一种适用于混合输电线路的行波测距系统及方法与流程

本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种适用于混合输电线路的行波测距系统及方法。

背景技术：

现代化城镇的高速发展使得城市空间日益紧张，而架空线走廊不仅需要占用大量空间资源，空中纵横交叉也不美观。为了解决这个问题，大多数城区已经采用埋地电缆代替架空线。电缆的大量敷设不仅美化市容，优化城市布局，其电容也比架空线大得多，还能改善功率因数，提高线路输送容量。但由于敷设电缆成本较高，在远离城区的地域一般仍使用架空线，形成了架空线-电缆混合输电线路。

由于电缆和架空线在物理结构、电气特性等方面的差异，传统的故障分析方法和行波测距方法在应用于混合输电线路故障测距时都无法完全适用。

传统的故障分析方法故障分析法通过双端电压、电流推算连接点电压、电流，再根据幅值比较确定故障点所在支路，然后依据故障支路的相关参数迭代求解故障点位置。该方法只适用于结构简单的混合输电线路，对于电力电缆、架空线交替出现的混合输电线路，该方法判据较复杂，且误差会随着电缆、架空线连接点的增多而增大，从而降低测距精度。

行波测距方法由于具有不受互感器饱和影响、不受系统振荡影响、不受长线分布电容影响等独特的优点，近年来被广泛应用。混合输电线路行波测距主要有波速归一法和行波时间差法。波速归一法通过对电缆或者架空线的波速度以及长度进行归算，将混合输电线路简化为单一线路进行测距，计算出故障距离后，再转换为实际线路的长度。该方法需要反复折算，且行波速度受线路参数以及周围的环境的影响有一定的波动，误差较大。行波时间差法通过故障行波到达两端的时间差先确定故障线路区段，然后根据单端或者双端行波法进行精确定位。该方法相对波速归一法更加精确，但由于电缆中行波衰减比较快，混合输电线路两端波头难以检测，且混合输电线路波过程复杂，单端行波法难以判断反射行波的波头，且线路和电缆的波速大多为离线计算，电缆波速随时间会发生变化，故双端行波测距同样存在较大的测距误差。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种适用于混合输电线路的行波测距系统及方法，通过在架空线路与电缆连接处增加一组互感器和就地化采集模块采集高频和工频信号并传输给两侧行波测距模块，实现了故障区间的准确判断、混合输电线路各段波速的在线测量的双端行波测距，提高混合输电线路行波测距的可靠性和准确性，且工程易实现。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种适用于混合输电线路的行波测距系统，包含第一组互感器、第二组互感器、第三组互感器、就地采集模块和两组行波测距模块；所述第一组互感器和一组行波测距模块安装在混合输电线路的一侧，所述第二互感器组和就地采集模块安装在混合输电线路中架空线与电缆线连接处，所述第三互感器组和另一组行波测距模块安装在混合输电线路的另一侧，所述第一组互感器和第三组互感器分别与本侧的行波测距模块输入端连接，第二组互感器与就地采集模块的输入端连接，就地采集模块分别与两测行波测距模块连接。

进一步地，上述各组互感器仅包含电流互感器，或者包含电流和电压互感器。

进一步地，所述就地采集模块与两侧行波测距模块通过光纤直连，或者通过复用通道连接。

进一步地，所述行波测距模块和就地采集模块均包括光电转换模块，用于转换收发的光信号。

进一步地，所述行波测距模块包括：

采集单元：对本侧电气量进行工频量采样和暂态行波高频采样；

接收单元：接收就地采集模块的工频量采样和暂态行波高频采样及对侧行波故障区间判断单元的故障初始行波到达时刻；

发送单元：发送本侧故障区间判断结果及故障初始行波到达时刻；

同步处理单元：以就地采集模块作为主机，行波测距模块作为从机采用基于数据通道的采样值时刻调整法将采集单元的采样数据与主机进行采样同步，并对接收单元的数据进行同步处理；

故障区间判断单元：根据同步处理单元处理后的电流工频量进行本侧故障判断，且综合对侧判据结果进行故障区间判断；

暂态行波小波变换单元：对故障前后经同步处理后的暂态行波高频采样值进行小波变换，并输出故障初始行波到达时刻给波速在线计算及更新单元；

波速在线计算及更新单元：当故障区间判断单元判断故障发生在保护的混合输电线路外时，波速在线计算及更新单元采用式(1)进行波速计算，当故障区间判断单元判断故障发生在混合输电线路内时，则采用式(2)或式(3)进行波速计算；同时根据计算的行波波速，判断其是否可用，若可用则更新对应的线路行波波速；

所述波速在线计算及更新单元中的区外故障波速计算具体为：设混合输电线路分为a段线路和b段线路，故障发生在t0，故障初始行波到达三组互感器的时间分别为t1、t2和t3，则对于各段输电线路的行波波速为：

其中，va和vb分别为a段和b段线路的行波波速，la和lb分别为a段和b段线路长度。

所述波速在线计算及更新单元中的区内故障波速计算具体为：若故障发生在a段线路，则b段线路的行波波速为：

若故障发生在b段线路，则a线路的行波波速为：

故障测距计算单元：根据波速在线计算及更新单元的行波波速进行故障测距计算。

进一步地，所述故障测距计算单元包括测距计算子单元和加权计算子单元；

所述测距计算子单元：依据故障发生的线路故障段进行故障测距；若故障发生在a段线路，则a侧行波测距模块可依据式(4)和式(5)进行故障测距计算：

所述加权计算子单元：依据两次计算得到的行波测距结果进行加权计算；若发生在a段线路故障，则a侧行波测距模块使用两个方程式进行计算并依据权重来给出最终的测距结果，其计算方式为：

dfa＝ε×xa1+(1-ε)×xa2(6)

其中，dfa为最终测距结果，ε为xa1的测距结果权重系数，取值范围为0～1。

本发明还提出了一种适用于混合输电线路的行波测距方法，包括以下步骤，

步骤(1)，模拟量采样：混合输电线路两侧的行波测距模块和架空线与电缆线连接处的就地采集模块分别对安装处的电气量进行工频量采样和暂态行波高频采样；

步骤(2)，三侧采样同步；

步骤(3)，故障区间判断、暂态行波小波变换：两侧行波测距模块分别根据本侧及架空线与电缆线连接处的电流工频量进行本侧故障判断，且综合对侧判据结果进行故障区间判断，并对故障前后的暂态行波高频采样值进行小波变换；

步骤(4)，波速在线计算及更新：当判断故障发生在保护的混合输电线路外时，采用式(1)进行波速计算，当判断故障发生在混合输电线路内时，采用式(2)或式(3)进行波速计算；同时根据计算的行波波速，行波测距模块判断其是否可用，若可用则更新对应的线路行波波速；当判断发生区内故障时进入步骤(5)；

区外故障波速计算：设混合输电线路分为a段线路和b段线路，故障发生在t0，故障初始行波到达三组互感器的时间分别为t1、t2和t3，则对于各段输电线路的行波波速为：

其中，va和vb分别为a段和b段线路的行波波速，la和lb分别为a段和b段线路长度；

区内故障波速计算：若故障发生在a段线路，则b段线路的行波波速为：

若故障发生在b段线路，则a线路的行波波速为：

步骤(5),根据步骤4的行波波速进行故障测距计算。

进一步地，所述步骤(5)具体包括：

步骤(51)：依据故障发生的线路故障段进行故障测距；若故障发生在a段线路，则a侧行波测距模块可依据式(4)和式(5)进行故障测距计算：

步骤(52)，故障测距结果加权计算：依据两次计算得到的行波测距结果进行加权计算；若发生在a段线路故障，则a侧行波测距模块使用两个方程式进行计算并依据权重来给出最终的测距结果，其计算方式为：

dfa＝ε×xa1+(1-ε)×xa2(6)

其中，dfa为最终测距结果，ε为xa1的测距结果权重系数，取值范围为0～1。

进一步地，对于步骤(3)中故障区间判断具体如下，对于一侧行波测距模块，根据本侧及架空线-电缆线连接处的电流工频量，使用式(7)计算差动电流和制动电流是否满足判据，并实时与对侧交换判据结果；当一侧行波测距模块计算满足判据条件时，判断为此段线路故障，当两侧均不满足时，判断为区外故障；当两侧均满足判据条件时，判断为混合输电线路连接处故障；

式中，icdφ为差动电流，等于两侧电流矢量和的幅值；irφ为制动电流，等于两侧电流矢量差的幅值；iset为差动电流启动定值。

进一步地，所述步骤(2)，三侧采样同步具体为，就地采集模块作为主机，两侧行波测距模块作为从机采用基于数据通道的采样值时刻调整法与主机进行采样同步。

进一步地，用于故障测距采样的行波包括电流行波和/或电压行波。

进一步地，步骤(4)中所述行波测距模块判断其是否可用的方法是：当波速计算值在对应线路类型的波速范围内，则判断波速计算值为有效，否则认为无效。

采用上述方案后，本发明将通过在架空线路与电缆连接处增加互感器采集高频和工频信号给两侧行波测距模块，实现了故障区间的准确判断、混合输电线路各段波速的在线测量的双端行波测距，可有效提高混合输电线路行波测距的可靠性和准确性，适合实际工程应用。

附图说明

图1为本发明系统实施例一的原理框图；

图2为本发明系统实施例二的原理框图；

图3为本发明方法的流程框图；

图4是采样同步的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种适用于混合输电线路的行波测距系统及方法，实现故障区间的准确判断、混合输电线路各段波速的在线测量的双端行波测距。

本发明提供一种适用于混合输电线路的行波测距系统，行波测距系统包含第一组互感器、第二组互感器、第三组互感器、就地采集模块和两组行波测距模块，如图1和图2所示为本发明的实施例一和二，互感器组可以是电流和电压互感器或者仅包括电流互感器；所述第一组互感器和一组行波测距模块安装在混合输电线路的一侧，所述第二互感器组和就地采集模块安装在混合输电线路中架空线与电缆线连接处，所述第三互感器组和另一组行波测距模块安装在混合输电线路的另一侧，所述第一组互感器和第三组互感器分别与本侧的行波测距模块输入端连接，第二组互感器与就地采集模块的输入端连接，就地采集模块分别与两测行波测距模块连接。它们均包括光电转换模块，用于转换收发的光信号，连接方式可以是光纤直连，也支持通过复用通道连接形式。

上述实施例一和实施例二中，行波测距模块包括：

采集单元：对本侧电气量进行工频量采样和暂态行波高频采样；

接收单元：接收就地采集模块的工频量采样和暂态行波高频采样及对侧行波故障区间判断单元的故障初始行波到达时刻；

发送单元：发送本侧故障区间判断结果及故障初始行波到达时刻；

同步处理单元：以就地采集模块作为主机，行波测距模块作为从机采用基于数据通道的采样值时刻调整法将采集单元的采样数据与主机进行采样同步，并对接收单元的数据进行同步处理；

故障区间判断单元：根据同步处理单元处理后的电流工频量进行本侧故障判断，且综合对侧判据结果进行故障区间判断；

暂态行波小波变换单元：对故障前后经同步处理后的暂态行波高频采样值进行小波变换，并输出故障初始行波到达时刻给波速在线计算及更新单元；

波速在线计算及更新单元：当故障区间判断单元判断故障发生在保护的混合输电线路外时，波速在线计算及更新单元采用式(1)进行波速计算，当故障区间判断单元判断故障发生在混合输电线路内时，则采用式(2)或式(3)进行波速计算；同时根据计算的行波波速，判断其是否可用，若可用则更新对应的线路行波波速；

所述波速在线计算及更新单元中的区外故障波速计算具体为：设混合输电线路分为a段线路和b段线路，故障发生在t0，故障初始行波到达三组互感器的时间分别为t1、t2和t3，则对于各段输电线路的行波波速为：

其中，va和vb分别为a段和b段线路的行波波速，la和lb分别为a段和b段线路长度。

所述波速在线计算及更新单元中的区内故障波速计算具体为：若故障发生在a段线路，则b段线路的行波波速为：

若故障发生在b段线路，则a线路的行波波速为：

故障测距计算单元：根据波速在线计算及更新单元的行波波速进行故障测距计算。

其中，故障测距计算单元包括测距计算子单元和加权计算子单元。

所述测距计算子单元：依据故障发生的线路故障段进行故障测距；若故障发生在a段线路，则a侧行波测距模块可依据式(4)和式(5)进行故障测距计算：

所述加权计算子单元：依据两次计算得到的行波测距结果进行加权计算；若发生在a段线路故障，则a侧行波测距模块使用两个方程式进行计算并依据权重来给出最终的测距结果，其计算方式为：

dfa＝ε×xa1+(1-ε)×xa2(6)

其中，dfa为最终测距结果，ε为xa1的测距结果权重系数，取值范围为0～1。

如图3所示，本发明提供一种适用于混合输电线路的行波测距方法实施例，包含以下步骤：

步骤(a)，模拟量采样：混合输电线路两侧的行波测距模块和架空线与电缆线连接处的就地采集模块分别对安装处的电气量进行工频量采样和暂态行波高频采样。高频采样的对象可以是电流暂态行波或者是电压暂态行波

步骤(b)，三侧采样同步：就地采集模块作为主机，两侧行波测距模块作为从机采用基于数据通道的采样值时刻调整法与主机进行采样同步；

具体的，如图4所示，一侧行波测距模块作为主机，另一侧行波测距模块和就地采样模块作为从机采用基于乒乓原理的通道延时测量技术实时计算通道延时；主机在tm1时刻向从机发送主机当前时标和计算通道延时td的命令；从机收到命令后延时tm时间将从机当前时标和延时时间tm回送给主机；主机收到回送信息的时刻为tr2，计算出通道延时为：

设定以主机的内部时钟为两侧时钟，主机在当前本侧时刻tmj将包括通道延时td和内部时钟调整命令在内的一帧信息发送给从机，从机根据收到该信息的时刻tr3以及td首先确定出tmj所对应本侧的时刻tsi，然后计算主、从机内部时钟偏差δtc：

δtc＝tsi-(tr3-td)＝tsi-tmj

通过调整从机的内部时钟，使δtc趋近于零，即完成三侧模块的内部时钟实时同步。

步骤(c)，启动判据计算：行波测距模块进行启动判据计算；当行波测距模块启动判据满足时，进入步骤(d)，否则返回步骤(a)。

步骤(d)，故障区间判断、暂态行波小波变换：两侧行波测距模块分别根据本侧及架空线与电缆线连接处的电流工频量进行本侧故障判断，且综合对侧判据结果进行故障区间判断，并对故障前后的暂态行波高频采样值进行小波变换。对于一侧行波测距模块根据本侧及架空线-电缆线连接处的电流工频量，使用式(7)计算差动电流和制动电流是否满足判据，并实时与对侧交换判据结果；当一侧行波测距模块计算满足判据条件时，判断为此段线路故障，当两侧均不满足时，判断为区外故障；当两侧均满足判据条件时，判断为混合输电线路连接处故障。

式中，icdφ为差动电流，等于两侧电流矢量和的幅值；irφ为制动电流，等于两侧电流矢量差的幅值；iset为差动电流启动定值。

步骤(e)，波速在线计算及更新：当判断故障发生在保护的混合输电线路外时，采用式(1)进行波速计算，区外故障波速计算：设混合输电线路分为a段线路和b段线路，故障发生在t0，故障初始行波到达三组互感器的时间分别为t1、t2和t3，则对于各段输电线路的行波波速为：

其中，va和vb分别为a段和b段线路的行波波速，la和lb分别为a段和b段线路长度。

当判断故障发生在混合输电线路内时，采用式(2)或式(3)进行波速计算；区内故障波速计算：若故障发生在a段线路，则b段线路的行波波速为：

若故障发生在b段线路，则a线路的行波波速为：

同时根据计算的行波波速，行波测距模块判断其是否可用，若可用则更新对应的线路行波波速：线路类型为架空线时，波速计算值应在范围[v1,v2],线路类型为电缆时，波速计算值应在范围[v3,v4]，当波速计算值在对应线路类型的波速范围内，则判断波速计算值为有效，否则认为无效。

当判断发生区内故障时进入步骤(f)，否则当启动判据不满足后返回步骤(a)。

步骤(f),故障测距计算：依据故障发生的线路故障段进行故障测距；若故障发生在a段线路，则a侧行波测距模块可依据式(4)和式(5)进行故障测距计算：

步骤(g)，故障测距结果加权计算：依据两次计算得到的行波测距结果进行加权计算；若发生在a段线路故障，则a侧行波测距模块使用两个方程式进行计算并依据权重来给出最终的测距结果，其计算方式为：

dfa＝ε×xa1+(1-ε)×xa2(6)

其中，dfa为最终测距结果，ε为xa1的测距结果权重系数，取值范围为0～1。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。