一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合线路故障点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于单端电气量及暂态行波综 合特征分析的混合线路故障点定位方法。
【背景技术】
[0002] 电缆-架空线混合线路在城市电网中得到了广泛应用，但对继电保护和重合闸配 置比单一架空线路提出了更高的要求。由于架空线故障多为瞬时故障，绝缘可恢复，而电缆 故障多为永久故障，重合闸的投入会导致故障后的二次冲击。为保证电缆安全，相当数量的 电缆-架空线混合线路重合闸未投入，因此瞬时性故障也将造成整条线路长时间停电，这 就降低了供电可靠性。
[0003] 为提高混合线路供电可靠性及安全性，混合线路重合闸应具备自适应功能，即：故 障点位于架空线段时自动投入重合闸，电缆线路故障则闭锁重合闸，而混合线路区间定位 则是自适应重合闸的基础。
[0004] 国内外多个研究单位在混合线路区间定位领域开展了相关研究工作，提出的方案 主要包括以下三个：行波测距、距离元件以及加装互感器及保护装置，其原理如下：
[0005] (1)基于行波测距的区间定位：在线路两侧安装行波测距装置，通过双端行波测 距判断故障点位置，结合线路结构实现区间定位。
[0006] (2)基于距离元件的重合闸配合：在线路保护上设两段距离保护元件，其中一段 距离整定为母线至分界点的电缆段，另一段则整定为母线至分界点的架空线段，通过不同 的阻抗段的配合来识别故障区段。
[0007] (3)加装互感器及保护装置的区间定位：在电缆一架空线路分界点处加装电流互 感器及光纤电流差动保护，故障发生时，差动保护可以精确判断故障区段，从而实现电缆段 故障闭锁重合闸，架空线段故障起动重合闸的要求。
[0008] 目前，上述混合线路区间定位方法受技术、成本限制均未取得广泛应用。基于距离 元件的混合线路区间定位技术实现简单，但技术上难以克服互感器、线路参数导致的误差， 且受过渡电阻影响较大。基于行波原理及加装互感器的混合线路区间定位方法优点在于算 法理论精度较高，但需要双端装置配合以及GPS和光纤通信的支持，一方面成本较高，另一 方面对于数量众多的中低电压等级混合线路而言，基本上不具备现场实施条件。同时，依靠 通讯配合的区间定位方法也很难满足与重合闸配合的时间要求。
[0009] 因此，本发明提出了一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合线路故 障点定位方法。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合线路 故障点定位方法，当电缆-架空线混合线路故障后，通过单端暂态电压、电流行波的故障点 反射波、分界点一次、二次反射波的综合特征识别及对比，快速判断故障点位于架空线段或 电缆段，用于辅助线路重合闸投切决策。
[0011] 本发明提供了一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合线路故障点 定位方法，主要包括如下步骤：
[0012] 步骤1，基于单端电气量应进行相模变换，减少暂态行波相间耦合对区间定位的影 响；
[0013] 步骤2,利用小波变换检测暂态电压、电流行波信号突变点，作为故障初始时刻；
[0014] 步骤3,提取电压、电流行波故障初始时刻后定时窗数据，时间窗的大小由电缆长 度确定；
[0015] 步骤4,在定时窗内搜索所有电压/电流同极性、幅值接近的反射波头，以电压/电 流行波初始波头为基准，计算各反射与初始波头相对值U xf和i xf;
[0016] 步骤5,判断反射波性质。
[0017] 进一步地，在步骤1中：以Clark变换作为相模变换矩阵，获得式（1)中对应的α 模量
[0018]
⑴？
[0019] iA(k)、iB(k)、ic(k)分别为故障线路A、B、C三相电流，i a (k)为变换后的α模量， k= 1、2、3、4···Ν，Ν为自然数表示的采样序列长度，电压变换矩阵与式⑴类似。
[0020] 进一步地，在步骤3中，当电缆长度不确定或波速不易判断时，选择分界点二次反 射波辅助计算定时窗大小。
[0021] 进一步地，在步骤4中，故障点反射波、分界点反射波均应满足式（2):
[0022] uxf/ixf< δ ⑵，
[0023] δ为与互感器暂态响应相关的定值，在〇. 5~2之间取值。
[0024] 进一步地，在步骤5中，设故障初始波时刻为Τ。，故障点反射波时刻为T1，分界点反 射波时刻为T 2，电缆长度为L1，电缆波速为V1;
[0025] 当故障点位于架空线段，符合以下式（3)条件：
[0026] T1-T0=T2-T0 (3)；
[0027] 当故障点位于电缆段，符合以下式（4)条件：
[0028] (T^T2 - 2T〇) ^v1= L1 (4)。
[0029] 进一步地，在步骤5中，存在以下两种情况时，需要执行步骤6 :
[0030] 1)故障点距离母线或分界点较近，故障点反射波或分界点反射波有可能与初始故 障行波或分界点二次反射波叠加；
[0031] 2)故障为高阻故障或金属性故障，仅能识别到故障点反射波或分界点反射波其中 一种；
[0032] 步骤6 :判别分界点二次反射波幅值是否越限。
[0033] 进一步地，步骤6中，以电压/电流分界点二次反射波幅值的差值越限作为区间识 别判据，设分界点二次反射波幅值为C^C 1，分界点二次反射波幅值差值整定值为δ u、δ P 符合以下式（5)条件：
[0034] uxf2_Cu> δ u, Ixf2-Ci^ δ i (5) 〇
[0035] 与现有混合线路区间定位方法相比较，本发明所提供的基于单端电气量及暂态行 波综合特征分析的混合线路故障点定位方法具有以下优点：
[0036] (1)成本较低、可行性较高。本发明所述的方法基于单端电气量的检测、对比，对硬 件条件要求较低，信号采样直接利用现有互感器，无需GPS、通讯通道支持，具备较好工程可 行性
[0037] (2)数据要求低，算法逻辑简单，快速性较好。本发明所述方法基于混合线路单端 电气量数据，无需两端数据支持，且仅需要故障初始时刻后较短数据（Ims以内）即可完成 区间定位，算法逻辑较为简单，相对于现有依靠线路两端数据或工频量的算法，完全可满足 与重合闸配合时间要求。
[0038] (3)适用范围广，可靠性好。由于仅检查定时窗内反射波幅值、极性，这些特征与分 支线路、电缆位置均无关；同时，暂态电压、电流行波在分支线路末端及相邻线路末端反射 波呈现较大差异，分支线路等干扰因素均不影响本发明所述方法的计算。
[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
【附图说明】
[0040] 图1 :本发明的算法整体流程图。
[0041] 图2 :混合线路故障点处于不同位置时反射波对比示意图，其中（a)故障点位于电 缆段，（b)故障点位于架空线段。
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的目的、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 作出创造性劳动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。
[0043] 本发明所述方法适用于仅有单段电缆的电缆-架空线混合线路。
[0044] 本发明中采用相对值分析，便于电压、电流的行波幅值对比，下文所述幅值均为相 对值。
[0045] 参见附图1，本发明提供了一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合 线路故障点定位方法，主要包括如下步骤：
[0046] 步骤1 :相模变换。
[0047] 由于暂态行波在传输过程中存在耦合，基于单端电气量应进行相模变换，减少相 间耦合对区间定位的影响。本发明中以Clark变换作为相模变换矩阵，获得式（1)中对应 的α模量
[0048]
Cl),
[0049] 式⑴中，iA(k)、iB(k)、ie(k)分别为故障线路A、B、C三相电流，i a (k)为变换后 的α模量，k = 1、2、3、4…N，N为自然数表示的采样序列长度，电压变换矩阵与式（1)类 似。
[0050] 步骤2 :查找故障初始时刻。
[0051] 利用小波变换检测暂态电压、电流行波信号突变点，作为故障初始时刻。
[0052] 步骤3 :提取初始时刻后定时窗数据。
[0053] 提取电压、电流行波故障初始时刻后定时窗数据，时间窗的大小由电缆长度确定 (即使以较长的海底电缆计，绝大多数情况下时间窗也少于Ims)，当电缆长度不确定或波 速不易判断时，选择分界点二次反射波辅助计算定时窗大小。
[0054] 步骤4 :在定时窗内搜索故障点反射波及分界点反射波。
[0055] 在定时窗内搜索所有电压/电流同极性、幅值接近的反射波头，以电压/电流行波 初始波头为基准，计算各反射与初始波头相对值（分别是u x4P i xf)，故障点反射波、分界点 反射波均应满足：
[0056] uxf/ixf< δ ⑵，
[0057] δ为与互感器暂态响应相关的定值，大致在〇. 5~2之间取值，可根据试验或历史 值得到。步骤5:判断反射波性质。
[0058] 当故障点位于架空线段，且距离分界点较远时，在定时窗内仅存在分界点二次反 射波，但故障点距离电缆-架空线分界点较近时（即距离短于电缆长度1. 9倍），在定时窗 内可能存在分界点-故障点一次/二次反射波，假设故障初始波时刻为Τ。，故障点一次反射 波时刻为T 1，分界点一次反射波时刻为T2，符合以下式（3)条件：
[0059] T1-T0=T2-T0 (3)，
[0060] 且多数情况下存在三次反射波。
[0061] 当故障点位于电缆段，且距离母线或分界点距离较远时，多数情况下，定时窗内能 搜索到故障点反射波和分界点反射波，故障点反射波及分界点反射波符合电缆长度约束。 假设故障初始波时刻为Τ。，故障点反射波时刻为T 1，分界点反射波时刻为T2，电缆长度为L1, 电缆波速为V1，符合以下式（4)条件：
[0062] (T^T2 - 2T〇) ^v1= L1 (4)。
[0063] 但在以下两种情况，需要通过步骤6进一步识别，
[0064] 1)故障点距离母线或分界点较近，故障点反射波或分界点反射波有可能与初始故 障行波或分界点二次反射波叠加。
[0065] 2)故障过渡电阻偏大（高阻故障）或偏小（金属性故障），仅能识别到故障点反 射波或分界点反射波其中一种。
[0066] 步骤6 :判别分界点二次反射波幅值是否越限。