弱故障模式下，由于故障特征微弱致使其特征提取识别较困难的问题。

2、使用TDQ变换将三相电压或电流变换成直流量，对于发生故障的交流线路，经过TDQ变换后的电气量不再为直流量，通过对构建的故障表征量进行数值计算，放大经TDQ变换后的电气量特征据此能有效实现交流输电线路故障测距。

3、所述交流输电线路故障检测系统仅使用入射行波进行故障定位，避免了在故障点使用反射波，方法简单，可靠性高，精确性高。基本不受故障初始相角和接地电阻的影响，定位精度较高。

附图说明

图1是本发明提供的交流输电线路测距方法流程示意图；

图2是本发明提供的交流输电线路测距系统功能框图；

图3是本发明实施例1配电网仿真图；

图4是本发明实施例1仿真结果图；

图5是本发明实施例2半波长交流输电线路仿真图；

图6是本发明实施例2仿真结果图；

图7是本发明实施例3仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，选取不同情况，对其进行仿真分析，验证本发明的可靠性，对本发明作进一步说明。

实施例1：我国大多数配电网属于小电流接地系统，其中，单相接地故障占所有配电网络故障80％左右，其次，诸如：非有效性接地系统中的单相接地故障，架空线路的高阻接地故障，地下电缆的类似电弧的自恢复故障等弱故障也会对电力系统造成损失。应用本发明方法在PSCAD中，建立如图3示的输电线路仿真模型，电压等级为10kV，图中L₁、L₃为架空线，L₂为电缆线路，L₁长度为16km，L₂长度10km，L₃长度为15km，设线路L₁在6km处发生A相永久性接地故障，过渡电阻为1000Ω，故障发生时刻为0.429s，采样率为1MHz，实施的具体步骤为：

Step1：当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号,所述采集线路双端三相电压信号或三相电流信号应包含故障发生时刻的电流电压信号。本实施例中采集的电气信息为电压。

Step2：对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量，具体包括：A_dq为直轴分量和交轴分量，A_abc为三相电压分量或三相电流分量。P_dq为变换矩阵。

A_dq＝P_dq·A_abc

φ＝kωΔt+θ，ω为工频角速度，Δt为采样间隔，θ为A_d的相角。分别对输电线路M端、N端电压TDQ变换得到M端、N端交轴分量u_q、直轴分量u_d。本实施例中Δt＝1μs，θ为u_d的相角。

Step3：利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量，不同形式的故障表征量：

c_Σ＝i_d，c_Σ＝i_q

c_Σ＝u_d，c_Σ＝u_q

c_Σ＝i_d ²+i_q ²，c_Σ＝u_d ²+u_q ²

……

本次实施例中选择直轴电压分量构建故障表征量，即：c_Σ＝u_d

其增量为：c_dif(k)＝c_Σ(k)-c_Σ(k-1)＝u_d(k)-u_d(k-1)

u_d(k)表示直轴电压分量的第k个采样点。c_dif(k)表示增量c_dif的第k个值。

Step4：利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量ξ_dif(k)。

ξ_dif(k)表示ξ_dif的第k个值。N表示一定时间窗内的采样点数。a表示能量指标。

本实施例积分时间窗选择3ms，采样率为1MHz，N为时间窗内的采样点数，即N＝3000。能量指标a取3。输电线路M端、N端的能量突变曲线ξ_dif如图4所示。

Step5：利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。

M、N两侧行波到达时刻结果如图4示，t_N＝420.018ms，t_N＝420.031ms，利用双端测距公式：

式中x_f为故障位置，L为线路总长度，v为电磁波波速，取2.98×10⁸m/s。

计算出故障位于线路6.063km处，测距误差仅为0.39375％，精确度较高。本实施例说明在配网系统中，在架空线路高阻接地故障模式下，本发明仍能准确检测出线路发生故障，可靠性高。

实施例2：半波长输电线路肩负着连接大电网、输送大功率电能的重任。由于其输电距离极远(工频下可达3 000km)，线路翻山越岭，跨江过河，很可能因恶劣天气、不利环境、人为等因素发生故障。与普通短距离输电线路不同，特高压交流半波长输电线路输电距离非常长，线路依频特性显著。故障发生后，由于行波传播距离远，行波波头色散和衰减明显，加上噪声干扰,波头难以精确辨识。在故障距离测点很远或者噪声干扰严重等极端情况下，甚至导致测距失败。因此，故障测距对于加快半波长线路故障查找和检修、减小线路故障造成的经济损失，保证输电系统安全稳定运行具有重要意义。本发明利用PSCAD搭建半波长输电线路仿真模型，仿真模型如图5所示，，线路全线长3000km，电压等级为1000kV。设置故障发生在线路2400km处，故障类型设置为A相接地永久性故障，过渡电阻设置为300Ω，故障发生时刻为0.53213s，采样率为1MHz。实施的具体步骤为：

Step1：当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号,所述采集线路双端三相电压信号或三相电流信号应包含故障发生时刻的电流电压信号。本实施例中采集的电气信息为电压。

Step2：对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量，具体包括：A_dq为直轴分量和交轴分量，A_abc为三相电压分量或三相电流分量。P_dq为变换矩阵。

A_dq＝P_dq·A_abc

φ＝kωΔt+θ，ω为工频角速度，Δt为采样间隔，θ为A_d的相角。分别对输电线路M端、N端电压TDQ变换得到M端、N端交轴分量u_q、直轴分量u_d。本实施例中Δt＝1μs，θ为u_d的相角。

Step3：利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量，不同形式的故障表征量：

c_Σ＝i_d，c_Σ＝i_q

c_Σ＝u_d，c_Σ＝u_q

c_Σ＝i_d ²+i_q ²，c_Σ＝u_d ²+u_q ²

……

本次实施例中选择交轴电压分量构建故障表征量，即：c_Σ＝u_q

其增量为：c_dif(k)＝c_Σ(k)-c_Σ(k-1)＝u_q(k)-u_q(k-1)

u_q(k)表示交轴电压分量的第k个采样点。c_dif(k)表示增量c_dif的第k个值。

Step4：利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量ξ_dif(k)。

ξ_dif(k)表示ξ_dif的第k个值。N表示一定时间窗内的采样点数。a表示能量指标。

本实施例积分时间窗选择3ms，采样率为1MHz，N为时间窗内的采样点数，即N＝3000。能量指标a取2。输电线路M端、N端的能量突变曲线ξ_dif如图6所示。

Step5：利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。

M、N两侧行波到达时刻结果如图6所示,t_M＝540.023ms，t_N＝533.998ms，利用双端测距公式：

式中x_f为故障位置，L为线路总长度，v为电磁波波速，取2.98×10⁸m/s。

计算出故障位于线路2397.725km处，测距误差仅为0.07583％，精确度较高。根据此实施例得到的结果，表明本发明对于超长线路远端弱故障情况仍有较好的效果，将其用于故障定位具有较高的精确度。

实施例3：本实施例选取220kV交流输电线路，通过仿真分析，验证本发明在交流输电线路中的普适性。线路全长为250km，设线路于100km处发生AB两相永久性接地故障，过渡电阻为500Ω，故障发生时刻为0.484s，采样率为1MHz，实施的具体步骤重复实施例1，其中：

Step1：当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号，本实施例中采集的电气信息为电压。

Step2：对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量。

Step3：利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量，本次实施例中选择交轴电压分量构建故障表征量，即：c_Σ＝u_q

Step4：利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量ξ_dif(k)。

本实施例积分时间窗选择3ms，采样率为1MHz，N为时间窗内的采样点数，即N＝3000。能量指标a取2。输电线路M端、N端的能量突变曲线ξ_dif如图7所示。

Step5：利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。

M、N两侧行波到达结果如图4示，t_M＝484.331ms，t_N＝484.497ms，利用双端测距公式计算出故障位于线路100.266km处，测距误差仅为0.1064％，精确度较高。通过验证表明本发明具有高可靠性和高精确度且具有普适性。

实施例4：一种交流输电线路测距系统，包括：

故障信号采集模块，用于采集线路双端的故障信号。

数据处理模块，用于对所采集的数据进行计算处理。

测距启动模块，用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小。

故障测距模块，用于计算和记录故障测距结果。

所述故障信号采集模块包括：

电压电流变送单元，用于变换互感器二次侧的电压电流信号为行波装置A/D采集的信号。

A/D转换单元，用于将电压电流模拟量信号转换成数字信号。

突变量启动单元，用于判断波形突变是否大于设定的启动阈值，若是，则将电压电流信号存储成录波数据文件。

数据存储单元，用于按时标命名录波数据文件，并存储于本地存储器。

所述数据处理模块包括：

交直轴分量计算单元，用于对采集的信号进行TDQ变换得到交直轴分量。

故障表征量选择单元，用于对各种形式的故障表征量进行选择，进行差分计算，构建其增量。

突变量计算单元，利用对增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量。

所述测距启动模块用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小。

所述故障测距模块具体包括：

测距计算单元，用于对双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距。

测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。

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 (10)

1.一种交流输电线路测距方法，其特征在于：

Step1：当输电线路发生故障时，采集线路双端三相电压信号或三相电流信号；

Step2：对所采集的三相电压或三相电流信号进行TDQ变换，得到直轴分量和交轴分量；

Step3：利用直轴、交轴分量构建不同形式的故障表征量，对其进行差分计算，构成其增量；

Step4：利用增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量；

Step5：利用双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距，输出故障测距结果。

2.根据权利要求1所述的交流输电线路测距方法，其特征在于：所述采集线路双端三相电压信号或三相电流信号应包含故障发生时刻的电流电压信号。

3.根据权利要求1所述的交流输电线路测距方法，其特征在于所述TDQ变换为：A_dq为直轴分量和交轴分量，A_abc为三相电压分量或三相电流分量，P_dq为变换矩阵；

φ＝kωΔt+θ，ω为工频角速度，Δt为采样间隔，θ为A_d的相角。

4.根据权利要求1所述的交流输电线路测距方法，其特征在于Step3中：

所述不同形式的故障表征量为：

c_Σ＝i_d，c_Σ＝i_q

c_Σ＝u_d，c_Σ＝u_q

c_Σ＝i_d ²+i_q ²，c_Σ＝u_d ²+u_q ²

所述增量为：c_dif(k)＝c_Σ(k)-c_Σ(k-1)。

5.根据权利要求1所述的交流输电线路测距方法，其特征在于，Step3中，所述突变能量ξ_dif(k)为：

式中，ξ_dif(k)表示ξ_dif的第k个值，N表示一定时间窗内的采样点数，a表示能量指标。

6.一种交流输电线路测距系统，其特征在于，包括：

故障信号采集模块，用于采集线路双端的故障信号；

数据处理模块，用于对所采集的数据进行计算处理；

测距启动模块，用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小；

故障测距模块，用于计算和记录故障测距结果。

7.根据权利要求6所述的交流输电线路测距系统，其特征在于，所述故障信号采集模块包括：

电压电流变送单元，用于变换互感器二次侧的电压电流信号为行波装置A/D采集的信号；

A/D转换单元，用于将电压电流模拟量信号转换成数字信号；

突变量启动单元，用于判断波形突变是否大于设定的启动阈值，若是，则将电压电流信号存储成录波数据文件；

数据存储单元，用于按时标命名录波数据文件，并存储于本地存储器。

8.根据权利要求6所述的交流输电线路测距系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：

交直轴分量计算单元，用于对采集的信号进行TDQ变换得到交直轴分量；

故障表征量选择单元，用于对各种形式的故障表征量进行选择，进行差分计算，构建其增量；

突变量计算单元，利用对增量计算得到增量不连续程度的测度为突变能量。

9.根据权利要求6所述的交流输电线路测距系统，其特征在于：所述测距启动模块用于检测起始突变能量，比较起始突变能量与预设阈值的大小。

10.根据权利要求6所述的交流输电线路测距系统，其特征在于，所述故障测距模块具体包括：

测距计算单元，用于对双端起始突变能量开始时间的差异结合测距公式进行测距；

测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。

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