CN111521909B - 基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法 - Google Patents

基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，属于电力***继电保护技术领域。该方法首先采集各测点的暂态零模电压与暂态线模电压；之后根据线零模差速确定初步距离向量F；建立距离矩阵，结合多点单端测距的结果确定故障点位置。本发明利用故障发生时各馈线的暂态零序电压的首波头到达各个观测点时间的不同进行故障定位，可以较明显的区分出故障线路段与健全线路段，且原理简便有效，对长距离输电线路故障的定位大有好处，易于推广应用。

Description

基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法
技术领域
本发明属于电力***继电保护技术领域，具体涉及一种基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法。
背景技术
由于高压、超高压线路比较长，至少也要有几百公里，不可能在发生故障后依靠巡线确定故障点位置。线路上的故障主要分为对称故障和非对称故障，在对称故障中单相接地故障发生的几率最大，在跨距比较大的线路上发生两相接地故障的概率也很高，因此，着重考虑单相接地、两相接地故障更具有经济价值。
传统的故障定位从利用电气量上来分类，分为暂态法和阻抗法，也可以称之为暂态信息法和稳态信息法。波过程是暂态法中的重要组成部分，在故障发生后，波过程是在微妙-毫秒时间内行波在线路上传播的过程，具有瞬时性的特点。行波法中，1MHz的采样频率下，定位的范围存在300米以上的误差，影响定位精度，而部分方法利用识别故障点反射波头实现故障定位，在电网结构很复杂的情况下，很难辨别后续波头，难以在工程中实践应用。因此如何克服现有技术的不足是目前电力***继电保护技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，该方法运用故障定位矩阵判断，能清晰的反映出故障区段，从而能可靠的选出故障区段。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，包括如下步骤：
采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
进一步，优选的是，暂态零序电压的计算公式如下：
Figure BDA0002477195000000021
Ua、Ub、Uc分别表示三相电压；
线模电压的计算公式如下：
Uiab＝Ua-Ub
Uiab表示第i个观测点测出的A、B两相之间的线模电压。
进一步，优选的是，采集故障后的暂态零模电压与暂态线模电压，采样率为10kHz。
进一步，优选的是，根据波速差确定故障初步距离f，计算公式如下：
Figure BDA0002477195000000022
式中，v1、vo代表暂态线模和暂态零模的波速；t1、to代表暂态线模和暂态零模到达观测点的时间，Δt代表测量点测量到表暂态线模初始行波到达时间与反射行波到达时间的差值；
利用各观测点得到的f构建初步距离向量F。
进一步，优选的是，要从四个方向各选取1个测量点，选取的原则是要求从线路中心到测量点的距离最大。
本发明同时提供基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距***，包括：
数据采集模块，用于采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
第一处理模块，用于建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
第二处理模块，用于利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
第三处理模块，用于将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
故障区段判定模块，用于将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法的步骤。
本发明另外提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法的步骤。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、利用故障发生时故障区段线路的零模电压与线模电压传达到测点的时间不同进行故障定位，可以准确定位故障区段，且操作简便，对复杂结构的电网大有好处；
2、能清晰的反映出故障区段与健全区段之间的区别，对比于其他区分故障电位的方法，更能较为直观的体现出故障区段与健全区段之间的不同，从而能较快的选出故障位置；
3、本发明考虑了由依频特性造成的零序电压波速的衰减，解决了由于零模波速测量引起的误差问题，且本发明只需要单端电气量，实现的是单端故障定位，比现有使用的双端定位方法简单可靠，不用考虑数据通信以及GPS对时问题。
附图说明
图1是本发明应用实例中复杂结构电网***结构图；
图2是本发明应用实例中在hi区段发生故障后测点1观测到的线模零模电压波头到达时间图；
图3是本发明应用实例中在hi区段发生故障后测点2观测到的线模零模电压波头到达时间图；
图4是本发明应用实例中在hi区段发生故障后测点3观测到的线模零模电压波头到达时间图；
图5是本发明应用实例中在hi区段发生故障后测点4观测到的线模零模电压波头到达时间图；
图6本发明基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距***的结构示意图；
图7是本发明电子设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，包括如下步骤：
采集各馈线的暂态零模与线模电压；
采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置(即矩阵D中的每一列构成的列向量都减去初步距离向量F的转置，从而形成新的矩阵D′)，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系(即第一个元素和第一个元素取异或逻辑关系，第二个元素和第二个元素取异或逻辑关系，以此类推)，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
暂态零序电压的计算公式如下：
Figure BDA0002477195000000051
Ua、Ub、Uc分别表示三相电压；
线模电压的计算公式如下：
Uiab＝Ua-Ub
Uiab表示第i个观测点测出的A、B两相之间的线模电压。
采集故障后的零模、线模电压(采集故障后到达观测点的首波头)，采样率为10kHz。
根据波速差确定故障初步距离f，计算公式如下：
Figure BDA0002477195000000052
式中，v1、vo代表暂态线模和暂态零模的波速；t1、to代表暂态线模和暂态零模到达观测点的时间，Δt代表测量点测量到表暂态线模初始行波到达时间与反射行波到达时间的差值；
利用各观测点得到的f构建初步距离向量F。
要从四个方向各选取1个测量点，选取的原则是要求从线路中心到测量点的距离最大。
优选，矩阵计算利用MATLAB进行计算。
如图6所示，基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距***，包括：
数据采集模块101，用于采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
第一处理模块102，用于建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
第二处理模块103，用于利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
第三处理模块103，用于将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
故障区段判定模块104，用于将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
在本发明实施例中，数据采集模块101采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；然后第一处理模块102建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；接着，第二处理模块103利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；之后，第三处理模块104将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；最后，故障区段判定模块105将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
本发明实施例提供的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距***，该***利用故障发生时故障区段线路的零模电压与线模电压传达到测点的时间不同进行故障定位，可以准确定位故障区段，且操作简便，对复杂结构的电网大有好处。
本发明实施例提供的***是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图7为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图7，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行如下方法：采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
此外，上述的存储器203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，例如包括：采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
应用实例
通过电磁暂态仿真在复杂结构电网的一条支线上沿线路设置单相接地故障作为故障区段，并在测量点处，采集发生故障后的零模线模电压。
某10.5kV/110kV复杂结构电网仿真模型如图1所示，它有14个节点，取其中4个点为观测点，线路末端的d、g、k、m节点接负荷，观测点的电源运行相角分别设定为：0°、180°、180°、180°。导线型号选定为LGJ-185/30，三相导线水平排列结构。各个节点之间的距离在图1中已经标识出来。负荷选用恒定功率负荷模型。
(1)在复杂结构电网中的h、i线路之间设置单相接地故障，并设置10Ω的过渡电阻，并在观测点的保护安装处分别获取线路的三相电压，并计算出故障零压U0和线压Uiab。
Figure BDA0002477195000000081
Uiab＝Ua-Ub
Ua、Ub、Uc分别表示三相电压，Uiab表示第i个测点测出的A、B两相之间的线模电压。
(2)找出零压和线压的首波头到达时间，形成下图2至图5，分别表示各个测点测到的线模与零模电压，通过这四幅图可以看出，两种模量首波头之间的时间差值分别为0.08ms、0.11ms，是由于零模衰减造成的。采样率为10kHz。
(3)求出时间差，根据公式求出故障点距各测点的初步距离向量F＝[f1 f2 f3f4]，将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。结果显示出只有hi区段的值最大，验证了本发明方法的正确性。
Figure BDA0002477195000000091
F＝[156 214.5 78 214.5]；
Figure BDA0002477195000000092
Figure BDA0002477195000000093
Figure BDA0002477195000000094
即M＝[0 0 1 1 1 1 0 4 0 1 0 0 2]，其中矩阵T自左到右分别代表区段ab，区段bc，区段cd，区段ce，区段ef，区段eg，区段bh，区段hi，区段ij，区段ik，区段hl，区段lm，区段ln。
(4)故障位置：复杂结构电网中的h、i线路发生单相接地故障；故障开始时刻为204.8ms；采样频率为10kHz。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D′，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
2.根据权利要求1所述的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，其特枉在于，暂态零模电压的计算公式如下：
Figure FDA0003458150040000011
Ua、Ub、Uc分别表示三相电压；
暂态线模电压的计算公式如下：
Uiab＝Ua-Ub
Uiab表示第i个观测点测出的A、B两相之间的线模电压。
3.根据权利要求1所述的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，其特征在于，采集故障后的暂态零模电压与暂态线模电压，采样率为10kHz。
4.根据权利要求3所述的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，其特征在于，根据波速差确定故障初步距离f，计算公式如下：
Figure FDA0003458150040000021
式中，v1、vo代表暂态线模和暂态零模的波速；t1、to代表暂态线模和暂态零模到达观测点的时间；
利用各观测点得到的f构建初步距离向量F。
5.根据权利要求1所述的基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法，其特征在于，要从四个方向各选取1个测量点，选取的原则是要求从线路中心到测量点的距离最大。
6.基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距***，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集各馈线的暂态零模电压与暂态线模电压；
第一处理模块，用于建立距离矩阵D，其中，矩阵D中元素dij代表第i个观测点至电网中第j个节点间的距离；
第二处理模块，用于利用各观测点暂态零模、暂态线模波速差的测距结果建立初步距离向量F，初步距离向量F中的元素fi代表第i个观测点的故障初步距离；
第三处理模块，用于将矩阵D中的每一列对应减去初步距离向量F的转置，得到矩阵D，然后将矩阵D′中小于零的元素置为0，大于零的元素置为1，等于零的元素保持不变，得到矩阵D1；
故障区段判定模块，用于将D1中每相邻的两节点的列向量中的对应元素取异或逻辑关系，得到故障点支路定位矩阵T，之后将矩阵T的每列元素求和，得到行向量M，行向量M中数值最大的区段为故障区段。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法的步骤。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于线零模波速差的复杂结构电网故障单端测距方法的步骤。
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