專利名稱：基于遺傳算法參數(shù)辨識(shí)高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距的方法，尤其是涉及一種利用線路故障錄波數(shù)據(jù)基于遺傳算法參數(shù)辨識(shí)高壓直流線路故障測(cè)距的方法。

背景技術(shù)：
高壓直流輸電線路都裝有基于GPS對(duì)時(shí)的行波測(cè)距裝置，它是通過故障點(diǎn)發(fā)出的行波到達(dá)高壓直流線路兩端的時(shí)間差來計(jì)算故障距離。它有如下缺點(diǎn) 1.對(duì)采樣率和GPS對(duì)時(shí)的要求較高，一般的電子裝置難以滿足要求； 2.由于天氣、通訊等原因?qū)е聹y(cè)距裝置無法精確對(duì)時(shí)，行波測(cè)距裝置無法進(jìn)行故障定位； 3.行波測(cè)距裝置受因通訊、設(shè)備等干擾無法正常傳輸或接受數(shù)據(jù)時(shí)，行波測(cè)距裝置無法進(jìn)行故障定位； 4.當(dāng)線路故障發(fā)生在線路首末端時(shí)，行波測(cè)距出現(xiàn)死區(qū)，無法進(jìn)行故障定位； 5.實(shí)際的直流線路的電阻、電感和電容等參數(shù)是頻率的函數(shù)，故波阻抗也是頻率的函數(shù)，而且線路參數(shù)受天氣、溫度、環(huán)境、負(fù)荷等影響比較大，因而線路波阻抗也無法精確獲得，就必然影響了行波測(cè)距的精度。
以上因素，都極大影響了高壓直流線路行波測(cè)距的可靠性和準(zhǔn)確性。
在交流輸電系統(tǒng)中利用故障錄波數(shù)據(jù)的電氣量測(cè)距可以解決上述問題，只是因?yàn)橛捎诮涣鬏旊娤到y(tǒng)的故障暫態(tài)過程較長(zhǎng)，暫態(tài)過程中沒有控制系統(tǒng)介入，純粹暫態(tài)電氣量自由衰減，相關(guān)線路參數(shù)計(jì)算方法成熟，所以交流輸電系統(tǒng)中故障錄波數(shù)據(jù)電氣量測(cè)距較為成熟。
在高壓直流輸電系統(tǒng)中由于以下原因目前仍無法在實(shí)際中成功進(jìn)行故障錄波數(shù)據(jù)的電氣量測(cè)距 (1)高壓直流線路故障暫態(tài)過程較短(只有十多毫秒)，可供利用的數(shù)據(jù)較少； (2)控制系統(tǒng)在故障初瞬間就已介入，使得故障分量很快衰減，普通的濾波算法難以獲取計(jì)算分量； (3)直流輸電線路線路參數(shù)計(jì)算方法不成熟，目前高壓直流線路為四分裂，不同于交流三相線路參數(shù)的計(jì)算，其長(zhǎng)線電容效應(yīng)、互感特性都需要重新研究計(jì)算； (4)影響實(shí)際高壓直流輸電工程中線路參數(shù)因素較多，如溫度、環(huán)境、土壤、負(fù)荷、線路總長(zhǎng)等，必須解決這些實(shí)際因素的影響才能計(jì)算出滿足要求的線路參數(shù)。
所以目前高壓直流輸電系統(tǒng)中還沒有解決上述問題適用于工程實(shí)際的利用故障錄波數(shù)據(jù)電氣量測(cè)距的方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是提供一種利用暫態(tài)故障錄波建立實(shí)用準(zhǔn)確的直流線路故障測(cè)距方法，該方法對(duì)采樣率和GPS對(duì)時(shí)的要求不高，較少受天氣、通訊和設(shè)備等干擾影響，無測(cè)距死區(qū)且同時(shí)可保持較高的測(cè)距計(jì)算精度。
本發(fā)明的測(cè)距方法步驟如下 1、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線m端的故障錄波器極1m獲得m端極1的電壓、電流u1m、i1m； 2、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線m端的故障錄波器極2m獲得m端極2的電壓、電流u2m、i2m； 3、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線n端的故障錄波器極1n獲得n端極1的電壓、電流u1n、i1n； 4、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線n端的故障錄波器極2n獲得n端極2的電壓、電流u2n、i2n； 5、由線路幾何參數(shù)導(dǎo)線的半徑、分裂間距、導(dǎo)線間距及對(duì)地距離計(jì)算得到線路的線模分布參數(shù) 式中Rs、Rm分別為線路的自阻和互阻；Ls、Lm分別為線路的自感、互感；Gs＝Gd+Gm，Gd、Gm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電導(dǎo)；Cs＝Cd+Cm，Cd、Cm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電容；算法中忽略電導(dǎo)，所以不需求電導(dǎo)參數(shù)； (1)R1＝Rs-Rm＝ra 式中ra為導(dǎo)線電阻； D為導(dǎo)線間距；Dsb為四分裂導(dǎo)線的自幾何均距 式中Ds為每根多股絞線的自幾何均距，對(duì)于本導(dǎo)線Ds＝0.81r，r為多股絞線的計(jì)算半徑；d為分裂間距； (3)C1＝Cd+2Cm 式中H1為導(dǎo)線與其鏡像導(dǎo)線之間的距離；req為分裂導(dǎo)線的等值半徑，對(duì)于四分裂導(dǎo)線，r為導(dǎo)線半徑；ε≈ε0＝8.854188×10-12F/m；H12為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2的鏡像導(dǎo)線之間的距離 線模波阻抗 線模波速 6、對(duì)同一換流站內(nèi)的兩極數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)時(shí) 以極1m端換流站為例 (1)記m端換流站內(nèi)極1的故障錄波器記錄的極1電流為i1m，極2的故障錄波器記錄的極1電流為i1m′；(極2的故障錄波器內(nèi)同時(shí)錄有極1電流) (2)尋找電流i1m突變的時(shí)刻，根據(jù)不同的故障，該突變時(shí)刻可能有多個(gè)，分別記為T＝{t1、t2……tr}；同理，尋找并記錄i1m′的突變時(shí)刻為T′＝{t′1、t′2……t′s}； (3)分別在T和T′中各選取1個(gè)時(shí)刻，如t1和t′1；取電流i1m在t1時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，與i1m′在t′1時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)做差，并求其絕對(duì)值之和，這樣共有r*s個(gè)組合，取絕對(duì)值之和最小的一對(duì)組合，假設(shè)為t1與t′2； (4)保持t1不變，以原t′2為中心改變t′2的值，每次移動(dòng)一個(gè)采樣間隔；每改變一次，按照上面(3)中的方法做差并求絕對(duì)值之和，以該絕對(duì)值之和最小時(shí)的t′2的值作為t′2的最終值，則時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)需調(diào)整的量為 (t′2-t1)； 7、對(duì)m端極1、極2的電壓、電流u1m、i1m、u2m、i2m和n端極1、極2的電壓、電流u1n、i1n、u2n、i2n進(jìn)行解耦，并選取線模分量； 以m端為例， 式中u1m、i1m、u2m、i2m分別為m端極1、極2的電壓、電流； 線模電壓為u1＝u1m-u2m，線模電流為i1＝i1m-i2m； 記m端線模電壓為um，則um＝u1； n端計(jì)算與上相同；下文中分別記直流線路兩端的線模分量為um、im、un、in； 8、確定各參數(shù)的變化范圍及計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻 本算法中線模波阻抗Zc、波速v、線路單位長(zhǎng)度電阻r的范圍取步驟5計(jì)算結(jié)果的±10％；故障距離x的范圍為0至線路全長(zhǎng)l；線路兩端數(shù)據(jù)的時(shí)間校正量Δt的范圍為-l/v到+l/v； 計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻為線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)； 9、初始化各變量，計(jì)算其目標(biāo)值并排序 (1)初始化變量 在滿足步驟8確定的變量范圍內(nèi)，隨機(jī)生成k組初始解P＝{p1，p2，…，pi，…pk}，其中pi＝(ZCi，vi，ri，xi，Δti)；若不需對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，則pi＝(ZCi，vi，ri，xi)； (2)計(jì)算各組解的目標(biāo)值w A.當(dāng)線路兩端數(shù)據(jù)時(shí)鐘準(zhǔn)確時(shí)，即不需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，此時(shí)采用下面公式計(jì)算w B.當(dāng)需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)時(shí)，按下面公式計(jì)算w 上面兩式中的t1取線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)，t2＝t1+4ms；式中 (3)按w由小到大的順序?qū)Ω鹘M解進(jìn)行排序，并選定前g組解作為優(yōu)質(zhì)解； 10、進(jìn)化過程 (1)交叉 對(duì)于每一組非優(yōu)質(zhì)解pj(j＝g+1，g+2，…，k)，即后k-g組解，依次從前g組優(yōu)質(zhì)解中隨機(jī)選取一組解pi(i∈[1，g])，與之進(jìn)行交叉生成一組新解p′；交叉方法如下 p′＝pi+a·(pj-pi) 式中a為比例因子，按下式產(chǎn)生 a＝-d+R·(1+2d) R為0到1的隨機(jī)數(shù)，則a的范圍為[-d，1+d]，d可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，這里取為0.25； 為了盡可能的多產(chǎn)生新解，本算法對(duì)每組解中的每個(gè)變量都重新生隨機(jī)成一個(gè)比例因子；最后檢驗(yàn)生成的新解是否在步驟8確定的范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則用交叉生成的新解p′代替原來的解pj，否則重新進(jìn)行交叉； (2)變異 對(duì)新產(chǎn)生的解，按0.05的變異概率隨機(jī)選擇0.05(k-g)組解，對(duì)每一組分別進(jìn)行隨機(jī)變異，變異步長(zhǎng)為±10％，即原解隨機(jī)加上或減去自身的10％；如果變異后的解不在步驟8確定的范圍內(nèi)，則重新選擇一組解進(jìn)行變異；實(shí)際變異可按如下方法操作 產(chǎn)生0到1之間的隨機(jī)數(shù)s， 當(dāng)s≤0.5時(shí)，pi＝0.9pi； 當(dāng)s＞0.5時(shí)，pi＝1.1pi； (3)排序 計(jì)算新產(chǎn)生的k-g組解的w值，并將其與優(yōu)質(zhì)解一起按w的大小由小到大進(jìn)行排序； 11、斷進(jìn)化是否結(jié)束 步驟10進(jìn)行一遍為進(jìn)化一代完成，進(jìn)化代數(shù)低于50代時(shí)重復(fù)步驟10，當(dāng)進(jìn)化50代以后，判斷后50代解各自對(duì)應(yīng)的最小的w1值的變化量，如果連續(xù)50代的w1變化范圍不超過0.1，則判定為進(jìn)化完成，否則繼續(xù)重復(fù)步驟10； 用公式表示為 式中i＝gen，gen-1，…，gen-49；gen為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)；w1(i)為第i代的w1值； 若滿足上式，則判定為進(jìn)化完成；w1(gen)對(duì)應(yīng)的解p1(gen)為最優(yōu)解，取其中的變量x1(gen)為故障距離，即 xf1＝x1(gen) 12、動(dòng)數(shù)據(jù)窗計(jì)算 將步驟9中的t1加上0.5ms，重復(fù)步驟9～11； 如此重復(fù)2次后得到3個(gè)故障距離xf1、xf2、xf3，取其平均值作為最終故障距離xf 本測(cè)距算法在模量變換基礎(chǔ)上采用基于遺傳算法的線路參數(shù)計(jì)算，算法也是基于線路分布參數(shù)的時(shí)域故障測(cè)距算法，具有所需數(shù)據(jù)窗短、定位精度高、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)僅10ms左右；它的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是在線路參數(shù)不精確、對(duì)站數(shù)據(jù)不同步的惡劣環(huán)境下，仍能精確的找到故障點(diǎn)的位置。大量的仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算表明，只要輸入的線路參數(shù)與實(shí)際的線路參數(shù)誤差在10％之內(nèi)，本算法都能精確找到故障點(diǎn)，故該算法完全克服了線路長(zhǎng)度、距地面高度無法得到精確值以及線路沿線地理環(huán)境、氣溫、濕度等因素復(fù)雜多變對(duì)線路固有參數(shù)的影響，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。這也是遺傳類算法這一分支首次應(yīng)用到實(shí)際的故障測(cè)距系統(tǒng)中去，因而也具有開創(chuàng)性意義。
此外，由于采用此種新型算法，也能有效克服行波測(cè)距對(duì)采樣率、GPS時(shí)鐘要求較高、行波波頭檢測(cè)失敗導(dǎo)致無法測(cè)距的問題，避免了線路兩端的測(cè)距死區(qū)。
1.本故障測(cè)距方法原理 本算法的基本思想是，通過故障錄波數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)后，由高壓直流線路兩端分別計(jì)算故障時(shí)的沿線電壓分布，根據(jù)在故障點(diǎn)處電壓相等的原則構(gòu)造遺傳算法參數(shù)辨識(shí)的測(cè)距判據(jù)判斷故障位置。
1.1有損線的等值電路 實(shí)際線路中R0和G0都不為0，一般情況下G0很小，忽略后引起的誤差不大，而R0則不能忽略。對(duì)線路電阻的一種簡(jiǎn)便處理方法是將線路總電阻分散在線路兩端和中點(diǎn)三處，即線路兩端各1/4、線路中點(diǎn)處1/2，這種模型稱為線路的小損耗模型。研究工作表明，這種處理方法已具有較高的精度，如果將電阻再做分散，精度不再有明顯提高。
按照線路的小損耗模型，整個(gè)線路相當(dāng)于兩條無損線路和三個(gè)電阻的串聯(lián)。
如圖1所示，圖中R為線路總電阻。
將其無損線部分分別用貝瑞隆等值電路代替，可以得到小損耗模型的等值電路。不難得出由k端電壓、電流計(jì)算得到t時(shí)刻m端電壓的公式 由上面中內(nèi)容可知，已知線路一端的電壓、電流量，可以計(jì)算得到某一時(shí)刻線路對(duì)端電壓、電流量。
同理，也可以得到任一時(shí)刻沿線各點(diǎn)的電壓、電流量。式(1)是在單導(dǎo)線模型下推導(dǎo)出來的，而實(shí)際線路多是雙極運(yùn)行的，兩條線路之間必然存在耦合，特別是在故障時(shí)耦合更為明顯。所以要利用上述公式必須先進(jìn)行解耦。
1.2相模解耦 直流線路為雙極運(yùn)行，其解耦方式與傳統(tǒng)的三相交流線路是不同的。
如圖2所示，m端極1、極2的電壓、電流u1m、i1m、u2m、i2m和n端極1、極2的電壓、電流u1n、i1n、u2n、i2n；；Rs、Rm分別為線路的自阻和互阻；Ls、Lm分別為線路的自感、互感；Gs＝Gd+Gm，Gd、Gm分別為導(dǎo)線與地和導(dǎo)線間的電導(dǎo)； Cs＝Cd+Cm，Cd、Cm分別為導(dǎo)線與地和導(dǎo)線間的電容。
雙導(dǎo)線的解耦矩陣為 電壓、電流及線路參數(shù)的解耦公式為 um＝S-1u，im＝S-1i(3) 如果令 稱u1、i1為1模分量(線模分量)，u0、i0為0模分量(地模分量)， 則線路的1模和0模參數(shù)分別為 這樣便將兩條線路上的電壓電流分解為互不影響的模分量，便于計(jì)算。
結(jié)合計(jì)算線路分布參數(shù)相關(guān)公式可以看出，解耦后線路的線模參數(shù)和頻率不再相關(guān)，通常線模分量較為穩(wěn)定，因此選用線模分量進(jìn)行測(cè)距。
1.3沿線電壓分布的計(jì)算 如圖2所示，對(duì)于實(shí)際輸電線路，通常情況下電導(dǎo)很小，忽略后所引起的誤差不大，而電阻則不能忽略?？梢圆捎?.1中的線路小損耗模型來進(jìn)行線路上任意一點(diǎn)的電壓、電流。
如果要計(jì)算t時(shí)刻，距離m端x處的電壓，由式(1)不難看出，只須將線路長(zhǎng)度l用x替換，同時(shí)將電阻R換為x長(zhǎng)度下線路的阻抗。由一端電氣量(以m端為例)計(jì)算得到的t時(shí)刻沿線電壓分布為 式中umt(x，t)——由m端數(shù)據(jù)計(jì)算得到的t時(shí)刻距離m端x處的電壓 Zc——線路波阻抗 r——線路單位長(zhǎng)度電阻 v——線路波速 umt(t)——t時(shí)刻線路m端的電壓 imt(t)——t時(shí)刻線路m端的電流 同樣，可以得到由n端數(shù)據(jù)計(jì)算得到的t時(shí)刻的沿線電壓、電流。
利用模量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，線路參數(shù)需用該模下的參數(shù)，同時(shí)電壓、電流量也要用該模分量。
公式(6)對(duì)線路參數(shù)要求比較嚴(yán)格，但實(shí)際中，線路參數(shù)和地理環(huán)境、氣溫、濕度等因素都有密切關(guān)系，往往難以準(zhǔn)確獲得。
本測(cè)距方法的創(chuàng)新之處在于利用遺傳算法，將線路參數(shù)Zc、r、v和故障距離x都作為待定變量，以兩端計(jì)算得到的同一地點(diǎn)電壓差最小為目標(biāo)函數(shù)，建立一個(gè)多變量?jī)?yōu)化模型，通過進(jìn)化迭代計(jì)算出故障距離。只需給出線路參數(shù)的大致范圍即可，解決了實(shí)際線路參數(shù)無法準(zhǔn)確獲得的問題。具體模型如下 式中l(wèi)——線路總長(zhǎng)度。[t1，t2]是考慮了計(jì)算誤差等因素，為保證計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性而取的冗余數(shù)據(jù)窗。
同樣，本算法的基本原理是也是利用線模量實(shí)現(xiàn)的，所以只需給出線路線模參數(shù)的范圍即可。
同時(shí)，利用遺傳算法還可以克服線路真實(shí)長(zhǎng)度和計(jì)算用線路長(zhǎng)度不相等帶來的問題，其給出的故障距離實(shí)際是相對(duì)于線路長(zhǎng)度的百分比。
假設(shè)線路真實(shí)長(zhǎng)度為l1、故障距離為x1，計(jì)算用線路長(zhǎng)度l2＝k·l1，則故障距離為x2＝k·x1。而線路總的電感、電容、電阻是不變的，因此有 l1·L1＝l2·L2，l1·C1＝l2·C2，l1·r1＝l2·r2 其中L1——線路長(zhǎng)度為l1時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電感 L2——線路長(zhǎng)度為l2時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電感 C1——線路長(zhǎng)度為l1時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電容 C2——線路長(zhǎng)度為l2時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電容 r1——線路長(zhǎng)度為l1時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電阻 r2——線路長(zhǎng)度為l2時(shí)單位線路長(zhǎng)度的電阻 可以得到如下關(guān)系 結(jié)合前面的電壓公式可以看出，在不同線路長(zhǎng)度下計(jì)算得到的線路某一百分比位置的電壓是相同的，即umt(Zc1，r1，v1，x1，t)＝umt(Zc2，r2，v2，x2，t)，因此得到的故障點(diǎn)距離占線路全長(zhǎng)的百分比也是相同的。其前提是變量范圍也應(yīng)隨著線路長(zhǎng)度變化而變化，一般情況下線路長(zhǎng)度的變化不會(huì)很大，這個(gè)前提很容易滿足。
2.本發(fā)明所采用的對(duì)時(shí)方法 在雙端量測(cè)距中，數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步是得到正確測(cè)距結(jié)果的前提之一?，F(xiàn)有故障錄波器都是利用GPS實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)的，但是在實(shí)際中由于各種原因，各個(gè)故障錄波器的時(shí)鐘可能存在著偏差。
直流系統(tǒng)中各極線路都是單獨(dú)配置錄波器的，因此其數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)除了線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)外，還存在線路同一端兩極故障錄波數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)的問題。(交流系統(tǒng)一般是三相共用同一個(gè)錄波器，所以線路同一端的數(shù)據(jù)之間不存在時(shí)鐘誤差)。
(1)線路同一端兩極數(shù)據(jù)對(duì)時(shí) 分析故障錄波器的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，線路同一端的正負(fù)兩極錄波器，會(huì)對(duì)某一極電流量進(jìn)行交叉記錄，即極二的錄波器同時(shí)會(huì)記錄極一的電流量，或者兩極同時(shí)記錄對(duì)極的電流量。線路同一端兩極數(shù)據(jù)的對(duì)時(shí)，就是利用這一電流量來實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)際中兩套錄波器對(duì)同一電流量的采樣是存在誤差的，對(duì)時(shí)應(yīng)選擇誤差較小的一個(gè)電流量來實(shí)現(xiàn)，以減小誤差。
同時(shí)，由于直流量在正常時(shí)無任何其他特征可以利用，對(duì)時(shí)只有在故障時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)時(shí)的基本方法是分別識(shí)別兩極故障錄波器記錄的同一電流量的故障時(shí)刻，計(jì)算同一次故障兩極錄波器記錄的故障時(shí)刻之差，該差值即為線路同一端兩極數(shù)據(jù)時(shí)鐘的校正量。
(2)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí) 直流量沒有交流量可利用信息量豐富，正常時(shí)電氣量的區(qū)分度很小，而故障時(shí)故障位置的不同直接影響了線路上的波過程，所以無法利用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，在遺傳算法模型(式(7))的基礎(chǔ)上中引入了一個(gè)時(shí)鐘差變量Δt，將其和線路參數(shù)、故障距離一起作為待求變量，在計(jì)算過程中進(jìn)行尋優(yōu)求解。
行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差最大為T＝l/v，若線路兩端感受到的故障起始時(shí)刻之間的差超過T時(shí)，Δt的值也可能超過T。為了減小Δt的搜索范圍，此時(shí)可將兩端數(shù)據(jù)按故障起始時(shí)刻對(duì)齊，這樣Δt的搜索范圍便可確定在[-T，+T]內(nèi)。為了保證連續(xù)多次故障時(shí)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，線路兩端錄波器的GPS時(shí)鐘誤差應(yīng)盡可能保證在ms級(jí)(GPS對(duì)時(shí)精度達(dá)1μs)。
當(dāng)線路參數(shù)準(zhǔn)確時(shí)，優(yōu)化模型如下 (9) 線路參數(shù)無法準(zhǔn)確獲得時(shí)的優(yōu)化模型如下 本故障測(cè)距方法具有以下優(yōu)點(diǎn) 1、克服了以下情況下行波測(cè)距不能正確故障定位的不足(1)由于天氣、通訊等原因?qū)е聹y(cè)距裝置無法精確對(duì)時(shí)，(2)測(cè)距裝置受因通訊干擾無法正常傳輸或接受數(shù)據(jù)，(3)故障發(fā)生在線路首末端使行波測(cè)距出現(xiàn)死區(qū)，(4)裝置本身故障(如死機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元故障)。在上述情況下能夠正確測(cè)距。
2、能夠排除線路參數(shù)受地理環(huán)境、氣溫、濕度、負(fù)荷等因素的影響，尤其像冰災(zāi)等自然災(zāi)害影響了線路實(shí)際長(zhǎng)度后，本算法仍能進(jìn)行直流線路故障測(cè)距。
3、當(dāng)線路兩端雙極故障錄波器數(shù)據(jù)因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中的各種原因，造成雙極故障錄波器的時(shí)鐘存在著偏差時(shí)，本算法仍能進(jìn)行故障測(cè)距。



下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1是線路的小損耗模型圖； 圖2是雙極直流輸電系統(tǒng)示意圖 圖3是本發(fā)明的測(cè)距方法流程圖。
圖中1-連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線m端的故障錄波器極1m，2-連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線m端的故障錄波器極2m，3-連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線n端的故障錄波器極1n，4-連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線n端的故障錄波器極2n。

具體實(shí)施例方式 1、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線m端的故障錄波器極1m獲得m端極1的電壓、電流u1m、i1m； 2、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線m端的故障錄波器極2m獲得m端極2的電壓、電流u2m、i2m； 3、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線n端的故障錄波器極1n獲得n端極1的電壓、電流u1n、i1n； 4、從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線n端的故障錄波器極2n獲得n端極2的電壓、電流u2n、i2n； 5、由線路幾何參數(shù)導(dǎo)線的半徑、分裂間距、導(dǎo)線間距及對(duì)地距離計(jì)算得到線路的線模分布參數(shù) 式中Rs、Rm分別為線路的自阻和互阻；Ls、Lm分別為線路的自感、互感；Gs＝Gd+Gm，Gd、Gm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電導(dǎo)；Cs＝Cd+Cm，Cd、Cm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電容；算法中忽略電導(dǎo)，所以不需求電導(dǎo)參數(shù)； (1)R1＝Rs-Rm＝ra 式中ra為導(dǎo)線電阻； D為導(dǎo)線間距；Dsb為四分裂導(dǎo)線的自幾何均距 式中Ds為每根多股絞線的自幾何均距，對(duì)于本導(dǎo)線Ds＝0.81r，r為多股絞線的計(jì)算半徑；d為分裂間距； (3)C1＝Cd+2Cm 式中H1為導(dǎo)線與其鏡像導(dǎo)線之間的距離；req為分裂導(dǎo)線的等值半徑，對(duì)于四分裂導(dǎo)線，r為導(dǎo)線半徑；ε≈ε0＝8.854188×10-12F/m；H12為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2的鏡像導(dǎo)線之間的距離 線模波阻抗線模波速 6、對(duì)同一換流站內(nèi)的兩極數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)時(shí) 以極1m端換流站為例 (1)記m端換流站內(nèi)極1的故障錄波器記錄的極1電流為i1m，極2的故障錄波器記錄的極1電流為i1m′；(極2的故障錄波器內(nèi)同時(shí)錄有極1電流) (2)尋找電流i1m突變的時(shí)刻，根據(jù)不同的故障，該突變時(shí)刻可能有多個(gè)，分別記為T＝{t1、t2……tr}；同理，尋找并記錄i1m′的突變時(shí)刻為T′＝{t′1、t′2……t′s}； (3)分別在T和T′中各選取1個(gè)時(shí)刻，如t1和t′1；取電流i1m在t1時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，與i1m′在t′1時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)做差，并求其絕對(duì)值之和，這樣共有r*s個(gè)組合，取絕對(duì)值之和最小的一對(duì)組合，假設(shè)為t1與t′2； (4)保持t1不變，以原t′2為中心改變t′2的值，每次移動(dòng)一個(gè)采樣間隔；每改變一次，按照上面(3)中的方法做差并求絕對(duì)值之和，以該絕對(duì)值之和最小時(shí)的t′2的值作為t′2的最終值，則時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)需調(diào)整的量為 (′2-t1)； 7、對(duì)m端極1、極2的電壓、電流u1m、i1m、u2m、i2m和n端極1、極2的電壓、電流u1n、i1n、u2n、i2n進(jìn)行解耦，并選取線模分量； 以m端為例， 式中u1m、i1m、u2m、i2m分別為m端極1、極2的電壓、電流； 線模電壓為u1＝u1m-u2m，線模電流為i1＝i1m-i2m； 記m端線模電壓為um，則um＝u1； n端計(jì)算與上相同；下文中分別記直流線路兩端的線模分量為um、im、un、in； 8、確定各參數(shù)的變化范圍及計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻 本算法中線模波阻抗Zc、波速v、線路單位長(zhǎng)度電阻r的范圍取步驟5計(jì)算結(jié)果的±10％；故障距離x的范圍為0至線路全長(zhǎng)l；線路兩端數(shù)據(jù)的時(shí)間校正量Δt的范圍為-l/v到+l/v； 計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻為線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)； 9、初始化各變量，計(jì)算其目標(biāo)值并排序 (1)初始化變量 在滿足步驟8確定的變量范圍內(nèi)，隨機(jī)生成k組(k取1500)初始解P＝{p1，p2，…，pi，…pk}，其中pi＝(ZCi，vi，ri，xi，Δti)；若不需對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，則pi＝(ZCi，vi，ri，xi)； (2)計(jì)算各組解的目標(biāo)值w A.當(dāng)線路兩端數(shù)據(jù)時(shí)鐘準(zhǔn)確時(shí)，即不需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，此時(shí)采用下面公式計(jì)算w B.當(dāng)需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)時(shí)，按下面公式計(jì)算w 上面兩式中的t1取線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)，t2＝t1+4ms；式中 (3)按w由小到大的順序?qū)Ω鹘M解進(jìn)行排序，并選定前g組(g取200)解作為優(yōu)質(zhì)解； 10、進(jìn)化過程 (1)交叉 對(duì)于每一組非優(yōu)質(zhì)解pj(j＝g+1，g+2，…，k)，即后k-g組解，依次從前g組優(yōu)質(zhì)解中隨機(jī)選取一組解pi(i∈[1，g])，與之進(jìn)行交叉生成一組新解p′；交叉方法如下 p′＝pi+a·(pj-pi) 式中a為比例因子，按下式產(chǎn)生 a＝-d+R·(1+2d) R為0到1的隨機(jī)數(shù)，則a的范圍為[-d，1+d]，d可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，這里取為0.25； 為了盡可能的多產(chǎn)生新解，本算法對(duì)每組解中的每個(gè)變量都重新生隨機(jī)成一個(gè)比例因子；最后檢驗(yàn)生成的新解是否在步驟8確定的范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則用交叉生成的新解p′代替原來的解pj，否則重新進(jìn)行交叉； (2)變異 對(duì)新產(chǎn)生的解，按0.05的變異概率隨機(jī)選擇0.05(k-g)組解，對(duì)每一組分別進(jìn)行隨機(jī)變異，變異步長(zhǎng)為±10％，即原解隨機(jī)加上或減去自身的10％；如果變異后的解不在步驟8確定的范圍內(nèi)，則重新選擇一組解進(jìn)行變異；實(shí)際變異可按如下方法操作 產(chǎn)生0到1之間的隨機(jī)數(shù)s， 當(dāng)s≤0.5時(shí)，pi＝0.9pi； 當(dāng)s＞0.5時(shí)，pi＝1.1pi； (3)排序 計(jì)算新產(chǎn)生的k-g組解的w值，并將其與優(yōu)質(zhì)解一起按w的大小由小到大進(jìn)行排序； 11、判斷進(jìn)化是否結(jié)束 步驟10進(jìn)行一遍為進(jìn)化一代完成，進(jìn)化代數(shù)低于50代時(shí)重復(fù)步驟10，當(dāng)進(jìn)化50代以后，判斷后50代解各自對(duì)應(yīng)的最小的w1值的變化量，如果連續(xù)50代的w1變化范圍不超過0.1，則判定為進(jìn)化完成，否則繼續(xù)重復(fù)步驟10； 用公式表示為 式中i＝gen，gen-1，…，gen-49；gen為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)；w1(i)為第i代的w1值； 若滿足上式，則判定為進(jìn)化完成；w1(gen)對(duì)應(yīng)的解p1(gen)為最優(yōu)解，取其中的變量x1(gen)為故障距離，即 xf1＝x1(gen) 12、移動(dòng)數(shù)據(jù)窗計(jì)算 將步驟9中的t1加上0.5ms，重復(fù)步驟9～11； 如此重復(fù)2次后得到3個(gè)故障距離xf1、xf2、xf3，取其平均值作為最終故障距離xf
權(quán)利要求
1.一種基于遺傳算法參數(shù)辨識(shí)高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征是步驟如下
1)從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線m端的故障錄波器(極1m)獲得m端極1的電壓、電流u1m、i1m；
2)從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線m端的故障錄波器(極2m)獲得m端極2的電壓、電流u2m、i2m；
3)從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極1線n端的故障錄波器(極1n)獲得n端極1的電壓、電流u1n、i1n；
4)從連接在被測(cè)高壓直流輸電線路極2線n端的故障錄波器(極2n)獲得n端極2的電壓、電流u2n、i2n；
5)由線路幾何參數(shù)-導(dǎo)線的半徑、分裂間距、導(dǎo)線間距及對(duì)地距離計(jì)算得到線路的線模分布參數(shù)
式中Rs、Rm分別為線路的自阻和互阻；Ls、Lm分別為線路的自感、互感；Gs＝Gd+Gm，Gd、Gm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電導(dǎo)；Cs＝Cd+Cm，Cd、Cm分別為導(dǎo)線——地和導(dǎo)線間的電容；算法中忽略電導(dǎo)，所以不需求電導(dǎo)參數(shù)；
(1)R1＝Rs-Rm＝ra
式中ra為導(dǎo)線電阻；
D為導(dǎo)線間距；Dsb為四分裂導(dǎo)線的自幾何均距
式中Ds為每根多股絞線的自幾何均距，對(duì)于本導(dǎo)線Ds＝0.81r，r為多股絞線的計(jì)算半徑；d為分裂間距；
(3)C1＝Cd+2Cm
式中H1為導(dǎo)線與其鏡像導(dǎo)線之間的距離；req為分裂導(dǎo)線的等值半徑，對(duì)于四分裂導(dǎo)線，
r為導(dǎo)線半徑；ε≈ε0＝8.854188×10-12F/m；H12為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2的鏡像導(dǎo)線之間的距離
線模波阻抗
線模波速
6)對(duì)同一換流站內(nèi)的兩極數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)時(shí)
以極1m端換流站為例
(1)記m端換流站內(nèi)極1的故障錄波器記錄的極1電流為i1m，極2的故障錄波器記錄的極1電流為i1m′；
(2)尋找電流i1m突變的時(shí)刻，根據(jù)不同的故障，該突變時(shí)刻可能有多個(gè)，分別記為T＝{t1、t2……tr}；同理，尋找并記錄i1m′的突變時(shí)刻為T′＝{t1′、t2′……ts′}；
(3)分別在T和T′中各選取1個(gè)時(shí)刻，如t1和t1′；取電流i1m在t1時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，與i1m′在t1′時(shí)刻后tms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)做差，并求其絕對(duì)值之和，這樣共有r*s個(gè)組合，取絕對(duì)值之和最小的一對(duì)組合，假設(shè)為t1與t2′；
(4)保持t1不變，以原t2′為中心改變t2′的值，每次移動(dòng)一個(gè)采樣間隔；每改變一次，按照上面(3)中的方法做差并求絕對(duì)值之和，以該絕對(duì)值之和最小時(shí)的t2′的值作為t2′的最終值，則時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)需調(diào)整的量為
(t2′-t1)；
7)對(duì)m端極1、極2的電壓、電流u1m、i1m、u2m、i2m和n端極1、極2的電壓、電流u1n、i1n、u2n、i2n進(jìn)行解耦，并選取線模分量；
以m端為例，
式中u1m、i1m、u2m、i2m分別為m端極1、極2的電壓、電流；
線模電壓為u1＝u1m-u2m，線模電流為i1＝i1m-i2m；
記m端線模電壓為um，則um＝u1；
n端計(jì)算與上相同；下文中分別記直流線路兩端的線模分量為um、im、un、in；
8)確定各參數(shù)的變化范圍及計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻
本算法中線模波阻抗Zc、波速v、線路單位長(zhǎng)度電阻r的范圍取步驟5計(jì)算結(jié)果的±10％；故障距離x的范圍為0至線路全長(zhǎng)l；線路兩端數(shù)據(jù)的時(shí)間校正量Δt的范圍為-l/v到+l/v；
計(jì)算用冗余數(shù)據(jù)窗起始時(shí)刻為線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)；
9)初始化各變量，計(jì)算其目標(biāo)值并排序
(1)初始化變量
在滿足步驟8確定的變量范圍內(nèi)，隨機(jī)生成k組初始解P＝{p1，p2，…，pi，…pk}，其中pi＝(ZCi，vi，ri，xi，Δti)；若不需對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，則pi＝(ZCi，vi，ri，xi)；
(2)計(jì)算各組解的目標(biāo)值w
A.當(dāng)線路兩端數(shù)據(jù)時(shí)鐘準(zhǔn)確時(shí)，即不需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，此時(shí)采用下面公式計(jì)算w
B.當(dāng)需要對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)時(shí)，按下面公式計(jì)算w
上面兩式中的t1取線路兩端故障起始時(shí)刻中較早的一個(gè)，t2＝t1+4ms；式中
(3)按w由小到大的順序?qū)Ω鹘M解進(jìn)行排序，并選定前g組解作為優(yōu)質(zhì)解；
10)進(jìn)化過程
(1)交叉
對(duì)于每一組非優(yōu)質(zhì)解pj(j＝g+1，g+2，…，k)，即后k-g組解，依次從前g組優(yōu)質(zhì)解中隨機(jī)選取一組解pi(i∈[1，g])，與之進(jìn)行交叉生成一組新解p′；交叉方法如下
p′＝pi+a·(pj-pi)
式中a為比例因子，按下式產(chǎn)生
a＝-d+R·(1+2d)
R為0到1的隨機(jī)數(shù)，則a的范圍為[-d，1+d]，d可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，這里取為0.25；
為了盡可能的多產(chǎn)生新解，本算法對(duì)每組解中的每個(gè)變量都重新生隨機(jī)成一個(gè)比例因子；最后檢驗(yàn)生成的新解是否在步驟8確定的范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則用交叉生成的新解p′代替原來的解pj，否則重新進(jìn)行交叉；
(2)變異
對(duì)新產(chǎn)生的解，按0.05的變異概率隨機(jī)選擇0.05(k-g)組解，對(duì)每一組分別進(jìn)行隨機(jī)變異，變異步長(zhǎng)為±10％，即原解隨機(jī)加上或減去自身的10％；如果變異后的解不在步驟8確定的范圍內(nèi)，則重新選擇一組解進(jìn)行變異；實(shí)際變異可按如下方法操作
產(chǎn)生0到1之間的隨機(jī)數(shù)s，
當(dāng)s≤0.5時(shí)，pi＝0.9pi；
當(dāng)s＞0.5時(shí)，pi＝1.1pi；
(3)排序
計(jì)算新產(chǎn)生的k-g組解的w值，并將其與優(yōu)質(zhì)解一起按w的大小由小到大進(jìn)行排序；
11)判斷進(jìn)化是否結(jié)束
步驟10進(jìn)行一遍為進(jìn)化一代完成，進(jìn)化代數(shù)低于50代時(shí)重復(fù)步驟10，當(dāng)進(jìn)化50代以后，判斷后50代解各自對(duì)應(yīng)的最小的w1值的變化量，如果連續(xù)50代的w1變化范圍不超過0.1，則判定為進(jìn)化完成，否則繼續(xù)重復(fù)步驟10；
用公式表示為
式中i＝gen，gen-1，…，gen-49；gen為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)；w1(i)為第i代的w1值；
若滿足上式，則判定為進(jìn)化完成；w1(gen)對(duì)應(yīng)的解p1(gen)為最優(yōu)解，取其中的變量x1(gen)為故障距離，即
xf1＝x1(gen)
12)移動(dòng)數(shù)據(jù)窗計(jì)算
將步驟9中的t1加上0.5ms，重復(fù)步驟9～11；
如此重復(fù)2次后得到3個(gè)故障距離xf1、xf2、xf3，取其平均值作為最終故障距離xf
全文摘要
一種利用線路故障錄波數(shù)據(jù)基于遺傳算法參數(shù)辨識(shí)高壓直流線路故障測(cè)距的方法，其在模量變換的基礎(chǔ)上采用了遺傳算法，對(duì)線路參數(shù)準(zhǔn)確性和GPS對(duì)時(shí)的要求不高，較少受天氣、通訊和設(shè)備等干擾影響，無測(cè)距死區(qū)且同時(shí)可保持較高的測(cè)距計(jì)算精度。
文檔編號(hào)G01R31/08GK101762774SQ200910039659
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者翟永昌, 李永麗, 李洪波, 高永強(qiáng), 李博通 申請(qǐng)人:中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司