CN114325244B - 一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及*** - Google Patents

一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及***，方法包括：将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号；根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量；从不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。方法适用于拓扑结构不同的网络；故障定位过程无需对故障产生的暂态信号进行时域反演；只需使用EMTP软件进行一次仿真计算，通过硬件***即可实现线路短路故障定位。

Description

一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及***
技术领域
本发明属于故障定位技术领域，具体涉及一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及***。
背景技术
架空输电线路的裸导线长期暴露在空气当中，当遇到恶劣天气环境时（如低温、雨雪等），可能会出现线路覆冰或雷击、绝缘子湿闪、污闪等情况而引起线路故障。要保证输电线路的安全运行，就要对线路故障发生的位置实现快速定位，以尽可能缩短停电时间，避免故障造成的影响和损失进一步扩大。
目前常见的输电线路的短路故障定位方法主要有阻抗法、行波法以及人工智能算法以及电磁时域反演（EMTR）方法等。阻抗法对故障点定位的实现高度依赖线路阻抗、线路负荷与电源参数等正常工况的精准测量，不适用于如高阻接地、断线故障、多电源线路等情况。行波法定位精度受行波信号检测精度影响较大，对于配电网而言，除了规模庞大和分支复杂的特点以外，还存在波阻抗与波速可变的混合线路，行波在不同端点处的折反射情况复杂，无法保证波信号的准确获取。人工智能类方法的实现需要大量数据作为依托来对模型进行训练，目前仍处于起步阶段，相关的实际应用还有待开发。EMTR故障定位方法因其物理意义清晰，抗噪声性能良好以及定位精度较高等优点正在得到越来越广泛的应用。
传统的EMTR故障定位方法中最重要的环节之一就是对信号进行时域反演操作，指改变时间流向，即时间向后而不是向前运行。在数学表达式上即改变时间正负号：
EMTR故障定位方法分为两段：正向过程在传输线的两端采集故障产生的电磁暂态信号，反向过程在该传输线的不同位置设置短路支路作为猜测故障点，将经过时域反演的暂态信号经过诺顿等效之后获得的电流源重新注回传输线的两端。
过去认为，由于时域反演的时空聚焦性质，反向信号能量会汇聚在正向过程的信号源处，因此只需计算短路电流的能量大小，能量最大的位置即为真实故障位置。但事实上，能量的汇聚是由于正向和反向过程的传递函数相同，而与对信号进行时域反演与否并不必然相关。
目前EMTR故障定位方法的研究过程需要以经过时域反演后的暂态信号为源，每次定位均要在EMTP软件中进行多次仿真计算，使用比较复杂，难以直接利用硬件实现，对技术人员要求较高。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及***。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明提供一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，包括如下步骤：
将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号；
根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量；
从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
进一步的，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，还包括：
计算不同短路支路上的暂态信号。
进一步的，所述计算不同短路支路上的暂态信号，具体包括：
选择线路网络的一个端点，在该端点注入任意激励信号，在线路沿线不同位置设置短路支路并计算不同短路支路/>上的暂态信号/>，其中 />表示时间。
进一步的，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，还包括：
采集故障产生的暂态信号。
进一步的，所述采集故障产生的暂态信号，具体包括：
当故障发生时，在线路网络的所述端点处采集故障产生的暂态信号，其中表示时间。
进一步的，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，具体通过如下公式实现：
其中，表示不同短路支路上的暂态信号，/>表示故障产生的暂态信号，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号，/>表示不同短路支路上， />表示时间。
进一步的，所述根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，具体通过如下公式实现：
其中，表示信号持续时间， />表示不同短路支路上对应的卷积信号能量。
进一步的，所述从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，具体通过如下公式实现：
其中，表示真实故障定位位置。
进一步的，在计算不同短路支路上的暂态信号后，还包括：
将不同短路支路上的暂态信号在硬件***中进行存储。
进一步的，所述不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号只需要截取完整信号中长度相同的一部分，不需要从固定位置开始。
对应的，本发明还提供一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，包括卷积处理单元、卷积信号计算单元以及故障定位位置输出单元；所述卷积处理单元、卷积信号计算单元以及故障定位位置输出单元依次通信连接；
所述卷积处理单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，并将不同短路支路上对应的卷积信号发送给所述卷积信号计算单元；
所述卷积信号计算单元用于，根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，并将不同短路支路上对应的卷积信号能量发送给故障定位位置输出单元；
所述故障定位位置输出单元用于，从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
进一步的，还包括仿真计算单元，所述仿真计算单元与所述卷积处理单元通信连接；
所述仿真计算单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，计算不同短路支路上的暂态信号，并将不同短路支路上的暂态信号发送给卷积处理单元。
进一步的，所述计算不同短路支路上的暂态信号，具体包括：
选择线路网络的一个端点，在该端点注入任意激励信号，在线路沿线不同位置设置短路支路并计算不同短路支路/>上的暂态信号/>，其中/>表示时间。
进一步的，还包括故障采集单元，所述故障采集单元与所述卷积处理单元通信连接；
所述故障采集单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，采集故障产生的暂态信号并发送给所述卷积处理单元。
进一步的，所述采集故障产生的暂态信号，具体包括：
当故障发生时，在线路网络的所述端点处采集故障产生的暂态信号，其中表示时间。
进一步的，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，具体通过如下公式实现：
其中，表示不同短路支路上的暂态信号，/>表示故障产生的暂态信号，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号， />表示不同短路支路上， />表示时间。
进一步的，所述根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，具体通过如下公式实现：
其中， 表示信号持续时间， />表示不同短路支路上对应的卷积信号能量
进一步的，所述从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，具体通过如下公式实现：
其中， 表示真实故障定位位置。
进一步的，所述将不同短路支路上的暂态信号发送给卷积处理单元后，卷积处理单元对所述不同短路支路上的暂态信号进行存储。
进一步的，所述不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号只需要截取完整信号中长度相同的一部分，不需要从固定位置开始。
和现有技术比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出，所提供的线路短路故障定位方法适用于拓扑结构不同的各种网络，故障定位过程不需要对获得的故障产生的暂态信号进行时域反演，所需的不同短路支路上的暂态信号只需要使用EMTP软件进行一次仿真计算并提前储存在硬件***内，然后在硬件***内通过卷积操作与能量计算方式实现了线路短路故障定位，大大增强了方法便利性。
本发明的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，可以事先选择任意激励信号注入线路网络的选择端点并计算线路沿线设置的短路支路上的暂态信号。
本发明的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，故障产生的暂态信号不需要与不同短路支路/>上的暂态信号/>进行时间对齐，只要截取长度相同的任意一段信号即可实现故障精确定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例采用的T型传输线网络结构示意图。
图2为激励信号采用雷电流的波形示意图。
图3为图1中T1段4km设置理想短路故障时，T型传输线网络首端采集的故障暂态电压信号示意图。
图4为本发明实施例T型传输线网络结构不同短路支路上的卷积信号能量归一示意图。
图5为本发明实施例从暂态电流信号以及电压暂态信号的完整信号中选取不同长度进行卷积得到的能量归一示意图。
图6为本发明实施例的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法及***，简化了经典EMTR故障定位方法的过程，降低了对EMTP仿真软件的依赖性，可以直接使用硬件实现，发展了EMTR故障定位理论和方法。
具体的，本实施例提供基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，如图6所示，包括仿真计算单元（图中未示出）、故障采集单元、卷积处理单元、卷积信号计算单元以及故障定位位置输出单元，其中，仿真计算单元可以采用现有的EMTP仿真软件，卷积处理单元可以采用图中示意的中央处理器（CPU）或者微控制器单元（MCU）。
其中，仿真计算单元能够计算不同短路支路上的暂态信号，仿真计算单元的输出端与卷积处理单元的输入端通信连接。
故障采集单元的输入端能够采集故障产生的暂态信号，故障采集单元的输出端与卷积处理单元的第一输入端通信连接。
卷积处理单元的第二输出端用于输入参与卷积的时间序列，卷积处理单元的输出端与卷积信号计算单元的输入端连接，卷积信号计算单元的输出端与故障定位位置输出单元的输入端通信连接。
故障定位位置输出单元的输出端将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
具体的，本发明采用上述基于直接信号卷积的线路短路故障定位***进行故障定位的方法，总体包括如下步骤：
S1仿真计算单元计算不同短路支路上的暂态信号，并将不同短路支路上的暂态信号发送给卷积处理单元。
其中，计算单元计算不同短路支路上的暂态信号，具体包括如下步骤：
选择线路网络的一个端点，在该端点注入任意激励信号，在线路沿线不同位置设置短路支路并计算不同短路支路 />上的暂态信号/>，其中，/>表示时间, />表示故障信号。
S2故障采集单元采集故障产生的暂态信号并发送给所述卷积处理单元。
其中，采集故障产生的暂态信号，具体包括如下步骤：
当故障发生时，在线路网络的所述端点处采集故障产生的暂态信号，其中，表示时间。
S3卷积处理单元将不同短路支路上的暂态信号进行存储，在需要时，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，并将不同短路支路上对应的卷积信号发送给所述卷积信号计算单元。
进一步的，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，具体通过如下公式实现：
其中，表示不同短路支路上的暂态信号，/>表示故障产生的暂态信号，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号，/>表示不同短路支路上， />表示时间。
S4卷积信号计算单元根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，并将不同短路支路上对应的卷积信号能量发送给故障定位位置输出单元。
进一步的，根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，具体通过如下公式实现：
其中， 表示信号持续时间，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号能量。
S5故障定位位置输出单元从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
进一步的，从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，具体通过如下公式实现：
其中， 表示真实故障定位位置。
需要说明的是，本发明的上述方案，不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号可以采用完整信号，也可以截取完整信号中长度相同的一部分。
下面具体以图1所示的T型传输线网络为例，对本发明基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法进行进一步说明：
T型传输线网络说明：T型传输线网络的首端施加10kV工频电压，其中工频为50Hz，各端点处的电力变压器等效为100kΩ的大电阻。线路单位长度电容、电感和电阻具体为：C=10.54×10-12 F/m、L=1.6×10-6H/m、R=3.62×10-5Ω/m。
步骤1：在T型传输线网络的待测线路沿线各位置设置短路支路（例如图中的T1、T2以及T3位置），短路阻抗设置为1Ω。将T型传输线网络的首端的激励源设置为雷电流10[exp(-t/α)-exp(-t/β)]A，其中α=20μs，β=3μs，雷电流波形示意如图2所示。
步骤2：计算上述各短路支路上的暂态电流信号。
步骤3：在T型传输线网络的T1段4km处设置理想短路故障，T型传输线网络的首端获得的故障暂态电压信号如图3所示。根据波过程理论，所述暂态电压信号是由电压波形在端点与短路点之间不断反射叠加而形成的振荡波形，暂态电压信号总的持续时间为5ms。
步骤4：将步骤2的暂态电流信号与步骤3中获得的故障暂态电压信号进行卷积运算，得到不同短路支路上对应的卷积信号。
步骤5：根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，如图4所示。可见卷积信号能量最大值出现在T1段4km的位置，即真实故障点，可以将T1段4km的位置作为真实故障定位位置输出。当只截取暂态电流信号以及故障暂态电压信号的完整信号当中长度均为2ms的一段时，卷积信号能量如图5所示，可见本发明的方法可以使用完整信号中的一段即可实现定位。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
计算不同短路支路上的暂态信号，具体包括：选择线路网络的一个端点，在该端点注入任意激励信号，在线路沿线不同位置设置短路支路并计算不同短路支路/>上的暂态信号/>，其中/>表示时间；
采集故障产生的暂态信号，具体包括：当故障发生时，在线路网络的所述端点处采集故障产生的暂态信号；
将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号；
根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量；
从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
2.根据权利要求1所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，具体通过如下公式实现：
其中，表示不同短路支路上的暂态信号，/>表示故障产生的暂态信号，表示不同短路支路上对应的卷积信号，/>表示不同短路支路上，/>表示时间。
3.根据权利要求2所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，所述根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，具体通过如下公式实现：
其中，表示信号持续时间，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号能量。
4.根据权利要求3所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，所述从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，具体通过如下公式实现：
其中，表示真实故障定位位置。
5.根据权利要求1所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，在计算不同短路支路上的暂态信号后，还包括：
将不同短路支路上的暂态信号在硬件***中进行存储。
6.根据权利要求1所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位方法，其特征在于，所述不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号只需要截取完整信号中长度相同的一部分，不需要从固定位置开始。
7.一种基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，包括仿真计算单元、故障采集单元、卷积处理单元、卷积信号计算单元以及故障定位位置输出单元；
所述卷积处理单元、卷积信号计算单元以及故障定位位置输出单元依次通信连接；
所述仿真计算单元与所述卷积处理单元通信连接，所述仿真计算单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，计算不同短路支路上的暂态信号，并将不同短路支路上的暂态信号发送给卷积处理单元，所述计算不同短路支路上的暂态信号，具体包括：选择线路网络的一个端点，在该端点注入任意激励信号，在线路沿线不同位置设置短路支路并计算不同短路支路/>上的暂态信号/>，其中/>表示时间；
所述故障采集单元与所述卷积处理单元通信连接，所述故障采集单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号之前，采集故障产生的暂态信号并发送给所述卷积处理单元，所述采集故障产生的暂态信号，具体包括：当故障发生时，在线路网络的所述端点处采集故障产生的暂态信号；
所述卷积处理单元用于，将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，并将不同短路支路上对应的卷积信号发送给所述卷积信号计算单元；
所述卷积信号计算单元用于，根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，并将不同短路支路上对应的卷积信号能量发送给故障定位位置输出单元；
所述故障定位位置输出单元用于，从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，将卷积信号能量最大值对应的短路支路位置作为真实故障定位位置输出。
8.根据权利要求7所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，所述将不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号进行卷积处理，得到不同短路支路上对应的卷积信号，具体通过如下公式实现：
其中，表示不同短路支路上的暂态信号，/>表示故障产生的暂态信号，表示不同短路支路上对应的卷积信号，/>表示不同短路支路上，/>表示时间。
9.根据权利要求8所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，所述根据不同短路支路上对应的卷积信号分别计算不同短路支路上对应的卷积信号能量，具体通过如下公式实现：
其中，表示信号持续时间，/>表示不同短路支路上对应的卷积信号能量。
10.根据权利要求9所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，所述从所述不同短路支路上对应的卷积信号能量中获取卷积信号能量最大值，卷积信号能量最大值对应的短路支路位置即真实故障定位位置，具体通过如下公式实现：
其中，表示真实故障定位位置。
11.根据权利要求7所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，所述将不同短路支路上的暂态信号发送给卷积处理单元后，卷积处理单元对所述不同短路支路上的暂态信号进行存储。
12.根据权利要求7所述的基于直接信号卷积的线路短路故障定位***，其特征在于，所述不同短路支路上的暂态信号与故障产生的暂态信号只需要截取完整信号中长度相同的一部分，不需要从固定位置开始。
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