一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。当线路发生故障时，分别于量测端M端和量测端N端，由高速采集装置获取量测端M端和量测端N端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前(l1/vl+l2/vc)时窗长和故障初始到达后2(l1/vl+l2/vc)时窗长的行波数据；其次，采用DWT?PCA?SVM判别机制，实现故障段的判别；再次，分别于量测端M端和量测端N端，于行波观测时窗[t0,t0+l1/(2v)]和[t0,t0+l2/(2v)]时窗内，计算测距函数fMu(x)和fNu(x)沿线分布的突变点，并根据测距函数沿线突变的分布规律实现线缆混合线路的故障测距。
【专利说明】
一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法，属于 电力系统继电保护技术领域。
【背景技术】
[0002] 故障测距的任务就是当线路的某一点发生故障时，通过线路两端的实测电流、电 压及线路阻抗等参数计算出故障距离。通常，输电线故障测距方法主要有两类，一类是阻抗 法，是直接计算故障阻抗或其百分比的算法;另一类是行波法，利用高频故障暂态电流、电 压的行波等来间接判定故障点的距离。
[0003] 输电线路行波故障测距经历了早期行波故障测距和现代行波故障测距两个阶段。 近年来随着硬件制造水平以及计算机技术的飞速发展，现代行波测距技术在很多方面遇到 的困境都得到了突破，但仍存在一些尚未解决或者急需要改进的问题，这些问题主要有:故 障行波的辨识准确度如何提高，行波波头到达测量端时刻如何准确的捕捉，不同输电线路 及电压等级对应的波速怎样选取，利用其它健全线路含有的故障信息怎样实现广域行波测 距等方面。因此，现代行波故障测距在未来发展之路中还要面对许多技术和原理层面上的 挑战。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提出一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线 路双端测距方法，用以解决上述问题。
[0005] 本发明的技术方案是:一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距 方法，首先，当线路发生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取量测 端Μ端和量测端Ν端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前（li/vi+12/V。)时窗长和 故障初始到达后2(1^1+12")时窗长的行波数据;其次，采用DWT-PCA-SVM判别机制，实现 故障段的判别；再次，分别于量测端Μ端和量测端Ν端，于行波观测时窗[to Jo+WUv)]和 [t0，tQ+l2/(2v)]时窗内，计算测距函数f Mu(x)和fNu(x)沿线分布的突变点，并根据测距函数 沿线突变的分布规律实现线缆混合线路的故障测距。
[0006] 具体步骤为：
[0007] 第一步、当线路发生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取 量测端Μ端和量测端Ν端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前（li/vi+12/V。)时窗 长和故障初始到达后2(1:/^+12/^)时窗长的行波数据；
[0008] 第二步、采用下述步骤判断故障段：
[0009] 首先，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波到达量测端后27 个点，即采用2(1:/^+12/%)时窗长的数据，进行小波分解(DWT)，得到a^cU~d 8小波重构系 数；
[0010]其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行主成分分析(PCA)，得到 Ρ&~Ρ(：5主成分对应的投影值qi~q5;
[0011]再次，将如~啦作为支持向量机(SVM)的输入量：
[0012]若SVM输出0,表示架空线路故障；
[0013] 若SVM输出1，表示电缆故障；
[0014] 上述方法为"DWT-PCA-SVM"故障段判别机制；
[0015]第三步、构建测距函数。首先，根据式（1)和(2)计算沿线电压分布；
[0018]式中，UM=ikXZc，ik为相邻健全线路电流行波，在式(1)和⑵中，j=M，N;
[0019] j=M时，表示采用量测端Μ端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为电缆 波阻抗Z c = Zc, cable，电缆芯线电阻r = rc，电缆波速度V = V。；
[0020] j=N时，表示采用量测端N端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为架空 线路波阻抗Zc^Zc^hl，架空线路线模电阻r = ri，架空线路波速度ν = νι;
[0021] 其次，计算方向行波沿线路分布：
[0022] 根据式（1)和式(2)计算得到电压行波和电流行波以及式(3)和(4)计算正向行波 和反向行波：
[0023] 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3)
[0024] 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4)
[0025] 再次，提取正向行波和反向行波的突变：
[0026] 先采用式(5)和(6)差分运算得到(0和、，⑴；
[0027] %< (，) = [?; (卜Δ，)]/Δ， （5)
[0028] cSt i：r (/) = [?/； (? - ιΓη (t - Δ/)] / At (β)
[0029] (〇为正向行波的差分结果，《 (0为反向行波的差分结果，Δ t为采样间隔；
[0030] 再计算差分结果Cdlf在一段时间的能量心,(U)，即：
[0033] 式中，SV(M)为正向行波在一段时间内的能量(-V)为反向行波在一段时间内 的能量，在式(3)~(8)中，j=M、N;
[0034] 最后，构建测距函数：
[0035] 分别于量测端Μ端和量测端N端，在[to，to+l/(2v)]时窗长度内，得到测距函数fMu (X)和fNuI(X):
[0038]第四步、确定故障距离：
[0039]将量测端Μ端，在[tQ，to+l/(2V)]时窗内计算得到测距函数fuI(x)的突变点记为突 变解集f Ml! = [ XM1，XM2，......]；
[0040] 将量测端N端在[如，如+1/(2￥)]时窗内计算得到测距函数€_&)的突变点记为突 变解集fNU=[XNl，XN2,......]；
[0041] 若根据步骤二，判断出故障位于架空线路，根据式：
[0042] x*M= (vi/vc)x*n x*M￡fMu x*NefNu
[0043] 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离；
[0044] 若根据步骤二，判断出故障位于电缆线路，根据式：
[0045] X*M= (vc/vi)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0046] 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离。
[0047]构建DWT-PCA-SVM线缆混合线路故障线段辨识的模型及算法：
[0048] 首先，采用附图1所示的线缆混合线路仿真系统，以架空线路起端观测为例。假设 线路发生A相金属性接地故障，故障初相角分别设为+90°和-90°。设置故障位置从离开起端 lkm开始，步长为lkm，遍历电缆和架空线路全长。得到68条故障电流行波数据，并对电流行 波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波到达量测端后27个点，即采用2(1:/^+12/ Vc)时窗长的数据。其次，将电流行波数据进行小波分解，并选取a，d2~d8尺度下的小波系数 进行重构;再次，将重构后的电流行波小波系数进行 PCA(主成分)聚类分析，得到PCl~PCd 成分对应的投影值qi~q5。最后，将qi~q5作为SVM的输入量，进行训练，并规定SVM输出0，表 示架空线路故障;若SVM输出1，表示电缆故障。其中，h为架空线路全长，1 2为电缆线路全长， VI为架空线路波速度，V。为电缆线路波速度。
[0049] 本发明的有益效果是：
[0050] (1)采用DWT-PCA-SVM判别机制，实现了线缆混合线路故障段的可靠辨识；
[0051] (2)双端不需要同步，适用于工程实际。
【附图说明】
[0052]图1为本发明实施例1、实施例2和实施例3中的线路结构图，架空线路全长25km，电 缆线路全长为l〇km;
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0054] 一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法，首先，当线路发 生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取量测端Μ端和量测端N端故 障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前(h/Vi+h/V。)时窗长和故障初始到达后2(li/ V1+1 2/Vc)时窗长的行波数据;其次，采用DWT-PCA-SVM判别机制，实现故障段的判别;再次， 分别于量测端Μ端和量测端N端，于行波观测时窗[tQ，to+li/(2v)]和[tQ，to+l2/(2v)]时窗 内，计算测距函数f Mu(x)和fNu(x)沿线分布的突变点，并根据测距函数沿线突变的分布规律 实现线缆混合线路的故障测距。
[0055] 具体步骤为：
[0056]第一步、当线路发生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取 量测端Μ端和量测端Ν端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前（li/vi+12/V。)时窗 长和故障初始到达后2(1:/^+12/1)时窗长的行波数据；
[0057]第二步、采用下述步骤判断故障段：
[0058]首先，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波到达量测端后27 个点，即采用2(1:/^+12/^)时窗长的数据，进行小波分解(DWT)，得到a^cU~d8小波重构系 数；
[0059]其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行主成分分析(PCA)，得到 Ρ&~Ρ(：5主成分对应的投影值qi~q5;
[0060]再次，将qi~q5作为支持向量机(SVM)的输入量：
[00611若SVM输出0,表示架空线路故障；
[0062] 若SVM输出1，表示电缆故障；
[0063] 上述方法为"DWT-PCA-SVM"故障段判别机制；
[0064]第三步、构建测距函数。首先，根据式（1)和(2)计算沿线电压分布；
[0065]
[0067] 式中，UM=ikXZc，ik为相邻健全线路电流行波，在式(1)和⑵中，j=M，N;
[0068] j=M时，表示采用量测端Μ端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为电缆 波阻抗Zc = Zc, cable，电缆芯线电阻r = rc，电缆波速度V = V。；
[0069] j=N时，表示采用量测端N端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为架空 线路波阻抗Zc^Zc^hl，架空线路线模电阻r = ri，架空线路波速度ν = νι;
[0070] 其次，计算方向行波沿线路分布：
[0071] 根据式（1)和式(2)计算得到电压行波和电流行波以及式(3)和(4)计算正向行波 和反向行波：
[0072] 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3)
[0073] 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4)
[0074] 再次，提取正向行波和反向行波的突变：
[0075] 先采用式(5)和(6)差分运算得到^^ (0和(0;
[0076] V,, (〇 = [〃: (0-":(卜~ 夠
[0077] cbt_u _ (/) = [η；(/)~?；(?-Δ0]/Δ/ (6)
[0078] (0为正向行波的差分结果，V,,,-⑴为反向行波的差分结果，Δ t为采样间隔；
[0079] 再计算差分结果Cdlf在一段时间的能量心Λ^)，即：
[0082] 式中，(U)为正向行波在一段时间内的能量Λ", (Κ)为反向行波在一段时间 内的能量，在式(3)~(8)中，j=M、N;
[0083] 最后，构建测距函数：
[0084] 分别于量测端Μ端和量测端N端，在[to，to+l/(2v)]时窗长度内，得到测距函数fMu (X)和fNuI(X):
[0087]第四步、确定故障距离：
[0088]将量测端Μ端，在[to，tQ+l/(2v)]时窗内计算得到测距函数fui(x)的突变点记为突 变解集f Ml! = [ XM1，XM2，......]；
[0089] 将量测端N端在[如，如+1/(2￥)]时窗内计算得到测距函数€_&)的突变点记为突 变解集fNU=[XNl，XN2,......]；
[0090] 若根据步骤二，判断出故障位于架空线路，根据式：
[0091] X*M= (vi/vc)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0092] 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离；
[0093]若根据步骤二，判断出故障位于电缆线路，根据式：
[0094] X*M= (vc/vi)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0095] 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离。
[0096]构建DWT-PCA-SVM线缆混合线路故障线段辨识的模型及算法：
[0097]首先，采用附图1所示的线缆混合线路仿真系统，以架空线路起端观测为例。假设 线路发生A相金属性接地故障，故障初相角分别设为+90°和-90°。设置故障位置从离开起端 lkm开始，步长为lkm，遍历电缆和架空线路全长。得到68条故障电流行波数据，并对电流行 波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波到达量测端后27个点，即采用2(1:/^+12/ Vc)时窗长的数据。其次，将电流行波数据进行小波分解，并选取a，d2~d8尺度下的小波系数 进行重构;再次，将重构后的电流行波小波系数进行 PCA(主成分)聚类分析，得到PCl~PCd 成分对应的投影值qi~q5。最后，将qi~q5作为SVM的输入量，进行训练，并规定SVM输出0，表 示架空线路故障;若SVM输出1，表示电缆故障。其中，h为架空线路全长，1 2为电缆线路全长， VI为架空线路波速度，V。为电缆线路波速度。
[0098]实施例1:以图1所示的输电线路为例，架空线路距离量测端Μ端2.5km发生接地故 障。
[0099] 根据说明书中步骤二，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波 到达量测端后27个点，即采用2(ll/vl+12/v C)时窗长的数据，进行小波分解，得到a0、dl~ d8小波重构系数。其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行PCA聚类分析， 得到PC1~PC5主成分对应的投影值ql~q5= [3.05 0.0054 0.35 0.024 -0.016]作为SVM 的输入属性，SVM输出0,表示架空线路故障。根据步骤三、四得到Μ端测距函数fMu(x)，且fMu =[2.414.96];同理得到量测端1^端测距函数€%(1)，且€%=[3.67 7.43]，可知^1 = 2.41 * xni/(vi/v。) = 3.67,故得到故障位于架空线路，且离开量测端Μ端2.41km。
[0100] 实施例2:以图1所示的输电线路为例，架空线路距离量测端Μ端10.5km发生接地故 障。
[0101] 根据说明书中步骤二，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波 到达量测端后27个点，即采用2(ll/vl+12/v C)时窗长的数据，进行小波分解，得到a0、dl~ d8小波重构系数。其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行PCA聚类分析， 得到PC1~PC5主成分对应的投影值ql~q5=[1.81 0.12 0.02 0.013 0.014]作为SVM的输 入属性，SVM输出0,表示架空线路故障。根据步骤三、四得到量测端Μ端测距函数fMu(x)，且 fMu= [14.30];同理得到量测端N端测距函数fNu(x)，且fNu= Φ。可知，故得到故障位于架空 线路，且离开量测端Μ端10.70km。
[0102] 实施例3:以图1所示的输电线路为例，电缆线路距离Μ端28.5km发生接地故障。
[0103] 根据说明书中步骤二，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波 到达量测端后27个点，即采用2(ll/vl+12/vC)时窗长的数据，进行小波分解，得到aO、dl~ d8小波重构系数。其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行PCA聚类分析， 得到PC1~PC5主成分对应的投影值ql~q5= [0.96 -0.35 -0.25 0.006 -0.0049]作为SVM 的输入属性，SVM输出0,表示架空线路故障。根据步骤三、四得到端测距函数fMu(x)，且fMu = [5.43];同理得到量测端N端测距函数fNU(x)，且fNU=[3.63]，可知，χμι = 5·43 ? xni/(vi/vc) =3.63，故得到故障位于电缆线路，且离开量测端Μ端28.63km。
[0104]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法，其特征在于:首先， 当线路发生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取量测端Μ端和量测 端Ν端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前（hM+12/V。)时窗长和故障初始到 达后2(1^1+12/1)时窗长的行波数据;其次，采用DWT-PCA-SVM判别机制，实现故障段的判 另IJ;再次，分别于量测端Μ端和量测端Ν端，于行波观测时窗[t^to+h/Uv)]和[t Q，tQ+l2/ (2v)]时窗内，计算测距函数fMu(x)和f Nu(x)沿线分布的突变点，并根据测距函数沿线突变 的分布规律实现线缆混合线路的故障测距。2. 根据权利要求1所述的基于故障行波沿线分布特性的线缆混合线路双端测距方法， 其特征在于具体步骤为： 第一步、当线路发生故障时，分别于量测端Μ端和量测端N端，由高速采集装置获取量测 端Μ端和量测端Ν端故障电流行波数据，并截取故障初始行波到达前（1ι/νι+12/ν。)时窗长和 故障初始到达后2(1:/^+12/1)时窗长的行波数据； 第二步、采用下述步骤判断故障段： 首先，将电流行波取绝对值后选取行波到达量测端前3个点，行波到达量测端后27个 点，即采用时窗长的数据，进行小波分解，得到aoA~cM、波重构系数； 其次，选取a，d2~d8尺度下重构获取的故障电流波形进行主成分分析，得到？&~？(： 5主 成分对应的投影值qi~q5; 再次，将qi~q5作为支持向量机的输入量： 若SVM输出0,表示架空线路故障； 若SVM输出1，表示电缆故障； 第三步、构建测距函数： 首先，根据式(1)和(2)计算沿线电压分布；式中，UM=ikXZc；，ik为相邻健全线路电流行波，在式⑴和(2)中，j=M，N; j=M时，表示采用量测端Μ端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为电缆波阻 抗Zc = Zc，cable，电缆芯线电阻r = rc，电缆波速度V = Vc ; j=N时，表示采用量测端N端数据计算沿线电压和电流分布，且线路参数取为架空线路 波阻抗Zc^Zc^HL，架空线路线模电阻r = ri，架空线路波速度ν = νι; 其次，计算方向行波沿线路分布： 根据式（1)和式(2)计算得到电压行波和电流行波以及式(3)和(4)计算正向行波和反 向行波： 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3) 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4) 再次，提取正向行波和反向行波的突变： 先采用式(5)和(6)差分运算得到~_",. (0和(0 ;(5) (6) .-丨、' I- ，-、. ' .，-、.··.」. ... ㈧为正向行波的差分结果，％(0为反向行波的差分结果，Δ t为采样间隔；再计算差分结果(3册在一段时间的能量1,(^)，SP: m (8) 式中，(u)为正向行波在一段时间内的能量(·ν)为反向行波在一段时间内的能 量，在式(3)~(8)中，j=M、N; 最后，构建测距函数： 分别于量测端Μ端和量测端N端，在[to，to+1/(2v)]时窗长度内，得到测距函数fMU(X)和 fNul(x)：? Μ i9b) 第四步、确定故障距离： 将量测端Μ端，在[tQ，t〇+l/(2V)]时窗内计算得到测距函数fuI(x)的突变点记为突变解 Mu - [ XM1, XM2 ,......]; 将量测端N端在[tQ，t〇+l/(2V)]时窗内计算得到测距函数fNu(x)的突变点记为突变解集 fNu= [XNI ,ΧΝ2 ,......]； 若根据步骤二，判断出故障位于架空线路，根据式： Χ*Μ= (ν?/ν〇)χ*Ν X*M^fMu X*N^fNu 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离； 若根据步骤二，判断出故障位于电缆线路，根据式： Χ*Μ= (ν〇/ν?)χ*Ν X*M^fMu X*N^fNu 并结合突变点的极性和幅值，确定故障距离。
【文档编号】G01R31/08GK105866625SQ201610201245
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】束洪春, 田鑫萃
【申请人】昆明理工大学