CN115963358B - 一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统，属于继电保护领域。本发明首先在直流输电线路的量测端采集一路电压行波数据S并且保存，对其进解耦、去噪、增强处理后得到电压行波波形；根据在量测端测得并处理后的电压行波波形，设置模拟故障点，计算出每个模拟故障点的能量；构造能量函数，由能量函数显示的能量值波形的最值确定故障距离。本发明针对三端柔性直流输电线路进行测距，故障定位特征明显，易于实现自动化，且在时域中进行，所需数据窗短。经过仿真实验，该测距方法对混合三端柔性直流输电线路可靠有效，具有较高的测距精度及鲁棒性。

Description

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统

技术领域

本发明涉及一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统，属于继电保护领域。

背景技术

混合三端高压直流输电线路传输距离长，输电线路要经过复杂的地理环境，若输电线路发生故障，为了找到故障点，电力巡线人员不仅要花费大量时间，而且要克服严峻的自然环境。除此之外，一些瞬时性故障例如闪络故障等一般情况下人很难察觉，但是必定会给线路留下不可避免的损伤，如果没有可靠的输电线路故障测距设备，要找到输电线路的故障点并非易事。当故障发生后，若采取人工巡线，不仅会耗费大量的人力和物质资源，而且如果停电时间过长，整个电网的供电质量会严重下降，供电可靠性得不到保证，对居民生活造成影响，给国名经济造成不可估量的损失。因此直流输电线路的故障定位方法在恢复故障线路供电、提高供电可靠性方面起着至关重要的作用。当前高压直流输电线路故障测距方法主要是行波法，单端行波测距仅依赖于一端的行波信号便可以计算故障距离，但可靠性受反射波波头的识别影响，双端行波测距虽然无需识别故障点反射波的波头，但要求两端定位装置严格同步，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统，用于解决传统行波测距对波头刻画，标定，甄别等技术困难的问题。

本发明的技术方案是：一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，利用故障线模电压行波全波形，在全线长范围内按一定步长设置模拟故障点，在众多模拟故障点中，有一个模拟故障点最为接近真实故障点。故障电压行波波头的幅值是衰减的，设为首波头，/>为第二个波头，各个模拟故障点的电压行波两两相乘时，/>和/>两个值的乘积值最大，据此特征求各个模拟故障点的能量值，构成能量函数，找到能量函数的最值点，该点的距离信息反应了真实故障点的距离信息。

具体步骤为：

Step1：在直流输电线路的量测端采集一路电压行波数据S并且保存，此信号包含电压信号和噪声信号。对于架空线来说，波速度接近于光速。线路上发生故障时，在故障点处将引入一个扰动，这一扰动将以行波的形式向故障点两侧传播，当这一初始故障行波传播到线路末端之后，由于两端换流站波阻抗非常大，折射率几乎为零，反射率较大，行波能量衰减较小，有利于故障检测装置捕获经故障点反射的初始反射波波头，对行波波头检测大大有利。由安装到线路末端的保护装置检测到故障电压行波，记录故障初始电压行波到达量测端的时刻。

Step2：对正负极电压行波进行解耦，并使用电压的线模分量进行后续分析。对于双极型大地回线高压直流输电线路，绝大多数时候都是双极运行状态，两条传输线路之间必然存在着耦合，因此必须先进行解耦计算。采用Karenbauer相模变换对直流线路双极电压进行解耦可得：

式中，表示正极电压，/>表示负极电压，/>表示零模电压，/>表示线模电压。

因为线模分量较地模分量更为稳定，可以减少环境因素的影响，故使用线模电压进行后续分析。

Setp3：采用小波软阈值法进行去噪处理，获取电压行波的高频信号。直流输电输送距离长，沿途所经过的地区地形复杂，气候条件多变，因此很容易受到各种噪声的干扰，其中最主要的噪声成分为“白噪声”。定义信号为，其中/>为含噪实际信号，/>为电压信号，/>为噪声信号。由于/>和/>有不同特性，在进行小波变换后，他们得到的小波系数会有所不同，噪声信号变换得到的小波系数很小，电压信号小波系数很大。软阈值法将小波系数的绝对值和阈值/>进行比较，小于阈值/>的点置为零，大于或等于阈值/>的点则向零收缩，变为该点的值和阈值/>之差。构造软阈值函数：

式中，表示固定阈值，/>，N为电压信号的采样数量，/>表示小波系数。

电压信号的小波系数/>远高于阈值/>，而噪声信号/>的小波系数/>低于阈值/>，由此可将噪声信号/>剔除，保留电压信号/>。该方法去噪后电压行波信号平滑，故利用该方法从含有大量噪声的原始信号中提取出电压行波信号/>。

Step4：利用Teager能量算子增强电压行波信号的幅值突变特征。Teager能量算子（Teager energy operation，TEO）是一种非线性差分算子，能够增强电压行波分量的瞬时能量突变特征。

对于被采样的电压行波信号，TEO定义如下所示：

式中，为/>的一阶导数，/>为/>的二阶导数，/>为信号的TEO值，能实时跟踪被测电压波形变化，从而增强其幅值突变特征。

Step5：根据在量测端解耦、去噪、增强后的电压行波波形，设置模拟故障点。执行该步骤只需要在全线长范围内每隔一个步长m km设置一个模拟故障点，总共有 个点，记为/> 。步长m的数值应越小越好，这样设置的某一个模拟故障点就越接近真实的故障点，从而提高测距精度。

Step6：将线模电压行波信号左右移动排列，并计算出每个模拟故障点的能量值，具体为：

Step6.1：将线模电压行波信号向右移动 次步长，形成矩阵A的第k行。

矩阵A为：

Step6.2：将线模电压行波信号向左移动次步长，对其转置后形成矩阵B的第k列。矩阵B为：

Step6.3：基于所述矩阵A、B,计算矩阵C。电压行波在沿线路传输过程中是具有衰减特性的，其中波头的幅值最大。设为电压行波首波头，/>为电压行波第二个波头，各个模拟故障点的电压行波两两相乘时，/>和/>两个值的乘积值最大。将矩阵A、B做乘积处理。

Step6.4：根据矩阵C计算设置的模拟故障点能量。对矩阵C中的每一行求和即可得到每一个模拟故障点情况下的能量值。

Step7：利用模拟故障点的能量突变特征确定故障距离，具体为：

Step7.1：构造三端柔性直流输电线路模拟故障点的能量函数。将矩阵C的每一行进行求和运算，得到每个模拟故障点的能量值并构成能量函数。

Step7.2：根据能量函数的能量分布值确定故障距离。对于硬故障点，其行波信号由来自整流侧M端的反射波和来自故障点的反射波叠加而成，两个反射波极性相反，叠加后故障点呈现负极性突变。对于对偶故障点，其行波信号来自整流侧M端的反射波和逆变侧N端的反射波叠加而成，两个反射波的极性相同，叠加后呈现正极性突变。硬故障点即为故障点，根据行波波形网格图，其相对于量测端的距离为,/>；对偶故障点相对于量测端的距离为/>，/>，且/>。据此只需找到最值点即可确定故障距离：硬故障点的能量值最小，而对偶故障点的能量值最大，即能量函数波形的最小值点为硬故障点，最大值点为对偶故障点。

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距系统，包括：

信号采集模块，用于采集电压行波信号。

数值计算模块，用于计算每个模拟故障点的能量值分布情况。

故障测距模块，用于构造能量函数，并利用能量函数的最值进行故障测距。

所述信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集电压行波的模拟信号。

模数转换单元，用于进行模数转换。

保护启动单元，用于将数字信号和阈值进行比较，若数字信号大于阈值，则记录启动时间并保存信号。

所述数值计算模块包括：

线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量。

参数设置单元，用于对线路总长度、模拟故障点的步长取值进行设置。

数值计算单元，用于计算模拟故障点的能量以及构造能量函数。

所述故障测距模块包括：

距离测量单元，用于测量能量函数的最值对应的距离，由最值点判断故障距离。

本发明的有益效果是：

1、本发明不受故障点过渡电阻、线路结构等因素的影响，测距精度相对较高，适用范围广；

2、本发明故障定位特征明显，易于实现自动化；

3、本发明在时域中进行，所需数据窗短；

4、本发明无需人工识别行波波头，定位可靠性强；

附图说明

图1是本发明仿真模型拓扑图；

图2是本发明实施例1的能量函数值分布图；

图3是本发明实施例2的能量函数值分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：混合三端直流输电系统仿真模型如图1所示，线路全长1452km，线路L₁₂长度为905km，线路L₂₃长度为547km，电压等级为±800kV，设置故障距离LCC站350km处，故障类型设置为正极接地故障，过渡电阻设置为0.01Ω，采样率为200kHz。

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：

Step1：在直流输电线路的量测端采集一路电压行波数据S并且保存，此信号包含电压信号和噪声信号。

Step2: 对正负极电压行波进行解耦，并使用电压的线模分量进行后续分析。

Step3：采用小波软阈值法进行去噪处理，获取电压行波的高频信号。

Step4：利用Teager能量算子增强电压行波信号的幅值突变特征。

Step5：根据在量测端解耦、去噪、增强后的电压行波波形，设置模拟故障点。在本次实例中，模拟故障点取步长/>km。

Step6：将线模电压行波信号左右移动排列，并计算出每个模拟故障点的能量值，具体步骤为：

Step6.1：将线模电压行波信号向右移动 次步长，形成矩阵A的第k行。

矩阵A为：

Step6.2：将线模电压行波信号向左移动次步长，对其转置后形成矩阵B的第k列。矩阵B为：

Step6.3：基于所述矩阵A、B,计算矩阵C。电压行波在沿线路传输过程中是具有衰减特性的，其中波头的幅值最大。设为电压行波首波头，/>为电压行波第二个波头，各个模拟故障点的电压行波两两相乘时，/>和/>两个值的乘积值最大。将矩阵A、B做乘积处理。

Step6.4：根据矩阵C计算设置的模拟故障点能量。对矩阵C中的每一行求和即可得到每一个模拟故障点情况下的能量值。

Step7：利用模拟故障点的能量突变特征确定故障距离，具体为：

Step7.1：构造三端柔性直流输电线路模拟故障点的能量函数。将矩阵C的每一行进行求和运算，得到每个模拟故障点的能量值并构成能量函数。

Step7.2：根据能量函数的能量分布值确定故障距离。如图2所示，对于硬故障点，其行波信号由来自整流侧M端（M端为图1中输电线路整流侧的一端）的反射波和来自故障点的反射波叠加而成，两个反射波极性相反，叠加后故障点呈现负极性突变。对于对偶故障点，其行波信号来自整流侧M端的反射波和逆变侧N端（N端为图1中输电线路逆变侧的一端）的反射波叠加而成，两个反射波的极性相同，叠加后呈现正极性突变。硬故障点即为故障点，根据行波波形网格图，其相对于量测端的距离为,/>；对偶故障点相对于量测端的距离为/>，/>，且/>。据此只需找到最值点即可确定故障距离：硬故障点的能量值最小，而对偶故障点的能量值最大，即能量函数波形的最小值点为硬故障点，最大值点为对偶故障点。本实例中，在/>时窗内能量函数可以找到一个最小值点，为硬故障点，则故障距离/>km，测距结果精确。

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距系统，包括：

信号采集模块，用于采集电压行波信号；本实例选择200kHz的采样频率采集信号。

数值计算模块，用于计算每个模拟故障点的能量值分布情况。

故障测距模块，用于构造能量函数，并利用能量函数的最值进行故障测距。

所述信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集电压行波的模拟信号。

模数转换单元，用于进行模数转换。

保护启动单元，用于将数字信号和阈值进行比较，若数字信号大于阈值，则记录启动时间并保存信号。

所述数值计算模块包括：

线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量。

参数设置单元，用于对线路总长度、模拟故障点的步长取值进行设置。本次实例中，线路L₁₂长度为905km，线路L₂₃长度为547km，步长km 。

数值计算单元，用于计算模拟故障点的能量以及构造能量函数。

所述故障测距模块包括：

距离测量单元，用于测量能量函数的最值对应的距离，由最值点判断故障距离。

本实例中，在时窗内能量函数的最小值点对应于硬故障点，则故障距离km。

实施例2：混合三端直流输电系统仿真模型如图1所示，线路全长1452km，线路L₁₂长度为905km，线路L₂₃长度为547km，电压等级为±800kV，设置故障距离MMC1站400km处，即距离LCC站1305km，故障类型设置为正极接地故障，过渡电阻设置为0.01Ω，采样率为200kHz。

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：

Step1：在直流输电线路的量测端采集一路电压行波数据S并且保存，此信号包含电压信号和噪声信号。

Step2: 对正负极电压行波进行解耦，并使用电压的线模分量进行后续分析。

Step3：采用小波软阈值法进行去噪处理，获取电压行波的高频信号。

Step4：利用Teager能量算子增强电压行波信号的幅值突变特征。

Step5：根据在量测端解耦、去噪、增强后的电压行波波形，设置模拟故障点。在本次实例中，模拟故障点取步长/>km。

Step6：将线模电压行波信号左右移动排列，并计算出每个模拟故障点的能量值，具体步骤为：

Step6.1：将线模电压行波信号向右移动 次步长，形成矩阵A的第k行。

矩阵A为：

Step6.2：将线模电压行波信号向左移动次步长，对其转置后形成矩阵B的第k列。矩阵B为：

Step6.3：基于所述矩阵A、B,计算矩阵C。电压行波在沿线路传输过程中是具有衰减特性的，其中波头的幅值最大。设为电压行波首波头，/>为电压行波第二个波头，各个模拟故障点的电压行波两两相乘时，/>和/>两个值的乘积值最大。将矩阵A、B做乘积处理。

Step6.4：根据矩阵C计算设置的模拟故障点能量。对矩阵C中的每一行求和即可得到每一个模拟故障点情况下的能量值。

Step7：利用模拟故障点的能量突变特征确定故障距离，具体步骤为：

Step7.1：构造三端柔性直流输电线路模拟故障点的能量函数。将矩阵C的每一行进行求和运算，得到每个模拟故障点的能量值并构成能量函数。

Step7.2：根据能量函数的能量分布值确定故障距离。如图3所示，对于硬故障点，其行波信号由来自整流侧M端的反射波和来自故障点的反射波叠加而成，两个反射波极性相反，叠加后故障点呈现负极性突变。对于对偶故障点，其行波信号来自整流侧M端的反射波和逆变侧N端的反射波叠加而成，两个反射波的极性相同，叠加后呈现正极性突变。硬故障点即为故障点，根据行波波形网格图，其相对于量测端的距离为,/>；对偶故障点相对于量测端的距离为/>，/>，且/>。据此只需找到最值点即可确定故障距离：硬故障点的能量值最小，而对偶故障点的能量值最大，即能量函数波形的最小值点为硬故障点，最大值点为对偶故障点。本实例中，在/>时窗内能量函数中可以找到一个最大值点，为对偶故障点，则故障距离/>km，测距结果精确。

一种混合三端柔性直流输电线路故障测距系统，包括：

信号采集模块，用于采集电压行波信号；本实例选择200kHz的采样频率采集信号。

数值计算模块，用于计算每个模拟故障点的能量值分布情况；

故障测距模块，用于构造能量函数，并利用能量函数的最值进行故障测距。

所述信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集电压行波的模拟信号；

模数转换单元，用于进行模数转换。

保护启动单元，用于将数字信号和阈值进行比较，若数字信号大于阈值，则记录启动时间并保存信号。

所述数值计算模块包括：

线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量；

参数设置单元，用于对线路总长度、模拟故障点的步长取值进行设置。本次实例中，线路L₁₂长度为905km，线路L₂₃长度为547km，步长km 。

数值计算单元，用于计算模拟故障点的能量以及构造能量函数。

所述故障测距模块包括：

距离测量单元，用于测量能量函数的最值对应的距离，由最值点判断故障距离。本实例中，在时窗内能量函数的最大值点对应于对偶故障点，则故障距离km。

通过实例验证得出，一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法及系统可靠有效，具有较高的测距精度。

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 (3)

1.一种混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，其特征在于：

Step1：在直流输电线路的量测端采集一路电压行波数据S并且保存，所述电压行波数据S包含电压信号和噪声信号；

Step2: 对正负极电压行波进行解耦，并使用电压的线模分量进行后续分析；

Step3：采用小波软阈值法进行去噪处理，获取电压行波的高频信号；

Step4：利用Teager能量算子增强电压行波信号的幅值突变特征；

Step5：根据在量测端解耦、去噪、增强后的电压行波波形，设置模拟故障点；

Step6：将线模电压行波信号左右移动排列，并计算出每个模拟故障点的能量值；

Step7：利用模拟故障点的能量突变特征确定故障距离；

所述Step6具体为：

Step6.1：将线模电压行波信号向右移动k 次步长，k=1,2,3,…,n，形成矩阵A的第k行；

Step6.2：将线模电压行波信号向左移动k次步长，k=1,2,3,…,n，对其转置后形成矩阵B的第k列；

Step6.3：基于所述矩阵A、B,计算矩阵C，设电压行波为首波头，/>为电压行波第二个波头，各个模拟故障点的电压行波两两相乘时，/>和/>两个值的乘积值最大，将矩阵A、B做乘积处理得到矩阵C；

Step6.4：根据矩阵C计算设置的模拟故障点能量，对矩阵C中的每一行求和得到每一个模拟故障点情况下的能量值。

2.根据权利要求1所述的混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step2具体为：

采用Karenbauer相模变换对直流线路双极电压进行解耦：

式中，表示正极电压，/>表示负极电压，/>表示零模电压，/>表示线模电压。

3.根据权利要求1所述的混合三端柔性直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step7具体为：

Step7.1：构造三端柔性直流输电线路模拟故障点的能量函数，将矩阵C的每一行进行求和运算，得到每个模拟故障点的能量值并构成能量函数；

Step7.2：根据能量函数的能量分布值确定故障距离，即能量函数波形的最小值点为硬故障点，最大值点为对偶故障点，硬故障点即为故障点，根据行波波形网格图，其相对于量测端的距离为,/>；对偶故障点相对于量测端的距离为/>，/>，且。