一种基于故障行波沿线分布特性的t接线路多端行波测距方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。当线路发生故障时，首先，分别于量测端M、量测端N和量测端Q，通过高速采集装置获取量测端故障电流行波数据；其次，分别于行波观测时窗[t0,t0+l1/(2v)]、[t0,t0+l2/(2v)]和[t0,t0+l3/(2v)]，构建量测端M、量测端N和量测端Q的测距函数fMu(x)、fNu(x)和fQu(x)；最后，根据测距函数fMu(x)、fNu(x)和fQu(x)沿线突变的分布规律得到T接线路的故障距离。本发明利用贝杰龙线路模型具有沿线长维度上的高通滤波器作用，易于实现故障测距的实用化。
【专利说明】
一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距方法，属于 电力系统继电保护技术领域。
【背景技术】
[0002] 故障测距的任务就是当线路的某一点发生故障时，通过线路两端的实测电流、电 压及线路阻抗等参数计算出故障距离。通常，输电线故障测距方法主要有两类，一类是阻抗 法，是直接计算故障阻抗或其百分比的算法;另一类是行波法，利用高频故障暂态电流、电 压的行波等来间接判定故障点的距离。
[0003] 输电线路行波故障测距经历了早期行波故障测距和现代行波故障测距两个阶段。 近年来随着硬件制造水平以及计算机技术的飞速发展，现代行波测距技术在很多方面遇到 的困境都得到了突破，但仍存在一些尚未解决或者急需要改进的问题，这些问题主要有:故 障行波的辨识准确度如何提高，行波波头到达测量端时刻如何准确的捕捉，不同输电线路 及电压等级对应的波速怎样选取，利用其它健全线路含有的故障信息怎样实现广域行波测 距等方面。因此，现代行波故障测距在未来发展之路中还要面对许多技术和原理层面上的 挑战。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提出一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端 行波测距方法，用以解决上述问题。
[0005] 本发明的技术方案是:一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距 方法，当线路发生故障时，首先，分别于量测端M、量测端N和量测端Q，通过高速采集装置获 取量测端故障电流行波数据;其次，分别于行波观测时窗 和[如，如+13/(2￥)]，构建量测端1、量测端财口量测端〇的测距函数€|?1^)士1^)和€(^(1) ;最 后，根据测距函数fMu(X)、fNu(x)和fQu(x)沿线突变的分布规律得到T接线路的故障距离，其 中，Ii为MT支路的全长，12为NT支路的全长，I 3为QT支路的全长。
[0006] 具体步骤为：
[0007] 第一步、分别于量测端M、量测端N和量测端Q，由高速采集装置获取量测端故障电 流行波数据，并截取故障初始行波到达前Vv时窗长和故障初始到达后21/V时窗长的行波 数据，其中，I=Hia x(I1J2J3)J为I1J 2和I3中最长支路，IdMT支路的全长，I2为NT支路的 全长，I 3为QT支路的全长；
[0008] 第二步、构建测距函数：
[0009] 首先，根据式(1)和(2)计算沿线电压分布；
[0012] 式⑴中，Us = ik X Z。，Z。为线路波阻抗，ik为相邻健全线路量测端获取到的电流行 波，式（1)和(2)中，s下标的取值为M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，计算出量测端M、量测端N 和量测端Q沿线长Ii，I2和I3的电压分布和电流分布;X为离开量侧端的距离，r单位长度的线 模电阻，Z。为线模波阻抗，V线模波速度；
[0013] 其次，计算方向行波沿线路分布，根据式（1)和式(2)计算得到量测端M、量测端N和 量测端Q的电压行波和电流行波，通过式(3)和(4)计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为由量测端M、量测端N和量测端Q沿线长Ii，12和h的正向 行波，iTs,x为由量测端M、量测端N和量测端Q沿线长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变:先采用式(5)和(6)差分运算得到⑴ 和 : ;
[0018] (5)：
[0019] (6)
[0020] (〇为正向行波的差分结果，（0为反向行波的差分结果，Δ t为采样间隔； [0021 ]再计算差分结果Cdlf在一段时间的能量S2u(x，t)，即：
[0022]
(7)
[0023]
(?)
[0024] 式中，(U)为正向行波在一段时间内的能量，I:, (U)为反向行波在一段时间 内的能量；
[0025] 最后，构建测距函数:式(5)~(8)计算得到量测端M、量测端N和量测端Q正向行波 和反向行波的沿线突变分布，现分别于[to, to+li/(2v) ]、[to, to+l2/(2v)]和[to, t0+l3/ (2v)]时窗长度内，得到量测端M、量测端N和量测端Q测距函数fMu (X )、f Nu( X)和fQU( X);
[0026] (9a)
[0027] (9b)：
[0028] (9e)
[0029] 第三步、甄选出反映故障位置的突变点：
[0030] 将[toAo+WUv)]时窗内计算得到量测端M测距函数fMu(x)的突变点记为突变解 J^fMu - [ XMl，XM2，......]；
[0031] 将[to，to+l2/(2V)]时窗内的计算得到量测端_彳距函数fNu(x)的突变点记为突变 解集fNU=[XNl,XN2,......]；
[0032] 将[to，to+l3/(2V)]时窗内的计算得到量测端Q测距函数fQu(x)的突变点记为突变 II^fQu= [XQ1,XQ2,......]；
[0033] 首先，确定fMu、fNu和fVJI集是否有空集，若有空集，则该空集对应支路为未故障支 路；
[0034] 其次，先将fu含有突变点的个数定义为fu的长度，比较fMu、f Nu和fQu的长度，将长度 最长fu,max作为基准突变解集，则将另外两个突变解集中的突变点依次与基准突变解集的突 变点按照式（10)进行匹配，采用欧式距离度量匹配误差，匹配误差最小对应的突变点即为 反映故障位置的突变点；
[0035] XM = XN = XQ XM^ fMu , XN^ fNu , XQ^ f〇u (10)
[0036] 在式（10)中，XM为量测端M的测距函数fMu(x)反映故障位置的突变点对应的距离， XN为量测端N的测距函数fNu(x)反映故障位置的突变点对应的距离，糾为量测端Q的测距函 数f QU(X)反映故障位置的突变点对应的距离；
[0037] 第四步、确定故障支路和故障距离：
[0038] 现采用符号函数Sgn获取到XM、XN和XQ对应突变点的极性，并记为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，则故障位 MT 支路；
[0040] 若sgn(XM)〈0,则故障距离量测端Mxf = XM;
[0041 ] 若Sgn(XM)X)，则故障距离量测端Mxf = Ii-XM;
[0042]若sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) = 0,则故障位于 NT支路；
[0043] 若Sgn(XN)〈0,则故障距离量测端Nxf = XN,
[0044] 若sgn(XN)>0,则故障距离量测端Nxf = l2_XN;
[0045]若8811(1")&8811(10 = 1，8811(1")&8811(1〇)=〇，且8811(14&8811(1〇)=〇，则故障位于 QT支路；
[0046] 若sgn(XQ)〈0,则故障距离量测端Qxf = XQ;
[0047] 若sgn(XQ)>0，则故障距离量测端Qxf = 13-XQ。
[0048]本发明的有益效果是：
[0049] (1)不需要量测端M、量测端N和量测端Q三端同步，适用现场实际；
[0050] (2)利用贝杰龙线路模型具有沿线长维度上的高通滤波器作用，使得测距方法更 具鲁棒性和普适性，易于实现故障测距的实用化。
【附图说明】
[0051 ]图1为本发明实施例1、实施例2和实施例3中的线路结构图，其中MT支路I1 = 100km，NT 支路 l2 = 70km，QT 支路 l3 = 85km;
[0052] 图2(a)为本发明实施例1中，于量测端M，时窗取为[t^to+h/Uv)]，得到测距函数 沿1:线长范围内突变分布；
[0053] 图2(b)为本发明实施例1中，于量测端N，时窗取为[to，tQ+l2/(2V)]，得到测距函数 沿I 2线长范围内突变分布；
[0054] 图2(c)为本发明实施例1中，于量测端Q，时窗取为[t0，t0+l3/(2V)]，得到测距函数 沿I 3线长范围内突变分布；
[0055] 图2(d)为本发明实施例1中，于量测端N，时窗取为[tQ，t0+l3/(2V)]，得到测距函数 沿I 2线长范围内突变分布。
[0056]图3(a)为本发明实施例2中，于量测端M，时窗取为[t^to+h/Uv)]，得到测距函数 沿1:线长范围内突变分布；
[0057] 图3(b)为本发明实施例2中，于量测端N，时窗取为[to，tQ+l2/(2V)]，得到测距函数 沿I 2线长范围内突变分布；
[0058] 图3(c)为本发明实施例2中，于量测端Q，时窗取为[to，tQ+l3/(2V)]，得到测距函数 沿I 3线长范围内突变分布；
[0059] 图4(a)为本发明实施例3中，于量测端M，时窗取为[t^to+h/Uv)]，得到测距函数 沿1:线长范围内突变分布；
[0060] 图4(b)为本发明实施例3中，于量测端N，时窗取为[to，tQ+l2/(2V)]，得到测距函数 沿I 2线长范围内突变分布；
[0061] 图4(c)为本发明实施例3中，于量测端Q，时窗取为[to，tQ+l3/(2V)]，得到测距函数 沿I 3线长范围内突变分布。
【具体实施方式】
[0062] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0063] 一种基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距方法，当线路发生故障 时，首先，分别于量测端M、量测端N和量测端Q，通过高速采集装置获取量测端故障电流行波 数据;其次，分别于行波观测时窗[如，如+1 1/(24]、[如，如+12/(24]和[如，如+13/(24]，构 建量测端Μ、量测端N和量测端Q的测距函数fMu(x)、fNU(x)和fQU(X);最后，根据测距函数fMu (x)、fNu(x)和fQu(x)沿线突变的分布规律得到T接线路的故障距离，其中，I 1SMT支路的全 长，h为NT支路的全长，I3为QT支路的全长。
[0064] 具体步骤为：
[0065]第一步、分别于量测端M、量测端N和量测端Q，由高速采集装置获取量测端故障电 流行波数据，并截取故障初始行波到达前Vv时窗长和故障初始到达后21/V时窗长的行波 数据，其中，I=Hiax(I 1J2J3)J为I1J2和I 3中最长支路，IdMT支路的全长，I2为NT支路的 全长，I3为QT支路的全长；
[0066] 第二步、构建测距函数：
[0067]首先，根据式(1)和(2)计算沿线电压分布；
[0070] 式（1)中，us = ik X Z。，Z。为线路波阻抗，ik为相邻健全线路量测端获取到的电流行 波，式（1)和(2)中，s下标的取值为M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，计算出量测端M、量测端N 和量测端Q沿线长Ii，I2和I3的电压分布和电流分布;X为离开量侧端的距离，r单位长度的线 模电阻，Z。为线模波阻抗，V线模波速度；
[0071] 其次，计算方向行波沿线路分布，根据式（1)和式(2)计算得到量测端M、量测端N和 量测端Q的电压行波和电流行波，通过式(3)和(4)计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为由量测端M、量测端N和量测端Q沿线长Ii，12和h的正向 行波，iT s,x为由量测端M、量测端N和量测端Q沿线长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变:先采用式(5)和(6)差分运算得到c?⑴ 和。1；
[0076] (5)
[0077] (6_)
[0078] ,Λ (〇为正向行波的差分结果，、乂⑴为反向行波的差分结果，Δ t为采样间隔；
[0079] 再计算差分结果Cdlf在一段时间的能量S2u(x，t)，即：
[0080] (7)
[0081 ] (8)
[0082]式中，L (W)为正向行波在一段时间内的能量，&,_>/)为反向行波在一段时间 内的能量；
[0083] 最后，构建测距函数:式（5)~（8)计算得到量测端M、量测端N和量测端Q正向行波 和反向行波的沿线突变分布，现分别于[to, to+li/(2v) ]、[to, to+l2/(2v)]和[to, t0+l3/ (2v)]时窗长度内，得到量测端M、量测端N和量测端Q测距函数fMu (X )、f Nu( X)和fQU( X);
[0084] f9a)
[0085] ：(9b)
[0086] (9c)
[0087] 第三步、甄选出反映故障位置的突变点：
[0088] 将[toAo+WUv)]时窗内计算得到量测端_则距函数fMu(x)的突变点记为突变解 J^fMu - [ XMl，XM2，......]；
[0089] 将[to，to+l2/(2V)]时窗内的计算得到量测端_彳距函数fNu(x)的突变点记为突变 解集fNU=[XNl,XN2,......]；
[0090] 将[to，to+l3/(2V)]时窗内的计算得到量测端Q测距函数fQu(x)的突变点记为突变 II^fQu= [XQ1,XQ2,......]；
[0091 ]首先，确定fMu、fNu和fVJI集是否有空集，若有空集，则该空集对应支路为未故障支 路；
[0092]其次，先将fu含有突变点的个数定义为fu的长度，比较fMu、f Nu和fQu的长度，将长度 最长fu,max作为基准突变解集，则将另外两个突变解集中的突变点依次与基准突变解集的突 变点按照式（10)进行匹配，采用欧式距离度量匹配误差，匹配误差最小对应的突变点即为 反映故障位置的突变点；
[0093] XM - XN - XQ XM ^ fMu , XN ^ fNu , XQ ^ f〇u (10)
[0094] 在式（10)中，XM为量测端M的测距函数fMu(x)反映故障位置的突变点对应的距离， XN为量测端N的测距函数fNu(x)反映故障位置的突变点对应的距离，糾为量测端Q的测距函 数f QU(X)反映故障位置的突变点对应的距离；
[0095] 第四步、确定故障支路和故障距离：
[0096] 现采用符号函数Sgn获取到XM、XN和XQ对应突变点的极性，并记为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，则故障位 MT 支路；
[0098] 若sgn(XM)〈0,则故障距离量测端Mxf = XM;
[00"] 若sgn(XM)>0，则故障距离量测端Mxf = Ii-XM;
[0100]若sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) = 0,则故障位于 NT支路；
[0101 ] 若sgn(XN)〈0,则故障距离量测端Nxf = XN,
[0102] 若sgn(XN)>0，则故障距离量测端Nxf =I2-XN；
[0103]若8811(1")&8811(10 = 1，8811(1")&8811(1〇)=〇，且8811(14&8811(1〇)=〇，则故障位于 QT支路；
[0104] 若sgn( xq)〈0,则故障距离量测端Qxf = xq;
[0105] 若sgn(XQ)>0，则故障距离量测端Qxf = 13-XQ。
[0106] 实施例1:以图1所示的输电线路为例，假设MT支路距离M端40km处发生A相接地故 障。
[0107] 根据说明书中步骤一和步骤二，得到测距函数量测端M、量测端N和量测端Q测距函 数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根据步骤三得到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，贝丨J采用量测端N数据，计算[1：0,1：0+13/(2￥)]时窗内的测 距函数沿13线长范围内突变分布；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，且距离 M 端 40.0km。
[0108] 实施例2:以图1所示的输电线路为例，假设NT支路距离T节点25km处发生A相接地 故障。
[0109] 根据说明书中步骤一和步骤二，得到测距函数量测端M、量测端N和量测端Q测距函 数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根据步骤三得到fMu = [24.7 44.9]，fNu = [24.7]，fQu = [24.7]，可 知^1 =叉附=叉131，且8区11")&8区11^)=0,8区11")&8区11(叉0) = 1，且8区11^)&8区11(叉0)=0〇可 知，故障位于NT支路，且距离J节点24.7km。
[0110] 实施例3:以图1所示的输电线路为例，假设QT支路距离T节点20km处发生A相接地 故障。
[0111] 根据说明书中步骤一和步骤二，得到测距函数量测端M、量测端N和量测端Q测距函 数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)。根据步骤三得到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，且距离J节点20.0km。
[0112] 以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种基于故障行波沿线分布特性的τ接线路多端行波测距方法，其特征在于：当线路 发生故障时，首先，分别于量测端Μ、量测端Ν和量测端Q，通过高速采集装置获取量测端故障 电流行波数据；其次，分别于行波观测时窗[to，to+h/(2v)]、[to，to+b/(2v)WP[to，to+l3/ (2v)]，构建量测端Μ、量测端N和量测端Q的测距函数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X);最后，根据测距 函数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X)沿线突变的分布规律得到T接线路的故障距离，其中，h为MT支 路的全长，12为NT支路的全长，13为QT支路的全长。2. 根据权利要求1所述的基于故障行波沿线分布特性的T接线路多端行波测距方法，其 特征在于具体步骤为： 第一步、分别于量测端M、量测端N和量测端Q，由高速采集装置获取量测端故障电流行 波数据，并截取故障初始行波到达前1/v时窗长和故障初始到达后21/v时窗长的行波数据， 其中，1=111曰义(11，12，13)，1为11、12和13中最长支路，1功^支路的全长，12为^支路的全长， 13为QT支路的全长； 第二步、构建测距函数： 首先，根据式(1)和(2)计算沿线电压分布；式（1)中，Us = ikXZc，Zc为线路波阻抗，ik为相邻健全线路量测端获取到的电流行波，式 (1)和(2)中，S下标的取值为M、N和Q，表示采用式（1)和(2)，计算出量测端M、量测端N和量测 端Q沿线长h，12和13的电压分布和电流分布;X为离开量侧端的距离，r单位长度的线模电 阻，Z。为线模波阻抗，V线模波速度； 其次，计算方向行波沿线路分布，根据式(1)和式(2)计算得到量测端M、量测端N 和量测端Q的电压行波和电流行波，通过式(3)和(4)计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为由量测端Μ、量测端N和量测端Q沿线长h，l2和I3的正向行波， iTs,x为由量测端M、量测端N和量测端的往线长h，b和13的反向行波； 再次，提取正向行波和反向行波的突变：先采用式（5)和（6)差分运算得到, (ο和 C曲」,-J'O;Caw。(0为正向行波的差分结果，（0为反向行波的差分结果，A t为采样间隔； 再计算差分结果Cdif在一段时间的能量S2u(X，t)，即：式中，为正向行波在一段时间内的能量Λ"->，0为反向行波在一段时间内的能 量； 最后，构建测距函数:式（5)~（8)计算得到量测端Μ、量测端Ν和量测端Q正向行波和反 向行波的沿线突变分布，现分别于[to，to+h/(2v)]、[to，to+b/(2v)WP[to，to+l3/(2v)W4 窗长度内，得到量测端Μ、量测端N和量测端Q测距函数fMu(X)、fNu(X)和fQu(X);第Ξ步、甄选出反映故障位置的突变点： 将[t〇，t〇+h/(2v)]时窗内计算得到量测端Μ测距函数fMu(X)的突变点记为突变解集fMu =[XM1 , XM2 ,......]； 将[t〇，t〇+l2/(2v)]时窗内的计算得到量测端N测距函数fNu(X)的突变点记为突变解集 fNu= [XN1,XN2,......]； 将[t〇，t〇+l3/(2v)]时窗内的计算得到量测端Q测距函数fQu(X)的突变点记为突变解集 fQu= [XQ1,XQ2,......]； 首先，确定fMu、fNu和fQu解集是否有空集，若有空集，则该空集对应支路为未故障支路； 其次，先将fu含有突变点的个数定义为fu的长度，比较fMu、fNu和如的长度，将长度最长 fu,max作为基准突变解集，则将另外两个突变解集中的突变点依次与基准突变解集的突变点 按照式（10)进行匹配，采用欧式距离度量匹配误差，匹配误差最小对应的突变点即为反映 故障位置的突变点； XM = XN=XQ XMefMu,XN^fNu,XQefQu (10) 在式(10)中，XM为量测端Μ的测距函数fMu(X)反映故障位置的突变点对应的距离，XN为量 巧的测距函数fNu(X)反映故障位置的突变点对应的距离，XQ为量测端Q的测距函数fQu(X) 反映故障位置的突变点对应的距离； 第四步、确定故障支路和故障距离： 现采用符号函数Sgn获取到XM、XN和XQ对应突变点的极性，并记为sgn(XM)、sgn(XNW〇sgn (xq); 若 sgn(XM)&sgn(XN) = 0，sgn(XM)&sgn(XQ) = 0,且 sgn(XN)&sgn(XQ) = 1，则故障位 MT 支 路； 若sgn(XM)<0,则故障距离量测端Mxf = XM; 若sgn(XM)〉0,则故障距离量测端Mxf=li-XM; 若sgn(XM)&sgn(XN) =0，sgn(別〇&sgn(XQ) = 1，且sgn(XN)&sgn(XQ) =0，则故障位于 NT 支 路； 若S gn (XN) <0，贝故障距离量测端化f = XN， 若Sgn(XN)〉0,则故障距离量测端化f=l2-XN; 若sgn(XM)&sgn(XN) = 1，sgn(別〇&sgn(XQ) = 0，且sgn(XN)&sgn(XQ) =0，则故障位于 QT 支 路； 若sgn(XQ)<0,则故障距离量测端Qxf = XQ; 若S即(XQ)〉0，则故障距离量测端Qxf = I3-XQ。
【文档编号】G01R31/08GK105842584SQ201610201329
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】束洪春, 田鑫萃
【申请人】昆明理工大学