CN114487695A - 基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法及系统 - Google Patents

基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法及系统 Download PDF

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CN114487695A
CN114487695A CN202111592111.2A CN202111592111A CN114487695A CN 114487695 A CN114487695 A CN 114487695A CN 202111592111 A CN202111592111 A CN 202111592111A CN 114487695 A CN114487695 A CN 114487695A
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高湛军
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract

本发明属于电力系统线路保护技术领域，提供了一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法及系统。其中，该方法包括获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；从故障电流行波信号中提取线模分量信号；对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；其中，测距公式的选定原则为：基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。

Description

基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统线路保护技术领域，尤其涉及一种基于单双端测距的线缆混合直流线路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。
相比于交流输电系统，直流输电系统具有线路损耗小、传输能量大、结构简单灵活和易于实现不同电制电网互联互通等优势。直流输电线路跨度广，沿线的地理环境复杂多变，直流输电线路可能会采用架空线路和电缆混合连接的方式。从空间、时间和频率的角度来看，直流输电线路故障测距方法主要分为：行波法、故障分析法及固有频率法，其中行波法精度较高，不会受到线路结构和故障类型的影响，但利用行波法测距对行波波头的准确标定有很强的依赖性，过渡电阻直接影响行波波头的准确标定，且行波波速的选取也会对测距精度产生影响。
线缆混合的直流输电线路，线路波阻抗不统一，需要考虑由架空线和电缆波阻抗不同造成的折反射情况复杂的情况，发明人发现，传统的单一线路故障测距方法不再适用，而且现有的混合直流输电线路故障测距算法均存在可靠性和精度不高的问题。
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单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法及系统，其对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差，推导出两组故障测距公式，再通过分析行波波头性质及折反射情况，选择其中一组抗过渡电阻能力强的测距公式，形成线缆混合直流输电线路故障测距实用公式，能够提高混合直流输电线路故障测距的可靠性和精度。
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单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其包括：
获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；
从故障电流行波信号中提取线模分量信号；
对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；
基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；
其中，测距公式的选定原则为：基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应的时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
作为一种实施方式，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的。
作为一种实施方式，当0≤xR＜L/2时，选择
Figure BDA0003429550540000021
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure BDA0003429550540000022
作为测距公式；
其中，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端，且为架空线路与电缆的非连接端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻。
作为一种实施方式，所述故障电流行波信号包括故障区段线路两端的正极和负极线路上的故障电流行波信号。
作为一种实施方式，采用Karenbauer变换矩阵对正极和负极线路上的故障电流行波信号进行相模变换解耦，得到线模分量和零模信号。
作为一种实施方式，在对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析的过程中，设定分析层数为2，识别故障区段两端电流突变量的极性，并确定出电流突变时刻，从而得到故障电流初始行波第一次和第二次到达故障区段线路两端的时刻。
本发明的第二个方面提供一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距系统，其包括：
行波信号获取模块，其用于获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；
线模分量信提取模块，其用于从故障电流行波信号中提取线模分量信号；
电流突变时刻确定模块，其用于对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；
故障点位置确定模块，其用于基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；
其中，测距公式的选定原则为：基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
作为一种实施方式，在所述故障点位置确定模块中，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的。
作为一种实施方式，在所述故障点位置确定模块中：
当0≤xR<L/2时，选择
Figure BDA0003429550540000041
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure BDA0003429550540000042
作为测距公式；
其中，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端，且为架空线路与电缆的非连接端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻。
本发明的第三个方面提供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单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种电子设备，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单双端测距的线缆混合直流线路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：
本发明的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，通过获取架空线和电缆混合故障区间两端的故障电流行波，提取其中的线模分量，再经过多分辨形态梯度分析确定电流突变时刻，采用单端行波法和双端行波法结合的方式，推导出两组故障测距公式，分析行波波头性质及折反射情况，选择其中一组抗过渡电阻能力强的测距公式，进而实现了线缆混合直流输电线路的故障测距，该方法计算量小，消除了波速的影响，测距精度高，且耐受过渡电阻能力强。
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为本发明实施例的故障测距流程图；
图2为本发明实施例的线缆混合直流输电线路示意图；
图3(a)为R端电流；
图3(b)为故障区段M处的故障电流；
图4(a)为本发明实施例的故障点位于故障区段前半段时行波的传播情况；
图4(b)为本发明实施例的故障点位于故障区段后半段时行波的传播情况；
图5(a)为本发明实施例的R端Perterson等值电路图；
图5(b)为本发明实施例的M端Perterson等值电路图；
图5(c)为本发明实施例的故障点处Perterson等值电路图。
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
参照图1，本实施例提供了一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其具体包括如下步骤：
S101：获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号。
如图2所示，本实施例的故障测距模型包括整流侧、逆变侧和直流混合线路。直流混合线路连接在整流侧和逆变侧之间，由两段输电线路组成，靠近整流侧的一段为架空线路，靠近逆变侧的一段为电缆线路。分别在靠近整流侧、靠近逆变侧和架空线-电缆连接处安装电气量采集装置。
本实施例的所述故障电流行波信号包括故障区段线路两端的正极和负极线路上的故障电流行波信号。在架空线和电缆连接处设置电气量采集点，对于线缆混合直流输电线路某区段发生故障，采集该区段靠近线路两端的正、负极线路上的故障电流信号。
当混合直流线路的架空线路区段发生故障时，从该区段整流侧和架空线路-电缆线路连接处测量点分别获取故障电流行波信号，采样频率1MHz。
S102：从故障电流行波信号中提取线模分量信号。
在本实施例中，采用Karenbauer变换矩阵对正极和负极线路上的故障电流行波信号进行相模变换解耦，得到线模分量和零模信号。
高压直流输电线路的正、负极之间有耦合现象，为提高测距精度，必须使用相模变换矩阵将电流解耦，相模变换矩阵如式(1)所示。
Figure BDA0003429550540000071
经相模变换矩阵解耦后，故障电流可以分解成电流线模分量和零模分量，线模分量受到频率、过渡电阻和外界环境等因素的影响较小，较为稳定，因此选取电流线模分量进行后续处理。解耦后的电流线模分量可由式(2)计算可得。
Figure BDA0003429550540000072
其中i1为电流线模分量，i0为电流零模分量，ip为直流侧正极电流，in为直流侧负极电流。
S103：对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻。
如图3(a)-图3(b)所示，在对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析的过程中，设定分析层数为2，识别故障区段两端电流突变量的极性，并确定出电流突变时刻，从而得到故障电流初始行波第一次和第二次到达故障区段线路两端的时刻。
数学形态学作为一种信号波形处理方法，在分析暂态波形特征上具有其独特优势，其中的多分辨形态梯度能够准确辨识波形中的上升和下降边缘。为凸显信号中的边缘信息，定义形态学梯度(morphological gradient，MG)为式(3)
Figure BDA0003429550540000073
式中，f为原始信号，g为结构元素。
在形态学梯度的基础上，为了分别凸显电流信号中的上升边缘和下降边缘，引入多分辨形态梯度(multi-resolution morphological gradient，MMG)算法，其中运用了长度相同但原点位置相反的扁平结构元素g+和g-，如式(4)所示：
Figure BDA0003429550540000081
式中g+的原点位置在首端，用来辨识信号的上升边缘；g-原点位置在末端，用来辨识信号的下降边缘；a为MMG分析的层数，当MMG分析的层数为1时，G0为原始信号，
Figure BDA0003429550540000082
为经过a次g+处理的信号，
Figure BDA0003429550540000083
为经过a次g-处理的信号。
S104：基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置。
基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，考虑到波头识别的准确性，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
在本实施例中，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的。
假设t0为故障发生时刻，v为线路波速，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻，行波传播情况如图4(a)-图4(b)所示。
当0≤xR＜L/2时，根据双端行波测距原理和单端行波测距原理可以得到以下式子：
Figure BDA0003429550540000091
消除波速后可以得到两个测距公式：
Figure BDA0003429550540000092
Figure BDA0003429550540000093
当L/2≤xR≤L时，同理可以得出：
Figure BDA0003429550540000094
消除波速后可以得到两个测距公式
Figure BDA0003429550540000095
Figure BDA0003429550540000096
分析行波波头性质及折反射情况，设前行波为uf，反射波为uq，架空线路的波阻抗为ZL，电缆的波阻抗为ZC，且ZL>ZC，故障点过渡电阻为Rf，VSC的边界元件可以等效为电容C，以图2为例，分析当架空线发生故障时R端和M端的行波折反射情况。
当架空线发生故障时，分别对到达R、M端和故障点处的行波反射系数做分析，其Perterson等值电路图如图5(a)-图5(c)所示。
根据Perterson法则可以得到
Figure BDA0003429550540000101
由图5(a)等值电路，根据一阶电路的三要素法可以得到
Figure BDA0003429550540000102
根据式(11)(12)可以得到R端的反射波为
Figure BDA0003429550540000103
令上式中t＝0，则
uf＝-uq (14)
即电压反射系数为-1，根据式(11)可知电流反射系数为1。
同理可根据图5(b)得M端反射波为
Figure BDA0003429550540000104
即电压反射系数为负，根据式(11)可知电流反射系数为正。
根据图5(c)得故障点处反射波为
Figure BDA0003429550540000105
Figure BDA0003429550540000106
即电压反射系数为负，根据式(11)可知电流反射系数为正。
综上所述，当0≤xR<L/2时，由图4(a)可知：
Figure BDA0003429550540000107
选择
Figure BDA0003429550540000108
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L，由图4(b)可知：
Figure BDA0003429550540000111
选择
Figure BDA0003429550540000112
作为测距公式。
因此，
当0≤xR<L/2时，选择
Figure BDA0003429550540000113
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure BDA0003429550540000114
作为测距公式。
此处需要说明的是，考虑到高过渡电阻时的波头识别准确性，根据故障电流行波信号的波头性质、折反射情况及抗过渡电阻能力，本领域技术人员选择前述两组测距公式中波头幅值最大的作为最终的测距公式，即式(7)与式(10)，具体分析参考上述分析，此处不再累述。
以线路发生单极故障为例，过渡电阻为300Ω，本实施例所采用的结合单端测距和双端测距原理的测距方法对比目前常用的测距公式(18)、(19)结果如表1所示。
当判定为架空线故障时，目前常用的测距公式为
Figure BDA0003429550540000115
当判定为电缆故障时，目前常用的测距公式为
Figure BDA0003429550540000116
表1故障测距结果对比
Figure BDA0003429550540000117
Figure BDA0003429550540000121
由表1可以看出，本公开所提出的基于单双端混合原理的测距公式，由于消除了波速的影响，其测距的精度相较于传统的混合线路双端线路测距公式大大提高。
实施例二
本实施例提供了一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距系统，其具体包括如下模块：
行波信号获取模块，其用于获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；
线模分量信提取模块，其用于从故障电流行波信号中提取线模分量信号；
电流突变时刻确定模块，其用于对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；
故障点位置确定模块，其用于基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；
基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
具体地，在所述故障点位置确定模块中，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的。
在所述故障点位置确定模块中，
当0≤xR≤L/2时，选择
Figure BDA0003429550540000131
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure BDA0003429550540000132
作为测距公式；
其中，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端，且为架空线路与电缆的非连接端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻。
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所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种电子设备，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单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法中的步骤。
本发明是参照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。
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 (10)

1.一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，包括：
获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；
从故障电流行波信号中提取线模分量信号；
对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；
基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；
其中，测距公式的选定原则为：基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
2.如权利要求1所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的。
3.如权利要求1所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，当0≤xR<L/2时，选择
Figure FDA0003429550530000011
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure FDA0003429550530000012
作为测距公式；
其中，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端，且为架空线路与电缆的非连接端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻。
4.如权利要求1所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，所述故障电流行波信号包括故障区段线路两端的正极和负极线路上的故障电流行波信号。
5.如权利要求4所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，采用Karenbauer变换矩阵对正极和负极线路上的故障电流行波信号进行相模变换解耦，得到线模分量和零模信号。
6.如权利要求1所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法，其特征在于，在对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析的过程中，设定分析层数为2，识别故障区段两端电流突变量的极性，并确定出电流突变时刻，从而得到故障电流初始行波第一次和第二次到达故障区段线路两端的时刻。
7.一种基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距系统，其特征在于，包括：
行波信号获取模块，其用于获取线缆混合的故障区段线路两端的故障电流行波信号；
线模分量信提取模块，其用于从故障电流行波信号中提取线模分量信号；
电流突变时刻确定模块，其用于对线模分量信号进行多分辨形态梯度分析，确定出电流突变时刻；
故障点位置确定模块，其用于基于电流突变时刻及选定的测距公式，确定出故障点位置；
其中，测距公式的选定原则为：基于故障电流行波的折反射情况，计算其折反射系数，选择分析所得到的含波头幅值最大的波头对应时刻的测距公式；
所述两组单双端故障测距公式是根据故障点与故障区段线路一端的距离以及结合单端行波测距原理与双端行波测距原理而得到的，每组故障测距公式包括两个故障测距公式。
8.如权利要求7所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距系统，其特征在于，在所述故障点位置确定模块中，两组单双端故障测距公式是对故障区段线路采用单端行波法和双端行波法结合的方式，消除由行波波速带来的误差而推导出的；
或
在所述故障点位置确定模块中：
当0≤xR<L/2时，选择
Figure FDA0003429550530000031
作为测距公式；
当L/2≤xR≤L时，选择
Figure FDA0003429550530000032
作为测距公式；
其中，L为故障区段线路全长；R为故障区段线路的一端，且为架空线路与电缆的非连接端；I为故障区段线路的另一端；xR为故障点到R端的距离；t1、t3分别为故障电流初始行波第一次和第二次到达R端的时刻；t2、t4分别为故障电流初始行波第一次和第二次到I端的时刻。
9.一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1-6中任一项所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法中的步骤。
10.一种电子设备，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1-6中任一项所述的基于单双端测距的线缆混合直流线路故障测距方法中的步骤。
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