基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法
2023-09-21 07:47:20
專利名稱：基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法
技術領域：
本發明涉及電力系統中輸電線路故障單端定位方法。
技術背景
行波故障定位方法具有定位準確性高、可靠性高、穩定性好以及受故障電阻的影響小等優點，因此行波法是目前的主流故障定位方法之一。而單端行波故障定位方法與雙端行波故障定位方法相比，不需通信通道和信號同步，不僅降低了定位系統的成本並提高了其可靠性。
目前，影響單端行波故障定位方法準確性的主要因素是故障行波的傳播速度與行波波頭到達時刻的確定。
現有行波故障定位方法中將故障行波的傳播速度取為一固定值，而在實際輸電線路中，不同頻率的故障行波其傳播速度不同，同時不同頻率的行波沿輸電線路傳播時的衰減程度也不同，頻率越高的行波其衰減越大，加之行波在母線及故障點的折反射現象，第2 個行波波頭的頻率成分與第1個行波波頭的頻率成分相比將發生明顯的變化，故第2個行波波頭與第1個行波波頭的傳播速度也將不同，因此傳統行波故障定位方法中將行波的傳播速度取為一定值將增大故障定位的誤差、降低定位準確性。
另一方面，故障行波信號為一具有突變性的非平穩信號，對行波波頭到達時刻的準確確定即準確檢測行波信號在時域的突變點，也是能夠準確進行故障定位的關鍵。行波故障定位方法中小波變換的應用能夠較好地確定行波波頭的到達時間，但在目前的故障定位方法中僅在最小的小波分解尺度上(即利用行波中的最高頻率分量)確定行波波頭的到達時刻，而在實際輸電線路故障時，由於行波波頭頻率成分在傳播過程中發生變化，第2個行波波頭的頻率分量中並不一定包含第1個行波波頭的最高頻率分量，因此僅在一個分解尺度上確定行波波頭的到達時刻將帶來一定的誤差，使故障定位的準確性降低。發明內容
本發明的目的是克服現有輸電線路行波故障定位技術的不足之處，提供一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障定位方法，該方法故障定位結果準確、可靠。
本發明為解決其技術問題，所採用的技術方案為一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其步驟為
A、數據採集與預處理
故障錄波裝置從輸電線路以採樣率Fs採集A、B、C三相的故障電流行波信號 iA(t)、iB(t)、i。(t)傳送至故障定位裝置，其中t表示採樣時刻，經濾波處理後，故障定位裝置根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，對故障電流行波信號利用克拉克矩陣進行相模變換，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號X(t)；
B、行波波頭小波模極大值提取
對故障電流行波模信號x(t)進行多層連續小波變換，小波變換的小波基的中心頻率為f。，小波變換的分解尺度為Si，對應得到多層小波變換係數Cwi (t)，其中i = 1、2.....n，為小波分解的層數序號；提取第1層小波變換係數Cwl (t)上第1個行波波頭的模極大值Wmml (S1)及其對應時刻％，同時提取各層小波變換係數Cwi (t)上第2個行波波頭的模極大值Wmm2 (Si)及其對應時刻、,；
C、行波波頭頻率確定
計算B步中各小波分解尺度對應的中心頻率_/；,，其具體計算公式為 A =GU^v其中Si為小波分解尺度；以小波分解尺度S1對應的中心頻率Λ作為定位用的第1個行波波頭的頻率F1,巧=^ =巧同時，利用信號的利普希茨指數和最小二乘法在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度^st，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2 ；
D、單端故障定位
D1、根據被測的輸電線路的模型分別計算得到定位用的第1個行波波頭頻率F1下的模波速度V1和定位用的第2個行波波頭頻率F2下的模波速度V2
首先計算模波速度矩陣Vj,
Vy = InFj /'M^jYj)(5)
其中，Zj和Y」均為3 X 3的矩陣，分別為故障電流行波頻率。下傳輸線路的模阻抗和模導納矩陣，j = 1、2，im表示求複數的虛部；
再由模波速度矩陣\，求得頻率。下的模波速度\ 若故障為三相短路故障或單相接地短路故障時，模波速度\ = V22，若故障為兩相短路故障或兩相接地短路故障時，模波速度乃=V33 ；
D2、確定定位用的第1個行波波頭的到達時刻、和定位用的第2個行波波頭的到達時亥IJ t2 ；
D3、利用第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性，判斷輸電線路故障發生的區段當母線上僅有一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相反，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；當母線上不止一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相同，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；
D4、計算故障距離
當故障發生在線路的前半段或線路中點時，故障距離d根據以下式(2)計算
d = Jl'Vl (h-h)(6)Sv1-V2
當故障發生在線路的後半段時，故障距離d根據以下式(3)計算
d =(7)η+V2 V1+V2
式(3)中L為發生故障的線路全長。
與現有技術相比，本發明的有益效果是
(1)能夠準確確定故障電流行波的模波速度。現有的行波故障定位方法中未考慮故障電流行波模波速度受頻率的影響，將行波模波速度處理為一固定值，增加了故障定位的誤差，而本發明是對故障電流行波進行小波變換後，利用多個尺度的信息確定定位用的行波波頭的頻率，從而根據公式精確地計算出與故障類型、頻率相對應的行波波頭的模波速度。
(2)能夠準確確定故障電流行波波頭的到達時刻。由於本發明是在某一確定的小波分解尺度上通過比較行波波頭的小波變換係數與理論模極大值，尋找絕對誤差最小的出現時刻作為行波波頭的到達時刻，因此能夠更加準確地確定故障電流行波波頭的實際到達時刻。
(3)定位準確性高。由於本發明是在更準確的故障電流行波模波速度和更準確的行波波頭到達時刻的基礎上，計算輸電線路的故障距離，因此其定位準確性明顯提高，對及時查找和處理線路故障，保證電網的安全運行，提高電力系統穩定性並降低運行成本，具有重要的社會和經濟價值。
上述的步驟A中根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號X(t)的具體做法是
若故障類型為三相短路故障，選擇A相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)；
若故障類型為兩相短路故障或兩相接地短路故障，選擇非故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的β模信號作為故障電流行波模信號X(t)；
若故障類型為單相接地短路故障，選擇故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)。
這是由於三相輸電線路間的相互耦合及行波在故障點的折反射現象的存在，使得各模信號之間將出現一定的「模混雜」現象，對定位準確性有較大的影響，而合理地選取相模變換的基準相，並選擇適當的模信號作為分析對象，可以在一定程度上消除或減少「模混雜」，進一步提高定位的準確性
當輸電線路發生三相短路故障時，以任意相為基準都可以將系統完全解耦，各模信號之間均不存在模混雜現象，同時發生三相短路故障時α模信號的能量最高，有利於小波模極大值的提取，故本發明中選擇A相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)；
當輸電線路發生兩相短路或兩相接地短路故障時，若以非故障相為相模變換的基準相，則β模信號將不會與0模或α模信號發生混雜，且β模信號的能量高於0模和α 模信號的能量，有利於小波模極大值的提取；
當輸電線路發生單相接地短路故障時，無論選擇何相作為基準相，各模信號間都存在混雜現象，但若以故障相作為基準相，則α模信號中只混雜有0模信號，且α模信號的能量高於0模信號的能量，有利於小波模極大值的提取。
上述的步驟C中在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度^st，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2的具體做法是
(1)將各層小波變換係數上第2個行波波頭的模極大值Wmm2 (Si)及其對應的分解尺度Si構成數據組[Si，Wmm2(Si)]，其中i = 1、2.....η；
(2)根據下式(4)利用最小二乘法擬合第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數A;
IglWmn^(Si) I = IgA+ε .Ig(Si)(8)
(3)根據擬合得到的第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數Α，將各小波分解尺度Si重新代入式(4)計算各分解尺度上第2個行波波頭的理論模極大值Wmm2』(Si)；
(4)在每一分解尺度上比較模極大值的絕對值|Wmm2(Si) |與理論模極大值的絕對值|Wmm2』 (Si) |，選取二者差值的絕對值最小的分解尺度為最好分解尺度sbest，其中best的取值範圍為1、2.....n，最好分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率 F2，6 = Lbest =Fs-JcISbest。
由於在所確定的最好分解尺度上，第2個行波波頭的模極大值與理論模極大值的最接近，因此以最好分解尺度所對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率與實際的故障行波第2個行波波頭的頻率最接近，從而以此計算出的故障距離與實際故障距離最接近，進一步提高了故障定位的準確性和可靠性。
上述的步驟D中定位用的第1個行波波頭的到達時刻、為第1個行波波頭模極大值Wmml (S1)的對應時刻。i，即6 =^si ；確定定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2的具體做法是以最好小波分解尺度上第2個行波波頭的模極大值Wmm2(Si = best)的對應時刻為中心，在範圍內比較小波分解係數|Cwbest(t) I與理論模極大值 |Wmm2』 (sbest) |，選取二者差值的絕對值最小的對應時刻為定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2。
這是因為在最好小波分解尺度上提取到的定位用的第2個行波波頭模極大值 Wmm2 (Si^best)出現時刻^^ri並不一定是行波波頭頻率分量F2的實際到達時刻，而頻率分量 F2的實際到達時刻在、-的鄰域範圍內。通過以上方法所確定的定位用的第2個行波波頭的到達時刻的小波分解係數與理論模極大值最接近，因此該時刻與實際的故障行波到達時刻更接近，以此計算出來的故障距離更準確。
下面結合具體實施方式
對本發明做進一步的詳細說明。
具體實施方式
實施例
本發明的一種具體實施方式
是，一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其步驟為
A、數據採集與預處理
故障錄波裝置從輸電線路以採樣率Fs採集A、B、C三相的故障電流行波信號 iA(t)、iB(t)、i。(t)傳送至故障定位裝置，其中t表示採樣時刻，經濾波處理後，故障定位裝置根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，對故障電流行波信號利用克拉克矩陣進行相模變換，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號X(t)；
B、行波波頭小波模極大值提取
對故障電流行波模信號x(t)進行多層連續小波變換，小波變換的小波基的中心頻率為f。，小波變換的分解尺度為Si，對應得到多層小波變換係數Cwi(t)，其中i = 1、2.....n，為小波分解的層數序號；提取第1層小波變換係數Cwl (t)上第1個行波波頭的模極大值Wmml (S1)及其對應時刻％，同時提取各層小波變換係數Cwi (t)上第2個行波波頭的模極大值Wmm2 (Si)及其對應時刻、,；
C、行波波頭頻率確定
計算B步中各小波分解尺度對應的中心頻率_/；,，其具體計算公式為 A =GU^V其中Si為小波分解尺度；以小波分解尺度S1對應的中心頻率厶作為定位用的第1個行波波頭的頻率F1,巧=^ =巧同時，利用信號的利普希茨指數和最小二乘法在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度^st，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2 ；
D、單端故障定位
D1、根據被測的輸電線路的模型分別計算得到定位用的第1個行波波頭頻率F1下的模波速度V1和定位用的第2個行波波頭頻率F2下的模波速度V2
首先計算模波速度矩陣Vj,
Vy = InFj /imQzjYj)(9)
其中，&和1均為3X3的矩陣，分別為故障電流行波頻率&下傳輸線路的模阻抗和模導納矩陣，j = 1、2，im表示求複數的虛部；
再由模波速度矩陣\，求得頻率。下的模波速度\ 若故障為三相短路故障或單相接地短路故障時，模波速度\ = V22，若故障為兩相短路故障或兩相接地短路故障時，模波速度乃=V33 ；
D2、確定定位用的第1個行波波頭的到達時刻、和定位用的第2個行波波頭的到達時亥IJ t2 ；
D3、利用第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性，判斷輸電線路故障發生的區段當母線上僅有一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相反，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；當母線上不止一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相同，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；
D4、計算故障距離
當故障發生在線路的前半段或線路中點時，故障距離d根據以下式(2)計算
d = (10)Sv1-V2
當故障發生在線路的後半段時，故障距離d根據以下式(3)計算
d = (11)η+V2 V1+V2
式(3)中L為發生故障的線路全長。
本例的步驟A中根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號x(t)的具體做法是
若故障類型為三相短路故障，選擇A相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)；
若故障類型為兩相短路故障或兩相接地短路故障，選擇非故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的β模信號作為故障電流行波模信號X(t)；
若故障類型為單相接地短路故障，選擇故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)。
本例的步驟C中在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度^st，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2的具體做法是
(1)將各層小波變換係數上第2個行波波頭的模極大值Wmm2 (Si)及其對應的分解尺度Si構成數據組[Si，Wmm2(Si)]，其中i = 1、2.....η；
(2)根據下式(4)利用最小二乘法擬合第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數Α;
IglWmn^(Si) I = IgA+ε .Ig(Si)(12)
(3)根據擬合得到的第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數Α，將各小波分解尺度Si重新代入式(4)計算各分解尺度上第2個行波波頭的理論模極大值Wmm2』(Si)；
(4)在每一分解尺度上比較模極大值的絕對值|Wmm2(Si) |與理論模極大值的絕對值|Wmm2』 (Si) |，選取二者差值的絕對值最小的分解尺度為最好分解尺度sbest，其中best的取值範圍為1、2.....n，最好分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率 F2，6 = Lbest =Fs-JcISbest。
本例的步驟D中定位用的第1個行波波頭的到達時刻、為第1個行波波頭模極大值Wmml (S1)的對應時刻。i，即6 =^si ；確定定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2的具體做法是以最好小波分解尺度上第2個行波波頭的模極大值Wmm2(Si = best)的對應時刻為中心，在範圍內比較小波分解係數|Cwbest(t) I與理論模極大值 |Wmm2』 (sbest) |，選取二者差值的絕對值最小的對應時刻為定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2。
本發明在實際使用時，小波分解尺度s可選1 4或1 3，小波分解的總層數η 一般為10 20 ；分解層數越多，定位越準確，但計算越複雜。
仿真實驗
建立一個長400km的500kV雙端供電輸電線路模型，線路模型採用頻率相關模型。 工頻情況下，線路正序參數為 R1 = 0.01 Ω/km, X1 = 0. 266 Ω /km, B1 = 0. 436 X l(T5S/km ； 零序參數為 R。= 0. 278 Ω /km, X0 = 0. 969 Ω /km, B0 = 0. 271 X l(T5S/km，設線路在 40km 處發生A相接地短路故障，採用本例的方法進行故障定位，定位時故障錄波裝置的採樣率Fs 為1MHz、連續小波變換的分解尺度s從1開始依次遞增0. 25最後至4，共進行13層的連續小波變換，小波變換的小波基為1階高斯小波，中心頻率f。為0. 2Hz，定位出的故障距離為 40. 197km，相對誤差為0. 049% ；而採用普通的輸電線路故障單端行波定位方法定位出的距離為40. 466km，相對誤差為0. 12 %，可見本方法較現有的定位方法準確率明顯提高，相對誤差降低了一半以上。
權利要求
1. 一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其步驟為A、數據採集與預處理故障錄波裝置從輸電線路以採樣率Fs採集A、B、C三相的故障電流行波信號iA(t)、 iB(t)>ic(t)傳送至故障定位裝置，其中t表示採樣時刻，經濾波處理後，故障定位裝置根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，對故障電流行波信號利用克拉克矩陣進行相模變換，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號x(t)；B、行波波頭小波模極大值提取對故障電流行波模信號x(t)進行多層連續小波變換，小波變換的小波基的中心頻率為f。，小波變換的分解尺度為Si，對應得到多層小波變換係數Cwi (t)，其中i = 1、2.....n，為小波分解的層數序號；提取第1層小波變換係數Cwl (t)上第1個行波波頭的模極大值 ffmml (S1)及其對應時刻L1，同時提取各層小波變換係數Cwi⑴上第2個行波波頭的模極大值Wmm2 (Si)及其對應時；C、行波波頭頻率確定計算B步中各小波分解尺度對應的中心頻率_/；,，其具體計算公式為Jsi其中Si為小波分解尺度；以小波分解尺度S1對應的中心頻率Λ作為定位用的第1個行波波頭的頻率FnF1=A1 =巧同時，利用信號的利普希茨指數和最小二乘法在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2 ；D、單端故障定位D1、根據被測的輸電線路的模型分別計算得到定位用的第1個行波波頭頻率F1下的模波速度V1和定位用的第2個行波波頭頻率F2下的模波速度V2 首先計算模波速度矩陣Vj,Nj =IKFj(1)其中，Z^和Y」均為3 X 3的矩陣，分別為故障電流行波頻率。下傳輸線路的模阻抗和模導納矩陣，j = 1、2，im表示求複數的虛部；再由模波速度矩陣\，求得頻率&下的模波速度\ 若故障為三相短路故障或單相接地短路故障時，模波速度\ = V22，若故障為兩相短路故障或兩相接地短路故障時，模波速度 Vj = V33 ；D2、確定定位用的第1個行波波頭的到達時刻、和定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2 ；D3、利用第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性，判斷輸電線路故障發生的區段當母線上僅有一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相反，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；當母線上不止一條線路時，若第1個行波波頭和第2個行波波頭的極性相同，則故障發生在線路的前半段或線路中點，反之，則故障發生在線路的後半段；D4、計算故障距離當故障發生在線路的前半段或線路中點時，故障距離d根據以下式(2)計算d = ^^(t2-h) (2) Sv1-V2當故障發生在線路的後半段時，故障距離d根據以下式(3)計算 J =(3)η+V2 V1+V2式(3)中L為發生故障的線路全長。
2.如權利1所述的一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其特徵在於所述的步驟A中根據被測輸電線路的故障類型，選擇相應的相作為基準相，得到用於故障定位的輸電線路故障電流行波模信號x(t)的具體做法是若故障類型為三相短路故障，選擇A相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α 模信號作為故障電流行波模信號x(t)；若故障類型為兩相短路故障或兩相接地短路故障，選擇非故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的β模信號作為故障電流行波模信號x(t)；若故障類型為單相接地短路故障，選擇故障相作為相模變換的基準相，選取相模變換後的α模信號作為故障電流行波模信號x(t)。
3.如權利1所述的一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其特徵在於所述的步驟C中在各小波分解尺度Si中確定出最好小波分解尺度^st，並以該最好小波分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率F2的具體做法是(1)將各層小波變換係數上第2個行波波頭的模極大值Wmm2(Si)及其對應的分解尺度 Si 構成數據組[Si，W_2(Si)]，其中 i = 1、2.....η ；(2)根據下式(4)利用最小二乘法擬合第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數Α；IglWmn^(Si) I = IgA+ε · lg(Si)(4)(3)根據擬合得到的第2個行波波頭信號的利普希茨指數ε及常數Α，將各小波分解尺度Si重新代入式(4)計算各分解尺度上第2個行波波頭的理論模極大值Wmm2』(Si)；(4)在每一分解尺度上比較模極大值的絕對值|Wmm2(Si)|與理論模極大值的絕對值 |Wmm2』 (Si) |，選取二者差值的絕對值最小的分解尺度為最好分解尺度^st，其中best的取值範圍為1、2.....n，最好分解尺度對應的中心頻率作為定位用的第2個行波波頭的頻率 F2，6 = fSbest =Fs-Ic/Hest。
4.如權利1所述的一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，其特徵在於所述的步驟D中定位用的第1個行波波頭的到達時刻、為第1個行波波頭模極大值Wmml(S1)的對應時刻。i 'BP^i=V ；確定定位用的第2個行波波頭的到達時刻、的具體做法是以最好小波分解尺度上第2個行波波頭的模極大值Wmm2(Si = test)的對應時刻為中心，在範圍內比較小波分解係數|Cwbest(t) I與理論模極大值 |Wmm2』 (sbest) |，選取二者差值的絕對值最小的對應時刻為定位用的第2個行波波頭的到達時刻t2。
全文摘要
本發明公開了一種基於行波多尺度信息的輸電線路故障單端定位方法，根據不同的故障類型選擇不同的相作為基準相，對輸電線路故障電流行波信號進行相模變換，得到用於故障定位的故障電流行波模信號；對模信號進行連續小波變換，提取各小波變換係數上第1、2個行波波頭的模極大值及其對應時刻，並根據小波變換模極大值判斷故障發生的區段、確定定位用的第1、2個行波波頭的頻率分量，得到兩個不同頻率分量的行波模波速度、波頭到達時刻；最後結合兩個行波的模波速度和到達時刻，綜合計算輸電線路的故障距離。該方法利用行波的多尺度信息準確地確定行波波頭的頻率分量、模波速度和到達時刻，從而能夠準確地計算出輸電線路的故障距離。
文檔編號G01R31/08GK102520315SQ201110398088
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者何正友, 廖凱, 李小鵬, 林聖 , 武驍 申請人:西南交通大學