CN115308534A - 一种t接输电线路故障支路诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种T接输电线路故障支路诊断方法，本发明利用T接输电线路区内三端测点的初始电压行波数据和初始电流行波数据，首先对电压、电流行波数据解耦并对解耦后的模量信息进行组合，再基于S变换计算T接输电线路多个频率下对应短时时窗序列的初始行波无功功率均值和，然后将两两行波保护单元对应短时序列的无功功率均值和作比，并将其组成T接输电线路故障特征向量样本集，采用样本集对随机森林故障识别模型进行训练和测试，以此实现T接输电线路故障支路的诊断。

Description

一种T接输电线路故障支路诊断方法

技术领域

本发明属于T接输电线路故障支路诊断技术领域，具体涉及一种T接输电线路故障支路诊断方法。

背景技术

电力系统的安全稳定运行是保障其它相关产业能够稳定发展的前提，对实现国民经济的稳健高速发展具有深远影响。输电线路是电力系统中重要的组成元件之一，在电力系统中承担电能的输送任务，其故障会严重影响电力系统的安全稳定运行，在国内外都曾发生过因输电线路故障而诱发电力系统崩溃的事故。所以，对输电线路故障诊断的研究具有重要意义。

T接输电线路被广泛应用于高压和超高压电力输电网中，常连接着大系统与大电厂，其线路传输的功率高、负荷重，因此当线路故障时，有可能导致大面积停电事故。为防止因输电线路故障引起事故的进一步扩大，以及减小因停电造成的经济损失，就要求能够快速、准确地诊断故障，进而排除故障。

目前对T接输电线路故障识别的研究主要有基于工频量和暂态量两种，基于工频量的T接线路故障识别方法主要利用区内三端近母线处保护单元测量的电压、电流工频信息以及输电线路分布参数信息建立保护判据，识别区内外故障。利用T接线路三端电压和电流各自故障分量矢量和的比值，识别区内外故障。利用T接线路三端电流故障分量之和以及三端电流故障分量中最大电流与另外两端电流之和的矢量差建立判据，识别区内外故障，但是判据中制动系数的选取会对故障识别的灵敏性和可靠性造成影响。在T接线路三端分别计算T节点处的正序电压，通过比较T节点正序电压叠加分量的最大幅值g₁与三端正序电压叠加分量的最大幅度g₂的关系识别区内外故障。当g₁>g₂时，发生区内故障；当g₁<g₂时，发生区外故障。利用T接线路三侧电压幅值差和测量阻抗特征等信息，综合电压幅值差主判据与自适应距离辅助判据识别区内外故障。基于工频量的故障诊断方法因计算数据窗较长而无法实现对故障的快速诊断。

基于暂态量的故障识别方法主要是对区内三端近母线处的行波保护单元测量的电压(电流)行波信息进行处理。将T接线路继电端测量得到的电压、电流信号提供给二阶泰勒-卡尔曼-傅里叶滤波器，以此估计电压、电流信号相量的瞬时值，然后通过瞬时电压、电流相量信息求取得到的正序阻抗识别区内外故障。利用T接线路三端暂态电流的余弦相似度建立判据，识别区内外故障。将小波变换应用于T接线路故障识别中，但高频噪声信号会对故障识别的效果产生影响。首先利用bior3.1小波对T接线路三端原始电流信号进行处理，然后通过对比三端运行电流与抑制电流的关系识别区内外故障。通过对比Haar小波函数在T接线路每端检测到的故障电流极性来判别区内外故障。基于暂态量的故障诊断方法因其可以实现快速保护动作而受到人们的广泛关注，但基于暂态量的故障诊断方法精度不高。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种T接输电线路故障支路诊断方法解决了基于工频量的故障诊断方法无法实现对故障的快速诊断，基于暂态量的故障诊断方法精度不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种T接输电线路故障支路诊断方法，包括以下步骤：

S1、采集T接输电线路区内母线端各行波保护单元的初始电压行波数据和初始电流行波数据；

S2、对初始电压行波数据和初始电流行波数据进行解耦和模量组合处理，得到组合电压和组合电流；

S3、对组合电压和组合电流分别进行S变换，得到电压时频复矩阵和电流时频复矩阵；

S4、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，计算两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值；

S5、根据无功功率均值和的比值，构建T接输电线路故障特征向量样本集，结合随机森林构建故障识别模型；

S6、采用故障识别模型识别T接输电线路的故障支路。

进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、对初始电压行波数据和初始电流行波数据分别进行解耦处理，得到模电压和模电流；

S22、将模电压和模电流进行组合，得到组合电压和组合电流。

上述进一步地方案的有益效果为：在三相输电系统中，各相电压和各相电流之间的耦合会对电压电流造成影响，因此需要对相电压和相电流进行解耦处理，本发明采用克拉克相模变换对相电压和相电流进行解耦处理，再利用组合模量来反应T接线路的各种故障类型。

进一步地，所述步骤S22中组合公式为：

其中，Δu_z为组合电压，Δu_α为克拉克α模电压，Δu_β为克拉克β模电压，Δi_z为组合电流，Δi_α为克拉克α模电流，Δi_β为克拉克β模电流。

进一步地，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，得到各行波保护单元各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)，其中，m为行波保护单元编号，n为频率编号，l为采样点编号，采样点对应电压、电流故障后0.1ms时间段内的数据；

S42、将各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)以11个采样点为固定数据窗长，1个采样点为滑移尺度因子进行截取，得到多个时窗的功率序列Q_mnk(x)，其中，k为时窗编号，x＝1,2,3,…,11为时窗的11个采样点编号；

S43、根据功率序列Q_mnk(x)，分别计算各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

S44、根据各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

计算各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}；

S45、根据各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}，计算两两行波保护单元对应时窗下无功功率均值和的比值

和

其中，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₂在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₂在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值。

上述进一步地方案的有益效果为：采用电压、电流行波数据进行故障诊断，有利于提升故障诊断的稳定性，采用多个频率多个时窗的数据，可进一步提升故障诊断的抗干扰能力。

进一步地，所述步骤S41中无功功率Q_mn(l)公式为：

其中，Q_mn(l)为行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的无功功率，Im[·]为求取虚部函数，

为电压时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电压相量，

为

的共轭相量，

为电流时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电流相量。

进一步地，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值组成T接输电线路故障特征向量；

S52、将T接输电线路故障特征向量构成训练样本集；

S53、采用训练样本集训练和测试随机森林故障识别模型，得到训练完成的故障识别模型。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用T接输电线路区内三端测点的初始电压行波数据和初始电流行波数据，首先对电压、电流行波数据解耦并对解耦后的模量信息进行组合，再基于S变换计算T接输电线路多个频率下对应短时时窗序列的初始行波无功功率均值和，然后将两两行波保护单元对应短时序列的无功功率均值和作比，并将其组成T接输电线路故障特征向量样本集，采用样本集对随机森林故障识别模型进行训练和测试，以此实现T接输电线路故障支路的诊断。

2、利用区内外初始行波无功功率的差异反映不同支路故障特征，结合随机森林的学习及泛化能力对故障进行诊断，本发明相较于传统T接输电线路故障诊断方法，不仅能实现区内外故障的识别，还能准确识别出T接输电线路具体的故障支路，相比于暂态量的故障诊断方法精度更高。

3、本发明故障诊断的数据窗长仅0.1ms，相较于传统故障诊断使用的全周(20ms)或半周(10ms)傅氏算法数据窗，大大缩短了算法计算时间，能实现T接输电线路故障的快速诊断。

附图说明

图1为一种T接输电线路故障支路诊断方法的流程图；

图2位本发明中500kV的T接输电线路示意图；

图3为本发明中T接输电线路区内CO支路故障时的彼得逊等效电路图；

图4为本发明中T接线路区外CF支路故障时彼得逊等效电路图；

图5为本发明中T接输电线路区内CO支路故障时行波保护单元TR₁相关波形图；

图6为本发明中T接输电线路区内CO支路故障时行波保护单元TR₂相关波形图；

图7为本发明中T接输电线路区内CO支路故障时行波保护单元TR₃相关波形图；

图8为本发明中T接输电线路区外CF支路故障时行波保护单元TR₁相关波形图；

图9为本发明中T接输电线路区外CF支路故障时行波保护单元TR₂相关波形图；

图10为本发明中T接输电线路区外CF支路故障时行波保护单元TR₃相关波形图；

图11为本发明中训练模型的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种T接输电线路故障支路诊断方法，包括以下步骤：

S1、采集T接输电线路区内近母线端各行波保护单元的初始电压行波数据和初始电流行波数据；

图2为500kV的T接输电线路，定义图2中AO、BO、CO三条支路为T接输电线路的区内支路，AD、BE、CF三条支路为T接输电线路的区外支路。

T接输电线路由区内支路AO、BO、CO和区外支路AD、BE、CF组成，电压等级为500kV，行波保护单元TR₁～TR₃分别安装在区内支路靠近A、B、C三端母线处。当故障发生在区内AO支路F1处时，行波沿线路从故障点向两侧传播，在线路波阻抗不连续处发生折反射。

根据行波传播理论，设t_0m(m＝1,2,3)分别为初始行波首次到达A、B、C3端的时刻，t_1m(m＝1,2,3)为行波在线路波阻抗不连续处发生折反射后第2次到达A、B、C三端的时刻；在t_0m～t_1m时间段内，区内支路近A、B、C 3端处的行波保护单元TR_m(m＝1,2,3)获取的故障行波称为初始电压行波数据Δu_m(m＝1,2,3)和初始电流行波数据Δi_m(m＝1,2,3)。

S2、对初始电压行波数据和初始电流行波数据进行解耦和模量组合处理，得到组合电压和组合电流；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、对初始电压行波数据和初始电流行波数据分别进行解耦处理，得到模电压和模电流；

S22、将模电压和模电流进行组合，得到组合电压和组合电流。

所述步骤S22中组合公式为：

其中，Δu_z为组合电压，Δu_α为克拉克α模电压，Δu_β为克拉克β模电压，Δi_z为组合电流，Δi_α为克拉克α模电流，Δi_β为克拉克β模电流。

S3、对组合电压和组合电流分别进行S变换，得到电压时频复矩阵和电流时频复矩阵；

S4、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，计算两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值；

所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，得到各行波保护单元各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)，其中，m为行波保护单元编号，n为频率编号，l为采样点编号，采样点对应电压、电流故障后0.1ms时间段内的数据；

所述步骤S41中无功功率Q_mn(l)公式为：

其中，Q_mn(l)为行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的无功功率，Im[·]为求取虚部函数，

为电压时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电压相量，

为

的共轭相量，

为电流时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电流相量。

和

为：在电压时频复矩阵和电流时频复矩阵分别选择10个不同频率f_n(n＝1,2,…,10)下故障后0.1ms时间段内的电压相量和电流相量。

在本实施例中，频率f_n具体为：f₁＝6kHz，f₂＝7kHz，f₃＝8kHz，f₄＝9kHz，f₅＝10kHz，f₆＝11kHz，f₇＝12kHz，f₈＝13kHz，f₉＝14kHz，f₁₀＝15kHz；采样点个数l＝1,2，…，20，采样点个数l为步骤S1中所指采样过程的采样点。

S42、将各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)以11个采样点为固定数据窗长，1个采样点为滑移尺度因子进行截取，得到多个时窗的功率序列Q_mnk(x)，其中，k为时窗编号，x＝1,2,3,…,11为时窗的11个采样点编号；

S43、根据功率序列Q_mnk(x)，分别计算各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

S44、根据各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

计算各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}；

S45、根据各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}，计算两两行波保护单元对应时窗下无功功率均值和的比值

和

其中，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₂在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₂在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值。

在本实施例中，步骤S4的具体原理过程为：

设电流极性为流出母线为正，流进母线为负，功率的正负可根据各母线关联线路电流极性定义。

当故障发生在T接线路区内CO支路F₁处时，T接线路的彼得逊等值电路如图3所示，其中

为故障点附加网络电压，

分别为测量到的母线A的初始电压、电流行波，线路OA、OB、OC、AD、BE、CF的波阻抗分别为Z_C1～Z_C6，由于线路波阻抗近似为实常数，则令Z_C1＝Z_C2＝Z_C3＝Z_C4＝Z_C5＝Z_C6≈R；母线C对地等值电容阻抗为Z_CC。

由初始行波复功率的定义可知该线路母线C端的初始行波复功率为：

区内OC故障时，由图3彼得逊等效电路可知：

C端行波保护单元TR₃测量到的复功率为：

其中，P_C为线路初始行波有功功率，Q_C为线路初始行波无功功率，则T接线路区内故障时：

当故障发生在T接线路区外CF支路F₂处时，T接线路的彼得逊等值电路如图4所示，由图4可知：

则行波保护单元TR₃测量到的复功率为：

式中，P_C为线路初始行波有功功率，Q_C为线路初始行波无功功率，则T接线路区外故障时：

当T接输电线路区内CO支路距O点110km处发生AC相接地故障，故障初始角为60度，过渡电阻为100Ω时，以S变换后频率为15kHz对应信号为例，各行波保护单元TR_m相应波形分别如图5～图7所示，其中△i_m、△u_m为TR_m(m＝1,2,3)的初始电流、电压行波，P_m为行波保护单元TR_m(m＝1,2,3)初始行波无功功率分布波形。由图5～图7可知，当T接线路区内支路CO发生故障时，行波保护单元TR_m(m＝1,2,3)初始电压、电流行波波头附近数据所求无功功率大小均为负值。

当T接线路区外支路CF距O点220km处发生BC相间故障，故障初始角为5°，过渡电阻350Ω，各行波保护单元的相关波形图分别如图8～图10所示(以S变换后15kHz频率对应的信号为例)。由图8～图10可知，当T接线路区外支路CF发生故障时，行波保护单元TR₃初始电压、电流行波波头附近数据所求无功功率大小均为正值，行波保护单元TR_m(m＝1,2)初始电压、电流行波波头附近数据所求无功功率大小均为负值。

S5、根据无功功率均值和的比值，构建T接输电线路故障特征向量样本集，结合随机森林构建故障识别模型；

所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值组成T接输电线路故障特征向量；

特征向量Q为

S52、将T接输电线路故障特征向量构成训练样本集；

S53、采用训练样本集训练和测试随机森林故障识别模型，得到训练完成的故障识别模型。

在本实施例中，故障识别模型为多个决策树模型组成的分类器，如图11所示，步骤S53具体为：

对训练样本集X进行Bootstrap采样，采样J次后获得Bootstrap训练子集X_j(j＝1,2,…,J)。针对每个训练子集X_j采用CART构建决策树模型h_j，最终获得一组决策树模型组成的分类器{h₁,…,h_j,…,h_J}。当测试样本输入训练好后的分类器时，通过建立好的J个决策树模型进行类别投票，得票最高的类别作为测试样本的最后输出类别，分类决策如下：

其中，h_j(x)为第j棵决策树模型；I{·}为示性函数，当满足表达式时为1，否则为0；y为类别标签，arg为取平均值，f为测试样本在分类器中的输出类别。

为保障本发明在故障支路识别中的有效性与可靠性，选择在不同故障初始角、不同过渡电阻、不同故障类型以及不同故障距离4种情况下对T接输电线路6条支路分别仿真5组故障，共计得到120组故障特征向量，以此组成故障支路识别的训练样本集。

S6、采用故障识别模型识别T接输电线路的故障支路。

在不同故障初始角、不同过渡电阻、不同故障类型以及不同故障距离4类情况下对T接输电线路区内外6条支路分别仿真4组不同于训练样本的故障，得到4个测试样本集，每个样本集包含24组故障特征向量，分别将4组测试样本集输入训练好的故障识别模型，对故障支路进行识别。

本发明利用T接输电线路区内三端测点的初始电压行波数据和初始电流行波数据，首先对电压、电流行波数据解耦并对解耦后的模量信息进行组合，再基于S变换计算T接输电线路多个频率下对应短时时窗序列的初始行波无功功率均值和，然后将两两行波保护单元对应短时序列的无功功率均值和作比，并将其组成T接输电线路故障特征向量样本集，采用样本集对随机森林故障识别模型进行训练和测试，以此实现T接输电线路故障支路的诊断。

Claims (6)

1.一种T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集T接输电线路区内母线端各行波保护单元的初始电压行波数据和初始电流行波数据；

S2、对初始电压行波数据和初始电流行波数据进行解耦和模量组合处理，得到组合电压和组合电流；

S3、对组合电压和组合电流分别进行S变换，得到电压时频复矩阵和电流时频复矩阵；

S4、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，计算两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值；

S5、根据无功功率均值和的比值，构建T接输电线路故障特征向量样本集，结合随机森林构建故障识别模型；

S6、采用故障识别模型识别T接输电线路的故障支路。

2.根据权利要求1所述的T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、对初始电压行波数据和初始电流行波数据分别进行解耦处理，得到模电压和模电流；

S22、将模电压和模电流进行组合，得到组合电压和组合电流。

3.根据权利要求2所述的T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，所述步骤S22中组合公式为：

其中，Δu_z为组合电压，Δu_α为克拉克α模电压，Δu_β为克拉克β模电压，Δi_z为组合电流，Δi_α为克拉克α模电流，Δi_β为克拉克β模电流。

4.根据权利要求1所述的T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、根据电压时频复矩阵和电流时频复矩阵，得到各行波保护单元各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)，其中，m为行波保护单元编号，n为频率编号，l为采样点编号，采样点对应电压、电流故障后0.1ms时间段内的数据；

S42、将各频率下各采样点的无功功率Q_mn(l)以11个采样点为固定数据窗长，1个采样点为滑移尺度因子进行截取，得到多个时窗的功率序列Q_mnk(x)，其中，k为时窗编号，x＝1,2,3,…,11为时窗的11个采样点编号；

S43、根据功率序列Q_mnk(x)，分别计算各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

S44、根据各行波保护单元下在每个时窗内无功功率均值

计算各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}；

S45、根据各行波保护单元在时窗k下无功功率均值和Q_{m_k}，计算两两行波保护单元对应时窗下无功功率均值和的比值

和

其中，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₂在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₁在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值，

为行波保护单元TR₂在时窗k下与行波保护单元TR₃在时窗k下无功功率均值和的比值。

5.根据权利要求4所述的T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，所述步骤S41中无功功率Q_mn(l)公式为：

其中，Q_mn(l)为行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的无功功率，I_m[·]为求取虚部函数，

为电压时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电压相量，

为

的共轭相量，

为电流时频复矩阵中行波保护单元m在频率f_n下第l采样点的电流相量。

6.根据权利要求1所述的T接输电线路故障支路诊断方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将两两行波保护单元各频率对应时窗下无功功率均值和的比值组成T接输电线路故障特征向量；

S52、将T接输电线路故障特征向量构成训练样本集；

S53、采用训练样本集训练和测试随机森林故障识别模型，得到训练完成的故障识别模型。

Images