一种基于故障行波沿线分布特性的含upfc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UPFC线路单端行波测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。分别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，于量测端在时窗内，对行波突变取绝对值再进行积分可获取测距函数fMuI(x)、fMuII(x)、fNuI(x)和fNuII(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UPFC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UPFC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] 统一潮流控制器(UPFC)是由两个背靠背的变流器通过一个直流储能大电容连接 起来的装置，是一种理想的AC到AC的变流器结构。采用这种结构，有功功率可以在两个变流 器的交流侧之间沿任何一个方向流动，同时两个完全相同的变流器也可以在自己的交流输 出端独立地吸收或发出无功功率。由图10-103可知，UPFC元件通过变压器1并联接入系统， UPFC元件通过变压器2串联接入系统。UPFC通过串联在线路中的变压器1给输电线路注入了 幅值和相角可变的电压，可以看作是线路中串联一个同步交流电压源和电感;UPFC与线路 并联，可作为独立地与电网进行无功交换，相当于一个STATC0M，调节节点的电压。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，因此采用基于工频量的单端阻抗法进 行测距，往往不能获得正确的故障位置。
【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UPFC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UPFC线路单端行波测 距方法，当线路发生故障时，首先，分别由量测端M和量测端N高速采集装置获得量测端M和 量测端N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，于量测端M和量测端N，在[to，t0+ll/(2v) ]、[t0+ll/(2v)，to+ll/v]、[to, t0+l2/ (2v)]和[tQ+l2/(2V)，t Q+l2/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 MuI(X)、fMun(X)、fNuI(x)和f NuII(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：
[0007] 由量测端M和量测端N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；
[0008] 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：
[0009] UM=ikXZc (1)
[0010] 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；
[0011] 第三步、计算方向行波沿线路分布：
[0012]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[to， to+1/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：
[0015]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；
[0016]第四步、计算正向行波与反向行波：
[0017] 正向电压行波为：
[0018] u+x,s= (ux,s+Zc,six,s)/2 (4)
[0019] 反向电压行波为：
[0020] u-x，s= (Ux，s-Zc，six，s)/2 (5)
[0021] u+x,s为距离量测端x处的正向行波，iTx, 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，ix, s为距离量测端X处的电流行波；
[0022]第五步、提取正向行波和反向行波的突变：
[0023]首先，采用式(6)和(7)差分运算得到
[0024] (象"4，)和~-》-(，)；
[0025] cAt_ut (r) = [<i(?)-<i(?-A/)]/Ar 鱗
[0026] cJit ir (t) = [u^(t)-u^(t-At)]/At U)
[0027] (0为正向行波的差分结果，c,⑴为反向行波的差分结果。A t为采样间隔； [0028]其次，计算差分结果cdlf在一段时间的能量S2u (x，t)，即：
[0029] 讲
[0030] V(^0= i k.(〇T w n=t--N-At^\L " 」
[0031 ]式(8)中，(.V)为正向行波在一段时间内的能量;式(9)中，U.v)为反向行波 在一段时间内的能量；
[0032] 第六步、构建测距函数：
[0033] 根据式(8)和式(9)得到(-口)和(以).于[to，t0+l/(2v)]和[t0+l/(2v)，t0+l/ v]时窗长度内，按照式(1 〇 )得到量测端M和量测端咐则距函数fMul ( X )、fMull (X )、fNul ( X)和fNuII (X)即：
[0034] /Ml0(.r) = j:: 〃 °.H，，)xS2a_(:v,?)df (10a)
[0035] ,/muii (-t) =Cx2,)52.<+ (?T^)x52,r (J'〇d/ (10b)
[0036] /NuI(jt)=[:十':(""心（x,，)xS2n- (x,，)d， （10c)
[0037] /麵(.'.) = ￡:二Sy (.v)x \ ClQd)
[0038]第七步、故障侧的判别：
[0039] 借助于测后模拟思想，先假设故障位于UPFC元件左侧线路，利用量测端M的暂态数 据，计算于行波观测时窗[to Jo+WUv)]、线长区间[0山]内测距函数沿线突变，若测距函 数沿线存在有突变点，则可以判定故障位于1:线路段;若测距函数沿线长范围内连续变化， 不存在突变点，则判定故障位于h线路段；
[0040] 第八步、确定故障距离：
[0041] 若根据步骤七，判断出故障位于h线路段，则利用量测端M的行波数据，分别在时 窗[to，to+li/(2v)]和[to+li/(2v)，to+li/v]计算测距函数沿线分布的突变；
[0042] 若在两个相继时窗内，其测距函数只有1个突变点，且当该突变极性为负时，故障 距离量测端M:x，当该突变极性为正时，故障距离量测端Ih-x;
[0043]若测距函数有多个突变点，则根据式xVfnzli，并结合突变点的幅值和极性，判 断出反映故障位置的突变点；
[0044]同理，若根据步骤七，判断出故障位于12线路段，利用量测端N的行波数据，分别在 时窗[tQ，t0+l2/(2v)]和[t0+l2/(2v)，t0+l2/v]计算测距函数沿线分布的突变；
[0045]若测距函数只有一个突变点，且当该处突变极性为负时，故障距离量测端N:x，当 该突变极性为正时，故障距离量测端N: l2-x;
[0046]若测距函数有多个突变点，则根据式，dxV = 12，并结合突变点的幅值和极性，判 断出反映故障位置的突变点。
[0047]本发明的有益效果是：
[0048] (1)无需考虑补偿装置的动作特性，测距算法更可靠有效，并且不需要考虑双端同 步；
[0049] (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】
[0050] 图1为本发明实施例1的线路结构图，11 = 50km，12 = 100km;
[00511图2(a)为本发明实施例1端量测M电压波形；
[0052]图2(b)为本发明实施例1端量测M端量测端电流波形；
[0053]图3(a)为本发明实施例1中，于[t0，tO+11 /(2v)]时窗长内，端量测M测距函数沿线 长范围内的突变分布；
[0054] 图3(b)为本发明实施例1中，于[t0+ll/(2v)，t0+ll/v]时窗长内，端量测M测距函 数沿线长范围内的突变分布；
[0055] 图4(a)为本发明实施例1中量测端N电压波形；
[0056] 图4 (b)为本发明实施例1中量测端N电流波形；
[0057]图5 (a)为本发明实施例1中，于[to，to+12/(2v)]时窗长内，端量测M测距函数沿线 长范围内的突变分布；
[0058] 图5(b)为本发明实施例1中，于[tQ+l2/(2v)，to+l2/v]时窗长内，端量测M测距函数 沿线长范围内的突变分布。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0060] 一种基于故障行波沿线分布特性的含UPFC线路单端行波测距方法，当线路发生故 障时，首先，分别由量测端M和量测端N高速采集装置获得量测端M和量测端N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，于量测端M 和量测端N，在[to，to+li/(2v) ]、[to+li/(2v)，to+li/v]、[to，to+l2/(2v)]和[to+l2/(2v)，to+ 12/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fM Ul(X)、fMun(X)、fNuI(x)和 fMI(X)，并根据测距函数沿线突变分布规律实现故障测距。
[0061 ] 具体步骤为：
[0062]第一步、读取行波数据：
[0063]由量测端M和量测端N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；
[0064] 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：
[0065] UM=ikXZc (1)
[0066] 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；
[0067]第三步、计算方向行波沿线路分布：
[0068]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[to， to+1/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：
[0071] 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；
[0072] 第四步、计算正向行波与反向行波：
[0073]正向电压行波为：
[0074] u+x,s= (ux,s+Zc,six,s)/2 (4)
[0075]反向电压行波为：
[0076] u_x,s= (ux,s-Zc,six,s)/2 (5)
[0077] 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；
[0078] 第五步、提取正向行波和反向行波的突变：
[0079]首先，采用式(6)和(7)差分运算得到
[0080] ~和 V"-⑴；
[0081] cdij_u. (?) = [uls (/) - uls (t - A/)] / At (6)
[0082] %」,（〇 = L?"(，)-?u(r-~)]M， (7)
[0083] V,, (〇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； [0084]其次，计算差分结果cdlf在一段时间的能量S2u(x，t)，即：
[0085] S^(x,t)= X [c/!/(!401 ③
[0086] S^{x,t)= X (9) n=t-NAt-AL ' J
[0087] 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；
[0088] 第六步、构建测距函数：
[0089] 根据式(8)和式(9)得到U.y，?）和(*,:()，:于[t0，t0+l/(2v)]和[t0+l/(2v)，t0+l/ v]时窗长度内，按照式(1 〇 )得到量测端M和量测端咐则距函数fMul ( X )、fMull (X )、fNul ( X)和fNuII (X)即：
[0090] ,/MuI (,') =广'-'>心(l〇d)
[0091] /Mlln (^) = (l°b)
[0092] = (^)：tir (IOC)
[0093] /Nmr (X) = 1-T' 0X 52"- (1〇d)
[0094] 第七步、故障侧的判别：
[0095] 借助于测后模拟思想，先假设故障位于UPFC元件左侧线路，利用量测端M的暂态数 据，计算于行波观测时窗[to Jo+WUv)]、线长区间[0山]内测距函数沿线突变，若测距函 数沿线存在有突变点，则可以判定故障位于1:线路段;若测距函数沿线长范围内连续变化， 不存在突变点，则判定故障位于h线路段；
[0096]第八步、确定故障距离：
[0097] 若根据步骤七，判断出故障位于h线路段，则利用量测端M的行波数据，分别在时 窗[to，to+li/(2v)]和[to+li/(2v)，to+li/v]计算测距函数沿线分布的突变；
[0098] 若在两个相继时窗内，其测距函数只有1个突变点，且当该突变极性为负时，故障 距离量测端M:x，当该突变极性为正时，故障距离量测端Ih-x;
[0099] 若测距函数有多个突变点，则根据式，dZni h，并结合突变点的幅值和极性，判 断出反映故障位置的突变点；
[0100] 同理，若根据步骤七，判断出故障位于12线路段，利用量测端N的行波数据，分别在 时窗[tQ，t0+l2/(2v)]和[t0+l2/(2v)，t0+l2/v]计算测距函数沿线分布的突变；
[0101] 若测距函数只有一个突变点，且当该处突变极性为负时，故障距离量测端N:X，当 该突变极性为正时，故障距离量测端N: 12-X;
[0102] 若测距函数有多个突变点，则根据式，dZnih，并结合突变点的幅值和极性，判 断出反映故障位置的突变点。
[0103] 实施例1:以图1所示的输电线路为例，在UPFC左侧距离量测端M，30km处发生A相金 属性接地故障。
[0104] 根据说明书中步骤一，分别于量测端M和量测端N获取到1.51/v时窗长度的行波数 据；
[0105] 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=ikX Zc ;
[0106] 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);
[0107]根据步骤四计算正向行波与反向行波u+x,s和if x,s;
[0108]根据步骤五，计算提取正向行波和反行波的突变、^㈨和、⑷以及能量 U")和 L(x，06
[0109] 根据步骤六，构建测距函数。fMuI(X)、fMuII(X)、fNuI(X)和fNuII(X)。
[0110] 根据步骤七，判断故障侧。于量测端M二个相继行波观测时窗[to, to+lV(2V)]和 [t0+W(2V) Jo+Wv]，计算其测距函数沿线得突变分布中，有多个突变点；而采用量测端N 暂态数据计算其测距函数在区间[0，12]内，没有突变。据此，可以判断故障位于UPFC元件左 侧线路。
[0111] 根据步骤八，确定故障距离。fMui= [29.9]km和fMuii= [44.7 49.7]km，且xii+xiii = 29.9km+44.7km = 74.6km= li，且xii点处突变极性为负。因此，可判知故障位于UPFC左侧线 路li，且距离M端29.9km处。
[0112] 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UPFC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，分别由量测端M和量测端N高速采集装置获得量测端M和量测端N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，于量测端M和量测端N，在[to, to+li/(2v) ]、[to+li/(2v)，to+li/v]、[to, to+l2/(2v)]和[to + l2/(2v)，tQ+l2/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 MuI(x)、fMuII (x)、fNuI(x)和fNuII(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UPFC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M和量测端N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； 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= 1,2. ..，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，Zq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 x,s -(Ux，s+Zc,six,s)/2 (4) 反向电压行波为： U x,s -(llx,s-Zc,s?χ,s)/2 (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) (7) (〇为正向行波的差分结果，、(0为反向行波的差分结果。A 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：(S) (9) 式(8)中，为正向行波在一段时间内的能量;式(9)中，心(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、Hv)和S2<|_ (.V)，于[t〇，t()+l/(2v)]和[t〇+l/(2v)，t〇+l/v]时 窗长度内，按照式（1 〇 )得到量测端M和量测端N测距函数f MuI ( X )、f MuII ( X )、f NuI ( X )和f NuII ( X ) 即： (IOa) (l"b) (IUc) (IOd) 第七步、故障侧的判别： 借助于测后模拟思想，先假设故障位于UPFC元件左侧线路，利用量测端M的暂态数据， 计算于行波观测时窗[t^to+h/Uv)]、线长区间[OJ1]内测距函数沿线突变，若测距函数 沿线存在有突变点，则可以判定故障位于1:线路段;若测距函数沿线长范围内连续变化，不 存在突变点，则判定故障位于I 2线路段； 第八步、确定故障距离： 若根据步骤七，判断出故障位于I1线路段，则利用量测端M的行波数据，分别在时窗[to， to+li/(2v)]和[to+li/(2v)，to+li/v]计算测距函数沿线分布的突变； 若在两个相继时窗内，其测距函数只有1个突变点，且当该突变极性为负时，故障距离 量测端M: X，当该突变极性为正时，故障距离量测端M: Ii-x; 若测距函数有多个突变点，则根据式XVfn = I1，并结合突变点的幅值和极性，判断出 反映故障位置的突变点； 同理，若根据步骤七，判断出故障位于I2线路段，利用量测端N的行波数据，分别在时窗 [to，to+l2/(2v)]和[to+l2/(2v) ,to+h/v]计算测距函数沿线分布的突变； 若测距函数只有一个突变点，且当该处突变极性为负时，故障距离量测端N:x，当该突 变极性为正时，故障距离量测端N: h-x; 若测距函数有多个突变点，则根据式X Vfn = I2,并结合突变点的幅值和极性，判断出 反映故障位置的突变点。
【文档编号】G01R31/08GK105891672SQ201610200487
【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