一种高压直流输电线路故障测距方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压直流输电线路故障测距方法，具体步骤为：步骤1：采集故障线路两端的电压正、负极数据；步骤2：对采集到的正、负极电压数据进行滤波处理；步骤3：对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据；步骤4：确定出初始行波分别到达两端的时刻t1、t2；步骤5：计算出故障距离粗测值d；步骤6：计算0.9d～1.1d所对应的频段dk；步骤7：对频段dk提取固有频率主成分fk；步骤8：利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值d1。本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，解决了传统固有频率法测距中由于“模混叠”现象引起的固有频率难以提取的问题，提高了故障测距的精确度。
【专利说明】
-种高压直流输电线路故障测距方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统高压直流输电继电保护技术领域，具体设及一种高压直流输 电线路故障测距方法。
【背景技术】
[0002] 随着坚强智能电网的建设W及电力系统的不断发展，高电压、远距离、大容量的输 电线路在电网的安全稳定运行中发挥着极为重要的作用。但高压直流输电线路一般都较 长，且沿途地形复杂，环境恶劣，运使线路故障查找异常困难。因此，研究如何快速、准确的 直流输电线路故障测距具有重要意义。
[0003] 当前，高压直流输电线路故障测距方法主要是行波法。单端行波测距仅依赖于一 端的行波信号便可W计算故障距离，但可靠性受故障点反射波波头的识别影响。双端行波 测距法虽无需识别故障点的反射波波头，但要求两端定位装置严格同步，成本较高。且无论 单端、双端行波测距法均存在传播速度难W确定等问题。
[0004] 为了克服时域行波测距面临的困难，一些学者开始对故障暂态行波频谱进行研 究，从频率角度提出了基于固有频率的输电线路故障测距方法。输电线路故障行波频谱与 故障距离之间存在数学关系，利用故障行波频谱可W实现测距，该方法只需单端暂态电气 量，且不受行波波头识别的限制，较识别行波波头的方法更准确可靠。但直流输电线路两侧 的实体物理边界对行波高频成分和低频成分表现的频率特性不同，此外，在非对称短路点 发生线模与零模行波相互交叉透射，致使故障线路自然频率的"混叠"。使上述两种影响均 使得固有频率的提取存在一定困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种高压直流输电线路故障测距方法，解决了现有技术中存 在的固有频率法由于"模混叠"现象所引起的固有频率难W提取的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种高压直流输电线路故障测距方法，具体按照W 下步骤实施：
[0007] 步骤1:采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据；
[000引步骤2:利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行 滤波处理，去除噪声并提取真实的信号；
[0009] 步骤3:利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解禪，得到线模电压数据；
[0010] 步骤4:对线模电压数据进行二进小波变换，利用小波模极大值的方法确定出初始 行波分别到达两端的时刻tl、t2;
[0011] 步骤5:利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻ti、t2,根据双端测距公式计算出 故障距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d~1. Id;
[0012] 步骤6:计算0.9d~1. Id所对应的频段山；
[OOU]步骤7:对频段山提取固有频率主成分fk;
[0014] 步骤8:利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值di。
[0015] 本发明的特点还在于：
[0016] 步骤4中利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻ti、t2的具 体方法为:对行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然 后选择最佳尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极 大值来确定初始行波分别到达故障点的时刻tl、t2。
[0017] 步骤5中故障距离粗测值d采用双端D型测距公式得到，为：
[001 引
（1)
[0019]其中，L为线路总长度，ti、t2分别为故障行波到达整流侧和逆变侧的时刻，V为故障 行波的传播速度。
[0020] 步骤6中0.9d~1. Id所对应的频段dk，为：
[0021]
。）
[0022] 其中，V为故障行波的传播速度。
[0023] 步骤8中故障距离精确值di为：
[0024]
(3)
[0025] 其中，V为故障行波的传播速度。
[0026] 故障行波的传播速度V取经验值2.96 X 108m/s。
[0027] 本发明的有益效果是:本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，是行波法和 固有频率法组合的故障测距方法，实现了行波法和固有频率法优势的互补，解决了传统固 有频率法测距中由于"模混叠"现象引起的固有频率难W提取的问题，提高了故障测距的精 确度。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明一种高压直流输电线路故障测距方法的流程图；
[0029] 图2是本发明中故障发生后线路两端的正、负极电压波形图；
[0030] 图3是本发明中相模变换后的线模电压行波波形图；
[0031] 图4(a)是本发明中线模电压二进小波变换图，图4(b)是通过原始信号直接获得故 障点图；
[0032] 图5是本发明中双端测距的原理图；
[0033] 图6是本发明中所用模型系统边界图；
[0034] 图7是本发明中利用MUSIC算法提取固有频率主成分的幅值-频率图；
[0035] 图8是本发明中双极十二脉冲HVDC直流输电仿真模型图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0037] 本发明一种高压直流输电线路故障测距方法，流程图如图1所示，具体按照W下步 骤实施：
[0038] 步骤1:采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据，如图2所示为故障 发生5ms后采集到的线路两端的正、负极电压波形；
[0039] 步骤2:利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行 滤波处理，去除噪声并提取真实的信号，防止产生虚假频率突变点；
[0040] 步骤3:由于高压直流输电系统处于双极运行，而两极之间存在互感，会导致模混 叠现象，固利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解禪，得到线模电压数据，如图3所 示的线路两端的线模电压波形；
[0041] 步骤4:对两端线模电压数据进行二进小波变换，变换后如图4(a)所示，利用小波 模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻tl、t2,具体方法为：
[0042] 对行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然 后选择最佳尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极 大值来确定初始行波分别到达故障点的时刻tl、t2。
[0043] 如图4(b)所示为采集到的原始信号中确定的故障点，可W看出，直接采用原始信 号确定故障点时，会出现干扰，确定出的故障点不准确，同时，通过图4(a)和图4(b)图片的 对比验证了小波模极大值法识别故障到达测量端时刻的准确性。
[0044] 最佳尺度的选择原则为：
[0045] 在用小波变换模极大值法判断信号突变点时，需要把多尺度结合起来综合观察。 尺度越小，平滑区域小，小波系数模极大值点与突变点位置的对应越准确。但是，小尺度下 小波系数受噪声影响非常大，产生许多伪极值点，往往只凭一个尺度不能定位突变点的位 置。相反，在大尺度下，对噪声进行了一定的平滑，极值点相对稳定，但由于平滑作用了一定 的平滑，极值点相对稳定，但由于平滑作用使其定位又产生了偏差。同时，只有在适当尺度 下各突变点引起的小波变换才能避免交迭干扰。
[0046] 步骤5:利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻ti、t2,根据双端测距公式计算出 故障距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d~1. Id;
[0047] 双端D型测距公式的推导如下，原理图如图5所示：
[0048] 设L为线路总长度;R、I分别代表直流线路的整流侧和逆变侧;d为故障点到整流侧 的距离;分别为故障发生时刻W及两侦啦测到的故障行波到达时刻;V为故障行波到 达两侧的波速。
[0049] 根据波速、传输时间和故障距离=者之间的关系有下述等式成立：
[0化0] d = v(ti-t)
[0051] L-d = v(t2-t)
[0052] 联立上述两式，并消去参数t得到双端D型测距公式为：
[。化引
（1)
[0054] 步骤6:取某一侧线模电压数据利用DaubecMes系列中的化7小波进行5层小波包 分解，分解为32个频段。计算0.9d~1.1 d所对应的频段dk;
[0055] 例如，本发明采用采样率为IOkHz,根据奈奎斯特采样定理可知，提取的暂态信号 的范围为（0~5000化）。通过小波包分解之后的32个频段的频域范围分别为：d 1 (0~ 156.25)、d2(156.25~312.5)……d32(4843.75~5000)。
[0056] 根据行波固有频率与故障距离间的简化关系式计算得到0.9d~1. Id所对应的频 段dk，为：
[0057]
(2)
[005引因为小波包分解频段划分局限性，故障距离粗测值可能会跨越两个频段，此时为 了减小误差性，本文选择分别对其所跨越的两个频段进行MUSIC算法求取固有频率值，最后 取平均值。
[0059] 行波固有频率与故障距离的简化关系式推导如下：
[0060] 行波固有频率与故障距离、边界条件(测量端反射系数r 1、故障点反射系数r 2和 故障类型对应关系)=者之间存在一定数学关系。将输电线路等效为输入-状态-输出模型， 并在Laplace域内对等效电路进行分析，可得到故障测距公式如式(3):
[0061 ；
……
[0062] 式中：01、02为测量端和故障点处的反射角度。fn为行波固有频率n次成分的频率，V 为此频率下的波速;k的取值为使方程为非零值中的最小值。
[0063] 本申请所用模型系统边界如图6所示，对边界进行分析，当系统阻抗为0时式(3)可 化简为：
[0064]
(4)
[0065] 在实际的计算中，由于故障行波频谱主成分的幅值最高，且最容易提取，故采用固 有频率主成分进行故障测距计算。即式(4)可简化为：
[0066]
(5)
[0067] 贝IJ，可得0.9d~1. Id所对应的频段dk，为：
[006引
[0069] 由式(5)知固有频率与故障距离之间存在一定的数学关系，若已知故障距离的大 致范围，则可W利用二者之间的关系反推出固有频率的范围。
[0070] 步骤7:对频段dk利用MUSIC算法提取固有频率主成分fk，如图7所示为所得幅值-频 率图，由图7可得固有频率主成分fk。
[0071] 固有频率的形成机制
[0072] 直流输电线路发生故障后，相当于在故障点叠加了一个与额定电压值相反的故障 电源，在输电线路中，由分布电容引起的高频暂态分量中的周期性分量在短路点和系统端 之间来回反射，形成故障行波。其频谱由一系列谐波形式的频率组成，称为行波固有频率。 故障行波的频谱由一系列谐波形式的频率组成，称为故障行波的自然频率，其最低次频率 占比重最大，为主成分，其他谐波成分含量随频率的增高而降低，直至频率为无穷高(实际 最高频率受到信号采样率的限制，为有限值）。
[0073] 多信号分类方法(MUSIC)是现阶段比较常用的固有频率提取方法。该方法主要采 用衰减的正弦谐波模型对信号进行拟合，电力系统的大部分信号均可用来进行分析。MUSIC 算法的基本思想是对阵列数据的自相关矩阵作特征值分解，并且按照特征值的大小来区分 信号和噪声两个正交的子空间，根据运两个子空间正交的原理构建特征多项式和代数方程 组来计算谐波分量的频率计幅值。具有抗噪声强、运算速度快的特点，特别是行波衰减速度 快、有效行波信号长度较短的时候具有很高的估计精度。故本申请选择MUSIC算法来提取行 波固有频率。
[0074] 步骤8:利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值di为：
[0075]
巧)
[0076] 其中，V为故障行波的传播速度。
[0077] 本申请中故障行波的传播速度V取经验值2.96X 108m/s。
[007引实施例
[0079] 选取国际大电网会议Cigre模型为原型，在暂态仿真软件PSCAD/EMTDC上搭建双极 十二脉冲HVDC直流输电模型，仿真模型如图8所示。分别在距离整流侧100、400、500、700、 900km处设置单极接地故障，故障过渡电阻分别为0 Q和100 Q。设置系统在1.5s发生单级接 地故障，采样率为10曲Z。
[0080] 1)单极接地故障
[0081] 对于直流线路上的单极接地故障，在线路两端采集故障电压数据，利用本申请所 提算法得到的故障行波到达线路两端时刻、故障距离粗测值、故障距离粗测范围、固有频率 范围、所在小波包频段及固有频率值，并计算故障距离，如表1所示。
[0082] 由表1可知，利用小波模极大值的方法可W粗测出故障距离，且粗测距离绝对误差 最小值为在50km处，误差为0,最大误差为75.15km。混合测距算法当故障发生在靠近线路两 端区段时，测距精度相对较高。但绝对误差都在1.5kmW内，相对误差均在0.5 % W内，相对 误差最大值为0.427 %，最小值为0.0 l7 %。且测量值绝对误差最大值为-1.523km，最小值为 0.152km。
[0083] 表1单极接地故障的计算结果
[0085] 2)极间故障
[0086] 对于正负极线路在某处发生短路故障，在线路两侧采集故障初始行波电压信号， 利用本申请所提算法得到的故障行波到达线路两端时刻、故障距离粗测值、故障距离粗测 范围、固有频率范围、所在小波包频段及固有频率值，并计算故障距离，如表2所示。
[0087] 表2极间短路故障计算结果
[008引
[0089]由表2可知，利用小波模极大值的方法可W粗测出故障距离，粗测绝对误差最小值 为0km，最大误差为75.15km。同时，也可知当故障发生在靠近线路两端区段时，测距精度相 对较高。但绝对误差都在1.化mW内，相对误差均在0.5% W内。且测量值绝对误差最大值 为-1.523km，最小值为0.152km;相对误差最大值为0.427%，最小值为0.017%。同时对比表 1表2可知，故障类型对故障测距结果影响较小。
【主权项】
1. 一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1:采集故障线路整流侧和逆变侧两端的电压正、负极数据； 步骤2:利用基于数学形态学的交替混合滤波器对采集到的正、负极电压数据进行滤波 处理，去除噪声并提取真实的信号； 步骤3:利用相模变换对滤波处理后的电压数据进行解耦，得到线模电压数据； 步骤4:对线模电压数据进行二进小波变换，利用小波模极大值的方法确定出初始行波 分别到达两端的时刻 步骤5:利用步骤4中得到的波头到达两端的时刻^42，根据双端测距公式计算出故障 距离粗测值d，考虑到算法的误差，将故障距离取为0.9d~I. Id; 步骤6:计算0.9d~I. Id所对应的频段dk; 步骤7:对频段dk提取固有频率主成分f k; 步骤8:利用步骤7提取到的固有频率主成分fk，计算故障距离精确值cU。2. 根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤 4中利用小波模极大值的方法确定出初始行波分别到达两端的时刻UU 2的具体方法为:对 行波信号先进行二进小波变换，并在各尺度上进行小波系数模极大值计算，然后选择最佳 尺度；由于小波模极大值和信号的突变点是一一对应的，故根据小波变换模极大值来确定 初始行波分别到达故障点的时刻tl、t2。3. 根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤 5中故障距离粗测值d采用双端D型测距公式得到，为：(1； 其中，L为线路总长度分别为故障行波到达整流侧和逆变侧的时刻，V为故障行波 的传播速度。4. 根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤 6中0.9d~I. Id所对应的频段dk，为：(2) 其中，V为故障行波的传播速度。5. 根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤 8中故障距离精确值Cl1为：C3) 其中，V为故障行汲的传播速度。6. 根据权利要求3~5任意一项所述的一种高压直流输电线路故障测距方法，其特征在 于，所述故障行波的传播速度V取经验值2.96 X 108m/s。
【文档编号】G01R31/08GK106019076SQ201610321935
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】段建东, 赵召, 刘静, 陆海龙
【申请人】西安理工大学