一種基于故障行波沿線分布特性的t接線路多端行波測距方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距方法，屬于電力系統繼電保護技術領域。當線路發生故障時，首先，分別于量測端M、量測端N和量測端Q，通過高速采集裝置獲取量測端故障電流行波數據；其次，分別于行波觀測時窗[t0,t0+l1/(2v)]、[t0,t0+l2/(2v)]和[t0,t0+l3/(2v)]，構建量測端M、量測端N和量測端Q的測距函數fMu(x)、fNu(x)和fQu(x)；最后，根據測距函數fMu(x)、fNu(x)和fQu(x)沿線突變的分布規律得到T接線路的故障距離。本發明利用貝杰龍線路模型具有沿線長維度上的高通濾波器作用，易于實現故障測距的實用化。
【專利說明】
一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距 方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距方法，屬于 電力系統繼電保護技術領域。
【背景技術】
[0002] 故障測距的任務就是當線路的某一點發生故障時，通過線路兩端的實測電流、電 壓及線路阻抗等參數計算出故障距離。通常，輸電線故障測距方法主要有兩類，一類是阻抗 法，是直接計算故障阻抗或其百分比的算法;另一類是行波法，利用高頻故障暫態電流、電 壓的行波等來間接判定故障點的距離。
[0003] 輸電線路行波故障測距經歷了早期行波故障測距和現代行波故障測距兩個階段。 近年來隨著硬件制造水平以及計算機技術的飛速發展，現代行波測距技術在很多方面遇到 的困境都得到了突破，但仍存在一些尚未解決或者急需要改進的問題，這些問題主要有:故 障行波的辨識準確度如何提高，行波波頭到達測量端時刻如何準確的捕捉，不同輸電線路 及電壓等級對應的波速怎樣選取，利用其它健全線路含有的故障信息怎樣實現廣域行波測 距等方面。因此，現代行波故障測距在未來發展之路中還要面對許多技術和原理層面上的 挑戰。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是提出一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端 行波測距方法，用以解決上述問題。
[0005] 本發明的技術方案是:一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距 方法，當線路發生故障時，首先，分別于量測端M、量測端N和量測端Q，通過高速采集裝置獲 取量測端故障電流行波數據;其次，分別于行波觀測時窗 和[如，如+13/(2￥)]，構建量測端1、量測端財口量測端〇的測距函數€|?1^)士1^)和€(^(1) ;最 后，根據測距函數fMu(X)、fNu(x)和fQu(x)沿線突變的分布規律得到T接線路的故障距離，其 中，Ii為MT支路的全長，12為NT支路的全長，I 3為QT支路的全長。
[0006] 具體步驟為：
[0007] 第一步、分別于量測端M、量測端N和量測端Q，由高速采集裝置獲取量測端故障電 流行波數據，并截取故障初始行波到達前Vv時窗長和故障初始到達后21/V時窗長的行波 數據，其中，I=Hia x(I1J2J3)J為I1J 2和I3中最長支路，IdMT支路的全長，I2為NT支路的 全長，I 3為QT支路的全長；
[0008] 第二步、構建測距函數：
[0009] 首先，根據式(1)和(2)計算沿線電壓分布；
[0012] 式⑴中，Us = ik X Z。，Z。為線路波阻抗，ik為相鄰健全線路量測端獲取到的電流行 波，式（1)和(2)中，s下標的取值為M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，計算出量測端M、量測端N 和量測端Q沿線長Ii，I2和I3的電壓分布和電流分布;X為離開量側端的距離，r單位長度的線 模電阻，Z。為線模波阻抗，V線模波速度；
[0013] 其次，計算方向行波沿線路分布，根據式（1)和式(2)計算得到量測端M、量測端N和 量測端Q的電壓行波和電流行波，通過式(3)和(4)計算正向行波和反向行波；
[0014] (3)
[0015] (4)
[0016] 在式(3)和式(4)中，u+s,x為由量測端M、量測端N和量測端Q沿線長Ii，12和h的正向 行波，iTs,x為由量測端M、量測端N和量測端Q沿線長Ii，I2和h的反向行波；
[0017] 再次，提取正向行波和反向行波的突變:先采用式(5)和(6)差分運算得到⑴ 和 : ;
[0018] (5)：
[0019] (6)
[0020] (〇為正向行波的差分結果，（0為反向行波的差分結果，Δ t為采樣間隔； [0021 ]再計算差分結果Cdlf在一段時間的能量S2u(x，t)，即：
[0022]
(7)
[0023]
(?)
[0024] 式中，(U)為正向行波在一段時間內的能量，I:, (U)為反向行波在一段時間 內的能量；
[0025] 最后，構建測距函數:式(5)~(8)計算得到量測端M、量測端N和量測端Q正向行波 和反向行波的沿線突變分布，現分別于[to, to+li/(2v) ]、[to, to+l2/(2v)]和[to, t0+l3/ (2v)]時窗長度內，得到量測端M、量測端N和量測端Q測距函數fMu (X )、f Nu( X)和fQU( X);
[0026] (9a)
[0027] (9b)：
[0028] (9e)
[0029] 第三步、甄選出反映故障位置的突變點：
[0030] 將[toAo+WUv)]時窗內計算得到量測端M測距函數fMu(x)的突變點記為突變解 J^fMu - [ XMl，XM2，......]；
[0031] 將[to，to+l2/(2V)]時窗內的計算得到量測端_彳距函數fNu(x)的突變點記為突變 解集fNU=[XNl,XN2,......]；
[0032] 將[to，to+l3/(2V)]時窗內的計算得到量測端Q測距函數fQu(x)的突變點記為突變 II^fQu= [XQ1,XQ2,......]；
[0033] 首先，確定fMu、fNu和fVJI集是否有空集，若有空集，則該空集對應支路為未故障支 路；
[0034] 其次，先將fu含有突變點的個數定義為fu的長度，比較fMu、f Nu和fQu的長度，將長度 最長fu,max作為基準突變解集，則將另外兩個突變解集中的突變點依次與基準突變解集的突 變點按照式（10)進行匹配，采用歐式距離度量匹配誤差，匹配誤差最小對應的突變點即為 反映故障位置的突變點；
[0035] XM = XN = XQ XM^ fMu , XN^ fNu , XQ^ f〇u (10)
[0036] 在式（10)中，XM為量測端M的測距函數fMu(x)反映故障位置的突變點對應的距離， XN為量測端N的測距函數fNu(x)反映故障位置的突變點對應的距離，糾為量測端Q的測距函 數f QU(X)反映故障位置的突變點對應的距離；
[0037] 第四步、確定故障支路和故障距離：
[0038] 現采用符號函數Sgn獲取到XM、XN和XQ對應突變點的極性，并記為Sgn(XM)、Sgn(XN) 和sgn(XQ);
[0039]若 sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 0,且 sgn(XN)&sgn(XQ) = 1，則故障位 MT 支路；
[0040] 若sgn(XM)〈0,則故障距離量測端Mxf = XM;
[0041 ] 若Sgn(XM)X)，則故障距離量測端Mxf = Ii-XM;
[0042]若sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) = 0,則故障位于 NT支路；
[0043] 若Sgn(XN)〈0,則故障距離量測端Nxf = XN,
[0044] 若sgn(XN)>0,則故障距離量測端Nxf = l2_XN;
[0045]若8811(1")&8811(10 = 1，8811(1")&8811(1〇)=〇，且8811(14&8811(1〇)=〇，則故障位于 QT支路；
[0046] 若sgn(XQ)〈0,則故障距離量測端Qxf = XQ;
[0047] 若sgn(XQ)>0，則故障距離量測端Qxf = 13-XQ。
[0048]本發明的有益效果是：
[0049] (1)不需要量測端M、量測端N和量測端Q三端同步，適用現場實際；
[0050] (2)利用貝杰龍線路模型具有沿線長維度上的高通濾波器作用，使得測距方法更 具魯棒性和普適性，易于實現故障測距的實用化。
【附圖說明】
[0051 ]圖1為本發明實施例1、實施例2和實施例3中的線路結構圖，其中MT支路I1 = 100km，NT 支路 l2 = 70km，QT 支路 l3 = 85km;
[0052] 圖2(a)為本發明實施例1中，于量測端M，時窗取為[t^to+h/Uv)]，得到測距函數 沿1:線長范圍內突變分布；
[0053] 圖2(b)為本發明實施例1中，于量測端N，時窗取為[to，tQ+l2/(2V)]，得到測距函數 沿I 2線長范圍內突變分布；
[0054] 圖2(c)為本發明實施例1中，于量測端Q，時窗取為[t0，t0+l3/(2V)]，得到測距函數 沿I 3線長范圍內突變分布；
[0055] 圖2(d)為本發明實施例1中，于量測端N，時窗取為[tQ，t0+l3/(2V)]，得到測距函數 沿I 2線長范圍內突變分布。
[0056]圖3(a)為本發明實施例2中，于量測端M，時窗取為[t^to+h/Uv)]，得到測距函數 沿1:線長范圍內突變分布；
[0057] 圖3(b)為本發明實施例2中，于量測端N，時窗取為[to，tQ+l2/(2V)]，得到測距函數 沿I 2線長范圍內突變分布；
[0058] 圖3(c)為本發明實施例2中，于量測端Q，時窗取為[to，tQ+l3/(2V)]，得到測距函數 沿I 3線長范圍內突變分布；
[0059] 圖4(a)為本發明實施例3中，于量測端M，時窗取為[t^to+h/Uv)]，得到測距函數 沿1:線長范圍內突變分布；
[0060] 圖4(b)為本發明實施例3中，于量測端N，時窗取為[to，tQ+l2/(2V)]，得到測距函數 沿I 2線長范圍內突變分布；
[0061] 圖4(c)為本發明實施例3中，于量測端Q，時窗取為[to，tQ+l3/(2V)]，得到測距函數 沿I 3線長范圍內突變分布。
【具體實施方式】
[0062] 下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明作進一步說明。
[0063] 一種基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距方法，當線路發生故障 時，首先，分別于量測端M、量測端N和量測端Q，通過高速采集裝置獲取量測端故障電流行波 數據;其次，分別于行波觀測時窗[如，如+1 1/(24]、[如，如+12/(24]和[如，如+13/(24]，構 建量測端Μ、量測端N和量測端Q的測距函數fMu(x)、fNU(x)和fQU(X);最后，根據測距函數fMu (x)、fNu(x)和fQu(x)沿線突變的分布規律得到T接線路的故障距離，其中，I 1SMT支路的全 長，h為NT支路的全長，I3為QT支路的全長。
[0064] 具體步驟為：
[0065]第一步、分別于量測端M、量測端N和量測端Q，由高速采集裝置獲取量測端故障電 流行波數據，并截取故障初始行波到達前Vv時窗長和故障初始到達后21/V時窗長的行波 數據，其中，I=Hiax(I 1J2J3)J為I1J2和I 3中最長支路，IdMT支路的全長，I2為NT支路的 全長，I3為QT支路的全長；
[0066] 第二步、構建測距函數：
[0067]首先，根據式(1)和(2)計算沿線電壓分布；
[0070] 式（1)中，us = ik X Z。，Z。為線路波阻抗，ik為相鄰健全線路量測端獲取到的電流行 波，式（1)和(2)中，s下標的取值為M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，計算出量測端M、量測端N 和量測端Q沿線長Ii，I2和I3的電壓分布和電流分布;X為離開量側端的距離，r單位長度的線 模電阻，Z。為線模波阻抗，V線模波速度；
[0071] 其次，計算方向行波沿線路分布，根據式（1)和式(2)計算得到量測端M、量測端N和 量測端Q的電壓行波和電流行波，通過式(3)和(4)計算正向行波和反向行波；
[0072] 正向行波： （3;
[0073] 反向行波： （4)
[0074] 在式(3)和式(4)中，u+s,x為由量測端M、量測端N和量測端Q沿線長Ii，12和h的正向 行波，iT s,x為由量測端M、量測端N和量測端Q沿線長Ii，I2和h的反向行波；
[0075] 再次，提取正向行波和反向行波的突變:先采用式(5)和(6)差分運算得到c?⑴ 和。1；
[0076] (5)
[0077] (6_)
[0078] ,Λ (〇為正向行波的差分結果，、乂⑴為反向行波的差分結果，Δ t為采樣間隔；
[0079] 再計算差分結果Cdlf在一段時間的能量S2u(x，t)，即：
[0080] (7)
[0081 ] (8)
[0082]式中，L (W)為正向行波在一段時間內的能量，&,_>/)為反向行波在一段時間 內的能量；
[0083] 最后，構建測距函數:式（5)~（8)計算得到量測端M、量測端N和量測端Q正向行波 和反向行波的沿線突變分布，現分別于[to, to+li/(2v) ]、[to, to+l2/(2v)]和[to, t0+l3/ (2v)]時窗長度內，得到量測端M、量測端N和量測端Q測距函數fMu (X )、f Nu( X)和fQU( X);
[0084] f9a)
[0085] ：(9b)
[0086] (9c)
[0087] 第三步、甄選出反映故障位置的突變點：
[0088] 將[toAo+WUv)]時窗內計算得到量測端_則距函數fMu(x)的突變點記為突變解 J^fMu - [ XMl，XM2，......]；
[0089] 將[to，to+l2/(2V)]時窗內的計算得到量測端_彳距函數fNu(x)的突變點記為突變 解集fNU=[XNl,XN2,......]；
[0090] 將[to，to+l3/(2V)]時窗內的計算得到量測端Q測距函數fQu(x)的突變點記為突變 II^fQu= [XQ1,XQ2,......]；
[0091 ]首先，確定fMu、fNu和fVJI集是否有空集，若有空集，則該空集對應支路為未故障支 路；
[0092]其次，先將fu含有突變點的個數定義為fu的長度，比較fMu、f Nu和fQu的長度，將長度 最長fu,max作為基準突變解集，則將另外兩個突變解集中的突變點依次與基準突變解集的突 變點按照式（10)進行匹配，采用歐式距離度量匹配誤差，匹配誤差最小對應的突變點即為 反映故障位置的突變點；
[0093] XM - XN - XQ XM ^ fMu , XN ^ fNu , XQ ^ f〇u (10)
[0094] 在式（10)中，XM為量測端M的測距函數fMu(x)反映故障位置的突變點對應的距離， XN為量測端N的測距函數fNu(x)反映故障位置的突變點對應的距離，糾為量測端Q的測距函 數f QU(X)反映故障位置的突變點對應的距離；
[0095] 第四步、確定故障支路和故障距離：
[0096] 現采用符號函數Sgn獲取到XM、XN和XQ對應突變點的極性，并記為Sgn(XM)、Sgn(XN) 和sgn(XQ);
[0097]若 sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 0,且 sgn(XN)&sgn(XQ) = 1，則故障位 MT 支路；
[0098] 若sgn(XM)〈0,則故障距離量測端Mxf = XM;
[00"] 若sgn(XM)>0，則故障距離量測端Mxf = Ii-XM;
[0100]若sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) = 0,則故障位于 NT支路；
[0101 ] 若sgn(XN)〈0,則故障距離量測端Nxf = XN,
[0102] 若sgn(XN)>0，則故障距離量測端Nxf =I2-XN；
[0103]若8811(1")&8811(10 = 1，8811(1")&8811(1〇)=〇，且8811(14&8811(1〇)=〇，則故障位于 QT支路；
[0104] 若sgn( xq)〈0,則故障距離量測端Qxf = xq;
[0105] 若sgn(XQ)>0，則故障距離量測端Qxf = 13-XQ。
[0106] 實施例1:以圖1所示的輸電線路為例，假設MT支路距離M端40km處發生A相接地故 障。
[0107] 根據說明書中步驟一和步驟二，得到測距函數量測端M、量測端N和量測端Q測距函 數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根據步驟三得到fMu = [40.0]，fNu= Φ (表示空集），fQu = [39.8]。 由fNii= Φ，可知故障不位于NT支路，貝丨J采用量測端N數據，計算[1：0,1：0+13/(2￥)]時窗內的測 距函數沿13線長范圍內突變分布；1^11=[40.0]。可知^1 = 1'〃1:^131，且8811^1)&8811^)= 0，sgn(XM)&sgn(x〇) = 0,且sgn(XN)&sgn(x〇) = 1。可知，故障位于 MT 支路，且距離 M 端 40.0km。
[0108] 實施例2:以圖1所示的輸電線路為例，假設NT支路距離T節點25km處發生A相接地 故障。
[0109] 根據說明書中步驟一和步驟二，得到測距函數量測端M、量測端N和量測端Q測距函 數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根據步驟三得到fMu = [24.7 44.9]，fNu = [24.7]，fQu = [24.7]，可 知^1 =叉附=叉131，且8區11")&8區11^)=0,8區11")&8區11(叉0) = 1，且8區11^)&8區11(叉0)=0〇可 知，故障位于NT支路，且距離J節點24.7km。
[0110] 實施例3:以圖1所示的輸電線路為例，假設QT支路距離T節點20km處發生A相接地 故障。
[0111] 根據說明書中步驟一和步驟二，得到測距函數量測端M、量測端N和量測端Q測距函 數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根據步驟三得到fMu = [20.0]，fNu = [20.0]，fQu = [20.0]，可知，XMl = XNi = XQi，且sgn(XM)&sgn(XN) = I，sgn(XM)&sgn(XQ) = 0，且sgn(XN)&sgn(XQ) = 0〇可知，故 障位于QT支路，且距離J節點20.0km。
[0112] 以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明并不限于上述 實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前 提下作出各種變化。
【主權項】
1. 一種基于故障行波沿線分布特性的τ接線路多端行波測距方法，其特征在于：當線路 發生故障時，首先，分別于量測端Μ、量測端Ν和量測端Q，通過高速采集裝置獲取量測端故障 電流行波數據；其次，分別于行波觀測時窗[to，to+h/(2v)]、[to，to+b/(2v)WP[to，to+l3/ (2v)]，構建量測端Μ、量測端N和量測端Q的測距函數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X);最后，根據測距 函數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)沿線突變的分布規律得到T接線路的故障距離，其中，h為MT支 路的全長，12為NT支路的全長，13為QT支路的全長。2. 根據權利要求1所述的基于故障行波沿線分布特性的T接線路多端行波測距方法，其 特征在于具體步驟為： 第一步、分別于量測端M、量測端N和量測端Q，由高速采集裝置獲取量測端故障電流行 波數據，并截取故障初始行波到達前1/v時窗長和故障初始到達后21/v時窗長的行波數據， 其中，1=111曰義(11，12，13)，1為11、12和13中最長支路，1功^支路的全長，12為^支路的全長， 13為QT支路的全長； 第二步、構建測距函數： 首先，根據式(1)和(2)計算沿線電壓分布；式（1)中，Us = ikXZc，Zc為線路波阻抗，ik為相鄰健全線路量測端獲取到的電流行波，式 (1)和(2)中，S下標的取值為M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，計算出量測端M、量測端N和量測 端Q沿線長h，12和13的電壓分布和電流分布;X為離開量側端的距離，r單位長度的線模電 阻，Z。為線模波阻抗，V線模波速度； 其次，計算方向行波沿線路分布，根據式(1)和式(2)計算得到量測端M、量測端N 和量測端Q的電壓行波和電流行波，通過式(3)和(4)計算正向行波和反向行波； 正向行波:U+s,x=(Us,x+Zcix)/2 (3) 反向行波:U-s,x=(Us,x-Zcix)/2 (4) 在式(3)和式(4)中，u+s,x為由量測端Μ、量測端N和量測端Q沿線長h，l2和I3的正向行波， iTs,x為由量測端M、量測端N和量測端的往線長h，b和13的反向行波； 再次，提取正向行波和反向行波的突變：先采用式（5)和（6)差分運算得到, (ο和 C曲」,-J'O;Caw。(0為正向行波的差分結果，（0為反向行波的差分結果，A t為采樣間隔； 再計算差分結果Cdif在一段時間的能量S2u(X，t)，即：式中，為正向行波在一段時間內的能量Λ"->，0為反向行波在一段時間內的能 量； 最后，構建測距函數:式（5)~（8)計算得到量測端Μ、量測端Ν和量測端Q正向行波和反 向行波的沿線突變分布，現分別于[to，to+h/(2v)]、[to，to+b/(2v)WP[to，to+l3/(2v)W4 窗長度內，得到量測端Μ、量測端N和量測端Q測距函數fMu(X)、fNu(X)和fQu(X);第Ξ步、甄選出反映故障位置的突變點： 將[t〇，t〇+h/(2v)]時窗內計算得到量測端Μ測距函數fMu(X)的突變點記為突變解集fMu =[XM1 , XM2 ,......]； 將[t〇，t〇+l2/(2v)]時窗內的計算得到量測端N測距函數fNu(X)的突變點記為突變解集 fNu= [XN1,XN2,......]； 將[t〇，t〇+l3/(2v)]時窗內的計算得到量測端Q測距函數fQu(X)的突變點記為突變解集 fQu= [XQ1,XQ2,......]； 首先，確定fMu、fNu和fQu解集是否有空集，若有空集，則該空集對應支路為未故障支路； 其次，先將fu含有突變點的個數定義為fu的長度，比較fMu、fNu和如的長度，將長度最長 fu,max作為基準突變解集，則將另外兩個突變解集中的突變點依次與基準突變解集的突變點 按照式（10)進行匹配，采用歐式距離度量匹配誤差，匹配誤差最小對應的突變點即為反映 故障位置的突變點； XM = XN=XQ XMefMu,XN^fNu,XQefQu (10) 在式(10)中，XM為量測端Μ的測距函數fMu(X)反映故障位置的突變點對應的距離，XN為量 巧的測距函數fNu(X)反映故障位置的突變點對應的距離，XQ為量測端Q的測距函數fQu(X) 反映故障位置的突變點對應的距離； 第四步、確定故障支路和故障距離： 現采用符號函數Sgn獲取到XM、XN和XQ對應突變點的極性，并記為sgn(XM)、sgn(XNW〇sgn (xq); 若 sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 0,且 sgn(XN)&sgn(XQ) = 1，則故障位 MT 支 路； 若sgn(XM)<0,則故障距離量測端Mxf = XM; 若sgn(XM)〉0,則故障距離量測端Mxf=li-XM; 若sgn(XM)&sgn(XN) =0，sgn(別〇&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) =0，則故障位于 NT 支 路； 若S gn (XN) <0，貝故障距離量測端化f = XN， 若Sgn(XN)〉0,則故障距離量測端化f=l2-XN; 若sgn(XM)&sgn(XN) = 1，sgn(別〇&sgn(XQ) = 0，且sgn(XN)&sgn(XQ) =0，則故障位于 QT 支 路； 若sgn(XQ)<0,則故障距離量測端Qxf = XQ; 若S即(XQ)〉0，則故障距離量測端Qxf = I3-XQ。
【文檔編號】G01R31/08GK105842584SQ201610201329
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】束洪春, 田鑫萃
【申請人】昆明理工大學