CN117388642A - 一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。本发明利用行波故障定位耦合箱分别采集接地极线路M端和N端的电流行波数据；对所述耦合箱采集的故障电流行波数据进行预处理；标定所述预处理数据的最大突变值；对所述预处理数据进行频谱分析；计算频谱中相邻频率之间的差值；根据频率之间的差值计算距离x，若M端的最大突变点Mmax大于N端的最大突变点Nmax，则故障距离为x；若M端的最大突变点Mmax小于N端的最大突变点Nmax，则故障距离为l‑x。该方法不受系统边界条件影响，测距精度不受波头畸变、波形缺损、首波头丢失的影响，减少了波速衰减对测距精度的影响。

Description

一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法及系统
技术领域
本发明涉及一种单端频差的接地极线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护领域。
背景技术
在高压直流输电系统中，为防止接地极入地电流对交流侧的正常运行带来危害或困扰，接地极址一般距离直流系统换流站几十甚至一百多公里，其间通常架设双导线并联的接地极线路。直流接地极址一般选择远离人口稠密的城市和乡镇及地下有较多公共设施的地区。接地极线路的引流走廊多为山地，易遭受雷电冲击，接地极线路绝缘水平是按照35kV绝缘水平设计的，耐雷水平很低，一旦遭受雷击较易造成闪络故障。当直流系统以单极大地回线方式运行时，接地极线路发生故障，将导致直流输电系统单极闭锁，中断功率传送；当以双极大地回线方式运行时，系统某一极需要进行单极闭锁操作，若接地极线路运行状态不明确，系统无法转换为单极大地回线运行方式，从而导致双极闭锁，对送、受端交流系统产生较大冲击，影响电力系统的稳定运行。此外接地极线路故障可能会干扰邻近通信设备，在故障处造成人身伤害或引起故障点附近地下金属管道产生电化学腐蚀。当接地极线路故障时，运维人员应利用测距装置快速定位故障区段，缩小巡线范围。因此准确的故障测距方法对及时修复电路，保证可靠供电，保证电力系统的安全、稳定和经济运行起着十分重要的作用。
研究发现，故障行波的频率与故障距离之间具有一定的函数关系，但是在实际运行的电力系统中，线路边界通常不是理想的开路或短路状态，行波频谱中频率分布受线路边界的影响较大，这导致直接利用行波自然频率值进行故障测距的结果不准确。
发明内容
本发明提供一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法及系统，用以解决利用行波自然频率值故障测距不准确的问题。
本发明的技术方案是：利用行波数据中最大的两个突变点之间的时间差来构造方波信号，并利用傅里叶变换对该信号进行频谱分析，计算频谱中相邻峰值对应的频率的差值，最终实现故障测距。
其具体步骤为：
Step1：利用行波故障定位耦合箱分别采集接地极线路M端和N端的电流行波数据。雷击接地极线路时，注入导线的雷电流会沿接地极线路传播，由于雷击引起的行波幅值较大，因此利用行波故障定位耦合箱耦合电容电路套装罗氏线圈来传变电压行波。
Step2：对所述耦合箱采集的故障电流行波数据进行预处理。首先，由于接地极线路采用双回架空线路，两导线之间存在电感和电容耦合，线路上传播的行波信号也是互相耦合的，因此需要对其进行解耦。解耦后的线模行波在接地极中性母线处发生全反射，在极址点处也发生全反射，而零模行波在极址点处只发生部分反射，一部分零行波经极址电阻入地，因此零模行波不利于作为故障测距的信号。其次，通过差分变换放大故障电流信号的波头特征，利于后续进行测距。
Step2.1：对M端和N端的电流行波数据分别进行线模变换，变换公式为；
式中，i1为线模电流；ip1为第一回接地极线路的电流；ip2为第二回接地极线路的电流。
Step2.2：对所述线模变换后的数据分别进行差分变换。
Step3：标定所述预处理数据的最大突变值。在接地极线路故障后，故障点产生的行波向线路两端传播，由于行波在传播过程中会发生衰减，传播的距离越长衰减越大，因此距离故障点近的量测端的行波突变比距离故障点远的量测端的行波突变更大，以此来判断故障点是在半线长内还是半线长外。
Step3.1：标定M端奇数次幂变换后的数据的最大突变值Mmax;
Step3.2：标定N端奇数次幂变换后的数据的最大突变值Nmax。
Step4：对所述预处理数据进行频谱分析，行波信号的频谱能反映故障点的信息。
Step4.1：构造方波信号，其脉冲宽度为Step2.2中差分变换数据中最大的两个突变点之间的宽度；
Step4.2：利用傅里叶变换对所述方波信号进行频谱分析。
Step5：计算频谱中相邻频率之间的差值。行波信号的频谱与故障距离、线路母线背侧等值系统反射角和故障点反射角都有关系，而频率之间的差值只与故障距离有关，与量测端背侧系统及故障边界无关。
Step5.1：对Step4.2中频谱的各个峰值进行标定，并将各峰值对应的频率记为f1，f2，f3，…，fn；
Step5.2：计算相邻峰值对应的频率的差值，并将该差值定义为频差；
，其中k=1，2，…，n-1。
Step6：根据频率之间的差值计算距离x，并根据M端和N端的最大突变值来判断距离x是真实故障点还是对偶故障点。
Step6.1：根据频率之间的差值计算距离x，基于频差的距离计算公式为：
式中，v为行波传播速度。
Step6.2：若Step3中最大突变点Mmax大于Nmax，则故障距离为x；若Step3中最大突变点Mmax小于Nmax，则故障距离为l-x，l为线路全线长。
一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，包括：
电气信号采集模块，用于采集和存储故障电流行波数据；
数值计算模块，用于计算两端信号的频差；
故障测距模块，用于计算和记录测距结果。
所述电气信号采集模块包括：
高速数据采集单元，用于采集行波故障定位耦合箱输出的模拟信号；
模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取触发时间与行波数据，形成行波记录放置内存中。
所述数值计算模块包括：
线模转换单元，用于计算量测端电流行波的线模分量；
参数设置单元，用于设置接地极线路的长度及行波传播的速度；
数值计算单元，用于计算线模变换后的数据的差分，标定线路两端数据的最大突变点，并对预处理的数据进行频谱分析。
所述故障测距模块包括：
数值比较单元，用于比较线路两端数据最大突变点的大小；
频差计算单元，用于计算频谱中相邻峰值对应的频率的差值；
距离计算单元，用于计算故障距离；
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
本发明的有益效果是：
1、本发明方法不受系统边界条件影响。
2、本发明利用单端频差构造测距方程，测距精度不受波头畸变、波形缺损、首波头丢失的影响。
3、本发明测距方法减少了波速衰减对测距精度的影响。
附图说明
图1是本发明仿真模型拓扑图；
图2是本发明的故障测距流程图；
图3是本发明实施例1的频谱分析结果图；
图4是本发明实施例1的系统框图；
图5是本发明实施例2的频谱分析结果图。
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：含有接地极线路的高压直流输电系统仿真模型系统如附图1所示，线路全线长205km，接地极线路采用同塔双回架空线路，通过极址点阻值很小的电阻接地，一般不超过0.5Ω。接地极线路距离M端15km处发生雷击闪络故障，采样率为1MHz。
实施的具体步骤如图2所示：
Step1：利用行波故障定位耦合箱分别采集接地极线路M端和N端的电流行波数据。
Step2：对所述耦合箱采集的故障电流行波数据进行预处理。
Step2.1：对M端和N端的电流行波数据分别进行线模变换，变换公式为；
式中，i1为线模电流；ip1为第一回接地极线路的电流；ip2为第二回接地极线路的电流。
Step2.2：对所述线模变换后的数据分别进行差分变换。
Step3：标定所述预处理数据的最大突变值。
Step3.1：标定M端差分变换后的数据的最大突变点Mmax。在本实施例中，最大突变值Mmax为2.993×10-5。
Step3.2：标定N端差分变换后的数据的最大突变点Nmax。在本实施例中，最大突变值Nmax为1.432×10-5。
Step4：对所述预处理数据进行频谱分析。
Step4.1：构造方波信号，其脉冲宽度为Step2.2中差分变换数据中最大的两个突变点之间的宽度。在本实施例中两个突变点之间的宽度为0.1ms。
Step4.2：利用傅里叶变换对所述方波信号进行频谱分析，结果如图3所示。
Step5：计算频谱中相邻频率之间的差值。
Step5.1：对Step4.2中频谱的各个峰值进行标定，并将各峰值对应的频率记为f1，f2，f3，…，fn。在本实施例中，f1=13.33kHz，f2=23.33kHz，f3=33.33kHz。
Step5.2：计算相邻峰值对应的频率的差值，并将该差值定义为频差；
，其中k=1，2，…，n-1
在本实施例中，频差。
Step6：根据频率之间的差值计算距离x，并根据M端和N端的最大突变值来判断距离x是真实故障点还是对偶故障点。
Step6.1：根据频率之间的差值计算距离x，基于频差的距离计算公式为：
在本实施例中，。
Step6.2：若Step3中最大突变点Mmax大于Nmax，则故障距离为x；若Step3中最大突变点Mmax小于Nmax，则故障距离为l-x。在本实施例中，Mmax大于Nmax，则故障位于半线长之内，因此故障距离为14.9km，测距误差为0.1km。
如图4所示，一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，包括：
电气信号采集模块，用于采集和存储故障电流行波数据；
数值计算模块，用于计算两端信号的频差；
故障测距模块，用于计算和记录测距结果。
所述电气信号采集模块包括：
高速数据采集单元，用于采集行波故障定位耦合箱输出的模拟信号；
模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取触发时间与行波数据，形成行波记录放置内存中。
所述数值计算模块包括：
线模转换单元，用于计算量测端电流行波的线模分量；
参数设置单元，用于设置接地极线路的长度及行波传播的速度。在本实施例中，接地极线路长度为205km，行波传播速度为298km/ms。
数值计算单元，用于计算线模变换后的数据的差分，标定线路两端数据的最大突变点，并对预处理的数据进行频谱分析。
所述故障测距模块包括：
数值比较单元，用于比较线路两端数据最大突变点的大小。在本实施例中，Mmax大于Nmax，则故障位于半线长之内。
频差计算单元，用于计算频谱中相邻峰值对应的频率的差值。在本实施例中，频差。
距离计算单元，用于计算故障距离。在本实施例中，故障距离为14.9km。
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
实施例2：含有接地极线路的高压直流输电系统仿真模型系统如附图1所示，线路全线长205km，接地极线路采用同塔双回架空线路，通过极址点阻值很小的电阻接地，一般不超过0.5Ω。接地极线路距离M端155km处发生雷击闪络故障，采样率为1MHz。
实施的具体步骤如图2所示：
Step1：利用行波故障定位耦合箱分别采集接地极线路M端和N端的电流行波数据。
Step2：对所述耦合箱采集的故障电流行波数据进行预处理。
Step2.1：对M端和N端的电流行波数据分别进行线模变换，变换公式为；
式中，i1为线模电流；ip1为第一回接地极线路的电流；ip2为第二回接地极线路的电流。
Step2.2：对所述线模变换后的数据分别进行差分变换。
Step3：标定所述预处理数据的最大突变值。
Step3.1：标定M端差分变换后的数据的最大突变值Mmax。在本实施例中，最大突变值Mmax为1.498×10-5。
Step3.2：标定N端差分变换后的数据的最大突变值Nmax。在本实施例中，最大突变值Nmax为2.365×10-5。
Step4：对所述预处理数据进行频谱分析。
Step4.1：构造方波信号，其脉冲宽度为Step2.2中差分变换数据中最大的两个突变点之间的宽度。在本实施例中两个突变点之间的宽度为0.334ms。
Step4.2：利用傅里叶变换对所述方波信号进行频谱分析，结果如图5所示。
Step5：计算频谱中相邻频率之间的差值。
Step5.1：对Step4.2中频谱的各个峰值进行标定，并将各峰值对应的频率记为f1，f2，f3，…，fn。在本实施例中，f1=3.992kHz，f2=6.986kHz，f3=9.980kHz。
Step5.2：计算相邻峰值对应的频率的差值，并将该差值定义为频差；
，其中k=1，2，…，n-1
在本实施例中，频差。
Step6：根据频率之间的差值计算距离x，并根据M端和N端的最大突变值来判断距离x是真实故障点还是对偶故障点。
Step6.1：根据频率之间的差值计算距离x，基于频差的距离计算公式为：
在本实施例中，。
Step6.2：若Step3中最大突变点Mmax大于Nmax，则故障距离为x；若Step3中最大突变点Mmax小于Nmax，则故障距离为l-x。在本实施例中，Mmax小于Nmax，则故障位于半线长之内，因此故障距离为205-49.766=155.234km，测距误差仅为0.234km。
一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，包括：
电气信号采集模块，用于采集和存储故障电流行波数据；
数值计算模块，用于计算两端信号的频差；
故障测距模块，用于计算和记录测距结果。
所述电气信号采集模块包括：
高速数据采集单元，用于采集行波故障定位耦合箱输出的模拟信号；
模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取触发时间与行波数据，形成行波记录放置内存中。
所述数值计算模块包括：
线模转换单元，用于计算量测端电流行波的线模分量；
参数设置单元，用于设置接地极线路的长度及行波传播的速度。在本实施例中，接地极线路长度为205km，行波传播速度为298km/ms。
数值计算单元，用于计算线模变换后的数据的差分，标定线路两端数据的最大突变点，并对预处理的数据进行频谱分析。
所述故障测距模块包括：
数值比较单元，用于比较线路两端数据最大突变点的大小。在本实施例中，Mmax小于Nmax，则故障位于半线长之外。
频差计算单元，用于计算频谱中相邻峰值对应的频率的差值。在本实施例中，频差。
距离计算单元，用于计算故障距离。在本实施例中，故障距离为155.234km。
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
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 (10)

1.一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：利用行波故障定位耦合箱分别采集接地极线路M端和N端的电流行波数据；
Step2：对所述耦合箱采集的故障电流行波数据进行预处理；
Step3：标定所述预处理数据的最大突变值；
Step4：对所述预处理数据进行频谱分析；
Step5：计算频谱中相邻频率之间的差值；
Step6：根据频率之间的差值计算距离x，并根据M端和N端的最大突变值来判断距离x是真实故障点还是对偶故障点。
2.根据权利要求1所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，所述Step2具体为：
Step2.1：对M端和N端的电流行波数据分别进行线模变换；
Step2.2：对所述线模变换后的数据分别进行差分变换。
3.根据权利要求1所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，所述Step3具体为：
Step3.1：标定M端差分变换后的数据的最大突变值Mmax；
Step3.2：标定N端差分变换后的数据的最大突变值Nmax。
4.根据权利要求1所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，所述Step4具体为：
Step4.1：构造方波信号，其脉冲宽度为Step2.2中差分变换数据中最大的两个突变点之间的宽度；
Step4.2：利用傅里叶变换对所述方波信号进行频谱分析。
5.根据权利要求1所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，所述Step5具体为：
Step5.1：对Step4.2中频谱的各个峰值进行标定，并将各峰值对应的频率记为f1，f2，f3，…，fn；
Step5.2：计算相邻峰值对应的频率的差值，并将该差值定义为频差，/>，其中k=1，2，…，n-1。
6.根据权利要求1所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距方法，其特征在于，所述Step6具体为：
Step6.1：根据频率之间的差值计算距离x，基于频差的距离计算公式为：
；
式中，v为行波传播速度；
Step6.2：若Step3中最大突变值Mmax大于Nmax，则故障距离为x；若Step3中最大突变值Mmax小于Nmax，则故障距离为l-x，l为线路全线长。
7.一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，其特征在于，包括：
电气信号采集模块，用于采集和存储故障电流行波数据；
数值计算模块，用于计算两端信号的频差；
故障测距模块，用于计算和记录测距结果。
8.根据权利要求7所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，其特征在于，所述电气信号采集模块包括：
高速数据采集单元，用于采集行波故障定位耦合箱输出的模拟信号；
模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取触发时间与行波数据，形成行波记录放置于内存中。
9.根据权利要求7所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，其特征在于，所述数值计算模块包括：
线模转换单元，用于计算量测端电流行波的线模分量；
参数设置单元，用于设置接地极线路的长度及行波传播的速度；
数值计算单元，用于计算线模变换后的数据的差分，标定线路两端数据的最大突变点，并对预处理的数据进行频谱分析。
10.根据权利要求7所述的一种基于单端频差的接地极线路故障测距系统，其特征在于，所述故障测距模块包括：
数值比较单元，用于比较线路两端数据最大突变点的大小；
频差计算单元，用于计算频谱中相邻峰值对应的频率的差值；
距离计算单元，用于计算故障距离；
测距结果记录单元，用于记录故障测距结果。
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