一種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法
【專利摘要】本發明公開一種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，通過在高壓輸電線路上裝設若干組測距裝置，利用故障電流檢測裝置采集各檢測點的故障電壓電流信號，運用小波變換求取模極大值的方法獲取檢測點的突變量信號，采用電流偏離度與故障行波到達時刻相結合方法判斷故障區間，在上述獲得的故障區間及獲取的突變量基礎上，依靠故障發生后故障點兩側行波波頭所到達的位置擬合行波波頭傳播特性曲線實現對故障測距的準確定位。本發明能夠解決常規行波測距方法不能夠完全對輸電線路所有故障準確定位的問題，有效解決針對輸電線路同時發生多處故障的精確定位問題，保障電力線路故障準確高效修復以及保證電力系統安全穩定運行。
【專利說明】
一種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統繼電保護技術的領域，具體涉及一種運用獲取有效區間內的 故障行波到達故障點時刻并結合檢測點故障行波的時序特征來構造行波故障特性曲線獲 取多點故障位置距離的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，對于輸電線路的在故障定位主要有故障分析法和行波法兩大類。其中行波 法因具有相對簡單的模型，抗干擾性強，有較低的測距誤差等特點得到廣泛運用。行波法主 要分為單端測距法以及雙端測距法。
[0003] 單端測距方法只需要獲取線路一側的電壓或電流的行波信號，設備簡單，但要區 分行波來自故障點反射還是對端母線反射。然而對于行波而言，極性和幅值是其最主要的 識別特征，并且線路結構和故障情況不同，很多情況下采用單端測距普適性不強。雙端測距 法利用故障行波到達兩側的時間差來確定故障距離，記錄輸電線路兩端的故障行波到達時 亥IJ，模型相對簡單，可靠性和測距精度均很高，但需要實現輸電線路兩端信息的同步傳輸， 成本較高。
[0004] 當輸電線路某一處發生故障時，盡管在靠近線路端點、或過渡電阻較大的情況下， 常規行波測距方法的測量精度會受到一定的影響，但是誤差范圍都不是很大，基本能夠滿 足故障測距的要求，但當線路發生兩處故障時，由于線路上疊加了兩個行波波頭從線路不 同地點朝兩端傳輸，同時在兩個故障點都將發生行波的折反射，常規的行波測距在特定的 故障下無法正確獲取靠近線路首段故障的距離，不能對故障進行正確定位。因此，迫切需要 提出一種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于解決目前輸電線路發生多處故障時，常規的行波測距在特定的 故障下無法正確獲取距離故障點的初始行波和反射行波到達線路首端的時間，從而不能對 故障進行正確定位問題。
[0006] 為解決上述技術問題，發明人采用了如下的技術方案：
[0007] -種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，包括以下步驟：
[0008] 采用分布在輸電線路上的若干故障檢測裝置得到故障電壓、電流信號，對其進行 相模解耦變換，接著運用小波變換獲取模極大值的方法得到各個檢測點的故障電壓、電流 突變量信息，利用獲得的故障電壓、電流信號以及對輸電線路各個檢測點電流之間的偏離 度得到故障點所處的區間，利用獲取的電壓、電流突變量和故障所處的有效區間，得到故障 行波波頭傳輸特性曲線，從而得到故障位置。
[0009] 具體步驟為：
[0010] 第一步，基于分布式的行波故障測距系統讀取高壓輸電線路上的各檢測裝置是否 發出故障信號，判斷線路是否發生故障。若發生故障則得到故障暫態電壓、電流信號，若未 發生故障則系統繼續等待故障信號。
[0011] 第二步，得到檢測點信號突變量信息。
[0012] 步驟2-1)對于高壓輸電線路，直接測量得到的各相電流、電壓之間存在耦合關系， 因此，首先采用克拉克變換對輸電線路電壓電流量進行相模變換，使其解耦，得到獨立的電 壓、電流量，即將保護安裝處的電流、電壓值乘以克拉克變換矩陣得到解耦電壓、電流分量。
[0014]步驟2-2)對于高壓輸電線路故障時產生的行波信號，其頻率會隨著傳遞時間的變 化而發生變化，因此，采用離散的小波變換對故障行波進行分析。表示如下：
[0016] 式中，b為小波變換平移因子，a為其尺度因子，供為小波變換基小波，t，a，b取離散 值，f (t)為解耦之后故障電流信號。
[0017] 采用小波變換模極大值方法分析故障信號突變點，將時間to代入式(2)得到小波 變換后的值，并對te(t『S，t〇+S)所有變換后的值進行檢驗，當滿足式：|w sf(t)|彡|Wsf(t〇) (3)
[0018] 得到時間to為故障信號突變點的時間，Wsf (to)為模極大值。
[0019]第三步，得到故障點所處的區間。
[0020]步驟3-1)首先，檢測點Ah和4"故障行波波首到達時間，若滿足如下條件：
[0022] 初步判斷得到故障所在的區間為之間。其中，分別為故障行波波首 到達An-^An的時間，1^、1^分別為輸電線路故障測距檢測點Aw和AIM端的距離，v為行波 波速。若不滿足式(4)則可判斷有一故障在檢測點n-1和η之間。
[0023] 步驟3-2)利用歐式空間計算位于故障同一側兩個檢測點iAk和IAg的電流偏離度dkg 和位于故障點不同側的兩個檢測點1?和I Aq的電流偏離度dM (Kk，g<n)。其中lAk，k=l，2, 3···η為各檢測點的工頻故障電流。設每組檢測裝置采集的數據長度為L，偏離度計算公式如 下：
[0025]將得到的dkg、dPq進行處理比較，由（5)得到若滿足如下關系
[0026] dPq>Kidkg，（Kk，g或i<k，g<n)且（p>i>q或p<i<q) (6)
[0027] 其中L為偏離系數，且KOI，得到區段故障區間位于檢測點i和i+1之間。
[0028]第四步，得到故障行波波頭傳輸特性曲線。
[0029]步驟4-1)獲取故障行波時序。根據附圖1，利用輸電線路檢測裝置得到各個檢測點 檢測到的故障行波到達時間，公式表示如下：
[0032] tzl，tz2，…，tzn為從故障點F1發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點的時間 與故障發生時刻的差值，tfl，tf2，…，tfn為反向行波經折反射后依次到達的時間與故障發生 時刻的差值。. . .，νζη為從故障點F2發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點 的時間與故障發生時刻的差值，...為反向行波經折反射后依次到達的時間 與故障發生時刻的差值。
[0033] 又因為Lx2-Lxi^：0且j，可進一步得到檢測點Αι，A2，…，Ai和Aj+i，Aj+2，…，A n測得 的初始故障行波時序：
[0036] 其中，tzk為各檢測點檢測到的第一個行波到達時間。接著確定兩故障點之間 A1+1，…，、行波到達時間，分以下三種情況：當線路發生兩處故障區間相同，該測量點行波 到達時間滿足式(9);當線路發生兩處故障區間相鄰，若L 1+1-LX1>LX2-L1+1即tWfG+υ時， 1/ z(i+i)>tf(i+i)。若Li+i_Lxi>Lx2-Li+i即tzi〉!/ f(j+i)時，1/ z(i+i)>tf(i+i)，根據測量點Ai，Aj+i檢測 到的第一個行波時間判斷測量點A 1+1的行波時序;當線路發生兩處故障區間不相鄰，對于測 量點Ak(k= i+1，i+2，…，j)，若Lk-Lxi>Lx2-Lk，1/ zk〈i/ fk。若Lk-Lxi>Lx2-Lk，1/ zk>i/ fk。因此，最 終得到整條輸電線路每個故障點行波波頭到達時間。
[0037] 步驟4-2)根據得到的故障所在的區間及結合步驟4-1)故障行波的時序擬合各時 亥IJ行波波頭達到位置距離線路首端Μ和線路尾端N的距離曲線，即得到曲線XM=nu(t)，XM = m2 (t)，XN = m (ti)，XN = n2 (t)。接著統一兩曲線的縱坐標，即都以距線路首段Μ的距離為縱坐 標，根據輸電線路滿足Xm+Xn = L，分別將XN=m (t)，XN = n2 (t)轉化為曲線L-Xn = f! (t)，L-XN =f2(t);得到的故障行波波頭傳輸特性曲線如附圖。
[0038] 第五步，得到故障位置。
[0039]聯立XMiimUhL-XNzfKt)，兩條曲線的交點所在的位置縱坐標就是故障點距輸 電線路首端Μ的距離，所在位置的橫坐標是故障時刻。XM = m2(t)，L-XN = f2(t)同理，從而完 成了多點故障定位。
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明分布式故障測距檢驗系統示意圖。
[0041 ]圖2是本發明故障測距系統結構框圖。
[0042]圖3是本發明分布式的改進故障測距算法流程圖。
[0043]圖4是本發明故障行波波頭傳輸特性曲線擬合流程圖。
[0044] 圖5是本發明系統發生兩處故障的仿真模型圖。
【具體實施方式】
[0045] 結合圖1、圖2、圖3以及圖4所示，本發明公開了一種考慮多點故障的高壓輸電線路 行波測距方法，通過在高壓輸電線路上裝設若干組測距裝置，利用故障電流檢測裝置采集 各檢測點的故障電壓電流信號，運用小波變換求取模極大值的方法獲取檢測點的突變量信 號，采用電流偏離度與故障行波到達時刻相結合方法判斷故障區間，在上述獲得的故障區 間及獲取的突變量基礎上，依靠故障發生后某一時刻故障點兩側行波波頭所到達的位置擬 合行波波頭傳播特性曲線實現對故障測距的準確定位。
[0046]故障測距系統結構圖如附圖2,得到正確的故障測距結果方法如下：
[0047]第一步，通過裝設在輸電線路上的若干三相故障檢測裝置，為了提高故障暫態信 號的準確性采用羅氏線圈進行采集，得到故障暫態電壓、電流信號Ua，Ub，Uc，ia，ib，ic。
[0048]第二步，得到檢測點信號突變量信息：
[0049] 步驟2-1)高壓輸電線路，直接測量得到的各相電流ia，ib,ic、電壓U a，Ub，Uc之間存 在耦合關系，因此，首先采用克拉克變換對輸電線路電壓電流量進行相模變換，使其解耦， 得到獨立的電壓Uo，山，U2、電流量i〇，i!，i 2，即將保護安裝處的電流、電壓值乘以克拉克變換 矩陣得到解耦電壓、電流分量。
[0051]步驟2-2)高壓輸電線路故障時產生的電流信號i2,其頻率會隨著傳遞時間 的變化而發生變化，因此，采用離散的小波變換對故障行波進行分析。表示如下：
[0053] 式中，b為小波變換平移因子，a為其尺度因子，供為小波變換基小波，t，a，b取離散 值，f(t)為解耦之后故障電流信號
[0054] 采用小波變換模極大值方法分析故障信號突變點，將時間to代入式(2)得到小波 變換后的值，并對te(t『S，t〇+S)所有變換后的值進行檢驗，當滿足式：|w sf(t)|彡|Wsf(t〇) (3)
[0055] 得到時間to為故障信號突變點的時間，Wsf (to)為模極大值。
[0056]第三步，得到故障點所處的區間：
[0057]步驟3-1)首先，檢測點和六"故障行波波首到達時間，若滿足如下條件：
[0059] 初步判斷得到故障所在的區間為之間。其中，分別為故障行波波首 到達An-^An的時間，1^、1^分別為輸電線路故障測距檢測點Aw和AIM端的距離，v為行波 波速。若不滿足式(4)則可判斷有一故障在檢測點n-1和η之間。
[0060] 步驟3-2)利用歐式空間計算位于故障同一側兩個檢測點iAk和IAg的電流偏離度dkg 和位于故障點不同側的兩個檢測點1?和I Aq的電流偏離度dM (Kk，g<n)。其中lAk，k=l，2, 3···η為各檢測點的工頻故障電流。設每組檢測裝置采集的數據長度為L，偏離度計算公式如 下：
[0062]將得到的dkg、dPq進行處理比較，由（5)得到若滿足如下關系 dM>Kidkg, (Kk，g或i彡k，g彡η)且(p>i>q或p<i<q) (6)
[0063] 其中L為偏離系數，且KOI，得到區段故障區間位于檢測點i和i+1之間。
[0064] 第四步，得到故障行波波頭傳輸特性曲線：
[0065] 步驟4-1)獲取故障行波時序。根據附圖1，利用輸電線路檢測裝置得到各個檢測點 檢測到的故障行波到達時間，公式表示如下：
[0067] tzl，tz2，…，tzn為從故障點F1發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點的時間 與故障發生時刻的差值，tfl，tf2，…，tfn為反向行波經折反射后依次到達的時間與故障發生 時刻的差值。匕，ξ 2，.. .，t為從故障點F2發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點的 時間與故障發生時刻的差值，^:，<c，_··，'為反向行波經折反射后依次到達的時間與故 障發生時刻的差值。
[0068] 又因為Lx2-Lxi^：0且j，可進一步得到檢測點Αι，A2，…，Ai和Aj+i，Aj+2，…，A n測得 的初始故障行波時序：
[0071] 其中，tzk為各檢測點檢測到的第一個行波到達時間。接著確定兩故障點之間 A1+1，…，、行波到達時間，分以下三種情況：當線路發生兩處故障區間相同，該測量點行波 到達時間滿足式(9);當線路發生兩處故障區間相鄰，若L 1+1-LX1>LX2-L1+1即tWfG+υ時， 1/ z(i+i)>tf(i+i)。若Li+l_Lxi>Lx2-Li+i即 tzi〉!/ f(j+i)時，1/ z(i+i)>tf(i+i)，根據測量點Ai，Aj+i檢測 到的第一個行波時間判斷測量點Ai+1的行波時序；當線路發生兩處故障區間不相鄰，對于 測量點Ak(k= i+1，i+2，…，j)，若Lk-Lxi>Lx2_Lk，1/ zk〈i/ fk。若Lk_Lxi>LX2-Lk，1/ zk>i/ fk。因此， 最終得到整條輸電線路每個故障點行波波頭到達時間。
[0072] 步驟4-2)根據得到的故障所在的區間及結合步驟4-1)故障行波的時序擬合各時 亥IJ行波波頭達到位置距離線路首端Μ和線路尾端N的距離曲線，即得到曲線X M=nu(t)，XM = m2(t)，XN=m(t)，XN=n2(t)。接著統一兩曲線的縱坐標，即都以距線路首段Μ的距離為縱坐 標，根據輸電線路滿足Xm+Xn = L，分別將XN = m(t)，XN = n2(t)轉化為曲線L-Xn = f i(t)，L-Xn = f2(t);得到故障行波波頭傳輸特性曲線流程圖如附圖4。
[0073]第六步，得到故障位置：
[0074]聯立XMiimUhL-XNzfKt)，兩條曲線的交點所在的位置縱坐標就是故障點距輸 電線路首端Μ的距離，所在位置的橫坐標是故障時刻。XM = m2(t)，L-XN = f2(t)同理，從而完 成了多點故障定位。
[0075]通過仿真來分析本發明提出的基于分布式的改進故障行波測距算法對于多點故 障的有效性。假設在輸電線路上距離Μ端40km和170km處發生A相接地故障，仿真系統圖見附 圖 5。接著分別設置故障點在 65km、240km;140km、260km;50km、80km;150km、170km;240km、 275km處。并采用傳統的故障行波測距方法和本文所提的基于分布式的改進故障行波測距 方法進行仿真實驗，測距結果如表1和表2。
[0076] 表1不同故障類型及不同故障距離下的傳統故障行波測距結果
[0079] 表2不同故障類型及不同故障距離下的分布式行波測距結果
[0082]根據表1可知，由于傳統的故障測距只能在特定的范圍內即（LX1<1/3LX2,且L X1彡 1/3LX-1/3LX2)可以正確區分故障點發出的故障行波波首到達時間，在特定范圍（L X1<1/ 3LX2，且LX1 < 1/3LX-1/3LX2)之外無論是單端測距還是雙端測距均不能準確得到兩個故障點 的距離。
[0083]由表2可知，運用基于分布式的改進故障行波測距方法對故障位置、故障類型都有 一定的適應性，并且檢測誤差基本小于0.3%，滿足工程需要。由上可知，本發明的方法能夠 有效地計算輸電線路多點故障距離位置。
【主權項】
1. 一種考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 利用分布在輸電線路上的若干故障檢測裝置，對電力線路各個檢測點的故障電壓、 電流信號進行采集處理； 2) 獲取檢測點信號突變量信息，對保護安裝處的電壓、電流進行相模解禪變換，然后運 用小波變換獲取模極大值的方法得到各個檢測點的故障電壓、電流突變量信息； 3) 判別故障區間，利用輸電線路上故障電流行波的傳輸特征，即獲得的故障電壓、電流 突變量信號W及對輸電線路各個檢測點電流之間的偏離度得到故障點所處的區間； 4) 對故障行波波頭進行曲線擬合，利用獲取的電壓、電流突變量和故障所處的有效區 間，得到故障行波波頭傳輸特性曲線； 5) 確定故障位置，根據行波波頭傳輸特性對故障進行測距，確定故障位置。2. 根據權利要求1所述的考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于，在 所述步驟1)中，通過裝設在輸電線路上的若干Ξ相故障檢測裝置進行各個檢測點的故障電 壓、電流信號的采集，Ξ相故障檢測裝置采用羅氏線圈進行采集，得到故障暫態電壓、電流 信號。3. 根據權利要求1所述的考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于，在 所述步驟2)中，得到各個檢測點的故障電壓、電流突變量信息，具體實現步驟如下： 步驟2-1)對于高壓輸電線路，直接測量得到的各相電流、電壓之間存在禪合關系，首先 采用克拉克變換對輸電線路電壓電流量進行相模變換，使其解禪，得到獨立的電壓、電流 量，即將保護安裝處的電流、電壓值乘W克拉克變換逆矩陣得到解禪電壓、電流分量，所采 用的變換逆矩陣如下：步驟2-2)對于高壓輸電線路故障時產生的行波信號，其頻率會隨著傳遞時間的變化而 發生變化的特性，采用離散的小波變換對故障行波進行分析，表示如下：式中，b為小波變換平移因子，a為其尺度因子，<55為小波變換基小波，t，a，b取離散值，f (t)為解禪之后故障電流信號； 采用小波變換模極大值方法分析故障信號突變點，將時間to代入式(2)得到小波變換后 的值，并對te(t〇-S，t〇+S)所有變換后的值進行檢驗，當滿足式(3)時： Wsf(t)|^|Wsf(to) (3) 得到時間to為故障信號突變點的時間，Wsf (to)為模極大值。4. 根據權利要求1所述的考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于:在 所述步驟3)中，判別故障區間具體步驟如下： 步驟3-1)設線路中設有Ai，A2，A3, 一,Α。個測量點，假設線路發生兩處故障時，故障點分 別為F1和F2,其中F1位于測量點Ai和Ai+i間，F2位于測量點Aj和Aj+i間，且j ; 首先檢測點An-l和An故障行波波首到達時間，若滿足如下條件：則初步判斷得到故障所在的區間為Al與An-込間，其中，tn-l、tn分別為故障行波波首到 達An-1和An的時間，Ln-l、Ln分別為輸電線路故障測距檢測點An-1和An距輸電線路首段Μ端的距 離，V為行波波速； 步驟3-2)利用歐式空間偏離度公式計算位于故障同一側兩個檢測點lAk和lAg的電流偏 離度dkg和位于故障點不同側的兩個檢測點Iap和lAq的電流偏離度(1。9，1《1^，邑《11，其中141<，4 =1，2，3 ···!!為各檢測點的工頻故障電流； 設每組檢測裝置采集的數據長度為L，偏離度計算公式如下：將得到的dkg、dpq進行處理比較，由（5)得到:若滿足如下關系： dpq>Kldkg，（l《k,g或i《k,g《n)且(p>i>q或p<i<q)(6) 得到區段故障區間位于巧日i+1區間，其中Κι為偏離系數，且Κι〉1。5.根據權利要求4所述的考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于:在 所述步驟4)中，擬合故障行波波頭傳輸特性曲線具體步驟如下： 步驟4-1)獲取故障行波時序，利用輸電線路檢測裝置得到各個檢測點檢測到的故障行 波到達時間，公式表示如下：tzl，tz2，-，，tzn為從故障點F1發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點的時間與故 障發生時刻的差值，tfl，tf2，···，tfn為反向行波經折反射后依次到達的時間與故障發生時刻 的差值，玲* ?,'2，...，4為從故障點F2發出的正向行波經折反射后依次到達檢測點的時間 與故障發生時刻的差值，《'/節…，為反向行波經折反射后依次到達的時間與故障 發生時刻的差值； 由于Lx2-Lxi > 0且i《j，可進一步得到檢測點Ai，A2，…，Ai和Aj+i，Aj+2，…，An測得的初始 故障行波時序：其中，tzk為各檢測點檢測到的第一個行波到達時間； 步驟4-2)根據前述得到的故障所在的區間W及步驟4-1)故障行波的時序擬合各時刻 行波波頭達到位置距離線路首端Μ和線路尾端N的距離曲線，即得到曲線XM=mi(t)，XM = m2 (t) ,XN=ni(t) ,Χν = Π 2(?)； 接著統一兩曲線的縱坐標，即都W距線路首段Μ的距離為縱坐標，根據輸電線路滿足Χμ+ Xn=L，分別將 XN = ni(t)，XN=n2(t)轉化為曲線kXN = fi(t)，kXN = f2(t)。6.根據權利要求4所述的考慮多點故障的高壓輸電線路行波測距方法，其特征在于:在 所述步驟5)中，確定故障位置具體步驟如下： 聯立XM=mi(t)，kXN = fi(t)，兩條曲線的交點所在的位置縱坐標就是故障點距輸電線 路首端Μ的距離，所在位置的橫坐標是故障時刻； 聯立XM = m2(t) ,L-XN = f2(t)，同理可完成多點故障定位。
【文檔編號】G01R31/11GK106093702SQ201610394721
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394721.4, CN 106093702 A, CN 106093702A, CN 201610394721, CN-A-106093702, CN106093702 A, CN106093702A, CN201610394721, CN201610394721.4
【發明人】卜京, 孫震宇, 馬迪, 劉馨月, 王俊, 吉曉筱, 楊陽, 張夢月, 殷明慧, 謝云云
【申請人】南京理工大學