CN107179473B - 一种输电线路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路故障定位方法，首先提取测量点处的零模、线模电压行波信号；接着获取各零模、线模电压行波信号的首波头有效信号；然后计算各首波头有效信号中高频分量相对于故障初相角的参考相位；最终根据参考相位进行故障定位。本发明克服了传统行波法存在的问题，利用模量电压行波传播时相位的线性滞后原理进行故障定位，简单易实现。

Description

一种输电线路故障定位方法

技术领域

本发明属于电网故障定位技术领域，特别涉及了一种输电线路故障定位方法。

背景技术

随着我国交流输电建设的大力推进，自动精准的故障定位技术显得愈发重要。输电线路发生故障后往往影响的区域较配电线路更广，而且输电线路距离长，线路参数具有较明显的依频特性，使得故障定位难度较大。因此，精准、可靠、实用的故障定位方法对于快速排查故障，减少各方损失，维持***稳定性具有重要作用。

目前，输电线路故障定位可分为：阻抗法、行波法以及智能方法。阻抗法利用故障距离与计算阻抗的关系进行故障定位，方法虽然简单，但是易受故障距离、电弧等因素的影响。智能法对于训练或者分类样本的要求使得其实际应用价值不高。行波法一般是通过检测初始暂态行波首波头到达线路测量点的时刻进行故障定位，其定位精度高、不受电弧等因素影响，应用越来越广。近年来，随着行波首波头检测技术、广域测量技术的发展，行波法又得到了进一步地发展。

现有技术提出了利用FIMD分解与Teager能量算子来辨识电流行波到达各测量点的时刻，该方法提高了以往利用小波或HHT识别行波首波头的精度，但是算法较为复杂。现有技术还提出了利用双端非同步模量行波到达时刻与故障距离的关系进行故障定位，该方法无需行波波速，且无需测量同步，但是模量行波首波头的到达时刻的辨识仍然存在一定问题。现有技术还提出了利用零模行波在线路上传播时高频分量幅值的衰减特性进行故障定位，该方法无需辨识行波到达时刻与波速，且对同步测量无要求，实施简单，但是幅值的准确提取仍然需要依靠神经网络训练校正，实用性大打折扣。因此，研究原理简单、实用性强、可靠性高的新型非同步行波故障定位方法不仅具有理论研究价值，而且对于工程实践具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种输电线路故障定位方法，克服传统行波法存在的问题，利用模量电压行波传播时相位的线性滞后原理进行故障定位，简单易实现。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种输电线路故障定位方法，包括以下步骤：

(1)输电线路发生故障后，分别提取输电线路两端的测量点A、B处的原始电压行波信号，然后对其进行相模变换，得到点A、B处的零模电压行波信号和线模电压行波信号；

(2)确定计算数据窗，根据计算数据窗分别获取步骤(1)得到的各零模电压行波信号和线模电压行波信号的首波头有效信号；

(3)提取步骤(2)得到的各首波头有效信号中频率为ω的高频分量，并计算各首波头有效信号中频率为ω的高频分量相对于故障初相角的参考相位；

(4)根据步骤(3)得到的参考相位进行故障定位。

进一步地，在步骤(2)中，计算数据窗的确定方法如下：

(21)找寻零模、线模行波信号的突变点，设测量点处采集的零模或线模行波信号向量为U₀＝[u₁,u₂,...,u_k-1,u_k,u_k+1,...,u_n]，其中n为信号总长度，若故障零模行波突变点为k，则应该同时满足如下两式：

上式中，u_k-2,u_k-1,u_k均不为零，ε为设定的阈值；

(22)选取突变点k前5个采样点及其后N个采样点作为计算数据窗。

进一步地，N的取值为67。

进一步地，在步骤(3)中，采用S变换提取各首波头有效信号中频率为ω的高频分量。

进一步地，在步骤(3)中，各首波头有效信号中高频分量的频率为ω＝82kHz。

进一步地，在步骤(3)中，计算各首波头有效信号中频率为ω的高频分量相对于故障初相角的参考相位的方法如下：

上式中，分别为点A、B处的零模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，分别为点A、B处的线模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，β⁽⁰⁾为频率ω下零模行波的相位滞后因数，β⁽¹⁾为频率ω下线模行波的相位滞后因数，x为故障点与点A的距离，L为输电线路的长度。

进一步地，在步骤(4)中，首先计算故障点与点A的距离x与输电线路长度L的百分比d：

然后根据d计算故障点与点A的距离x：

x＝L·d。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明的核心在于提取线路两端测量点的零模、线模电压行波首波头高频分量的相位，利用模量电压行波传播时相位的线性滞后原理进行故障定位，简单明了，便于实现。由于只需提取某一频率的相位信息，因此无需双端模量电压行波波速以及初始行波首波头到达时刻，且对同步测量没有要求，具有较高的工程实践意义。

附图说明

图1是为双端输电线路示意图；

图2是本发明的基本流程图；

图3是不同频率分量相位定位误差结果折线图；

图4是不同同步测量误差时零模行波首波头信号波形图；

图5是不同同步测量误差时线模行波首波头信号波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

双端输电线路示意图如图1所示，其中A、B分别输电线路两端的测量点，F为故障点，x为故障点距离A点的距离，L为线路总长，Ub和Uf分别为反向和正向电压初始行波。S1、S2分别为双端电源，ST1、ST2分别为相应的电源变压器。图中虚线箭头表示初始行波传播方向。

一种输电线路故障定位方法，如图2所示，具体步骤如下。

步骤1：故障发生后，分别提取A点和B点原始电压行波信号，然后对其进行相模变换，获得原始零模和线模电压行波信号，分别记作 其中下标表示A点和B点，上标(0)、(1)分别表示零模和线模。

步骤2：确定计算数据窗，根据计算数据窗分别获取的首波头有效信号

模量行波首波头信号计算数据窗的选择直接影响了S变换对高频分量相位提取的精度，进而影响了最终故障定位计算结果，因此需要有效确定数据窗长度，以保证首波头信号中尽量少掺杂其他无用信号。数据窗确定方法如下：

首先找寻零模、线模行波信号的突变点，设测量点处采集的零模或线模行波信号向量为U₀＝[u₁,u₂,...,u_k-1,u_k,u_k+1,...,u_n]，其中n为信号总长度，若故障零模行波突变点为k，则应该同时满足如下两式：

上式中，u_k-2,u_k-1,u_k均不为零，ε为设定的阈值；对于同一频率高频分量，线模与零模传播速度几乎一致，因此可近似认为两者的信号突变点一致。

然后选取突变点k前5个采样点及其后N个采样点作为计算数据窗。通过PSCAD仿真试验，N选择为67可以适应各种情况。

步骤3：采用S变换提取中频率为ω的高频分量，并计算各高频分量相对于故障初相角的参考相位。

在MATLAB中，S变换的结果是一个2维复数矩阵，矩阵的每一行对应一个频率，每一列代表不同的采样时刻。假设通过S变换提取出的初始模量电压行波首波头频率ω高频分量的向量如下：

U_i＝[u_s1,u_s2,...,u_sk,....u_sm]

其中，M为模量行波首波头信号数据窗总长度，u_sk为第k个复数元素。在理想情况下，向量U_i中每个元素的模值和相角均可以看做是模量行波高频分量的幅值和相位，但是由于各种因素的影响，有些元素的模值和相角与实际值偏差较大，因此需要对这些值进行筛选，留下最贴近实际的值，使得最终故障距离的计算结果更加精确。本发明按照模值最大对应相角即为高频分量相位的原则来筛选出高频分量的真实相位。

高频分量的频率ω应选择在行波系数频率特性曲线中较为陡峭的中间部分。为了挑选出最合适的频率，在PSCAD中搭建的230kV双端输电线路不同位置处模拟A相接地故障，并利用MATLAB中S变换工具箱函数提取双端测量点模量行波首波头中四个不同频率分量信号的相位，定位结果如图3所示，其中的横线代表误差超过工程应用允许范围(<2％)。通过图3可以看出，分解尺度为6(对应82kHz)时，所得结果满足工程应用要求。此外，其他频率范围的计算结果误差也远远不能满足工程应用要求。因此，高频分量的提取频率ω为82kHz。

高频分量相对于故障初相角的参考相位的计算方法如下：

上式中，分别为点A、B处的零模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，分别为点A、B处的线模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，β⁽⁰⁾为频率ω下零模行波的相位滞后因数，β⁽¹⁾为频率ω下线模行波的相位滞后因数，x为故障点与点A的距离，L为输电线路的长度。

步骤4：首先计算故障点与点A的距离x与输电线路长度L的百分比d：

然后根据d计算故障点与点A的距离x＝L·d，实现故障定位。

为了验证本专利所提出方法的有效性与实用性，在PSCAD上搭建一条总长为100km的230kV双端输电线路，并采用能精确反映实际线路依频特性的依频相位模型，并在线路首端A点和末端B点处安装电压行波测量装置，如图1所示。分别讨论了不同故障距离，故障初相角，故障电阻以及同步测量误差对故障定位精度的影响，分别见以下各小节。各表中用到的定位误差e由下式定义：

上式中，d_r为实际故障距离百分比，d_c为计算故障距离百分比。

1、故障距离、故障电阻、故障初相角的影响

考虑不同的故障距离、故障电阻、故障初相角的情况下，在PSCAD中的输电线路上模拟A相接地故障，MATLAB计算结果如表1所示，其中RF为故障电阻，δF为故障初相角，A点、B点模量行波高频分量相对于故障初相角θ_f的参考相位和的单位均为弧度。鉴于篇幅所限，仅列了一半试验结果。从表1可以看出，虽然在少数极端情况下，定位误差达到1.5％左右，但大部分情况下，定位误差均小于1％。不难看出，上述几个因素对故障定位精度影响不大。

表1不同故障位置、电阻、初相角时的各分量相位及定位结果

2、同步测量误差的影响

为了验证同步测量误差对本方法的影响，将A点处测得的测量量不变，依次将B点测得的模量行波首波头信号依次向后推迟10、30、50个点(即B点测量存在的同步误差时间分别为10μs、30μs、50μs)，在故障电阻为200Ω、故障初相角为0°的不利条件下，在线路不同位置处模拟A相接地故障。图4、图5所示为当线路中点发生故障时，B点测得的原始信号以及通过推迟所得到的各模量行波首波头信号。通过MTALAB计算，得到的各分量相对于故障初相角的参考相位和定位结果如表2所示，其中SME代表同步测量误差。从表中的结果可以看出，同步测量点误差对定位结果几乎没有影响。实际上，本方法主要利用一定长度数据窗内的双端测量量来进行定位，其结果只与所选取数据窗有关，而与测量的同步性无关，从表中可以清楚地看到这一点。

表2不同同步误差存在时各分量相位以及定位结果

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种输电线路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)输电线路发生故障后，分别提取输电线路两端的测量点A、B处的原始电压行波信号，然后对其进行相模变换，得到点A、B处的零模电压行波信号和线模电压行波信号；

(2)确定计算数据窗，根据计算数据窗分别获取步骤(1)得到的各零模电压行波信号和线模电压行波信号的首波头有效信号；

(3)提取步骤(2)得到的各首波头有效信号中频率为ω的高频分量，并计算各首波头有效信号中频率为ω的高频分量相对于故障初相角的参考相位；

(4)根据步骤(3)得到的参考相位进行故障定位。

2.根据权利要求1所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，计算数据窗的确定方法如下：

(21)找寻零模电压行波信号和线模电压行波信号的突变点，设测量点处采集的零模电压行波信号或线模电压行波信号向量为U₀＝[u₁,u₂,...,u_k-1,u_k,u_k+1,...,u_n]，其中n为信号总长度，若零模电压行波信号的突变点为k，则应该同时满足如下两式：

上式中，u_k-2,u_k-1,u_k均不为零，ε为设定的阈值；

线模电压行波信号的突变点与零模电压行波信号的突变点近似一致；

(22)选取突变点k前5个采样点及其后N个采样点作为计算数据窗。

3.根据权利要求2所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：N的取值为67。

4.根据权利要求1所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，采用S变换提取各首波头有效信号中频率为ω的高频分量。

5.根据权利要求1所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，各首波头有效信号中高频分量的频率为ω＝82kHz。

6.根据权利要求1所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，计算各首波头有效信号中频率为ω的高频分量相对于故障初相角的参考相位的方法如下：

上式中，分别为点A、B处的零模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，分别为点A、B处的线模电压行波信号的首波头有效信号中频率为ω的高频分量与故障初相角θ_f的参考相位，β⁽⁰⁾为频率ω下零模电压行波信号的相位滞后因数，β⁽¹⁾为频率ω下线模电压行波信号的相位滞后因数，x为故障点与点A的距离，L为输电线路的长度。

7.根据权利要求6所述一种输电线路故障定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，首先计算故障点与点A的距离x与输电线路长度L的百分比d：

然后根据d计算故障点与点A的距离x：

x＝L·d。