CN117233539A - 一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，包括如下步骤：S1：在配电线路上顺次设置若干节点，每个节点处对应的设置一个线路故障测量仪；S2：在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置；S3：当配电网发生故障时，每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻；S4：对高压互感器二次侧的短路装置进行使能，每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻；S5：选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差；利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻；S6：求得故障点的位置。

Description

一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法。

背景技术

停电方式下的电网故障点精确定位会花费大量的人力和时间，而且对生产生活造成很大影响。而在线故障精确定位对于减轻巡线工作量、缩短故障修复时间、减少停电损失有着重要的意义。双端行波法测距是利用行波测距装置一般基于高精度GPS系统或者北斗系统实现时间同步，根据故障信号首波头对应的电压或者电流行波到达线路两端的时标，得到故障信号首波头到达线路两端的时间差。

由于配电线路节点和分支数量多，反射和折射工况复杂，配电网分支线路的干扰使得准确识别反射行波十分困难，而初始行波的到达时刻不受分支路线的影响，比较容易识别。因此单端行波法仅适用于无分支的配网专线，双端行波法在配电网故障定位时的可行性更高。但是双端行波法有两侧时间同步的要求，非常依赖外部时钟系统的授时。当行波测距装置失去外部对时或者对时误差过大时，行波测距功能将失效或产生很大的误差。为了解决此问题，有必要提出一种不依赖外部对时的双端行波配电网故障定位方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种不依赖于外部授时功能实现对时功能的双端行波配电网故障定位方法。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，包括如下步骤：

S1：在变电站输出侧的配电线路上顺次且间隔的设置若干节点，每个节点处对应的设置一个线路故障测量仪；

S2：在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置；

S3：当配电网发生故障时，每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻；

S4：对高压互感器二次侧的短路装置进行使能，使得配电线路上产生短接信号行波后断开短路装置；每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻；

S5：选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差；利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻；

S6：根据时钟差修正各节点对应的第一故障时刻，求得故障点的位置。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1中相邻节点之间的水平跨度L均为已知。

优选的，步骤S2中所述在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置，是在高压互感器的二次侧回路上并接全控器件，全控器件对高压互感器的二次侧回路进行短接，并延时断开。

优选的，步骤S3所述每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻，是获取故障信号首波头对应的波形的零序电压模拟量，即对零序电压模拟量进行固定采样频率的采样，得到一系列基于采样时刻的采样序列值，以及与采样序列值一一对应的零序电压采样值，获取零序电压采样值的特殊值，并将零序电压采样值的特殊值对应的采样序列值作为故障信号首波头到达的第一故障时刻。

优选的，所述获取零序电压采样值的特殊值，是同时满足如下条件：A）对零序电压模拟量进行固定采样频率不低于3MHz，采样序列值按从小到大的顺序顺次排列；B）对获取的零序电压采样值分别进行二阶微分；C）监测当前采样序列值及其前面连续十个采样序列值分别对应的零序电压采样值的二阶微分；D）如果当前采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分，大于其前面连续十个采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分的K倍，则判定当前采样序列值对应的时刻为故障信号首波头到达的第一故障时刻候选点；E）如果存在多个第一故障时刻候选点，则以最靠前的采样序列值对应的第一故障时刻候选点作为第一故障时刻。

优选的，步骤S4中所述高压互感器二次侧的短路装置的短路时间为10微秒-100微秒；每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻的方法与步骤S3的获取第一故障时刻的方法相同。

优选的，步骤S5中所述选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差，是令配电线路上顺次且间隔的设置若干节点编号为A、B、C、D、…、N；令各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻分别为T _A 、T _B 、T _C 、T _D 、……T _N ；令各节点的线路故障测量仪获取的短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻分别为T _A0 、T _B0 、T _C0 、T _D0 、…、T _N0 ；以节点A作为基准节点，其余的节点B、C、D、…、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、/>、/>、…、/>为：/>；；/>；…；/>；其中/>为行波传播速度；/>为节点A与B之间的线缆的长度；/>为节点A与C之间的线缆的长度；/>为节点A与D之间的线缆的长度；/>为节点A与N之间的线缆的长度。

优选的，步骤S5中所述利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻，是在获得节点B、C、D、……、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、、/>、…、/>后，将各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻T _A 、T _B 、T _C 、T _D 、…、T _N 转换为同步到基准节点A处线路故障测量仪的相对时间/>、/>、、…、/>： />；/>；/>；…；/>。

优选的，步骤S6中所述求得故障点的位置，是令配电线路上任意位置故障点距离基准节点A的距离为d，则。

优选的，令相邻节点之间的线缆长度为l，，其中f为相邻节点之间线缆朝向地面悬垂的高度，即线缆弧形顶点偏离相邻节点之中海拔高度较小者所在水平面之间的高度；k为与相邻节点之间的水平跨度L相关的常数，L≤5km时，k=0.5；L>5km时，k=0.67。

本发明提供的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本申请没有使用常规方案中的卫星授时功能进行时间同步，而是利用故障到达各节点对应的线路故障测量仪后，再通过人为短路产生的触发信号进行同步，通过两次故障信号和短路信号的首波头的到达时间，将基准节点以外的首波头到达时间换算为相对于基准节点的时间序列，同样能达到时间同步的效果；

（2）本申请还不仅考虑了多次验算来提高故障点距离参考节点的距离的精度，而且还考虑了线缆长度的悬垂变化对相邻节点之间的线缆长度的实际影响，进行了线缆长度修正过程，可以进一步提高故障定位的精度。

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，在不付出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为本发明一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法的步骤流程图；

图2为本发明一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法的节点和短路装置的接线示意图；

图3为本发明一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法的短路装置的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，包括如下步骤：

S1：在变电站输出侧的配电线路上顺次且间隔的设置若干节点，每个节点处对应的设置一个线路故障测量仪。

图示的各个节点按离变电站的距离顺序编号，如A、B、C、D、……、N-1和N。各节点之间的跨度L默认为已知。

当然，也可以根据实际需求来采用不完全相等的相邻节点的间距，在此不再赘述。各节点处对应的设置一个线路故障测量仪，用于获取行波信号。

S2：在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置。

如图2和图3所示，图示的变电站的高压互感器的二次侧，设置了短路装置。用于实现短时的高压互感器的二次侧短路。互感器二次侧的阻抗很大，正常工作时高压互感器的二次侧的电流也很小。高压互感器的二次侧短路后会导致二次侧产生很大的短路电流，容易造成互感器烧毁。所以在并联短路装置的支路上，还串联有熔断器FU。

S3：当配电网发生故障时，每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻。

具体的，是获取故障信号首波头对应的波形的零序电压模拟量，即对零序电压模拟量进行固定采样频率的采样，得到一系列基于采样时刻的采样序列值，以及与采样序列值一一对应的零序电压采样值，获取零序电压采样值的特殊值，并将零序电压采样值的特殊值对应的采样序列值作为故障信号首波头到达当前节点的第一故障时刻。

其中，获取零序电压采样值的特殊值，是同时满足如下条件：

A）对零序电压模拟量进行固定采样频率不低于3MHz，采样序列值按从小到大的顺序顺次排列；

B）对获取的零序电压采样值分别进行二阶微分；

C）监测当前采样序列值及其前面连续十个采样序列值分别对应的零序电压采样值的二阶微分；

D）如果当前采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分，大于其前面连续十个采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分的K倍，则判定当前采样序列值对应的时刻为故障信号首波头到达的第一故障时刻候选点，用表达式表示为：当前零序电压采样值为Vn，当前零序电压采样值的二阶微分为Vn^〃；前面连续十个采样序列值分别对应的零序电压采样值的二阶微分分别表示为Vn-1^〃、Vn-2^〃、Vn-3^〃、Vn-4^〃、Vn-5^〃、Vn-6^〃、Vn-7^〃、Vn-8^〃、Vn-9^〃和Vn-10^〃。作为第一故障时刻候选点的条件是：Vn^〃>K*max{ Vn-1^〃，Vn-2^〃，Vn-3^〃，Vn-4^〃，Vn-5^〃，Vn-6^〃，Vn-7^〃，Vn-8^〃，Vn-9^〃，Vn-10^〃}。Max{}为取极值函数。这里的K取值为2-5，本实施例中的K优选为3。

E）如果存在多个第一故障时刻候选点，则以最靠前的采样序列值对应的第一故障时刻候选点作为第一故障时刻。即与发生配电网故障时刻最接近的第一故障时刻候选点作为首波头到达当前节点的时刻。

采样序列值本质对应了以时间为横轴上的等距的离散时间点，每两个相邻的时间点之间的间距为固定采样频率的倒数，采样序列值可以按由小到大的规律递增。而每个离散时间点/采样序列值，对应了一个零序电压采样值。为了获取电压是否发生突变，采用的是二阶微分的方法，获取零序电压采样值随时间的变化量的情况。并分析相邻的若干个采样序列值对应的各零序电压采样值二阶微分的数值变化规律，来确定一个或者多个第一故障时刻候选点。以采样序列值的大小确定第一故障时刻，是当具有多个第一故障时刻候选点时，将采样序列值最小/或者对于的时间最早的第一故障时刻候选点，作为第一故障时刻。令各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻分别为T _A 、T _B 、 T _C 、T _D 、……T _N 。

S4：对高压互感器二次侧的短路装置进行使能，使得配电线路上产生短接信号行波后断开短路装置；每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻。

该步骤中，令各节点的线路故障测量仪获取的短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻分别为T _A0 、T _B0 、T _C0 、T _D0 、…、T _N0 。高压互感器的二次侧短接后，由于负荷发生了变化，故会在一次侧产生突变的短接信号。为了避免高压互感器烧毁，本申请中，短路装置可以选择全控器件，全控器件对高压互感器的二次侧回路进行短接，并延时断开。本方案中高压互感器二次侧的短路装置的短路时间为10微秒-100微秒，推荐选择更短的短路时间。全控器件可以选用MOS管。

判断第二故障时刻采用的方法与判断第一故障时刻采用的方法类似，也是对各节点处获取的短接信号行波的首波头对应的波形的零序电压模拟量，进行固定频率采样，获取对应的采样序列值和零序电压采样值的二阶微分。其余内容与步骤S3的方法基本相同。

S5：选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差；利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻。

具体的，是以节点A作为基准节点，其余的节点B、C、D、…、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、/>、/>、…、/>为：；/>；/>；…；；其中/>为行波传播速度；/>为节点A与B之间的线缆的长度；为节点A与C之间的线缆的长度；/>为节点A与D之间的线缆的长度；依此类推，/>为节点A与N之间的线缆的长度。

然后在获得节点B、C、D、……、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、/>、/>、…、/>后，将各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻T _A 、T _B 、T _C 、T _D 、…、T _N 转换为同步到基准节点A处线路故障测量仪的相对时间/>、/>、/>、…、/>： />；/>；/>；…；。

S6：根据时钟差修正各节点对应的第一故障时刻，求得故障点的位置。

具体的，根据前述步骤获得统一到节点A处的时钟的各节点的线路故障测量仪的相对时间序列T _A 与、/>、/>、…、/>：，令配电线路上任意位置故障点距离基准节点A的距离为d，则/>。

配电线路上任意位置故障点距离基准节点A的距离为d为0时，表示T _A 为0，即配电线路上的故障位置在节点A处。配电线路上任意位置故障点距离基准节点A的距离为时，表示/>为0，配电线路上的故障位置在节点N处。

由于上述求d的结果只计算了一次，可能存在误差，可以进一步进行验算：将上述初步求得的d相对于相邻节点之间的水平跨度L向下取整：，/>表示向下取整。

根据初步求得的d相对于相邻节点之间的水平跨度L向下取整的结果，确保故障位置与第N个节点至少有一倍水平跨度L的前提下，至少选取一个第N个节点前方的节点进行验算，将上述公式修正为，其中下标/>，/>。具体理解为，如果x=1，则再根据节点A收到故障信号首波头到达的第一故障时刻以及节点N-1收到故障信号首波头到达的第一故障时刻统一到节点A处的时钟的相对时间/>，以及调整后的节点A与节点N-1之间的间距/>，重新计算故障点距离基准节点A的距离d。如果x为大于1的其他整数，则重复选取第N个节点前方的不同的节点计算x次，将多次计算的故障点距离基准节点A的距离d按顺序排列，去排序后的距离d取平均值或者中位数中的较小者作为最终的故障点距离基准节点A的距离d输出。

通常情况下，母线上各节点之间的水平跨度即便是完全相等，但是相邻节点之间的线缆受到布线的限制线缆悬垂弯曲程度或者季节的影响等，实际的相邻节点之间线缆长度可能不完全相同。令相邻节点之间的线缆长度为l，，其中f为相邻节点之间线缆朝向地面悬垂的高度，即线缆弧形顶点偏离相邻节点之中海拔高度较小者所在水平面之间的高度；k为与相邻节点之间的水平跨度L相关的常数，L≤5km时，k=0.5；L>5km时，k=0.67。可通过相邻节点之间的线缆长度l的公式，代入节点B、C、D、…、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差的公式中，进一步提高/>、/>、/>、…、的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在变电站输出侧的配电线路上顺次且间隔的设置若干节点，每个节点处对应的设置一个线路故障测量仪；

S2：在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置；

S3：当配电网发生故障时，每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻；

S4：对高压互感器二次侧的短路装置进行使能，使得配电线路上产生短接信号行波后断开短路装置；每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻；

S5：选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差；利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻；

S6：根据时钟差修正各节点对应的第一故障时刻，求得故障点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S1中相邻节点之间的水平跨度L均为已知。

3.根据权利要求2所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S2中所述在变电站的高压互感器的二次侧配置短路装置，是在高压互感器的二次侧回路上并接全控器件，全控器件对高压互感器的二次侧回路进行短接，并延时断开。

4.根据权利要求3所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S3所述每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录故障信号首波头到达的第一故障时刻，是获取故障信号首波头对应的波形的零序电压模拟量，即对零序电压模拟量进行固定采样频率的采样，得到一系列基于采样时刻的采样序列值，以及与采样序列值一一对应的零序电压采样值，获取零序电压采样值的特殊值，并将零序电压采样值的特殊值对应的采样序列值作为故障信号首波头到达的第一故障时刻。

5.根据权利要求4所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，所述获取零序电压采样值的特殊值，是同时满足如下条件：A）对零序电压模拟量进行固定采样频率不低于3MHz，采样序列值按从小到大的顺序顺次排列；B）对获取的零序电压采样值分别进行二阶微分；C）监测当前采样序列值及其前面连续十个采样序列值分别对应的零序电压采样值的二阶微分；D）如果当前采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分，大于其前面连续十个采样序列值对应的零序电压采样值的二阶微分的K倍，则判定当前采样序列值对应的时刻为故障信号首波头到达的第一故障时刻候选点；E）如果存在多个第一故障时刻候选点，则以最靠前的采样序列值对应的第一故障时刻候选点作为第一故障时刻。

6.根据权利要求5所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S4中所述高压互感器二次侧的短路装置的短路时间为10微秒-100微秒；每个节点处的线路故障测量仪分别对应的记录短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻的方法与步骤S3的获取第一故障时刻的方法相同。

7.根据权利要求2所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S5中所述选取一个节点作为基准节点，利用第二故障时刻分别计算基准节点以外的节点相对于基准节点处线路故障测量仪的时钟差，是令配电线路上顺次且间隔的设置若干节点编号为A、B、C、D、…、N；令各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻分别为T _A 、T _B 、T _C 、T _D 、……T _N ；令各节点的线路故障测量仪获取的短接信号行波的首波头到达的第二故障时刻分别为T _A0 、T _B0 、T _C0 、T _D0 、…、T _N0 ；以节点A作为基准节点，其余的节点B、C、D、…、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、、/>、…、/>为：/>；/>；；…；/>；其中/>为行波传播速度；/>为节点A与B之间的线缆的长度；/>为节点A与C之间的线缆的长度；/>为节点A与D之间的线缆的长度；/>为节点A与N之间的线缆的长度。

8.根据权利要求7所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S5中所述利用时钟差修正各节点对应的第一故障时刻，是在获得节点B、C、 D、……、N处的线路故障测量仪相对于基准节点A的线路故障测量仪的时钟差、/>、、…、/>后，将各节点的线路故障测量仪获取的故障信号首波头到达的第一故障时刻T _A 、T _B 、T _C 、T _D 、…、T _N 转换为同步到基准节点A处线路故障测量仪的相对时间/>、/>、/>、…、： />；/>；/>；…；/>。

9.根据权利要求8所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，步骤S6中所述求得故障点的位置，是令配电线路上任意位置故障点距离基准节点A的距离为d，则。

10.根据权利要求2所述的一种不依赖于对时的双端行波配电网故障定位方法，其特征在于，令相邻节点之间的线缆长度为l，

，其中f为相邻节点之间线缆朝向地面悬垂的高度，即线缆弧形顶点偏离相邻节点之中海拔高度较小者所在水平面之间的高度；k为与相邻节点之间的水平跨度L相关的常数，L≤5km时，k=0.5；L>5km时k=0.67。