配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法与流程

1.本发明涉及配电网继电保护技术领域，具体是一种配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法。


背景技术：

2.多分支、复杂拓扑结构下的配电网一旦出现故障，运维人员很难及时判定故障发生位置，影响到现场运维人员开展故障排除与供电恢复进程，导致供电可靠性水平下降。因此，可靠准确的故障定位技术对于配电网自愈至关重要。
3.行波故障定位方法借助故障产生的高频暂态行波波头到达行波传感器的时间差实现故障定位，目前已广泛应用于高压输电网中。由于高压输电网两变电站之间的交流线路很少有分支线路，也极少会在线路中接入新能源设备，因此通过交流线路两端变电站内装设的行波传感器记录的线模行波到达时刻差，可快速实现故障定位。由于配电线路分支多、拓扑结构复杂，故障线模行波在配电网中传输时，波头衰减严重，仅仅依靠传统的差分求解幅值突变点的方法标定行波波头到达时刻，将会造成显著的定位误差。如行波传输速度约为3
×
108m/s，则1μs的波头标定误差将导致的故障定位误差为300m。因此，必须依靠新型的信号处理算法，对配电线路故障行波波头到达时刻进行标定。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法。
5.为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
6.一种配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法，依次包括以下步骤：
7.步骤a、利用小波分析算法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行多级尺度分解，利用各尺度分解下的高频分量模极大值来分别标定不同的行波到达时刻；
8.步骤b、利用prony分析方法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行分析，得到配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的幅频信息。
9.步骤c、通过步骤a得出的行波到达时刻不同标定值，计算得出不同故障位置，并与实际故障位置进行对比，选出使定位误差最小的行波到达时刻，并得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度。
10.步骤d、将步骤b中得到的故障暂态行波波头的幅频信息与步骤c中得到的小波分析算法最佳分解尺度进行关联。
11.步骤e、重复步骤a到步骤d，直到得到目标配电网各典型故障位置(一般与配电网线路起始端位置分别为10km、20km、30km、
……
)故障暂态行波波头的幅频信息与小波分析算法最佳分解尺度的关联库。
12.步骤f、一旦产生新的故障，则对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头进行幅频信息分析，继而通过步骤e形成的关联库进行匹配查找，形成该次故障行波波头到达
时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度。
13.步骤g、利用步骤f得到的小波分析算法最佳分解尺度，利用此分解尺度上的模极大值标定出故障行波的到达时刻。
14.步骤a中，利用小波分析算法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行多级尺度分解，利用各尺度分解下的高频分量模极大值来分别标定不同的行波到达时刻，具体如下：
15.步骤a1-1、采用离散小波变换，其尺度参数和位移参数并非连续变化，对配电线路起始端节点处行波传感器记录的离散故障暂态行波进行分解，计算公式如下：
[0016][0017]
式中：m为尺度参数，k为沿时间轴的平移参数，n为采样点，a0为设置的常数，f(t)为配电线路行波传感器记录的离散故障暂态行波在t时刻的采样值，为小波分析算法中的小波函数，一般选择为三阶b样条二进小波基函数或者db3小波基函数，根据所选择的小波基函数，可确定尺度函数φ(t)；
[0018]
步骤a1-2、通过模极大值原理，在不同分解尺度下，确定不同的行波到达时刻，具体如下：
[0019]
利用离散小波变换中的多分辨分析，对故障暂态行波进行多层分解，得到不同分解尺度下分量，具体而言，第i个分解尺度下的低频分量ai和高频分量di表达式分别为：
[0020]ai
(n)＝＜f(u),φ
i,n
(u)＞
[0021]di
(n)＝＜f(u),ψ
i,n
(u)＞
[0022]
选择第1个分解尺度、第2个分解尺度和第3个分解尺度下的高频分量d1、d2、d3，分别求取局部极大值出现的时刻t
11
，t
12
，t
13
；
[0023]
步骤a1-3，重复步骤a1-1和a1-2，得到配电线路末端节点处行波传感器记录的故障暂态波形在第1个分解尺度、第2个分解尺度和第3个分解尺度下的高频分量下局部极大值出现的时刻t
21
，t
22
，t
23
。
[0024]
步骤b、利用prony分析方法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行分析，得到配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的幅频信息，具体如下：
[0025]
步骤b1-1、给定配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的prony拟合目标函数计算公式为：
[0026][0027]bc
＝a
c exp(jθc)
[0028]
zc＝exp[(αc+j2πfc)δt]
[0029]
式中n为记录的故障暂态行波波头采样点总数，ac为振幅；θc为相位，αc为衰减因子，fc为频率，δt为采样间隔；p为模型阶数；
[0030]
步骤b1-2、按照最小二乘法估算出随求信号的幅值、相位、衰减和频率，按幅值大小以此得到如下的幅频信息：频率为f
p1
的幅值为a
p1
，频率为fp2的幅值为a
p2
，频率为f
p3
的幅
值为a
p3
。
[0031]
步骤c、通过步骤a得出的行波到达时刻不同标定值，计算得出不同故障位置，并与实际故障位置进行对比，选出使定位误差最小的行波到达时刻，并得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度，具体步骤如下：
[0032]
步骤c1-1，通过标定的行波到达配电线路起始端节点和末端节点的时刻差，计算得出故障位置：配电线路起始端节点和末端节点的距离为l
t
，在分解尺度i上得到的行波到达配电线路起始端节点的标定时刻为t
1i
，在分解尺度i上得到的行波到达配电线路末端节点的标定时刻为t
2i
，则通过分解尺度i标定时刻得到的故障位置与配电线路起始端节点的距离l
f1
为：
[0033][0034]
式中：v1为配电线路暂态行波的波速，一般根据配电线路参数计算得出或实测得出；
[0035]
步骤c1-2，通过分解尺度i标定时刻得到的故障定位位置与实际故障位置进行对比，选出使定位误差最小的故障定位位置，据此得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度p。
[0036]
步骤f、一旦产生新的故障，则对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头进行幅频信息分析，继而通过步骤e形成的关联库进行匹配查找，形成该次故障行波波头到达时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度，具体步骤如下，
[0037]
新故障的行波波头幅频信息为：频率为f
xp1
的幅值为a
xp1
，频率为f
xp2
的幅值为a
xp2
，频率为f
xp3
的幅值为a
xp3
，则匹配查找的方式为：
[0038]
如果对于某次典型故障位置得到的幅频信息：按幅值大小以此得到如下的幅频信息：频率为f
p1
的幅值为a
p1
，频率为fp2的幅值为a
p2
，频率为f
p3
的幅值为a
p3
，有2|f
xp1-f
p1
|+|a
xp1-a
p1
|+2|f
xp2-f
p2
|+|a
xp2-a
p2
|+2|f
xp3-f
p3
|+|a
xp3-a
p3
|《β，β为阈值，一般根据实际配电网参数形成，若匹配成功，则本次故障行波波头到达时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度，采用所匹配上的典型故障位置波头标定时的小波分析算法最佳分解尺度。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0040]
1、本发明利用小波分析算法中不同分解尺度下对故障行波到达时刻的标定结果、prony分析得到的故障行波波头的幅频信息、故障定位误差三者的关联关系，建立配电线路故障行波波头到达时刻的最优标定关联库，根据实际故障产生的行波波头幅频信息，可自适应选取最优的小波分解尺度来标定行波到达时刻，提高了配电线路行波波头衰减特征下的波头到达时刻标定算法的准确性；
[0041]
2、本发明充分利用了小波分析算法和prony算法来处理非平稳、突变的配电线路故障暂态行波信号，可有效提高行波故障定位方法的抗干扰能力，加强故障定位方法在实际工程中的的适应性，可有效提高配电网故障行波定位的精度和可靠性。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例提供的一种配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法额流程图；
[0043]
图2为本发明实施例某配电线路起始端节点获取的故障暂态行波示意图；
[0044]
图3为本发明实施例利用小波基函数db3对某故障暂态行波进行多时间尺度分解得到的第1尺度、第2尺度和第3尺度的高频分量示意图。
具体实施方式
[0045]
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附图1清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
如图1所示，本发明实施例提供一种配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤a、利用小波分析算法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行多级尺度分解，利用各尺度分解下的高频分量模极大值来分别标定不同的行波到达时刻；
[0048]
步骤b、利用prony分析方法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行分析，得到配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的幅频信息；
[0049]
步骤c、通过步骤a得出的行波到达时刻不同标定值，计算得出不同故障位置，并与实际故障位置进行对比，选出使定位误差最小的行波到达时刻，并得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度；
[0050]
步骤d、将步骤b中得到的故障暂态行波波头的幅频信息与步骤c中得到的小波分析算法最佳分解尺度进行关联；
[0051]
步骤e、重复步骤a到步骤d，直到得到目标配电网各典型故障位置故障暂态行波波头的幅频信息与小波分析算法最佳分解尺度的关联库；
[0052]
步骤f、一旦产生新的故障，则对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头进行幅频信息分析，继而通过步骤e形成的关联库进行匹配查找，形成该次故障行波波头到达时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度；
[0053]
步骤g、利用步骤f得到的小波分析算法最佳分解尺度，利用所述小波分析算法最佳分解尺度上的模极大值标定出故障行波的到达时刻。
[0054]
步骤a中，利用小波分析算法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行多级尺度分解，利用各尺度分解下的高频分量模极大值来分别标定不同的行波到达时刻，具体如下：
[0055]
步骤a1-1、采用离散小波变换，其尺度参数和位移参数并非连续变化，对配电线路起始端节点处行波传感器记录的离散故障暂态行波进行分解，计算公式如下：
[0056][0057]
式中：m为尺度参数，k为沿时间轴的平移参数，n为采样点，a0为设置的常数，f(t)为配电线路行波传感器记录的离散故障暂态行波在t时刻的采样值，
为小波分析算法中的小波函数，一般选择为三阶b样条二进小波基函数或者db3小波基函数，根据所选择的小波基函数，可确定尺度函数φ(t)；
[0058]
步骤a1-2、通过模极大值原理，在不同分解尺度下，确定不同的行波到达时刻，具体如下：
[0059]
利用离散小波变换中的多分辨分析，对故障暂态行波进行多层分解，得到不同分解尺度下分量，具体而言，第i个分解尺度下的低频分量ai和高频分量di表达式分别为：
[0060]ai
(n)＝＜f(u),φ
i,n
(u)＞
[0061]di
(n)＝＜f(u),ψ
i,n
(u)＞
[0062]
选择第1个分解尺度、第2个分解尺度和第3个分解尺度下的高频分量d1、d2、d3，分别求取局部极大值出现的时刻t
11
，t
12
，t
13
；
[0063]
步骤a1-3，重复步骤a1-1和a1-2，得到配电线路末端节点处行波传感器记录的故障暂态波形在第1个分解尺度、第2个分解尺度和第3个分解尺度下的高频分量下局部极大值出现的时刻t
21
，t
22
，t
23
。
[0064]
步骤b、利用prony分析方法对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波进行分析，得到配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的幅频信息，具体如下：
[0065]
步骤b1-1、给定配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头的prony拟合目标函数计算公式为：
[0066][0067]bc
＝a
c exp(jθc)
[0068]
zc＝exp[(αc+j2πfc)δt]
[0069]
上式中n为记录的故障暂态行波波头采样点总数，ac为振幅；θc为相位，αc为衰减因子，fc为频率，δt为采样间隔；p为模型阶数；
[0070]
步骤b1-2、按照最小二乘法估算出随求信号的振幅、相位、衰减和频率。按幅值大小以此得到如下的幅频信息，频率为f
p1
的幅值为a
p1
，频率为fp2的幅值为a
p2
，频率为f
p3
的幅值为a
p3
。
[0071]
步骤c、通过步骤a得出的行波到达时刻不同标定值，计算得出不同故障位置，并与实际故障位置进行对比，选出使定位误差最小的行波到达时刻，并得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度，具体如下：
[0072]
步骤c1-1，通过标定的行波到达配电线路起始端节点和末端节点的时刻差，计算得出故障位置，配电线路起始端节点和末端节点的距离为l
t
，在分解尺度i上得到的行波到达配电线路起始端节点的标定时刻为t
1i
，在分解尺度i上得到的行波到达配电线路末端节点的标定时刻为t
2i
，则通过分解尺度i标定时刻得到的故障位置与配电线路起始端节点的距离l
f1
为：
[0073][0074]
上式中：v1为配电线路暂态行波的波速，一般根据配电线路参数计算得出或实测得出。
[0075]
步骤c1-2，通过分解尺度i标定时刻得到的故障定位位置与实际故障位置进行对
比，选出使定位误差最小的故障定位位置，据此得出标定出该行波到达时刻对应的小波分析算法最佳分解尺度p。
[0076]
步骤f、一旦产生新的故障，则对配电线路行波传感器记录的故障暂态行波波头进行幅频信息分析，继而通过步骤e形成的关联库进行匹配查找，形成该次故障行波波头到达时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度，具体如下，
[0077]
新故障的行波波头幅频信息为：频率为f
xp1
的幅值为a
xp1
，频率为f
xp2
的幅值为a
xp2
，频率为f
xp3
的幅值为a
xp3
。则匹配查找的方式为：
[0078]
如果对于某次典型故障位置得到的幅频信息：按幅值大小以此得到如下的幅频信息，频率为f
p1
的幅值为a
p1
，频率为fp2的幅值为a
p2
，频率为f
p3
的幅值为a
p3
，有2|f
xp1-f
p1
|+|a
xp1-a
p1
|+2|f
xp2-f
p2
|+|a
xp2-a
p2
|+2|f
xp3-f
p3
|+|a
xp3-a
p3
|《β，β为阈值，一般根据实际配电网参数形成，若匹配成功，则本次故障行波波头到达时刻标定时对应的小波分析算法最佳分解尺度，采用所匹配上的典型故障位置波头标定时的小波分析算法最佳分解尺度。
[0079]
下面以一个具体实例进行说明：
[0080]
配电线路故障行波波头到达时刻的标定方法，按照图1给出的步骤进行故障定位，图2给出了某配电线路起始端节点获取的故障暂态行波。
[0081]
对于图2所示的故障暂态行波：
[0082]
(1)选用db3小波基函数，采用5级分解尺度，分别得到第1分解尺度、第2分解尺度、第3分解尺度下高频分量，如图3所示。得到第1分解尺度下模极大值标定的行波到达时刻为336068微秒，第2分解尺度下模极大值标定的行波到达时刻为336069微秒，第3分解尺度下模极大值标定的行波到达时刻为336071微秒。
[0083]
(2)利用prony算法对图2所示的故障暂态行波进行分析得到的幅频信息，具体如下：7
×
104hz下的幅值为5.2，12
×
104hz下的幅值为2.5，17
×
104hz下的幅值为1.5。
[0084]
(3)利用不同分解尺度下标定的行波到达时刻推算出该故障距离配电线路起始端节点约20km，并得出第2分解尺度下模极大值标定的行波到达时刻得到的故障定位最准确。
[0085]
(4)形成故障暂态行波进行分析得到的幅频信息与行波到达时刻标定用小波分析最优分解尺度的关联关系为：
[0086]
若故障暂态行波进行分析得到的幅频信息为：7
×
104hz下的幅值为5.2，12
×
104hz下的幅值为2.5，17
×
104hz下的幅值为1.5；则选择行波到达时刻标定用小波分析最优分解尺度为2。
[0087]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。