本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种直流输电线路行波故障测距装置启动方法及系统。
背景技术：
近年来，直流输电系统在我国获得快速发展，直流输电线路故障测距对于线路故障后的快速排除、恢复供电、以及交直流系统的安全稳定具有重要意义。输电线路故障测距从原理上可分为阻抗法、故障分析法、行波法等，其中阻抗法等因受线路参数、过渡电阻等影响较大在直流线路应用较少，直流输电线路上重点应用了行波法。直流输电线路行波故障测距装置(下文简称为直流线路测距装置)在精度上较好地满足了电力运营单位的要求，但在运行中也暴露出启动可靠性相对较低的缺点。目前，实用化的直流线路测距装置均是采用双端法，工作流程上是先启动装置录波，两侧互传数据最终完成故障定位，因此，装置的可靠启动是系统能否正常工作的关键因素。
与交流线路故障测距装置直接通过pt/ct采集线路电压/电流不同，由于行波法对数据采样率要求较高(500khz以上)，难以直接利用换流站的电子互感器数据；现有直流线路测距装置都是利用换流站内的噪声滤波器(plc)中性点电流实现故障定位的。
由于直流线路测距装置采集的plc中性点电流对应的是线路电压变化率(暂态量)而非实际线路电压，现有直流线路测距装置均采用暂态量启动算法，而在实际运行中暴露出以下问题：
(1)定值整定困难，抗干扰能力弱。直流线路测距装置由于采样方式与换流站内控保系统差异较大，难以直接参考其定值设置。考虑到测距装置允许适当误动的特点，在缺少参考值情况下，多数装置定值设置较低。但在实际运行中发现，直流输电系统由于换流阀导通关断带来数量较多的暂态扰动信号，直流线路测距装置的暂态量定值设定过低装置会出现连续启动现象，特别是在负荷侧，严重时会影响装置的正常工作。
(2)受线路长度及故障点位置影响大。由于暂态行波在传输过程中，高频量衰减较快，且与线路长度呈指数关系；当故障点偏向线路一侧时，距离故障点较远的一侧暂态量往往较小，暂态量启动算法就受到影响。在国内人工短路试验中，故障点位于线路两侧，两侧中性点电流幅值就相差较大，且呈现线路越长幅值差越大的特征。
(3)受故障过渡电阻影响较大，与交流系统类似，直流线路接地/短路瞬间过渡电阻较大时，暂态量幅值较低，也会影响正常启动。
技术实现要素：
本发明提供一种直流输电线路行波故障测距装置启动方法及系统，其目的是对换流站plc中性点电流信号进行时域积分变换获取直流输电线路电压变化量，进而提取其故障分量，并通过故障分量识别判断是否有线路故障发生，从而可靠启动直流输电线路行波故障测距装置录波。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种直流输电线路行波故障测距装置启动方法，其改进之处在于，包括：
根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况；
根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗；
根据所述直流输电线路的故障分析时窗内的直流输电线路的电压变化量判断所述直流输电线路是否故障，当所述直流输电线路故障时，启动行波故障测距装置。
优选的，所述根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况，包括：
获取所述直流输电线路电压变化量及所述直流输电线路电压变化量的低频分量和高频分量；
根据所述高频分量的模极大值确定故障初始时刻t0及高频谐振结束时间te；
当tmin≤te-t0≤td时，所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，当te-t0≥td时，所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振；
其中，tmin直流输电线路电压的高频谐振的下限值，td为预先设定的时间整定值。
进一步的，所述获取所述直流输电线路电压变化量及所述直流输电线路电压变化量的低频分量和高频分量，包括：
对plc中性点电流采样信号进行时域积分，得到直流输电线路电压变化量；
利用样条函数小波对所述直流输电线路电压变化量进行单尺度小波变换，将其分解为低频分量a(i)和高频分量d(i)，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
进一步的，所述根据所述高频分量的模极大值确定故障初始时刻t0及高频谐振结束时间te，包括：
将所述高频分量的模极大值序列中的最大值对应的时刻作为所述故障初始时刻t0；
将所述高频分量的模极大值序列中故障初始时刻t0之后时刻所对应的模极大值大于零且小于阈值ζ的最接近所述初始时刻t0的时刻作为所述高频谐振结束时间te。
进一步的，所述根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗，包括：
若所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝te-t0；
若所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝ke-t0；其中，ke为故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻。
进一步的，按下式确定故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻ke：
其中，ke∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ke)为第ke时刻低频分量的二阶导数，a"(ke+δ)为第ke+δ时刻的低频分量的二阶导数，a"(ke-δ)为第ke-δ时刻低频分量的二阶导数。
优选的，所述根据所述直流输电线路的故障分析时窗内的直流输电线路的电压变化量判断所述直流输电线路是否故障，当所述直流输电线路故障时，启动行波故障测距装置，包括：
当故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内累计电压变化量大于等于门限值ξ1时，则直流输电线路有故障发生；或者
当故障后的直流输电线路电压存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量大于等于门限值ξ2时，则直流输电线路有故障发生。
进一步的，按下式确定所述故障分析时窗tc内累计电压变化量δuf：
uf(i)为直流输电线路的故障分量，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
进一步的，按下式确定所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量δe：
其中，按下式确定所述直流输电线路的故障分量uf(i)：
其中，a(t0)为t0时刻的低频分量，a(t0-1)为t0-1时刻的低频分量，ks为故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻，a(ks)为ks时刻的低频分量，tf为故障前稳态信号持续时间，tf＝t0-ks。
进一步的，按下式确定故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻ks：
其中，ks∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ks)为第ks时刻低频分量的二阶导数，a"(ks+δ)为第ks+δ时刻低频分量的二阶导数，a"(ks-δ)为第ks-δ时刻低频分量的二阶导数。
一种直流输电线路行波故障测距装置启动系统，其改进之处在于，所述系统包括：
获取单元，用于根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况；
确定单元，用于根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗；
判断单元，用于根据所述直流输电线路的故障分析时窗内的直流输电线路的电压变化量判断所述直流输电线路是否故障，当所述直流输电线路故障时，启动行波故障测距装置。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况后，再根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗；从而能进一步确定故障分量并故障分量识别判定线路故障，有效提高直流线路测距装置启动可靠性，降低了过渡电阻、故障点位置、线路长度对装置启动的影响；同时，通过提取较长周期的线路电压故障分量避免了直流系统中的暂态扰动对启动算法的干扰，有较强的抗干扰能力，总运算量小，实现简便，本发明所述算法除单尺度小波变换外，无多尺度滤波、拟合等大运算量计算，适合用于装置的快速启动。
附图说明
图1是本发明一种直流输电线路行波故障测距装置启动方法的流程图；
图2(a)是本发明实施例中哈密南侧plc中性点电流原始录波波形图；
图2(b)是本发明实施例中郑州侧plc中性点电流原始录波波形图；
图3(a)是本发明实施例中采样后得到的哈密南侧的原始信号的波形图；
图3(b)是本发明实施例中采样后得到的郑州侧的原始信号的波形图；
图3(c)是本发明实施例中进行时域积分后还原的哈密南侧的信号的波形图；
图3(d)是本发明实施例中进行时域积分后还原的郑州侧的信号的波形图；
图4(a)是本发明实施例中哈密南侧的模极大值的波形图；
图4(b)是本发明实施例中郑州侧的模极大值的波形图；
图5(a)是本发明实施例中哈密南侧的稳态分量拐点的波形图；
图5(b)是本发明实施例中郑州侧的稳态分量拐点的波形图；
图6(a)是本发明实施例中江陵-广州直流输电线路的原始信号图；
图6(b)是本发明实施例中江陵-广州直流输电线路进行时域积分后还原的信号图；
图6(c)是本发明实施例中江陵-广州直流输电线路的模极大值的波形图；
图6(d)是本发明实施例中江陵-广州直流输电线路的稳态分量拐点的波形图；
图7(a)是本发明实施例中锦屏-苏南特高压直流线路的原始信号图；
图7(b)是本发明实施例中锦屏-苏南特高压直流线路进行时域积分后还原的信号图；
图7(c)是本发明实施例中锦屏-苏南特高压直流线路的模极大值的波形图；
图7(d)是本发明实施例中锦屏-苏南特高压直流线路的的稳态分量拐点的波形图；
图8是本发明一种直流输电线路行波故障测距装置启动系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术依靠“线路电压变化率”这一暂态量进行故障判断，容易导致直流输电线路行波故障测距装置连续误启动或不启动的问题，因此，本发明提出了一种直流输电线路行波故障测距装置启动方法及系统，通过对换流站plc中性点电流信号的时域积分提取线路稳态故障分量，并通过对故障分量的判定确定是否有故障发生，提高了装置可靠启动的概率，如图1所示，包括：
101.根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况；
102.根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗；
103.根据所述直流输电线路的故障分析时窗内的直流输电线路的电压变化量判断所述直流输电线路是否故障，当所述直流输电线路故障时，启动行波故障测距装置。
进一步的，所述步骤101，包括：
获取所述直流输电线路电压变化量及所述直流输电线路电压变化量的低频分量和高频分量；
根据所述高频分量的模极大值确定故障初始时刻t0及高频谐振结束时间te；
当tmin≤te-t0≤td时，所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，当te-t0≥td时，所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振；
其中，tmin直流输电线路电压的高频谐振的下限值，td为预先设定的时间整定值。
具体的，所述获取所述直流输电线路电压变化量及所述直流输电线路电压变化量的低频分量和高频分量，包括：
对plc中性点电流采样信号进行时域积分，得到直流输电线路电压变化量；
利用样条函数小波对所述直流输电线路电压变化量进行单尺度小波变换，将其分解为低频分量a(i)和高频分量d(i)，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
具体的，所述根据所述高频分量的模极大值确定故障初始时刻t0及高频谐振结束时间te，包括：
将所述高频分量的模极大值序列中的最大值对应的时刻作为所述故障初始时刻t0；
将所述高频分量的模极大值序列中故障初始时刻t0之后时刻所对应的模极大值大于零且小于阈值ζ的最接近所述初始时刻t0的时刻作为所述高频谐振结束时间te。
具体的，所述根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗，包括：
若所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝te-t0；
若所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝ke-t0；其中，ke为故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻。
具体的，按下式确定故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻ke：
其中，ke∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ke)为第ke时刻低频分量的二阶导数，a"(ke+δ)为第ke+δ时刻的低频分量的二阶导数，a"(ke-δ)为第ke-δ时刻低频分量的二阶导数。
进一步的，获取直流输电线路的故障分析时窗之后，所述步骤103，包括：
当故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内累计电压变化量大于等于门限值ξ1时，则直流输电线路有故障发生；或者
当故障后的直流输电线路电压存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量大于等于门限值ξ2时，则直流输电线路有故障发生。
具体的，按下式确定所述故障分析时窗tc内累计电压变化量δuf：
uf(i)为直流输电线路的故障分量，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
具体的，按下式确定所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量δe：
其中，按下式确定所述直流输电线路的故障分量uf(i)：
其中，a(t0)为t0时刻的低频分量，a(t0-1)为t0-1时刻的低频分量，ks为故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻，a(ks)为ks时刻的低频分量，tf为故障前稳态信号持续时间，tf＝t0-ks。
具体的，按下式确定故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻ks：
其中，ks∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ks)为第ks时刻低频分量的二阶导数，a"(ks+δ)为第ks+δ时刻低频分量的二阶导数，a"(ks-δ)为第ks-δ时刻低频分量的二阶导数。
例如，以哈密南-郑州特高压直流线路人工短路试验为例，该线路全长超2300km，是国内距离最长的直流输电线路之一。人工短路试验点靠近郑州换流站，距离换流站约1km左右，人工短路试验接近纯金属接地，如图2(a)和图2(b)所示，线路两侧电流幅值分别为2.2a和52a，相差接近22倍。
图2(a)和图2(b)所示的波形为实际高速采样数据，在实际装置启动计算中采用的是相对低速启动数据，采样率为125khz。图中横坐标为采样点，采样点间隔8us，纵坐标为码值即采样值，对应图2(a)和图2(b)中的实际plc中性点电流50a码值为2047。按本文所述步骤如下：
利用时域积分还原对plc中性点电流采样信号进行还原，还原后的波形如图3(a)、图3(b)、3(c)和图3(d)所示，按码值计，哈密南为68，郑州站为1607。
如图4(a)和图4(b)所示，利用样条函数小波对所述直流输电线路电压变化量进行单尺度小波变换，将其分解为低频分量a(i)和高频分量d(i)，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数；提取小波变换细节系数模极大值序列，识别信号的故障初始时刻以及高频谐振时间。
如图5(a)和图5(b)所示，基于低频分量，计算低频分量的二阶导数，识别稳态信号故障前及故障后稳态信号拐点。
进行故障分量时窗分析：由图4(a)、图4(b)、图5(a)和图5(b)可得m站故障初始时刻故障初始时刻t0＝3066，谐振结束时间te＝3140，故障后稳态信号拐点ke＝3148，当时间整定值为2毫秒时，则故障分析时窗tc＝(te-t0)＝74×8＝592us；n站故障初始时刻t0＝3053，无明显谐振过程，故障后稳态信号拐点ke＝3063，则故障分析时窗tc＝(ke-t0)10×8＝＝80us；
趋势项消除：m站故障初始时刻故障初始时刻t0＝3066，故障前稳态信号拐点ks＝2940，则故障前稳态信号持续时间tf＝(te-t0)＝126×8＝1008us，趋势项总变化量为16，绝对值均值为0.127(按采样点计)；n站故障初始时刻t0＝3053，故障前稳态信号拐点ks＝2529，则故障前稳态信号持续时间tf＝(te-ts)＝524×8＝4192us，趋势项总变化量为345；
故障分量超限判断：m站数据在故障分析时窗tc(592us)内，趋势项按码值计总变化量为7.63，累计电压变化量为336.93，在消除趋势项干扰后，绝对值均值为4.549(按采样点计)；n站数据在故障分析时窗tc(80us)内，趋势项按码值计总变化量65.84，在消除趋势项干扰后，累计电压变化量为2562.94。无论是哈密南站还是郑州站，线路电压相对故障时刻前有明显变化，判定有故障发生，启动行波故障测距装置。
例如，以江陵-广州直流输电线路实际故障为例，该次故障中仅有一侧装置启动，判断该次故障为高阻故障概率较高，plc中性点电流最大值为14，属于幅值较低的直流线路故障。采用本文所述方法，原始信号经积分变换后可得图6(b)所示电压变化波形，通过小波变换可以提取故障初始时刻及高频谐振截止时刻，进过消除趋势项影响后可有效识别出故障后的电压持续跌落，符合线路故障特点。分析中间结果如图6(a)、6(b)、6(c)和6(d)所示。
例如，以锦屏-苏南特高压直流线路负荷侧典型暂态扰动波形为例，plc中性点电流最大值为30，幅值相对较高，但在故障初始时刻后无持续电压升高或跌落，属于典型暂态扰动。分析中间结果如图7(a)、7(b)、7(c)和7(d)所示。
本发明还提供一种直流输电线路行波故障测距装置启动系统，如图8所示，所述系统包括：
获取单元，用于根据直流输电线路电压变化量获取故障后的直流输电线路电压情况；
确定单元，用于根据故障后的直流输电线路电压情况确定所述直流输电线路的故障分析时窗；
判断单元，用于根据所述直流输电线路的故障分析时窗内的直流输电线路的电压变化量判断所述直流输电线路是否故障，当所述直流输电线路故障时，启动行波故障测距装置。
进一步的，所述获取单元，包括：
第一获取模块，用于获取所述直流输电线路电压变化量及所述直流输电线路电压变化量的低频分量和高频分量；
第一确定模块，用于根据所述高频分量的模极大值确定故障初始时刻t0及高频谐振结束时间te；
第二获取模块，用于当tmin≤te-t0≤td时，所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，当te-t0≥td时，所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振；
其中，tmin直流输电线路电压的高频谐振的下限值，td为预先设定的时间整定值。
具体的，第一获取模块，包括：
第三获取模块，用于对plc中性点电流采样信号进行时域积分，得到直流输电线路电压变化量；
分解子模块，用于利用样条函数小波对所述直流输电线路电压变化量进行单尺度小波变换，将其分解为低频分量a(i)和高频分量d(i)，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
具体的，所述第一确定模块，包括：
将所述高频分量的模极大值序列中的最大值对应的时刻作为所述故障初始时刻t0；
将所述高频分量的模极大值序列中故障初始时刻t0之后时刻所对应的模极大值大于零且小于阈值ζ的最接近所述初始时刻t0的时刻作为所述高频谐振结束时间te。
进一步的，所述确定单元，包括：
第二确定模块，用于若所述故障后的直流输电线路电压存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝te-t0；
第三确定模块，用于若所述故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振，则所述直流输电线路的故障分析时窗tc＝ke-t0；其中，ke为故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻。
具体的，按下式确定故障初始时刻之后的直流输电线路故障后电压变化量的稳态分量的拐点时刻ke：
其中，ke∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ke)为第ke时刻低频分量的二阶导数，a"(ke+δ)为第ke+δ时刻的低频分量的二阶导数，a"(ke-δ)为第ke-δ时刻低频分量的二阶导数。
进一步的，所述判断单元，用于：
当故障后的直流输电线路电压不存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内累计电压变化量大于等于门限值ξ1时，则直流输电线路有故障发生；或者
当故障后的直流输电线路电压存在高频谐振且所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量大于等于门限值ξ2时，则直流输电线路有故障发生。
具体的，按下式确定所述故障分析时窗tc内累计电压变化量δuf：
uf(i)为直流输电线路的故障分量，i＝0,1,……,n，n为录波文件的采样时刻总数。
具体的，按下式确定所述故障分析时窗tc内的电压变化量的故障分量总能量δe：
其中，按下式确定所述直流输电线路的故障分量uf(i)：
其中，a(t0)为t0时刻的低频分量，a(t0-1)为t0-1时刻的低频分量，ks为故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻，a(ks)为ks时刻的低频分量，tf为故障前稳态信号持续时间，tf＝t0-ks。
具体的，按下式确定故障初始时刻之前的直流输电线路故障前电压变化量的稳态分量拐点时刻ks：
其中，ks∈[0，n]，n为录波文件的采样时刻总数，δ为邻域宽度，a"(ks)为第ks时刻低频分量的二阶导数，a"(ks+δ)为第ks+δ时刻低频分量的二阶导数，a"(ks-δ)为第ks-δ时刻低频分量的二阶导数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。