CN114200246B - 一种直流输电线路故障测距方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流输电线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护控制技术领域。本发明首先采集线路双端故障信号，分别获取双端测距信号；分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1‑k)％；计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号。本发明适合于各种复杂工况，测距结果准确率高，可靠性高，鲁棒性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流输电线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护控制技术领域。
背景技术
直流输电(high voltage direct current，HVDC)具有传输距离远、输送容量大、电能损耗小等优势，广泛应用于远距离电能传输、跨区域电网互联等工程、分布式能源接入电网工程等领域。由于直流线路较长，受所跨越的地区气候条件、地形地貌条件差异影响，线路故障概率很高，故障巡线难度大，因此，具有可靠性和准确性的线路故障定位技术对于保证电力系统安全稳定运行，提高系统可靠性具有重要意义。
现有的直流输电线路故障定位方法主要以行波法为主。行波测距又可分为单端测距法和双端测距法，其中，单端测距法的优势在于仅需线路一端故障信息，经济性强，实现简单，其关键在于初始波头的识别和正确可靠地检测、表征、标定、甄别故障点反射波。目前识别故障点反射波的方法主要有相关分析法、Hough变换直线检测法等。双端测距法仅利用故障线路双端故障初始行波，易于实现自动分析、自动测距，其关键是双端数据的高精度同步，需要通信支持，且线路长度参与测距计算。波头的奇异性标定方法，主要有小波变换法、小波模极大值、希尔伯特-黄变换法、数学形态学法等。由于波头奇异性容易受到噪声干扰，在高阻故障等弱模态下可能无法识别波头。
直流线路与交流线路相比，线路电压不存在周期性过零点，任何时刻发生故障的情况下都具有幅值较大的故障行波暂态量，且行波只在故障点和换流站之间发生折反射，其故障行波的自然频率特征更为显著，更适合采用频域法实现故障测距。基于自然频率法测距的思想最早于1979年，由Swift发现故障行波的频谱与故障位置距离有关，且受线路终端的结构影响。与行波法相比，利用自然频率法测距避免了行波波头识别和标定不准确引起的误差，具有计算结果稳定性的优势。但是采用故障行波的自然频率法测距精度受以下因素影响：一是直流系统两端实体物理边界的存在使得故障行波在系统两端的反射角并非0°，导致自然频率主频的偏移。二是对于多导线传输线路而言，导线间的耦合使得非对称故障情况下，两端获得的自然频率频谱为各模量的频谱混叠，由于各模量波速不一致，导致测距计算误差。三是线路上发生靠近线路终端的位置故障时，其自然频率高于行波采集装置的采样率时，存在测距死区。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种直流输电线路的故障测距方法及系统，以解决现有技术中的测距方法精度受条件影响导致的存在测距误差和存在测距死区的问题。
本发明的技术方案是：一种直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号。
所述Step1具体为：
Step1.1：分别采集线路双端行波耦合箱电流信号，作为故障信号。
Step1.2：分别通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号。
Step1.3：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
所述Step1还可以具体为：
Step1.1：采集线路双端极线上的电压信号，作为故障信号。
Step1.2：求取故障信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值。
Step1.3：通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号。
Step1.4：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％。
所述Step2具体为：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号。
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若否，则调整数据时窗长度，返回Step2.1继续计算双端测距信号的频谱，若是，则分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差。
Step2.3：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％。
其中，k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％。
所述Step3具体为：
Step3.1：计算双端频差比值与1之差的绝对值。
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则执行Step3.3，若否，则执行Step4。
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端。
Step4：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号。
所述Step4具体为：
Step4.1：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，按线路全长计算校验频差值。
Step4.2：分别计算校验频差值与第一端频差值和第二端频差值之比，作为校验信号。
所述Step4还可以具体为：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，利用三采样点直线拟合法对双端获得的首个突变程度进行校验，求取双端首个突变拟合的直线斜率，作为校验信号。
Step5。计算双端校验信号之差，当双端校验信号之差大于预设的校验阈值时，按线路全长计算频差值，利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％，故障测距结果为min[k1％,(1-k1)％]，当双端校验信号之差小于预设的校验阈值时，故障测距结果为max[k1％,(1-k1)％]。
所述Step5具体为：
Step5.1：用第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差。
Step5.2：判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则执行Step5.3。若否，则执行Step5.5。
Step5.3：距离故障点的近端为第一端，按线路全长计算频差值。利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％。
Step5.4：取k1％,(1-k1)％二者中的最小值为故障测距结果，即min[k1％,(1-k1)％]。
Step5.5：距离故障点的近端为第二端，取k1％,(1-k1)％二者中的最大值为故障测距结果，即max[k1％,(1-k1)％]。
一种直流输电线路故障测距系统，包括：
频谱分析模块，用于在双端测距信号有效时，分别计算双端测距信号的频谱信号，分析频谱是否等间隔分布。
所述频谱分析模块包括：
频谱计算单元，用于计算双端测距信号的频谱。
频谱分析单元，用于分析双端测距信号的频谱是否等间隔分布，若否，则返回继续计算双端测距信号的频谱。
频谱处理模块，用于在双端信号的频谱等间隔分布时，计算双端频差，并计算双端频差比值，并比较双端频差比值与预设的阈值的大小。
所述频谱处理模块包括：
频差计算单元，用于分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到两端各自频谱所对应的频差，并计算双端频差比值。
频差比较判断单元，用于判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则输出测距结果，若否，则计算双端校验信号。
信号校验模块，用于计算双端校验信号，并比较双端校验信号之差与预设的校验阈值的大小。
所述信号校验模块包括：
校验信号计算单元，用于计算双端校验信号，并计算第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差。
校验比较判断单元，用于判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则取k％,(1-k)％二者中的最小值为测距结果，若否，则取k％,(1-k)％二者中的最大值为故障测距结果。
校验结果记录单元，用于记录双端校验信号校验结果。
故障测距模块，用于计算和记录故障测距结果。
所述故障测距模块包括：
测距计算单元，用于利用双端频差比值计算故障测距结果k％，(1-k)％。k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比。
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
进一步的，还包括：
故障信号采集模块，用于采集线路双端的故障信号。
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。
模拟量采集单元，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。
故障信号预处理模块，用于计算并构造双端测距信号。
所述故障信号预处理模块包括：
差分滤波单元，用于求取故障振荡行波信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量。
模量计算单元，用于通过Karenbauer变换矩阵解耦故障振荡行波信号，求取极空间模量信号，求取相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量。
数值计算单元，用于计算所述的作为故障特征量的幂信号，构造测距信号。
调整模块，用于对所计算的数据时窗进行调整。
本发明的有益效果是：
1、本发明不受系统边界条件影响，规避了行波波头识别的不可靠、波到时刻的标定的不精确所带来的误差。
2、本发明利用双端频差比构造测距方程，测距精度不受波头畸变、波形缺损、首波头丢失的影响，数学上减少了波速衰减的影响，不依赖双端同步对时，对高阻故障等弱故障模态具有较好的鲁棒性。
3、本发明可利用行波测距装置采集的行波信号，亦可利用故障录波器采集的信号实现，不受干扰信号、通道噪声、通道同步性影响，作为现有行波测距算法的补充和辅助，测距结果归算至杆塔号，线路长度不参与测距计算，其精度不受线路长度实际变化影响。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施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是本发明实施例1的流程示意图；
图2是图1中步骤Step1包括的具体步骤的流程示意图；
图3是图1中步骤Step2包括的具体步骤的流程图；
图4是图1中步骤Step3包括的具体步骤的流程图；
图5是图1中步骤Step5包括的具体步骤的流程图；
图6是本发明实施例2的流程示意图；
图7是图6中步骤Step1包括的具体步骤的流程示意图；
图8是实施例3的功能框图；
图9是图8中故障信号采集模块101的功能框图；
图10是图8中各模块的功能框图；
图11是实施例4的功能框图；
图12是本发明实施例中的系统拓扑示意图；
图13是本发明提供的实施例5的系统物理边界示意图；
图14是本发明提供的实施例5的极空间模量信号；
图15是本发明提供的实施例5的双端测距信号的频谱信号；
图16是本发明提供的实施例6的线路极线上的电压信号；
图17是本发明提供的实施例6的极空间模量信号；
图18是本发明提供的实施例6的极空间模量信号的高阶幂变换信号；
图19是本发明提供的实施例6的双端测距信号的频谱信号；
图20是本发明提供的实施例7的M端行波耦合箱电流信号；
图21是本发明提供的实施例7的N端行波耦合箱电流信号；
图22是本发明提供的实施例7的极空间模量信号的高阶幂变换信号；
图23是本发明提供的实施例7的双端测距信号的频谱信号；
图24是不同过渡电阻下全线测距误差示意图。
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不付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。
实施例1：如图1所示，一种直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号，如图2所示，具体为：
Step1.1：分别采集线路双端双端行波耦合箱电流信号，作为故障信号；
Step1.2：分别通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号；
Step1.3：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，如图3所示，具体为：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若否，则调整数据时窗长度，返回Step2.1继续计算双端测距信号的频谱，若是，则
Step2.3：分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差；
Step2.4：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则
Step2.5：利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％；
其中，k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比。
其中，所述改变数据时窗长度以行波在线路全长范围传播的时间τ为单位，每次改变Kτ，K＝2n，n＝1,2,3…。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号，如图4所示，具体包括：
Step3.1：计算双端频差比值与1之差的绝对值；
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则执行Step3.3，若否，则执行Step4。
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端；
Step4：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，利用三采样点直线拟合法对双端获得的首个突变程度进行校验，求取双端首个突变拟合的直线斜率，作为校验信号；
Step5：计算双端校验信号之差，当双端校验信号之差大于预设的校验阈值时，按线路全长计算频差值，利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％，故障测距结果为min[k1％,(1-k1)％]，当双端校验信号之差小于预设的校验阈值时，故障测距结果为max[k1％,(1-k1)％]，如图5所示，具体包括：
Step5.1：用第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差；
Step5.2：判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则执行Step5.3；若否，则执行Step5.5；
Step5.3：距离故障点的近端为第一端，按线路全长计算频差值；利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％；
Step5.4：取k1％,(1-k1)％二者中的最小值为故障测距结果，即min[k1％,(1-k1)％]；
Step5.5：距离故障点的近端为第二端，取k1％,(1-k1)％二者中的最大值为故障测距结果，即max[k1％,(1-k1)％]。
实施例2：如图6所示，一种直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号，如图7所示，具体为：
Step1.1：采集线路双端极线上的电压信号，作为故障信号；
Step1.2：求取故障信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值；
Step1.3：通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号；
Step1.4：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，如实施例一图3所示，具体包括：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若否，则调整数据时窗长度，返回Step2.1继续计算双端测距信号的频谱，若是，则
Step2.3：分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差；
Step2.4：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则
Step2.5：利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％；
其中，k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号，如实施例一的图4所示，具体包括：
Step3.1：计算双端频差比值与1之差的绝对值；
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则执行Step3.3，若否，则执行Step4。
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端；
Step4：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，利用三采样点直线拟合法对双端获得的首个突变程度进行校验，求取双端首个突变拟合的直线斜率，作为校验信号；
Step5：计算双端校验信号之差，当双端校验信号之差大于预设的校验阈值时，按线路全长计算频差值，利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％，故障测距结果为min[k1％,(1-k1)％]，当双端校验信号之差小于预设的校验阈值时，故障测距结果为max[k1％,(1-k1)％]，如实施例一图5所示，具体包括：
Step5.1：用第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差；
Step5.2：判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则执行Step5.3；若否，则执行Step5.5；
Step5.3：距离故障点的近端为第一端，按线路全长计算频差值；利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％；
Step5.4：取k1％,(1-k1)％二者中的最小值为故障测距结果，即min[k1％,(1-k1)％]；
Step5.5：距离故障点的近端为第二端，取k1％,(1-k1)％二者中的最大值为故障测距结果，即max[k1％,(1-k1)％]。
实施例3：如图8所示，一种直流输电线路故障测距系统，包括：
故障信号采集模块101，用于采集线路双端的行波耦合箱电流故障信号；
故障信号预处理模块102，用于计算并构造双端测距信号；
频谱分析模块103，用于在双端测距信号有效时，分别计算双端测距信号的频谱信号，分析频谱是否等间隔分布；
频谱处理模块104，用于在双端信号的频谱等间隔分布时，计算双端频差，并计算双端频差比值，并比较双端频差比值与预设的阈值的大小；
信号校验模块105，用于计算双端校验信号，并比较双端校验信号之差与预设的校验阈值的大小；
故障测距模块106，用于计算和记录故障测距结果。
调整模块107，用于对所计算的数据时窗进行调整。
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述故障信号采集模块101，如图9所示，具体包括：
电压电流变送单元1011，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；
模拟量采集单元1012，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1013，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1014，用于按时标命名录波数据文件，并存储于本地存储器。
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述故障信号预处理模块102，如图10所示，具体包括：
差分滤波单元1021，用于求取故障振荡行波信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量；
模量计算单元1022，用于通过Karenbauer变换矩阵解耦故障振荡行波信号，求取极空间模量信号，求取相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量；
数值计算单元1023，用于计算所述的作为故障特征量的幂信号，构造测距信号；
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述频谱分析模块103，如图10所示，具体包括：
频谱计算单元1031，用于计算双端测距信号的频谱；
频谱分析单元1032，用于分析双端测距信号的频谱是否等间隔分布，若否，则返回继续计算双端测距信号的频谱。
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述频谱处理模块104，如图10所示，具体包括：
频差计算单元1041，用于分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到两端各自频谱所对应的频差，并计算双端频差比值；
频差比较判断单元1042，用于判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则输出测距结果，若否，则计算双端校验信号。
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述信号校验模块105，如图10所示，具体包括：
校验信号计算单元1051，用于计算双端校验信号，并计算第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差；
校验比较判断单元1052，用于判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则取k％,(1-k)％二者中的最小值为测距结果，若否，则取k％,(1-k)％二者中的最大值为故障测距结果；
校验结果记录单元1053，用于记录双端校验信号校验结果。
其中，所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述故障测距模块106，如图10所示，具体包括：
测距计算单元1061，用于利用双端频差比值计算故障测距结果k％，(1-k)％；k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比；
测距结果记录单元1062，用于记录故障测距结果。
其中，所述调整模块107，用于对所计算的数据时窗进行调整，如图10所示，具体包括：
调整单元1071A，改变数据时窗长度以行波在线路全长范围传播的时间τ为单位，改变τ，截取对应时窗中的数据并保存；
调整单元1071B，改变数据时窗长度以行波在线路全长范围传播的时间τ为单位，改变时窗长度为2τ，截取对应时窗中的数据并保存；
调整单元1071C，改变数据时窗长度以行波在线路全长范围传播的时间τ为单位，改变时窗长度为4τ，截取对应时窗中的数据并保存；
数据存储单元1072，用于存储截取的数据。
具体的，本实施例的模块或单元与直流输电线路故障测距方法的实施例1一一对应，具体模块和单元的功能可参考直流输电线路故障测距方法的实施例1，此处不再赘述。
实施例4：如图11所示，一种直流输电线路故障测距系统，包括：
故障信号采集模块201，用于采集线路双端的极线电压故障信号；
故障信号预处理模块202，用于计算并构造双端测距信号；
频谱分析模块203，用于在双端测距信号有效时，分别计算双端测距信号的频谱信号，分析频谱是否等间隔分布；
频谱处理模块204，用于在双端信号的频谱等间隔分布时，计算双端频差，并计算双端频差比值，并比较双端频差比值与预设的阈值的大小；
信号校验模块205，用于计算双端校验信号，并比较双端校验信号之差与预设的校验阈值的大小；
故障测距模块206，用于计算和记录故障测距结果。
调整模块207，用于对所计算的数据时窗进行调整。
具体的，本实施例的模块或单元与直流输电线路故障测距方法的实施例2一一对应，具体模块和单元的功能参考直流输电线路故障测距方法的实施例2，此处不再赘述。
实施例5：如图12所示的±800kV直流输电系统仿真模型，线路采用频率相关模型；每极换流单元为双12脉冲换流器串联组成。直流输电线路为六分裂导线，线路长为1500km，线路两侧装有400mH的平波电抗器。系统量测端分别为M端和N端。
图13为平波电抗器和直流滤波器构成的物理边界示意图，直流侧特征谐波次数为Kp次，其中p为换流器的脉波数，K为任意正整数，因此直流滤波器选用12/24/36三调谐滤波器。
其参数为：L＝400mH、L1＝39.09mH、L2＝26.06mH、L3＝19.545mH、L4＝34.75mH、C1＝0.9μF、C2＝0.9μF、C3＝1.8μF、C4＝0.675μF。图中B1～B4、D1、D2分别为直流滤波器、平波电抗器、直流母线的避雷器。平波电抗器在行波频率范围内，可视为开路。
按照如图12所示在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真模型，假设距离M端(整流侧)700km处(距离N端800km)发生双极金属性短路故障，采样率为200kHz。
一种直流输电线路故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号，具体为：
Step1.1：分别采集线路双端双端行波耦合箱电流信号，作为故障信号；
Step1.2：分别通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号，如图14所示；
Step1.3：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，具体包括：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号如图15所示；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若是，则
Step2.3：分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差△fM＝212.76Hz、△fN＝185.19Hz；
Step2.4：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则
Step2.5：利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，按式(1)计算双端频差比值ΩMN＝1.1489，利用该比值按式(4)进行故障测距，记录测距结果k％＝46.53％，(1-k)％＝53.47％；
式(1)中，ΔωM、ΔωN分别表示M端和N端计算所得的角频差、ΔfM、ΔfN分别表示M端和N端计算所得的频差，双端频差和角频差分别满足式(2)、(3)的关系式。
利用双端频差的比值ΩMN所构造的测距公式(4)，得到测距结果k％。
其中，k％表示故障点相对于第一端(M端)的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端(N端)的距离占线路总长的百分比。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号，具体包括：
Step3.1：计算双端频差比值ΩMN与1之差的绝对值如式(5)所示；
Abs(ΩMN-1)＝丨ΩMN-1丨 (5)
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值Abs(ΩMN-1)＝0.1498大于预设的阈值Ωset，设为0.02，则执行Step3.3；
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端。
实施例6：按照如图12所示在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真模型，假设距离M端(整流侧)50km处(距离N端1450km)发生正极金属性接地故障，采样率为200kHz。
一种直流输电线路故障测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号，具体为：
Step1.1：分别采集线路极线上的电压信号，作为故障信号，如图16所示；
Step1.2：求取故障信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值；
Step 1.3：通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号，如图17所示；
Step1.4：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号，如图18所示。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，具体包括：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号如图19所示；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若是，则
Step2.3：分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差△fM＝2980Hz、△fN＝102.76Hz；
Step2.4：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则
Step2.5：利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，按式(1)计算双端频差比值ΩMN＝28，利用该比值按式(4)进行故障测距，记录测距结果k％＝3.31％，(1-k)％＝96.68％；
式(1)中，ΔωM、ΔωN分别表示M端和N端计算所得的角频差、ΔfM、ΔfN分别表示M端和N端计算所得的频差，双端频差和角频差分别满足式(2)、(3)的关系式。
利用双端频差的比值ΩMN所构造的测距公式(4)，得到测距结果k％。
其中，k％表示故障点相对于第一端(M端)的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端(N端)的距离占线路总长的百分比。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号，具体包括：
Step3.1：计算双端频差比值ΩMN与1之差的绝对值如式(5)所示；
Abs(ΩMN-1)＝丨ΩMN-1丨 (5)
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值Abs(ΩMN-1)＝27，远大于预设的阈值Ωset，设为0.02，则执行Step3.3；
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端。
实施例7：以JZ直流工程发生的实际故障为例测试本发明的方法。故障时间XXXX-06-2810:35:46 613134μs，全长1106.8km，采样率为1MHz。
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号，包括步骤：
Step1.1：分别采集线路双端行波耦合箱电流信号，作为故障信号，如图20、图21所示；
Step1.2：通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号；
Step1.3：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号，如图22所示。
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，具体包括：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号如图23所示；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若是，则
Step2.3：分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差△fM＝854.34Hz、△fN＝855.43Hz；
Step2.4：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则
Step2.5：利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，按式(1)计算双端频差比值ΩMN＝0.9987，利用该比值按式(4)进行故障测距，记录测距结果k％＝50％，(1-k)％＝50％；
式(1)中，ΔωM、ΔωN分别表示M端和N端计算所得的角频差、ΔfM、ΔfN分别表示M端和N端计算所得的频差，双端频差和角频差分别满足式(2)、(3)的关系式。
利用双端频差的比值ΩMN所构造的测距公式(4)，得到测距结果k％。
其中，k％表示故障点相对于第一端(M端)的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端(N端)的距离占线路总长的百分比。
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号，具体包括：
Step3.1：计算双端频差比值ΩMN与1之差的绝对值如式(5)所示；
Abs(ΩMN-1)＝丨ΩMN-1丨 (5)
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值Abs(ΩMN-1)＝0.0013，小于预设的阈值Ωset，设为0.02，则执行Step4；
Step4：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，利用三采样点直线拟合法对双端获得的首个突变程度进行校验，求取双端首个突变拟合的直线斜率，作为校验信号KJG＝1369，KGZ＝516；
Step5：计算双端校验信号之差，当双端校验信号之差大于预设的校验阈值时，故障测距结果为min[k％,(1-k)％]，当双端校验信号之差小于预设的校验阈值时，故障测距结果为max[k％,(1-k)％]，具体包括：
Step5.1：用第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差KJG-KGZ＝853；
Step5.2：判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值Kset＝0.1，若是，则执行Step5.3；若否，则执行Step5.5；
Step5.3：距离故障点的近端为第一端，按线路全长计算频差值△f全长＝67.32Hz；计算k1％＝△f全长/△fM＝7.87％。
Step5.4：取k1％,(1-k1)％二者中的最小值为故障测距结果，即min[k1％,(1-k1)％]＝7.87％；
对线路全线长范围内，每隔100km设置一个故障位置进行遍历，所得金属性单极接地故障和500Ω过渡电阻单极接地故障下的误差如图24所示。
更多的案例及仿真遍历结果如表1所示。
表1：
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 (16)
1.一种直流输电线路故障测距方法，其特征在于：
Step1：采集线路双端故障信号，分别计算双端测距信号；
Step2：分别计算双端故障信号的频差，判断双端频差稳定值是否存在，若否，则调整时窗长度，返回上一步获得双端频谱，若是，则计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％，具体为：
利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，按式(1)计算双端频差比值ΩMN，利用该比值按式(4)进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％；
式(1)中，ΔωM、ΔωN分别表示第一端和第二端计算所得的角频差、ΔfM、ΔfN分别表示第一端和第二端计算所得的频差，双端频差和角频差分别满足式(2)、(3)的关系式；
利用双端频差的比值ΩMN所构造的测距公式(4)，得到测距结果k％；
其中，k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比；
Step3：计算双端频差比值与1之差的绝对值，当双端频差比值与1之差的绝对值大于预设的阈值时，故障距离为k％；
Step4：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，计算双端校验信号；
Step5；计算双端校验信号之差，当双端校验信号之差大于预设的校验阈值时，按线路全长计算频差值，利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％，故障测距结果为min[k1％,(1-k1)％]，当双端校验信号之差小于预设的校验阈值时，故障测距结果为max[k1％,(1-k1)％]。
2.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step1具体为：
Step1.1：分别采集线路双端行波耦合箱电流信号，作为故障信号；
Step 1.2：分别通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号；
Step1.3：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
3.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step1具体为：
Step1.1：采集线路双端极线上的电压信号，作为故障信号；
Step1.2：求取故障信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值；
Step 1.3：通过Karenbauer变换矩阵解耦故障信号，求取极空间模量信号；
Step1.4：分别计算所述的极空间模量信号的高阶幂变换信号，作为测距信号。
4.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step2具体为：
Step2.1：分别计算双端测距信号的频谱信号；
Step2.2：判断双端测距信号的频谱分布是否等间隔，若否，则调整数据时窗长度，返回Step2.1继续计算双端测距信号的频谱，若是，则分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到双端各自频谱所对应的频差；
Step2.3：判断双端频差值是否稳定存在，若是，则利用第一端获得的频差除以第二端获得的频差，计算双端频差比值，利用该比值进行故障测距，记录测距结果k％，(1-k)％；
其中，k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比。
5.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step3具体为：
Step3.1：计算双端频差比值与1之差的绝对值；
Step3.2：判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则执行Step3.3，若否，则执行Step4；
Step3.3：故障测距结果为k％，表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，距离故障点的近端为第一端。
6.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step4具体为：
Step4.1：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，按线路全长计算校验频差值；
Step4.2：分别计算校验频差值与第一端频差值和第二端频差值之比，作为校验信号。
7.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step4具体为：当双端频差比值与1之差的绝对值小于或者等于预设的阈值时，利用三采样点直线拟合法对双端获得的首个突变程度进行校验，求取双端首个突变拟合的直线斜率，作为校验信号。
8.根据权利要求1所述的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step5具体为：
Step5.1：用第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差；
Step5.2：判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则执行Step5.3；若否，则执行Step5.5；
Step5.3：距离故障点的近端为第一端，按线路全长计算频差值；利用全长频差值与第一端频差值的比值计算k1％；
Step5.4：取k1％,(1-k1)％二者中的最小值为故障测距结果，即min[k1％,(1-k1)％]；
Step5.5：距离故障点的近端为第二端，取k1％,(1-k1)％二者中的最大值为故障测距结果，即max[k1％,(1-k1)％]。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的直流输电线路故障测距方法的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，包括：
频谱分析模块，用于在双端测距信号有效时，分别计算双端测距信号的频谱信号，分析频谱是否等间隔分布；
频谱处理模块，用于在双端信号的频谱等间隔分布时，计算双端频差，并计算双端频差比值，并比较双端频差比值与预设的阈值的大小；
信号校验模块，用于计算双端校验信号，并比较双端校验信号之差与预设的校验阈值的大小；
故障测距模块，用于计算和记录故障测距结果。
10.根据权利要求9所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，还包括：
故障信号采集模块，用于采集线路双端的故障信号；
故障信号预处理模块，用于计算并构造双端测距信号；
调整模块，用于对所计算的数据时窗进行调整。
11.根据权利要求10所述的直流输电线路故障测距系统，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；
模拟量采集单元，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。
12.根据权利要求10所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述故障信号预处理模块包括：
差分滤波单元，用于求取故障振荡行波信号的相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量；
模量计算单元，用于通过Karenbauer变换矩阵解耦故障振荡行波信号，求取极空间模量信号，求取相邻采样点的值之差，作为前一个采样点的新值，以此为故障特征量；
数值计算单元，用于计算作为故障特征量的幂信号，构造测距信号。
13.根据权利要求9所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述频谱分析模块包括：
频谱计算单元，用于计算双端测距信号的频谱；
频谱分析单元，用于分析双端测距信号的频谱是否等间隔分布，若否，则返回继续计算双端测距信号的频谱。
14.根据权利要求9所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述频谱处理模块包括：
频差计算单元，用于分别提取双端频谱的谱峰位置的频率值，对相邻两个频率值作差，得到两端各自频谱所对应的频差，并计算双端频差比值；
频差比较判断单元，用于判断双端频差比值与1之差的绝对值是否大于预设的阈值，若是，则输出测距结果，若否，则计算双端校验信号。
15.根据权利要求9所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述信号校验模块包括：
校验信号计算单元，用于计算双端校验信号，并计算第一端校验信号减去第二端校验信号计算双端校验信号之差；
校验比较判断单元，用于判断双端校验信号之差是否大于预设的校验阈值，若是，则取k％,(1-k)％二者中的最小值为测距结果，若否，则取k％,(1-k)％二者中的最大值为故障测距结果；
校验结果记录单元，用于记录双端校验信号校验结果。
16.根据权利要求9所述的直流输电线路故障测距系统，其特征在于，所述故障测距模块包括：
测距计算单元，用于利用双端频差比值计算故障测距结果k％，(1-k)％；k％表示故障点相对于第一端的距离占线路总长的百分比，(1-k)％表示故障点相对于第二端的距离占线路总长的百分比；
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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