CN117310392A - 适用于配电网故障定位的双端行波测距方法及可读介质 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种适用于配电网故障定位的双端行波测距方法及可读介质，提取故障行波并获取故障行波分量；对故障行波分量做相模变换；选取特征频段，对两端的线模故障电流行波做零相位带通滤波处理，获得特征频段的信号分量；确定特征频段对应的波速，通过仿真反演出波速；对故障信号的特征增强和波头到达时刻进行检测，基于双端测距总长度和故障行波到达两端测量处的时间差，计算故障距离测量点的距离。基于行波测距的本质需求，本发明结合配电网特点来组织方案结构，整体的实际运行复杂度较小，可以在不高的硬件要求下，获得精确的测距效果；本发明克服了原有算法在波头奇异性降低的情况下无法识别或误差大的问题，具有更强的适用性。

Description

适用于配电网故障定位的双端行波测距方法及可读介质
技术领域
本发明涉及环境监测领域中的线路故障检测与定位技术领域，具体涉及一种适用于配电网故障定位的双端行波测距方法、系统及设备。
背景技术
配电网的故障测距为配电网的精确定位，通过故障测距系统直接对故障点精确定位，可以确保继电保护装置的精确动作，准确定位故障产生地点，节省巡线所消耗的人力物力，提高故障效率和时间；研究适合应用于配电网的故障测距方法，对于提高配电网供电可靠性、减少停电损失有重要意义。
行波测距的研究较早，在理论上有如小波变换、希尔伯特黄变换理论、信号本征分解、局部线性分解等方法和技术的开发积累。行波测距技术和装置最早应用在输电线路上，具有测量准确度高，反应迅速，并且不受线路结构不对称、互感器传变误差等因素的影响，目前在输电网上已有相对成熟的应用。
相比于输电网，配电网具有线路材料和结构复杂、分支众多、节点规模大的独有特点。且我国的配电网基本采用小电流接地系统，发生单相接地故障时，故障特征微弱。直接借鉴输电网中行波测距方法显然不可行，许多在输电网中已经成熟的技术在配电网中无法实现。在理论方法上，对配电网行波定位的研究相对输电网滞后；在实际应用上，配电网的测距范围在10公里左右，测距装置数量需求大，限制了单个测距装置的成本和配置。这就对高效轻量化的行波测距方案研究有迫切的需求。
发明内容
本发明提出的一种适用于配电网故障定位的双端行波测距方法、系统及设备，可至少解决背景技术中的技术问题之一。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，包括以下步骤，
提取故障行波并获取故障行波分量；
对故障行波分量做相模变换；
选取特征频段，对两端的线模故障电流行波做零相位带通滤波处理，获得特征频段的信号分量；
确定特征频段对应的波速，通过仿真反演出波速V；
对特征频段信号分量的特征增强和波头到达时刻进行检测，即通过改进型Teager能量算子TEO进一步增强突变点处的特征，特征增强公式为：TEO(x(k))=x(k)^2-a*x(k-1)*x(k+1)，其中k为时序数，x(k)为信号x的第k个元素，x为滤波处理后的特征频段信号分量，a为置信度参数，遍历算子序列获得最值，标记为波头突变时刻：T1，T2；
基于双端测距总长度和故障行波到达两端测量处的时间差，依据双端测距公式：Lm=[(T1-T2)V+L]/2，Ln=[(T2-T1)V+L]/2，计算故障发生点距离测量点的距离，其中L为两个测距装置距离，Lm和Ln为故障发生处距离两测距装置点M，N的距离，也即最终所求故障距离。
又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法及系统，基于输电网行波测距丰富的理论研究和实践，剖析行波测距的本质过程，通过合理组织构造，提出一种适应配电网现实特点和发展要求的双端行波测距方法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
基于行波测距的本质需求，本发明结合配电网特点来组织方法结构，整体方案的实际运行复杂度相对较小，可以在不高的硬件要求下，轻量化运行，获得精确的测距效果；另外本发明中提出的行波信号处理方法和奇异特征检测方法，能够在行波信号微弱的情况下进行准确标记波头，克服了原有算法在波头奇异性降低的情况下无法识别或误差大的问题，具有更强的适用性。
附图说明
图1为本发明公开的配电网故障行波测距的计算方法流程示意图；
图2为实施配电网行波测距实验测试的仿真结构图；
图3为故障后线路数据采集器M端采集到的三相电流图；
图4为故障后线路数据采集器N端采集到的三相电流图；
图5为根据三相故障电流行波信号得到MN两端的故障行波的线模分量图；
图6为M端的故障行波线模分量信号经过零相位带通滤波前后的频谱图；
图7为N端的故障行波线模分量信号经过零相位带通滤波前后的频谱图；
图8为M端的故障行波线模分量信号的Teager能量算子序列对比图；
图9为N端的故障行波线模分量信号的Teager能量算子序列对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：故障行波的提取：通过电流互感器采集故障发生后前二后一共三个周波的三相故障电流行波：Ia，Ib，Ic，对每一相行波信号按工频周期划分，每周波信号均减去第一周电流信号，获得故障行波分量：ia，ib，ic；
步骤2：构建模量故障分量：对故障行波分量做相模变换：（I0，I1，I2）=A(ia，ib，ic)’，其中I0为零模分量，线模分量为I1，I2。在已确定故障相的前提下，选择常用的相模变换如凯伦贝尔变换矩阵A=（1，1，1；1，-1，0；1，0，-1），在不确定故障相情况下，采用改进版的相模变换矩阵A=（1，1，1；1，-5，4；1，4，-5）。
步骤3：特征频段的选取：基于配电网测距距离短特点（两测距装置间距控制在10公里以内）和故障行波传输衰减的程度，特征频段可选择为相对较高频的宽松段，具体操作可基于系统参数仿真归纳得出：
（a）基于实际线路拓扑结构和阻抗参数，构建具有分布参数线路的仿真模型，获取故障行波数据；通过仿真数据的小波包分解展示故障行波分窗的频谱分布；
（b）排除工频谐波构成的低频频段和系统噪声的过高频段，确定中间频段窗（范围为10k-400khz）为特征频段；
步骤4：信号滤波处理：对两端的线模故障电流行波分量做零相位带通滤波处理，获得特征频段的信号分量：i1，i2；
步骤5：确定特征频段对应的波速，通过仿真反演出波速V：由于配电网测距距离控制在10公里以内，故障行波在线路传输中的波速衰减变化缓慢，可以用固定的波速代替，具体固定的速度取值可以采用前期对实际应用线路的建模仿真反演出具体特征频段对应的平均波速；
（a）基于实际线路拓扑结构和阻抗参数，构建具有分布参数线路的仿真模型，固定故障发生位置K和故障时刻t0，基于波头检测算法，获取波头到达两端测量点的时刻：t1、t2；
（b）通过故障点和测量点的距离和对应的时间差来反演故障行波特征频段在线路上的传播速度：V_1=Lm/(|t1-t2|)，多次测试取均值作为波速V；
步骤6：故障信号分量的特征增强和波头到达时刻检测：通过改进型Teager能量算子TEO进一步增强突变点处的特征（公式为：TEO(x(k))=x(k)^2-a*x(k-1)*x(k+1)，其中k为时序数，x(k)为信号x的第k个元素，x具体指代为滤波处理后的特征频段信号分量：i1或i2，a为置信度参数），遍历算子序列获得最值，标记为波头突变时刻：T1，T2；
步骤7：基于双端测距总长度和故障行波到达两端测量处的时间差，依据双端测距公式：Lm=[(T1-T2)V+L]/2，Ln=[(T2-T1)V+L]/2来分别计算故障发生点距离两端测量点M，N的距离；其中L为两个测距装置距离，Lm和Ln为故障发生处距离两测距装置点M，N的距离，也即最终所求故障距离。
以下举例说明：
如图2所示，本申请列举的实施例是配电网单相接地故障测距实验，采用的是Matlab-Simulink搭建的树状线路模型进行测试实验。
其中，电压源设计为35kv三相电源(Y连接，不接地)，电源内阻：0.00529欧姆，电源电感：0.000140亨(H)，初始角为30度，母线后分为三个分支简单线路（line1、line2、line3和Line4）。
单位长度线路参数为：单位长度电阻（欧姆/公里）[r1r0]：[0.012730.3864]；
单位长度电感（H/km）[l1l0]：[0.9337e-34.1264e-3]；
单位长度电容（F/km）[c1c0]：[12.74e-97.751e-9]；
测试线路总长度：L=Line3(2km)+Line4(8km)=10km。
下面以附图1为实施例，详细介绍配电网单相接地故障行波波头的计算方法，计算方法的步骤如附图7所示：
步骤(1)：数据采集器采样率为1MHz，两个采样点的间隔为1微秒，总采样时间0.1秒，采集点数100001，在第35000点（对应35000微秒）时系统发生A相接地故障，接地电阻为0.001欧，故障一直持续，采集三相相电流：Ia，Ib，Ic，数据如图3、4所示；
步骤(2)：对步骤(1)所得到的各相电流行波减去各自首波信号获取各项故障行波电流分量：ia，ib，ic，数据如图5所示，对分量进行凯伦贝尔变换，得到MN两端的故障行波线模电流分量：I1，具体如图6、7所示；
步骤3：确定主频频段为100k-400khz，通过特征频段做零相位滤波处理，进而对两端滤波后的数据做改进的Teager能量算子做波头检测（如图8、9所示），标记结果为：[3500735028]；
步骤4：反演故障行波波速为V=2.85e8m/s，计算故障距离为Lm=2.007499999999999，误差为7.499999999999m。
综上所述，本发明实施例提出的行波信号的滤波和特征增强的波头检测方法，能够在行波信号微弱的情况下进行准确标记波头，为选择较高的特征频段做好技术准备，克服了原有算法在波头奇异性降低的情况下无法识别或误差大的问题，具有更强的适用性。
又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上方法的步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一适用于配电网故障定位的双端行波测距方法。
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本申请实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述适用于配电网故障定位的双端行波测距方法。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准（英文：PeripheralComponentInterconnect，简称：PCI）总线或扩展工业标准结构（英文：ExtendedIndustryStandardArchitecture，简称：EISA）总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器（英文：RandomAccessMemory，简称：RAM），也可以包括非易失性存储器（英文：Non-VolatileMemory，简称：NVM），例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器（英文：CentralProcessingUnit，简称：CPU）、网络处理器（英文：NetworkProcessor，简称：NP）等；还可以是数字信号处理器（英文：DigitalSignalProcessing，简称：DSP）、专用集成电路（英文：ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称：ASIC）、现场可编程门阵列（英文：Field-ProgrammableGateArray，简称：FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质（例如固态硬盘SolidStateDisk(SSD)）等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，其特征在于，包括以下步骤，
提取故障行波并获取故障行波分量；
对故障行波分量做相模变换；
选取特征频段，对两端的线模故障电流行波做零相位带通滤波处理，获得特征频段的信号分量x；
确定特征频段对应的波速，通过仿真反演出波速V；
对特征频段信号分量的特征增强和波头到达时刻进行检测，即通过改进型Teager能量算子TEO进一步增强突变点处的特征，特征增强公式为：TEO(x(k))=x(k)^2-a*x(k-1)*x(k+1)，其中k为时序数，x(k)为信号分量x的第k个元素，a为置信度参数，遍历算子序列获得最值，标记为波头突变时刻：T1，T2；
基于双端测距总长度和故障行波到达两端测量处的时间差，依据双端测距公式：Lm=[(T1-T2)V+L]/2，Ln=[(T2-T1)V+L]/2，计算故障发生点距离测量点的距离，其中L为两个测距装置距离，Lm和Ln为故障发生处距离两测距装置点M，N的距离，也即最终所求故障距离。
2.根据权利要求1所述的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，其特征在于：所述提取故障行波并获取故障行波分量，具体包括，
通过电流互感器采集故障发生后前二后一共三个周波的三相故障电流行波：Ia，Ib，Ic，对每一相行波信号按工频周期划分，每周波信号均减去第一周电流信号，获得故障行波分量：ia，ib，ic。
3.根据权利要求2所述的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，其特征在于：对故障行波分量做相模变换包括，
（I0，I1，I2）=A(ia，ib，ic)’，其中I0为零模分量，线模分量为I1，I2；在已确定故障相的前提下，选择相模变换凯伦贝尔变换矩阵A=（1，1，1；1，-1，0；1，0，-1），在不确定故障相情况下，采用改进版的相模变换矩阵A=（1，1，1；1，-5，4；1，4，-5）。
4.根据权利要求1所述的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，其特征在于：选取特征频段包括，基于系统参数仿真归纳得出，具体如下：
S31、基于实际线路拓扑结构和阻抗参数，构建具有分布参数线路的仿真模型，获取故障行波数据；通过仿真数据的小波包分解展示故障行波分窗的频谱分布；
S32、排除工频谐波构成的低频频段和系统噪声的过高频段，确定中间频段窗即范围为10k-400khz为特征频段，零相位带通滤波作为频段提取工具。
5.根据权利要求4所述的适用于配电网故障定位的双端行波测距方法，其特征在于：所述确定特征频段对应的波速，通过仿真反演出波速，具体包括，
S51、基于实际线路拓扑结构和阻抗参数，构建具有分布参数线路的仿真模型，固定故障发生位置K和故障时刻t0，基于波头检测算法，获取波头到达两端测量点的时刻：t1、t2；
S52、通过故障点和测量点的距离和对应的时间差来反演故障行波特征频段在线路上的传播速度：V_1=Lm/(|t1-t2|)，多次测试取均值作为波速V。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
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