一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，具體步驟為：步驟1：采集故障線路兩端的電壓正、負(fù)極數(shù)據(jù)；步驟2：對(duì)采集到的正、負(fù)極電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；步驟3：對(duì)濾波處理后的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，得到線模電壓數(shù)據(jù)；步驟4：確定出初始行波分別到達(dá)兩端的時(shí)刻t1、t2；步驟5：計(jì)算出故障距離粗測(cè)值d；步驟6：計(jì)算0.9d～1.1d所對(duì)應(yīng)的頻段dk；步驟7：對(duì)頻段dk提取固有頻率主成分fk；步驟8：利用步驟7提取到的固有頻率主成分fk，計(jì)算故障距離精確值d1。本發(fā)明一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，解決了傳統(tǒng)固有頻率法測(cè)距中由于“?；殳B”現(xiàn)象引起的固有頻率難以提取的問題，提高了故障測(cè)距的精確度。
【專利說(shuō)明】
-種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)高壓直流輸電繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種高壓直流輸 電線路故障測(cè)距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)W及電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量的輸 電線路在電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著極為重要的作用。但高壓直流輸電線路一般都較 長(zhǎng)，且沿途地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，運(yùn)使線路故障查找異常困難。因此，研究如何快速、準(zhǔn)確的 直流輸電線路故障測(cè)距具有重要意義。
[0003] 當(dāng)前，高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法主要是行波法。單端行波測(cè)距僅依賴于一 端的行波信號(hào)便可W計(jì)算故障距離，但可靠性受故障點(diǎn)反射波波頭的識(shí)別影響。雙端行波 測(cè)距法雖無(wú)需識(shí)別故障點(diǎn)的反射波波頭，但要求兩端定位裝置嚴(yán)格同步，成本較高。且無(wú)論 單端、雙端行波測(cè)距法均存在傳播速度難W確定等問題。
[0004] 為了克服時(shí)域行波測(cè)距面臨的困難，一些學(xué)者開始對(duì)故障暫態(tài)行波頻譜進(jìn)行研 究，從頻率角度提出了基于固有頻率的輸電線路故障測(cè)距方法。輸電線路故障行波頻譜與 故障距離之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系，利用故障行波頻譜可W實(shí)現(xiàn)測(cè)距，該方法只需單端暫態(tài)電氣 量，且不受行波波頭識(shí)別的限制，較識(shí)別行波波頭的方法更準(zhǔn)確可靠。但直流輸電線路兩側(cè) 的實(shí)體物理邊界對(duì)行波高頻成分和低頻成分表現(xiàn)的頻率特性不同，此外，在非對(duì)稱短路點(diǎn) 發(fā)生線模與零模行波相互交叉透射，致使故障線路自然頻率的"混疊"。使上述兩種影響均 使得固有頻率的提取存在一定困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存 在的固有頻率法由于"?；殳B"現(xiàn)象所引起的固有頻率難W提取的問題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，具體按照W 下步驟實(shí)施：
[0007] 步驟1:采集故障線路整流側(cè)和逆變側(cè)兩端的電壓正、負(fù)極數(shù)據(jù)；
[000引步驟2:利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的交替混合濾波器對(duì)采集到的正、負(fù)極電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行 濾波處理，去除噪聲并提取真實(shí)的信號(hào)；
[0009] 步驟3:利用相模變換對(duì)濾波處理后的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行解禪，得到線模電壓數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟4:對(duì)線模電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，利用小波模極大值的方法確定出初始 行波分別到達(dá)兩端的時(shí)刻tl、t2;
[0011] 步驟5:利用步驟4中得到的波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻ti、t2,根據(jù)雙端測(cè)距公式計(jì)算出 故障距離粗測(cè)值d，考慮到算法的誤差，將故障距離取為0.9d~1. Id;
[0012] 步驟6:計(jì)算0.9d~1. Id所對(duì)應(yīng)的頻段山；
[OOU]步驟7:對(duì)頻段山提取固有頻率主成分fk;
[0014] 步驟8:利用步驟7提取到的固有頻率主成分fk，計(jì)算故障距離精確值di。
[0015] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[0016] 步驟4中利用小波模極大值的方法確定出初始行波分別到達(dá)兩端的時(shí)刻ti、t2的具 體方法為:對(duì)行波信號(hào)先進(jìn)行二進(jìn)小波變換，并在各尺度上進(jìn)行小波系數(shù)模極大值計(jì)算，然 后選擇最佳尺度；由于小波模極大值和信號(hào)的突變點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，故根據(jù)小波變換模極 大值來(lái)確定初始行波分別到達(dá)故障點(diǎn)的時(shí)刻tl、t2。
[0017] 步驟5中故障距離粗測(cè)值d采用雙端D型測(cè)距公式得到，為：
[001 引
（1)
[0019]其中，L為線路總長(zhǎng)度，ti、t2分別為故障行波到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)的時(shí)刻，V為故障 行波的傳播速度。
[0020] 步驟6中0.9d~1. Id所對(duì)應(yīng)的頻段dk，為：
[0021]
。）
[0022] 其中，V為故障行波的傳播速度。
[0023] 步驟8中故障距離精確值di為：
[0024]
(3)
[0025] 其中，V為故障行波的傳播速度。
[0026] 故障行波的傳播速度V取經(jīng)驗(yàn)值2.96 X 108m/s。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，是行波法和 固有頻率法組合的故障測(cè)距方法，實(shí)現(xiàn)了行波法和固有頻率法優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)，解決了傳統(tǒng)固 有頻率法測(cè)距中由于"模混疊"現(xiàn)象引起的固有頻率難W提取的問題，提高了故障測(cè)距的精 確度。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是本發(fā)明一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法的流程圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明中故障發(fā)生后線路兩端的正、負(fù)極電壓波形圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明中相模變換后的線模電壓行波波形圖；
[0031] 圖4(a)是本發(fā)明中線模電壓二進(jìn)小波變換圖，圖4(b)是通過(guò)原始信號(hào)直接獲得故 障點(diǎn)圖；
[0032] 圖5是本發(fā)明中雙端測(cè)距的原理圖；
[0033] 圖6是本發(fā)明中所用模型系統(tǒng)邊界圖；
[0034] 圖7是本發(fā)明中利用MUSIC算法提取固有頻率主成分的幅值-頻率圖；
[0035] 圖8是本發(fā)明中雙極十二脈沖HVDC直流輸電仿真模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0037] 本發(fā)明一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，流程圖如圖1所示，具體按照W下步 驟實(shí)施：
[0038] 步驟1:采集故障線路整流側(cè)和逆變側(cè)兩端的電壓正、負(fù)極數(shù)據(jù)，如圖2所示為故障 發(fā)生5ms后采集到的線路兩端的正、負(fù)極電壓波形；
[0039] 步驟2:利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的交替混合濾波器對(duì)采集到的正、負(fù)極電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行 濾波處理，去除噪聲并提取真實(shí)的信號(hào)，防止產(chǎn)生虛假頻率突變點(diǎn)；
[0040] 步驟3:由于高壓直流輸電系統(tǒng)處于雙極運(yùn)行，而兩極之間存在互感，會(huì)導(dǎo)致?；?疊現(xiàn)象，固利用相模變換對(duì)濾波處理后的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行解禪，得到線模電壓數(shù)據(jù)，如圖3所 示的線路兩端的線模電壓波形；
[0041] 步驟4:對(duì)兩端線模電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，變換后如圖4(a)所示，利用小波 模極大值的方法確定出初始行波分別到達(dá)兩端的時(shí)刻tl、t2,具體方法為：
[0042] 對(duì)行波信號(hào)先進(jìn)行二進(jìn)小波變換，并在各尺度上進(jìn)行小波系數(shù)模極大值計(jì)算，然 后選擇最佳尺度；由于小波模極大值和信號(hào)的突變點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，故根據(jù)小波變換模極 大值來(lái)確定初始行波分別到達(dá)故障點(diǎn)的時(shí)刻tl、t2。
[0043] 如圖4(b)所示為采集到的原始信號(hào)中確定的故障點(diǎn)，可W看出，直接采用原始信 號(hào)確定故障點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)干擾，確定出的故障點(diǎn)不準(zhǔn)確，同時(shí)，通過(guò)圖4(a)和圖4(b)圖片的 對(duì)比驗(yàn)證了小波模極大值法識(shí)別故障到達(dá)測(cè)量端時(shí)刻的準(zhǔn)確性。
[0044] 最佳尺度的選擇原則為：
[0045] 在用小波變換模極大值法判斷信號(hào)突變點(diǎn)時(shí)，需要把多尺度結(jié)合起來(lái)綜合觀察。 尺度越小，平滑區(qū)域小，小波系數(shù)模極大值點(diǎn)與突變點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)越準(zhǔn)確。但是，小尺度下 小波系數(shù)受噪聲影響非常大，產(chǎn)生許多偽極值點(diǎn)，往往只憑一個(gè)尺度不能定位突變點(diǎn)的位 置。相反，在大尺度下，對(duì)噪聲進(jìn)行了一定的平滑，極值點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，但由于平滑作用了一定 的平滑，極值點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，但由于平滑作用使其定位又產(chǎn)生了偏差。同時(shí)，只有在適當(dāng)尺度 下各突變點(diǎn)引起的小波變換才能避免交迭干擾。
[0046] 步驟5:利用步驟4中得到的波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻ti、t2,根據(jù)雙端測(cè)距公式計(jì)算出 故障距離粗測(cè)值d，考慮到算法的誤差，將故障距離取為0.9d~1. Id;
[0047] 雙端D型測(cè)距公式的推導(dǎo)如下，原理圖如圖5所示：
[0048] 設(shè)L為線路總長(zhǎng)度;R、I分別代表直流線路的整流側(cè)和逆變側(cè);d為故障點(diǎn)到整流側(cè) 的距離;分別為故障發(fā)生時(shí)刻W及兩偵啦測(cè)到的故障行波到達(dá)時(shí)刻;V為故障行波到 達(dá)兩側(cè)的波速。
[0049] 根據(jù)波速、傳輸時(shí)間和故障距離=者之間的關(guān)系有下述等式成立：
[0化0] d = v(ti-t)
[0051] L-d = v(t2-t)
[0052] 聯(lián)立上述兩式，并消去參數(shù)t得到雙端D型測(cè)距公式為：
[。化引
（1)
[0054] 步驟6:取某一側(cè)線模電壓數(shù)據(jù)利用DaubecMes系列中的化7小波進(jìn)行5層小波包 分解，分解為32個(gè)頻段。計(jì)算0.9d~1.1 d所對(duì)應(yīng)的頻段dk;
[0055] 例如，本發(fā)明采用采樣率為IOkHz,根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，提取的暫態(tài)信號(hào) 的范圍為（0~5000化）。通過(guò)小波包分解之后的32個(gè)頻段的頻域范圍分別為：d 1 (0~ 156.25)、d2(156.25~312.5)……d32(4843.75~5000)。
[0056] 根據(jù)行波固有頻率與故障距離間的簡(jiǎn)化關(guān)系式計(jì)算得到0.9d~1. Id所對(duì)應(yīng)的頻 段dk，為：
[0057]
(2)
[005引因?yàn)樾〔ò纸忸l段劃分局限性，故障距離粗測(cè)值可能會(huì)跨越兩個(gè)頻段，此時(shí)為 了減小誤差性，本文選擇分別對(duì)其所跨越的兩個(gè)頻段進(jìn)行MUSIC算法求取固有頻率值，最后 取平均值。
[0059] 行波固有頻率與故障距離的簡(jiǎn)化關(guān)系式推導(dǎo)如下：
[0060] 行波固有頻率與故障距離、邊界條件(測(cè)量端反射系數(shù)r 1、故障點(diǎn)反射系數(shù)r 2和 故障類型對(duì)應(yīng)關(guān)系)=者之間存在一定數(shù)學(xué)關(guān)系。將輸電線路等效為輸入-狀態(tài)-輸出模型， 并在Laplace域內(nèi)對(duì)等效電路進(jìn)行分析，可得到故障測(cè)距公式如式(3):
[0061 ；
……
[0062] 式中：01、02為測(cè)量端和故障點(diǎn)處的反射角度。fn為行波固有頻率n次成分的頻率，V 為此頻率下的波速;k的取值為使方程為非零值中的最小值。
[0063] 本申請(qǐng)所用模型系統(tǒng)邊界如圖6所示，對(duì)邊界進(jìn)行分析，當(dāng)系統(tǒng)阻抗為0時(shí)式(3)可 化簡(jiǎn)為：
[0064]
(4)
[0065] 在實(shí)際的計(jì)算中，由于故障行波頻譜主成分的幅值最高，且最容易提取，故采用固 有頻率主成分進(jìn)行故障測(cè)距計(jì)算。即式(4)可簡(jiǎn)化為：
[0066]
(5)
[0067] 貝IJ，可得0.9d~1. Id所對(duì)應(yīng)的頻段dk，為：
[006引
[0069] 由式(5)知固有頻率與故障距離之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，若已知故障距離的大 致范圍，則可W利用二者之間的關(guān)系反推出固有頻率的范圍。
[0070] 步驟7:對(duì)頻段dk利用MUSIC算法提取固有頻率主成分fk，如圖7所示為所得幅值-頻 率圖，由圖7可得固有頻率主成分fk。
[0071] 固有頻率的形成機(jī)制
[0072] 直流輸電線路發(fā)生故障后，相當(dāng)于在故障點(diǎn)疊加了一個(gè)與額定電壓值相反的故障 電源，在輸電線路中，由分布電容引起的高頻暫態(tài)分量中的周期性分量在短路點(diǎn)和系統(tǒng)端 之間來(lái)回反射，形成故障行波。其頻譜由一系列諧波形式的頻率組成，稱為行波固有頻率。 故障行波的頻譜由一系列諧波形式的頻率組成，稱為故障行波的自然頻率，其最低次頻率 占比重最大，為主成分，其他諧波成分含量隨頻率的增高而降低，直至頻率為無(wú)窮高(實(shí)際 最高頻率受到信號(hào)采樣率的限制，為有限值）。
[0073] 多信號(hào)分類方法(MUSIC)是現(xiàn)階段比較常用的固有頻率提取方法。該方法主要采 用衰減的正弦諧波模型對(duì)信號(hào)進(jìn)行擬合，電力系統(tǒng)的大部分信號(hào)均可用來(lái)進(jìn)行分析。MUSIC 算法的基本思想是對(duì)陣列數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣作特征值分解，并且按照特征值的大小來(lái)區(qū)分 信號(hào)和噪聲兩個(gè)正交的子空間，根據(jù)運(yùn)兩個(gè)子空間正交的原理構(gòu)建特征多項(xiàng)式和代數(shù)方程 組來(lái)計(jì)算諧波分量的頻率計(jì)幅值。具有抗噪聲強(qiáng)、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，特別是行波衰減速度 快、有效行波信號(hào)長(zhǎng)度較短的時(shí)候具有很高的估計(jì)精度。故本申請(qǐng)選擇MUSIC算法來(lái)提取行 波固有頻率。
[0074] 步驟8:利用步驟7提取到的固有頻率主成分fk，計(jì)算故障距離精確值di為：
[0075]
巧)
[0076] 其中，V為故障行波的傳播速度。
[0077] 本申請(qǐng)中故障行波的傳播速度V取經(jīng)驗(yàn)值2.96X 108m/s。
[007引實(shí)施例
[0079] 選取國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議Cigre模型為原型，在暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC上搭建雙極 十二脈沖HVDC直流輸電模型，仿真模型如圖8所示。分別在距離整流側(cè)100、400、500、700、 900km處設(shè)置單極接地故障，故障過(guò)渡電阻分別為0 Q和100 Q。設(shè)置系統(tǒng)在1.5s發(fā)生單級(jí)接 地故障，采樣率為10曲Z。
[0080] 1)單極接地故障
[0081] 對(duì)于直流線路上的單極接地故障，在線路兩端采集故障電壓數(shù)據(jù)，利用本申請(qǐng)所 提算法得到的故障行波到達(dá)線路兩端時(shí)刻、故障距離粗測(cè)值、故障距離粗測(cè)范圍、固有頻率 范圍、所在小波包頻段及固有頻率值，并計(jì)算故障距離，如表1所示。
[0082] 由表1可知，利用小波模極大值的方法可W粗測(cè)出故障距離，且粗測(cè)距離絕對(duì)誤差 最小值為在50km處，誤差為0,最大誤差為75.15km?；旌蠝y(cè)距算法當(dāng)故障發(fā)生在靠近線路兩 端區(qū)段時(shí)，測(cè)距精度相對(duì)較高。但絕對(duì)誤差都在1.5kmW內(nèi)，相對(duì)誤差均在0.5 % W內(nèi)，相對(duì) 誤差最大值為0.427 %，最小值為0.0 l7 %。且測(cè)量值絕對(duì)誤差最大值為-1.523km，最小值為 0.152km。
[0083] 表1單極接地故障的計(jì)算結(jié)果
[0085] 2)極間故障
[0086] 對(duì)于正負(fù)極線路在某處發(fā)生短路故障，在線路兩側(cè)采集故障初始行波電壓信號(hào)， 利用本申請(qǐng)所提算法得到的故障行波到達(dá)線路兩端時(shí)刻、故障距離粗測(cè)值、故障距離粗測(cè) 范圍、固有頻率范圍、所在小波包頻段及固有頻率值，并計(jì)算故障距離，如表2所示。
[0087] 表2極間短路故障計(jì)算結(jié)果
[008引
[0089]由表2可知，利用小波模極大值的方法可W粗測(cè)出故障距離，粗測(cè)絕對(duì)誤差最小值 為0km，最大誤差為75.15km。同時(shí)，也可知當(dāng)故障發(fā)生在靠近線路兩端區(qū)段時(shí)，測(cè)距精度相 對(duì)較高。但絕對(duì)誤差都在1.化mW內(nèi)，相對(duì)誤差均在0.5% W內(nèi)。且測(cè)量值絕對(duì)誤差最大值 為-1.523km，最小值為0.152km;相對(duì)誤差最大值為0.427%，最小值為0.017%。同時(shí)對(duì)比表 1表2可知，故障類型對(duì)故障測(cè)距結(jié)果影響較小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施： 步驟1:采集故障線路整流側(cè)和逆變側(cè)兩端的電壓正、負(fù)極數(shù)據(jù)； 步驟2:利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的交替混合濾波器對(duì)采集到的正、負(fù)極電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波 處理，去除噪聲并提取真實(shí)的信號(hào)； 步驟3:利用相模變換對(duì)濾波處理后的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，得到線模電壓數(shù)據(jù)； 步驟4:對(duì)線模電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，利用小波模極大值的方法確定出初始行波 分別到達(dá)兩端的時(shí)刻 步驟5:利用步驟4中得到的波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻^42，根據(jù)雙端測(cè)距公式計(jì)算出故障 距離粗測(cè)值d，考慮到算法的誤差，將故障距離取為0.9d~I. Id; 步驟6:計(jì)算0.9d~I. Id所對(duì)應(yīng)的頻段dk; 步驟7:對(duì)頻段dk提取固有頻率主成分f k; 步驟8:利用步驟7提取到的固有頻率主成分fk，計(jì)算故障距離精確值cU。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在于，所述步驟 4中利用小波模極大值的方法確定出初始行波分別到達(dá)兩端的時(shí)刻UU 2的具體方法為:對(duì) 行波信號(hào)先進(jìn)行二進(jìn)小波變換，并在各尺度上進(jìn)行小波系數(shù)模極大值計(jì)算，然后選擇最佳 尺度；由于小波模極大值和信號(hào)的突變點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，故根據(jù)小波變換模極大值來(lái)確定 初始行波分別到達(dá)故障點(diǎn)的時(shí)刻tl、t2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在于，所述步驟 5中故障距離粗測(cè)值d采用雙端D型測(cè)距公式得到，為：(1； 其中，L為線路總長(zhǎng)度分別為故障行波到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)的時(shí)刻，V為故障行波 的傳播速度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在于，所述步驟 6中0.9d~I. Id所對(duì)應(yīng)的頻段dk，為：(2) 其中，V為故障行波的傳播速度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在于，所述步驟 8中故障距離精確值Cl1為：C3) 其中，V為故障行汲的傳播速度。6. 根據(jù)權(quán)利要求3~5任意一項(xiàng)所述的一種高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，其特征在 于，所述故障行波的傳播速度V取經(jīng)驗(yàn)值2.96 X 108m/s。
【文檔編號(hào)】G01R31/08GK106019076SQ201610321935
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】段建東, 趙召, 劉靜, 陸海龍
【申請(qǐng)人】西安理工大學(xué)