一種基于多測量信息的行波故障定位方法
【專利摘要】一種基于多測量信息的行波故障定位方法，各變電站測量單元通過對接收到的故障初始波頭進行相模變換解耦得到零模和線模分量，結合訓練過的神經網絡求得零模波速，針對零模和線模分量到達同一測量單元的時間不同初步估算故障距離。行波定位主站綜合每個測量單元估算的故障距離，確立疑似故障線路集合，結合實時網絡拓撲結構和故障行波特征定位故障線路。選取距離故障線路最近的未故障線路，計算實時的線模波速；進一步根據雙端或擴展雙端測距法，精確計算故障點距離。本發明一種基于多測量信息的行波故障定位方法，使用多點數據進行故障測距，有效避免單個裝置故障導致測距失敗的情況，提高定位精度和可靠性。
【專利說明】
一種基于多測量信息的行波故障定位方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于多測量信息的行波故障定位方法，屬于電力系統故障排查領 域，具體涉及電力網絡發生擾動后，利用區域多測量數據進行故障選線和測距。
【背景技術】
[0002] 1:行波故障測距因其快速、準確的特點得到快速發展，電網中行波定位裝置的應 用迅速增加，使其具備了一定的組網條件，能夠通過整合全網行波和繼電保護動作信息，改 善現有故障定位方法的可靠性和精度。
[0003] 2:在復雜電力網絡中，行波折反射的傳輸路徑復雜，單端行波法難以保證準確的 波頭識別，但單端法無需對時，測距成本比雙端法降低一半以上。雙端法只檢測初始波頭， 測距準確性更高。但線路兩端互感器固定時延不一致，或單個測距裝置故障等因素會造成 測距誤差。另外實時波速的不確定也是行波法需要解決的問題。通過整合多端行波信息，將 單端法和雙端法配合使用，可提高測距結果的品質，并降低系統投資成本。
[0004] 3:測量單元為準確記錄故障行波數據，其靈敏度通常比繼電保護動作靈敏度更 高，實際電網中絕緣薄弱點發生擾動，保護可能并不動作，同時考慮保護誤動的可能性，行 波故障定位時，若僅依靠保護動作信息判斷擾動線路，可能導致測距失敗。
【發明內容】
[0005] 為克服現有的行波故障定位方法的不足，本發明提供一種基于多測量信息的行波 故障定位方法。定位系統結構如圖1所示，通過預先的優化配置，選取電網中部分變電站安 裝行波測量單元，并由衛星授時保持測量單元的時間同步，經通信網絡，測距主站接收各測 量單元的數據，進一步定位故障線路和故障位置。該方法使用多點數據進行故障測距，有效 避免單個裝置故障導致測距失敗的情況，提高定位精度和可靠性。利用行波數據進行故障 選線和測距，防止保護誤動等因素造成故障定位失敗。
[0006] 本發明所采用的技術方案是：
[0007] 首先定義臨接數：電網中某變電站通過輸電線路直接相連接的變電站個數，稱為 該變電站的臨接數。如圖2所示，與S0直接相連的有S1、S2、…、Si，則S0的臨接數為i，與S1直 接相連的只有S0，則S1的臨接數為1.含有臨接數為1的站點所在線路稱為終端線路，如圖2 中（S0-S1)、（S0-S2)等。
[0008] -種基于多測量信息的行波故障定位方法，其步驟依次為：
[0009] 1 )、電網中的行波測量單元預先經過優化配置，行波定位主站收集所有測量單元 采集的行波數據，選取部分測量單元的數據作為故障定位的信息域，即故障測距的數據源； [0010] 2)、對行波數據進行相模變換解耦得到零模和線模分量，經訓練好的神經網絡求 得零模波速，根據零模和線模分量到達同一檢測點的時間差初步估算故障距離；
[0011] 3)、設信息域內有i個行波測量單元，則共初步估算出i個故障距離，測距主站根據 所有估算的故障距離和網絡拓撲結構定位故障線路，并剔除無效的時間數據；
[0012] 4)、選取距離故障線路最近的未故障線路上的測量數據，根據初始波頭到達兩個 測量點的時間差，結合線路長度，計算實時的線模波速，用于精確的故障測距計算；
[0013] 5)、確認故障線路后，對于終端線路，即線路的一端不再與其他線路相連，采用單 端法進行故障位置計算，對于一般線路，根據多端數據計算故障位置。
[0014] 步驟2)所述的測距主站定位故障線路的方法具體為：假設信息域內變電站S1、 S2、~、Si安裝了行波定位裝置，其中變電站Sj根據模量速度差法初步估算故障距離為xj， 結合網絡拓撲結構，到變電站Sj的距離為xj的所有點所在的線路組成集合Cj;同理，所有配 置了測量單元的數據都可以計算得到一個集合，分別設為C1、C2、…、Ci，組成新的集合:C = C1+C2+…+Ci。集合C是疑似故障線路的集合，統計集合C中元素出現的次數n，n最大的元素 對應的線路即為故障線路。
[0015] 步驟3)剔除無效數據的方法具體為：在判斷出故障線路后，檢查集合C1、C2、…、 Ci，若某集合不包含故障線路，則認為該集合對應的測量單元的行波數據無效。
[0016] 步驟5)精確的故障位置計算具體步驟為:對于一般線路，按故障線路兩側將有效 時間分為兩組，分別從每組中選取一個初始線模波頭到達時間，以雙端法原理計算故障距 離，并以經過故障線路的最短路徑長度(設為L千米）的倒數（1/L)作為該故障距離的權重， 最后對所有計算距離進行加權求和，得到最終的精確故障位置。對于終端線路，根據模量速 度差法估算的故障距離，結合波速，計算出故障點反射波傳播的時間長度，在故障線路鄰近 的測量單元記錄的波形上特定的區域內，查找故障點的反射波，再利用初始波頭和反射波 的時間差精確計算故障位置。
[0017] 所述的雙端法具體為:設故障線路麗的長度為LMN，v〖是根據故障線路鄰近的未故 障線路計算的線模波速，初始線模波頭到達Μ端和N端的時間分別為t M、tN，則故障點F到Μ端 的距尚為_=紅知)vl. + 1響]。
[0018] 與現有的技術相比，本發明提供一種基于多測量信息的行波故障定位方法，有益 效果在于：
[0019] 1:本方法不要求電網中所有變電站都安裝行波定位裝置，特別是臨接數為1的終 端變電站，可不安裝定位裝置，綜合使用單/雙端行波法，節省了設備投資成本。
[0020] 2:本方法綜合區域網絡的多點行波數據，對波頭到達時間進行校驗，有效防止單 個定位裝置故障等因素造成測距失敗，增強定位系統的冗余度和準確度。
[0021] 3:對于并不引起保護動作的擾動，本方法同樣可以定位，并利用行波數據同時進 行故障選線和測距，與保護動作信息相互驗證，使結果更加可靠。
【附圖說明】
[0022]圖1定位系統結構圖 [0023]圖2變電站臨接數示意圖。
[0024]圖3近端故障時行波傳播示意圖；
[0025]其中：1丄丄4為故障發生后初始波頭到達變電站的時間。
[0026]圖4測距原理不意圖；
[0027]圖5含臨接數為1的線路測距示意圖。
【具體實施方式】
[0028] -種基于多測量信息的行波故障定位方法，其步驟依次為：
[0029] 1)、預先對電網中的行波測量單元進行優化配置，行波定位主站收集各測量單元 采集的行波數據，選取部分測量單元的數據作為故障定位的信息域，即故障測距計算數據 源；
[0030] 2)、對行波信號進行相模變換解耦得到線模和零模，經訓練好的神經網絡求得零 模波速，根據零模和線模分量的初始波頭到達同一檢測點的時間差初步估算故障距離；
[0031] 3)、根據信息域內i個測量單元記錄的行波數據初步估算出i個故障距離，測距主 站根據所有估算的故障距離和網絡拓撲結構定位故障線路，并剔除無效時間數據；
[0032] 4)、選取距離故障線路最近的未故障線路上測量單元的數據，根據初始波頭到達 兩個測量單元的時間差和線路長度，計算實時的線模波速，用于精確的故障測距計算； [0033] 5)、確認故障線路后，對于終端線路，即線路的一端不再與其他線路相連，采用單 端法進行故障位置計算，對于一般線路，根據多端數據計算故障位置。
[0034] 步驟2)所述的初步估算故障距離的具體方法為:對于同一檢測點，設零模和線模 的初始波頭到達時間分別為toUi，經訓練好的神經網絡求得的零模波速為vo,預設線模波 速為Vl，則估算故障點到檢測點的距離為
[0035] 步驟3)所述的測距主站定位故障線路的方法具體為：假設信息域內變電站S1、 S2v、Si安裝了行波檢測裝置，其中變電站Sj初步估算的故障距離為xj，結合網絡拓撲結 構，到變電站Sj的距離為xj的所有點所在的線路組成集合Cj;同理，根據信息域內每個檢測 單元的數據都可以得到一個集合，設為(：1、02、~、(^，得到新的集合< =(：1+02+~+(^。集合 C是疑似故障線路的集合，統計集合C中元素出現的次數n，n最大的元素對應的線路即為故 障線路。
[0036] 步驟3)剔除無效數據的方法具體為:判斷出故障線路后，檢查集合C1、C2、…、Ci， 若某集合不包含故障線路，則認為該集合對應的檢測單元的初始波頭到達時間無效。
[0037] 步驟5)精確的故障位置計算步驟為:對于一般線路，按故障線路兩側將有效時間 分為兩組，分別從每組中選取一個線模初始波頭到達時間，以雙端法原理計算故障距離，并 以經過故障線路的最短路徑長度(設為L千米)的倒數（1/L)作為該距離的權重，最后對所有 計算距離進行加權求和，得到最終的精確故障位置。對于終端線路，根據初步估算的故障距 離，結合波速，計算出故障點反射波傳播的時間長度，在故障線路鄰近的未故障線路上測量 單元記錄的波形中，查找故障點的反射波，再利用初始波頭和反射波的時間差精確計算故 障位置。
[0038] 所述的雙端法具體為：設故障線路MN的長度為Lmn，^是根據故障線路鄰近的未故 障線路計算的線模速度，初始線模波頭到達Μ端和N端的時間分別為tM、tN，則故障點F到Μ端 的距 1? 為 Αυ/· =+[('Λ/ -'Λ·-)V1 .α
[0039] 下面對故障定位的具體過程舉例說明：
[0040] -種基于多測量信息的行波故障定位方法，包括以下步驟：
[0041 ] 1.預先對電網中的測量單元進行優化配置，線路發生擾動后，對記錄的行波數據 進行相模變換得到零模和線模分量，并向測距主站上傳數據。
[0042] 2.測距主站選取部分測量單元數據作為故障測距信息域，并根據初始波頭到達時 間，初步估算故障距離，進一步確認故障線路，同時剔除無效數據，具體步驟如下：
[0043] 1)、假設信息域中變電站31、52、一、51配置了檢測單元，測距主站根據各測量單元 在網絡中的位置和模量時間差At(線模和零模到達同一檢測點的時間差），經訓練好的神 經網絡求得零模波速vo,根據線路參數預設線模波速 V1。設站點Sj基于模量速度差法估算故 障距離為
[0044] 2)、根據估算的距離X和行波最短傳輸路徑原則，找到所有到測量點Sj的距離為X 的點所在的線路，組成集合Cj，同理根據每個測量點的數據都得到一個疑似故障線路的集 合，分別設為Cl、C2、…、Ci，組成新的集合:C = Cl+C2+'"+Ci
[0045] C是疑似故障線路的集合，對集合C中的元素出現的次數η進行統計，剔除n<i/2的 元素(其中i是信息域內為測量單元的個數），剩下的元素組成新的集合C'若集合C中元素 對應的線路不相鄰，則η最大的元素對應的線路即為故障線路，設為(M-N)。
[0046] 3)、檢索集合(：1、02 - (^，若某個集合中不含線路(14)，則對應測量單元的行波數 據將不參與之后精確的故障定位計算，為無效的時間。
[0047] 4)因為初步故障的故障距離存在誤差，當故障點距離測量點很近(下文簡稱近端 故障），集合C中對應的線路可能臨接與同一點。以圖3為例，Μ右端發生近端故障，通過模量 速度差法初步估算故障距離，線路段(A-Μ)和(Μ-Ν)同時被多個測量點的數據認為是故障線 路，只能確認長線路(Α-Ν)為故障線路，需進一步縮小故障區段。檢查集合(：1工2 - (^，不含 有(A-Μ)或(Μ-Ν)的集合對應的測量點數據認為是無效數據。選取距離線路(Α-Ν)較近的未 故障線路上測量單元的數據，根據初始波頭到達兩個測量點的時間差，結合線路長度，計算 出線模波速<。
[0048]對于近端故障，根據雙端法測距精度高的特點進一步確認故障線路。如圖3所示， 其中Α、Ν、Β都配置了檢測單元，下面分別說明兩種情況下的故障線路的確認方法。
[0049]①、若Μ點配置了行波檢測單元，且時間信息有效。分別選取兩個時間信息有效的 站點，如Α和Β，使得疑似故障線路(A-Μ)和(Μ-Ν)分別包含在(A-Μ)和(Μ-Β)的最短路徑內，則 由雙端法測距原理，在誤差范圍內可得：
[0051]其中δ如為之間的時間差，LU為測量點I與J之間最短路徑長度。計算結果 Lam為線路(A-Μ)的長度。
[0052]根據測量點B和Μ的數據計算故障距離Lbf有：
[0054] 由上面兩個判斷結果知故障點F不在線路(A-Μ)內，而位于線路(M-N)內。
[0055] ②、若變電站Μ未配置檢測單元或時間信息無效。任選兩段時間信息有效的線路， 使得其最短路徑包含線路(Α-Ν)，以線路段(Α-Ν)、(Α-Β)為例，計算故障點F到站點Α的距離：
[0057] 在誤差范圍內有
[0058] Lam < = Z/^j； <
[0059] 由上式的比較結果能夠判斷故障點F位于線路(M-N)內。
[0060] 5)、針對不同的故障位置選擇不同的故障定位算法，對少數情況下，故障線路含有 臨接數為1的站點時，采用查找特定反射波的方法;當故障線路不含臨接數為1的變電站時， 采用多端數據進行定位計算。
[0061] ①、故障線路不含臨接數為1的站點時。故障定位主站將有效的時間信息按故障線 路兩側分為兩組，根據雙端法原理，如圖4所示，分別從兩組數據中選取一個初始波頭到達 時間ti和tj，，故障點F在線路(M-N)內，則F點到站點I的距離
[0062] 令故障線路的一端Μ到站點I的最短路徑長度為Lim，則點F到站點Μ的距離為： xij = \xij ^ 4'?11
[0063] 設變電站I經故障線路到電站J之間的最短傳輸路徑的長度為Lu千米，則測距主站 對4賦予的權重Ri為1/Uj。
[0064] 將各組數據的計算結果進行加權求和，得到最終的故障距離，即故障點到故障線 路一端I的距離為：
[0066]②、故障線路含臨接數為1的站點。以圖5為例，變電站S的臨接數為1，當確認故障 線路后，設R站點通過模量速度差估算的故障點F到R的距離為Lrf，若初步估算的Lrf準確，則 得到方程組1:
[0068] 其中：△以是故障點F的反射波與初始波頭間的時間差，Δ t2是S端的反射波與初始 波頭的時間差。
[0069] 由方程組1可以求出△以和△ t2,設初始波頭的到達的絕對時間為t，考慮模量速度 差法存在一定的誤差，在變電站R記錄的波形上標記(t+Δ ti)和(t+Δ t2)點一定范圍內的波 頭，尋找兩個波頭與初始波頭的時間差最接近滿足式= 2Z#，就可以得到Δ t i和Δ t 2的準確值，并帶入方程組1便能夠計算出精確的故障距離為 = 士 & (Δ & - Δ ) + 金
[0070] 6)、輸出綜合判斷后的故障線路和精確的故障位置。
[0071]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制。凡 是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修 改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于多測量信息的行波故障定位方法，其特征在于包括W下步驟： 首先進行故障選線，同時剔除無效數據，并計算實時線模波速，進一步精確的計算故障 距離，具體步驟如下： 1 )、預先對電網中的行波測量單元進行優化配置，擾動發生后，定位主站收集各測量單 元記錄的行波數據，并選取最先檢測到初始波頭的部分測量單元的數據，作為故障測距信 息域； 2) 、對行波數據進行相模變換解禪得到零模和線模分量，結合訓練好的神經網絡計算 零模波速，根據零模和線模到達同一檢測點的時間不同初步估算故障距離； 3) 、經步驟2)估算求得故障點到每個測量單元的距離，測距主站根據估算的故障距離 和網絡拓撲結構定位到故障線路，并剔除無效的時間數據； 4) 、選取距離故障線路最近的未故障線路的行波數據，計算出實時的線模波速； 5) 、確認故障線路后，對于終端線路，采用單端法進行精確的故障位置計算;對于其他 線路，根據多端數據計算故障位置。2. 根據權利要求1所述一種基于多測量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步驟2) 所述的測距主站定位故障線路的方法具體為:假設信息域內變電站51、52、-，、51安裝了行 波測量單元，其中由變電站Sj的數據初步估算的故障距離為xj，根據電網拓撲結構，到變電 站Sj的距離為xj的所有點所在的線路組成集合Cj;同理，根據信息域內每個測量單元的數 據都可W得到一個集合，分別設為C1、C2、…、Ci，得到新的集合:C = C1+C2+…+Ci。集合C是 疑似故障線路的集合，統計集合C中元素出現的次數n，n最大的元素對應的線路即為故障線 路。3. 根據權利要求1所述一種基于多測量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步驟3) 剔除無效數據的方法具體為:判斷出故障線路后，檢查集合C1、C2、…、Ci，若某集合不包含 故障線路，則認為該集合對應的測量單元的行波數據為無效數據。4. 根據權利要求1所述一種基于多測量信息的行波故障定位方法，其特征在于，步驟5) 精確的故障位置計算具體為:對于一般線路，按故障線路兩側將有效時間數據分為兩組，分 別從每組中選取一個初始線模波頭到達時間，根據雙端法原理計算故障距離，W經過故障 線路的最短路徑長度，設為L千米的倒數1/L作為該計算結果的權重，最后對所有計算距離 進行加權求和，得到精確的故障位置;對于終端線路，根據模量速度差法初步估算的故障距 離，結合波速，在故障線路鄰近的測量單元記錄的波形上查找對端母線和故障點的反射波， 然后利用初始波頭和反射波的時間差精確計算故障位置。5. 根據權利要求4所述的雙端法具體為:設故障線路MN的長度為Lmn，&'是根據故障線路 鄰近的未故障線路計算的線模速度，初始線模波頭到達Μ端和N端的時間分別為tM、tN，則故 障點F到Μ端的距離為乂W 。
【文檔編號】G01R31/08GK106093698SQ201610366855
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】李振興, 王玲, 吳李群, 孟曉星, 李振華
【申請人】三峽大學