一种基于故障行波沿线分布特性的含statcom线路单端行波测距方法

文档序号:10533241阅读:331来源:国知局
一种基于故障行波沿线分布特性的含statcom线路单端行波测距方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于故障行波沿线分布特性的含STATCOM线路单端行波测距方法,属于电力系统继电保护技术领域。当线路发生故障时,由量测端高速采集装置获得量测端故障电流行波数据,并利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波;其次,通过含故障相的相模变换运算来获取线模电压行波和线模电流行波;根据线模电流和线模电压,沿线计算步长取0.1m,应用贝杰龙传输方程计算电压和电流行波突变的沿线分布;最后,于[t0,t0+l/(2v)]和[t0+l/(2v),t0+l/v]时窗内,对行波突变取绝对值再进行积分可获取测距函数fuI(x)和fuII(x),并根据测距函数沿线突变分布规律实现故障测距。
【专利说明】
一种基于故障行波沿线分布特性的含STATCOM线路单端行波 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含STATCOM线路单端行波测距方 法,属于电力系统继电保护技术领域。
【背景技术】
[0002] 在超高压输电线路上装设补偿设备,可以通过不同的补偿方式来增强线路的稳态 输送功率能力以及提高系统的暂态稳定裕度,优化线路潮流和降低线路损耗等。由于线路 中含有补偿装置就破坏了输电线全线阻抗的均匀性,因此利用工频量的单端阻抗法测距往 往不能获得正确的故障位置。通常可将STATCOM视为通过一个连接电感(通常是变压器)与 系统连接,并向系统输出功率为彳=队)/,其中么为系统电压、氏为STATCOM输出电 压,L为连接电感。当STATCOM输出电压矻幅值大于系统电压f),幅值,流过连接电感的补偿电 流超前系统电压,STATCOM向系统输出容性功率;当STATCOM输出电压病幅值小于系统电压 钇幅值,流过连接电感的补偿电流滞后系统电压,STATCOM向系统输出感性功率。可见, STATCOM通过幅值和相位的调控,向系统输入容性功率或感性功率。当输电线路发生故障 后,STATCOM所处的状态与故障前相同。对于STATCOM在行波层次的等效主要取决于连接变 压器一次侧漏感,以及开关损耗等效电阻,相比较无功功率而言,STATCOM向系统吸收的有 功功率很小,一般都忽略,因此STATCOM在行波层次上其一次侧可以视为等效为电感,其电 感值与STATCOM的容量有关。

【发明内容】

[0003] 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含STATCOM线 路单端行波测距方法,用以解决上述问题。
[0004] 本发明的技术方案是:一种基于故障行波沿线分布特性的含STATCOM线路单端行 波测距方法,当线路发生故障时,首先,由量测端高速采集装置获得量测端故障电流行波数 据,并利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波;其次,通过含故障相的相模变 换运算来获取线模电压行波和线模电流行波;再次,根据线模电流和线模电压,沿线计算步 长取〇.lm,应用贝杰龙传输方程计算电压和电流行波突变的沿线分布;最后,于[t Q,tQ+l/ (2v)]和[t0+l/(2V),t0+l/ V]时窗内,对行波突变取绝对值再进行积分可获取测距函数fuI (x)和fuII(x),并根据测距函数沿线突变分布规律实现故障测距。
[0005] 具体步骤为:
[0006] 第一步、读取行波数据:由量测端高速采集装置获得的量测端故障电流行波数据, 并截取故障初始行波到达前l/(2v)时窗长度和故障初始行波到达后1/v时窗长度,即总共 1.51/V时窗长度的行波数据;其中,1为含有STATCOM的输电线路的全长;
[0007] 第二步、利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波,即:
[0008] uM=ikXZc (1)
[0009] 式(1)中UM为量测端电压,ik为最长健全线路量测端电流,Zc为线路波阻抗;
[0010] 第三步、计算方向行波沿线路分布:根据步骤(1)和步骤(2)得到的电流行波和电 压行波,利用贝杰龙公式计算在[tQ,t Q+l/V]时窗长度电压行波和电流行波沿线分布;
[0011] 其中,to为故障初始行波到达量测端的时刻,即:
[0014] 式中,下标s表示模量,s = l,2. . .,um,s为量测端线模电压,iM,s为量测端线模电流, x为离开量侧端的距离,rs单位长度的线模电阻,Z。, s为线模波阻抗,vs线模波速度;
[0015] 第四步、计算正向行波与反向行波:
[0016] 正向电压行波为:
[0017] u+x,s= (ux,s+Zc,six,s)/2 (4)
[0018] 反向电压行波为:
[0019] u-x,s= (Ux,s-Zc,six,s)/2 (5)
[0020] U+X,S为距离量测端X处的正向行波,lfx,s为距离量测端为X处的反向行波,Ux,s为距 离量测端X处的电压行波,i x, s为距离量测端X处的电流行波;
[0021] 第五步、提取正向行波和反向行波的突变:首先,采用式(6)和(7)差分运算得到
[0022] cdn_ut (/)fPVir (i);
[0023] %乂(,)=[;匕(,)-(6)
[0024] cdif_t_ (?) = [irs (0-?;s (?-A0]/ At (7)
[0025] ⑴为正向行波的差分结果,& "十)为反向行波的差分结果,At为采样间隔;
[0026] 其次,计算差分结果Cdlf在一段时间的能量S2u (x,t),即:
[0027] S [气4," (… fg) 解 1L." 」 、7
[0028] V(^0= S k;"w] (9)
[0029] 式(8)中心(t,〇为正向行波在一段时间内的能量,式(9)中,H,〇为反向行波在 一段时间内的能量;
[0030] 第六步、构建测距函数:根据式(8)和式(9)得到U.X,/)和U.V),于[tQ,tQ+l/ (2v)]和[to+l/(2v),to+l/v]时窗长度内,按照式(10)得到测距函数f ui(x)、fuii(x),即:
[0031] /ul(.r) = f'(-' 乂+ (.v)xHT,/*)df ..(10a)
[0032] /un(^) = 0('2l,|5,^ (^0x5,:" (-T^)d/ (10b)
[0033] 第七步、确定故障距离:
[0034]将[tQ,to+l/(2V)]时窗和[0,1/2]范围内测距函数fuI(x)的突变点记为突变点解 集ful = [XII,XI2,......];
[0035]将[tQ+l/(2V),to+l/V]时窗和[1/2,1]内测距函数f uII(x)的突变点记为突变点解 集full= [XIII,XII2,......];
[0036] 按照式(11)进行匹配,得到故障距离:
[0037]将测距函数fu(x)含有突变点的个数定义为测距函数fu的长度,比较fuI和fun的长 度,并将长度较长的fu作为基准,则将另一个测距函数中含有突变点依次与基准函数的突 变点按照式(11)进行匹配,并采用欧式距离度量匹配误差;匹配误差最小对应的突变点即 为反映故障位置的突变点,且若A的极性为负,则故障点离开量测端A,若A的极性为正, 则故障点离开量测端1_, 1;
[0038] x*i+x*ii = 1 x*iefui,x*iiefuii (11)
[0039] 若存在多于一对突变点满足线长,0x^ = 1约束,则按照下面所述,实现故障突变 点的辨识;
[0040] 首先将[to,to+l/(2V)]时窗内测距函数沿线分布的突变点解集中满足式 =1的突变点对应的距离记为义=|^142,......Xn];
[0041] 其次,依次假设x= [X1,X2,......Xn]中的xk = Xf(k=l ,2,......n),并在行波观测窗
[to,tQ+tk]内计算测距函数fuk(x)在[0,1/2]范围内的突变分布;
[0042] 若测距函数fuk(x)沿线范围内只存在一个突变点,则该突变点为反映故障位置或 对偶故障位置的突变点,且若该突变点突变极性为负,则故障距离Xf = X1,若该突变点突变 极性为正,则故障距离Xf = 1-X1;
[0043] 若测距函数沿线范围内没有突变点,或多余一个突变点,则该突变点不是反映故 障位置或对偶故障位置的突变点;
[0044] 其中tk的取值范围为[xi/v, (xi+lMki)/v],lMki为量测端最短健全线路的全长。
[0045] 本发明的有益效果是:
[0046] (1)无需考虑补偿装置的动作特性,测距算法更可靠有效;
[0047] (2)利用贝杰龙线路模型具有沿线长维度上的高通滤波器作用,使得测距方法更 具鲁棒性和普适性,易于实现单端测距的实用化。
【附图说明】
[0048]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,线路全长为100km; [0049]图2(a)为本发明实例1中,于[tQ,to+l/(2V)]时窗长内,量测端(M端)测距函数沿线 长范围内的突变分布;
[0050]图2(b)为本发明实例1中,于[tQ+l/(2v),to+l/v]时窗长内,量测端(M端)测距函数 沿线长范围内的突变分布;
[0051]图3(a)为本发明实例2中,于[tQ,to+l/(2V)]时窗长内,量测端(M端)测距函数沿线 长范围内的突变分布;
[0052]图3(b)为本发明实例2中,于[tQ+l/(2v),tQ+l/v]时窗长内,量测端(M端)测距函数 沿线长范围内的突变分布;
[0053]图4(a)为本发明实例2中,于[to,to+xi/v]时窗长内,量测端(M端)测距函数沿线长 范围内的突变分布;
[0054]图4(b)为本发明实例2中,于[tQ,tQ+X2/ V]时窗长内,量测端(M端)测距函数沿线长 范围内的突变分布。
【具体实施方式】
[0055]下面结合附图和【具体实施方式】,对本发明作进一步说明。
[0056] 一种基于故障行波沿线分布特性的含STATC0M线路单端行波测距方法,当线路发 生故障时,首先,由量测端高速采集装置获得量测端故障电流行波数据,并利用相邻健全线 路电流行波和波阻抗来构造电压行波;其次,通过含故障相的相模变换运算来获取线模电 压行波和线模电流行波;再次,根据线模电流和线模电压,沿线计算步长取0.1m,应用贝杰 龙传输方程计算电压和电流行波突变的沿线分布;最后,于[to,t Q+l/(2V)]和[to+l/(2v), to+1/v]时窗内,对行波突变取绝对值再进行积分可获取测距函数f uI(x)和fuII(x),并根据 测距函数沿线突变分布规律实现故障测距。
[0057] 具体步骤为:
[0058] 第一步、读取行波数据:由量测端高速采集装置获得的量测端故障电流行波数据, 并截取故障初始行波到达前l/(2v)时窗长度和故障初始行波到达后1/v时窗长度,即总共 1.51/V时窗长度的行波数据;其中,1为含有STATC0M的输电线路的全长;
[0059] 第二步、利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波,即:
[0060] UM=ikXZc (1)
[0061 ]式(1)中um为量测端电压,ik为最长健全线路量测端电流,Z。为线路波阻抗;
[0062] 第三步、计算方向行波沿线路分布:根据步骤(1)和步骤(2)得到的电流行波和电 压行波,利用贝杰龙公式计算在[tQ,t Q+l/V]时窗长度电压行波和电流行波沿线分布;
[0063] 其中,to为故障初始行波到达量测端的时刻,即:
)
[0067] 式中,下标s表示模量,s = l,2. . .,um,s为量测端线模电压,iM,s为量测端线模电流, x为离开量侧端的距离,^单位长度的线模电阻,Z。, s为线模波阻抗,vs线模波速度;
[0068] 第四步、计算正向行波与反向行波:
[0069]正向电压行波为:
[0070] u+x,s= (ux,s+Zc,six,s)/2 (4)
[0071] 反向电压行波为:
[0072] u-x,s= (ux,s-Zc,six,s)/2 (5)
[0073] u+x,s为距离量测端x处的正向行波,iTx, sS距离量测端为x处的反向行波,ux,s为距 离量测端x处的电压行波,i x, s为距离量测端x处的电流行波;
[0074] 第五步、提取正向行波和反向行波的突变:首先,采用式(6)和(7)差分运算得到 v,(,)和 V"(,) ;
[0075] cd^ (/) = [?;", (/)-?;",(/-A/)]/A? (6)
[0076] (〇 = [":(,)-": (7)
[0077] ⑴为正向行波的差分结果,%⑴为反向行波的差分结果,A t为采样间隔;
[0078] 其次,计算差分结果cdlf在一段时间的能量S2u (x,t),即:
[0079] s2iAxJ)= Z c,u "* (0 A?十 l.L - 」 <5/
[0080] V(")=玄[wW] (9)
[0081] 式(8)中为正向行波在一段时间内的能量,式(9)中,为反向行波在 一段时间内的能量;
[0082] 第六步、构建测距函数:根据式(8)和式(9)得到心+(W)和、MV),于[t0,t0+l/ (2v)]和[to+l/(2v),to+l/v]时窗长度内,按照式(10)得到测距函数fui(x)、fuii(x),即:
[0083] 兄(.t) = £1+' (x,,)xS;- (.w)d? (10a}
[0084] /"" (x) = 5;((+ (x,r)x(x,?)d? (10b)
[0085] 第七步、确定故障距离:
[0086]将[tQ,to+l/(2V)]时窗和[0,1/2]范围内测距函数fuI(x)的突变点记为突变点解 集ful = [XII,XI2,......];
[0087]将[tQ+l/(2V),to+l/V]时窗和[1/2,1]内测距函数f uII(x)的突变点记为突变点解 集full= [XIII,XII2,......];
[0088] 按照式(11)进行匹配,得到故障距离:
[0089]将测距函数fu(x)含有突变点的个数定义为测距函数fu的长度,比较fuI和fun的长 度,并将长度较长的fu作为基准,则将另一个测距函数中含有突变点依次与基准函数的突 变点按照式(11)进行匹配,并采用欧式距离度量匹配误差;匹配误差最小对应的突变点即 为反映故障位置的突变点,且若A的极性为负,则故障点离开量测端A,若A的极性为正, 则故障点离开量测端1_, 1;
[0090] x*i+x*ii = 1 x*iefui,x*iiefuii (11)
[0091] 若存在多于一对突变点满足线长,0x^ = 1约束,则按照下面所述,实现故障突变 点的辨识;
[0092]首先将[to,to+l/(2V)]时窗内测距函数沿线分布的突变点解集中满足式X^+,n =1的突变点对应的距离记为义=|^142,......Xn];
[0093] 其次,依次假设x= [X1,X2,......Xn]中的xk = Xf(k=l ,2,......n),并在行波观测窗
[to,tQ+tk]内计算测距函数fuk(x)在[0,1/2]范围内的突变分布;
[0094] 若测距函数fuk(x)沿线范围内只存在一个突变点,则该突变点为反映故障位置或 对偶故障位置的突变点,且若该突变点突变极性为负,则故障距离Xf = X1,若该突变点突变 极性为正,则故障距离Xf = 1-X1;
[0095] 若测距函数沿线范围内没有突变点,或多余一个突变点,则该突变点不是反映故 障位置或对偶故障位置的突变点;
[0096] 其中tk的取值范围为[xi/v, (xi+lMki)/v],lMki为量测端最短健全线路的全长。
[0097] 所述量测端也可以表述为M端。
[0098] 实施例1:以图1所示的输电线路为例,在STATC0M元件左侧距离M端30km处发生接 地故障。
[0099]根据说明书中步骤一,于M端获取到1.51/v时窗长度的行波数据;根据步骤二,利 用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波得到uM= ik X Z。;根据步骤三,计算电压 行波和电流行波沿线路分布Ux,s(x,t)和i x,s(x,t);根据步骤四计算正向行波与反向行波u +x, s和iTx,s;根据步骤五,计算提取正向行波和反行波的突变& 和以及能量 & 和("M艮据步骤六,构建测距函数。得到测距函数fUi(x)、fun(x)。根据步骤七, 获取故障距离。fui = [30? 2 39.8]km,fuii = [69? 8]km,xii+xm = 30? 2+69.8 = 100.0 = 1,且 xn处突变的极性为负,可知故障位于STATC0M左侧半线长之内,且距离M端30.2km。
[0100] 实施例2:以图1所示的输电线路为例,在TCSC元件右侧距离M端70km处发生接地故 障。
[0101] 根据说明书中步骤一,于量测端M获取到1.51/v时窗长度的行波数据;根据步骤 二,利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波得到u M=ikXZ。;根据步骤三,计 算电压行波和电流行波沿线路分布Ux, s(x,t)和;Lx,s(x,t);根据步骤四计算正向行波与反向 行波u+LiT x,s;根据步骤五,计算提取正向行波和反行波的突变和以及能 量和\_(.v)。根据步骤六,构建测距函数。得到测距函数f uI(x)、fuII(x)。根据步骤 七,获取故障距离。根据步骤七,获取故障距离。f ui=[20.2 29.8]km,fuII=[59.9 70.7 81.0]1〇11,因叉11+叉113 = 20.2+81.0=101.2?1,同时叉12+叉112 = 29.8+70.7 = 100.5 ?1。同样, 存在多于一对突变点满足式,i+xV = 1,因此按照上述步骤,得到x= [20.2 29.8]。现假设 Xf = xi = 20.2km,并在行波观测时窗[to, to+xi/v]内计算测距函数fu(x)在全线长范围内的 行波突变分布,测距函数沿线长范围内没有突变点,故假设不成立, Xf^X1。接着假设Xf = X2 =29.81〇11,在行波观测时窗[1:(),1:()+12八]]内计算测距函数;^(1)在全线长范围内的行波突 变分布,测距函数沿线长范围内只有一个突变点,且该突变点对应的距离为x 2,其突变极性 为正,则假设成立,且故障点离开M端70.2km处。
[0102]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含STATCOM线路单端行波测距方法,其特征在于: 当线路发生故障时,首先,由量测端高速采集装置获得量测端故障电流行波数据,并利用相 邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波;其次,通过含故障相的相模变换运算来获 取线模电压行波和线模电流行波;再次,根据线模电流和线模电压,沿线计算步长取o.lm, 应用贝杰龙传输方程计算电压和电流行波突变的沿线分布;最后,于[t〇,t〇+l/(2 v)]和[to+ l/(2v),t〇+l/v]时窗内,对行波突变取绝对值再进行积分可获取测距函数fuI(x)和fuII(x), 并根据测距函数沿线突变分布规律实现故障测距。2. 根据权利要求1所述的基于故障行波沿线分布特性的含STATCOM线路单端行波测距 方法,其特征在于具体步骤为: 第一步、读取行波数据:由量测端高速采集装置获得的量测端故障电流行波数据,并截 取故障初始行波到达前l/(2v)时窗长度和故障初始行波到达后1/V时窗长度,即总共1.51/ V时窗长度的行波数据;其中,1为含有STATCOM的输电线路的全长; 第二步、利用相邻健全线路电流行波和波阻抗来构造电压行波,即: UM=IkXZc (1) 式⑴中UM为量测端电压,ik为最长健全线路量测端电流,Z。为线路波阻抗; 第三步、计算方向行波沿线路分布:根据步骤(1)和步骤(2)得到的电流行波和电压行 波,利用贝杰龙公式计算在[t〇,t〇+l/v]时窗长度电压行波和电流行波沿线分布; 其中,to为故障初始行波到达量测端的时刻,即:式中,下标S表示模量,S = I,2. ..,uM, S为量测端线模电压,iM, S为量测端线模电流,X 为离开量侧端的距离,^单位长度的线模电阻,Z。, s为线模波阻抗,vs线模波速度; 第四步、计算正向行波与反向行波: 正向电压行波为: U+X1S= (ux,s+Zc,six,s)/2 (4) 反向电压行波为: (5) U+x,S为距离量测端X处的正向行波,U_x,S为距离量测端为X处的反向行波,UX,S为距离量 测端X处的电压行波,Us为距离量测端X处的电流行波; 第五步、提取正向行波和反向行波的突变:首先,采用式(6)和(7)差分运算得到&_,,(/)(6) m ⑴为正向行波的差分结果,(/)为反向行波的差分结果,△ t为采样间隔; 其次,计算差分结果Cdlf在一段时间的能量S2u(X,t ),即:(8) (9) 式(8)中&"+(〃)为正向行波在一段时间内的能量,式(9)中,\ (U)为反向行波在一段 时间内的能量; 第六步、构建测距函数:根据式(8)和式(9)得到& (M)和心_ (*,?,于[tQ,tQ+l/(2V)]和 [t0+l/(2v),tQ+l/V]时窗长度内,按照式(10)得到测距函数f uI(x)、fuII(x),即:(IOa) (IOb) 第七步、确定故障距离: 将[tQ,t〇+l/(2v)]时窗和[0,1/2]范围内测距函数fuI(x)的突变点记为突变点解集f uI = [xil,XI2,......]; 将[tQ+l/(2V),t〇+l/V]时窗和[1/2,1]内测距函数f uII(x)的突变点记为突变点解集fun = [XII1,XII2,......]; 按照式(11)进行匹配,得到故障距离: 将测距函数fu(x)含有突变点的个数定义为测距函数fU的长度,比较fuI和fun的长度,并 将长度较长的fu作为基准,则将另一个测距函数中含有突变点依次与基准函数的突变点按 照式(11)进行匹配,并采用欧式距离度量匹配误差;匹配误差最小对应的突变点即为反映 故障位置的突变点,且若Λ的极性为负,则故障点离开量测端Λ,若Λ的极性为正,则故障 点离开量测端l-xi; X*I+X*II=1 x*iefui,x*iiefuii (11) 若存在多于一对突变点满足线长,^fn = I约束,则按照下面所述,实现故障突变点的 辨识; 首先将[to,tQ+l/(2V)]时窗内测距函数沿线分布的突变点解集中满足式xV,n = l的 突变点对应的距离记为X= [XI,X2,......Xn]; 其次,依次假设X = [ Xi,X2,......Xn ]中的Xk = Xf (k = 1,2,......η ),并在行波观测窗[to,to+ tk]内计算测距函数fuk(x)在[0,1/2]范围内的突变分布; 若测距函数fuk(x)沿线范围内只存在一个突变点,则该突变点为反映故障位置或对偶 故障位置的突变点,且若该突变点突变极性为负,则故障距离Xf = xi,若该突变点突变极性 为正,贝1J故障距离xf = I-Xi; 若测距函数沿线范围内没有突变点,或多余一个突变点,则该突变点不是反映故障位 置或对偶故障位置的突变点; 其中tk的取值范围为[Xl/v,( Xl+lMkl )/v ],IMkl为量测端最短健全线路的全长。
【文档编号】G01R31/08GK105891671SQ201610200339
【公开日】2016年8月24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
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