一种基于双端行波法的配电网故障测距方法及装置

1.本发明涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种基于双端行波法的配电网故障测距方法及装置。


背景技术：

2.配电网密布城乡及山区，常年处于户外，经受风雨冰霜、雷电等自然灾害的影响，加上人工的误操作，发生故障的概率很高。当故障发生后，如果不能及时地发现故障点，并进一步地对其进行维修，将导致停电小时数的扩大，影响电网运行稳定性。
3.目前，配电网架空线路普遍采用绝缘导线，其拥有良好绝缘性能，可以防止一些触电事故的发生。但因其自身特性，当雷击导线时，雷电过电压往往不能沿着绝缘表皮释放，若此时绝缘子闪络并进一步建立起稳定的工频续流电弧，绝缘导线将在极短的时间内发生断裂，并下落触地，威胁附近人民生命安全。因此，亟需提出一种方法检测故障点发生距离，为后续人员的检修工作提供便利，维护电网运行稳定性。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于双端行波法的配电网故障测距方法及装置，利用故障后产生的行波信号向两端传播这一特性，通过识别故障产生的暂态初始行波波头到达时间，并基于该时间数据运用双端行波法来完成故障测距。
5.本发明实施例提供了一种基于双端行波法的配电网故障测距方法，所述方法包括：
6.获取配电网模型中各个末端节点的三相电压信号，其中，所述配电网模型包括多个末端节点和一个故障点，所述故障点被配置为单相断线电源侧接地故障；
7.对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号；
8.对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换，并根据小波模首个极大值得到故障初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间；
9.基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离。
10.作为本发明进一步的改进，每个所述末端节点的三相电压信号相互耦合，
11.所述对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号，包括：
12.通过clarke变换将相互耦合的每个所述末端节点的三相电压信号分别分解为0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，
13.所述clarke变换采用如下变换矩阵：
[0014][0015]u0,1,2
＝tu
a,b,c
[0016]
式中，t表示clarke变换矩阵，u
0,1,2
表示模电压信号，u
a,b,c
是相电压信号。
[0017]
作为本发明进一步的改进，选用三次b样条小波变换，对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换。
[0018]
作为本发明进一步的改进，对每个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号，小波变换后得到的小波模首个极大值对应该1模电压信号或2模电压信号的奇异点，即初始电压行波波头。
[0019]
作为本发明进一步的改进，所述基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离，包括：
[0020]
所述双端行波法确定故障距离采用如下公式：
[0021][0022]
式中，t1表示所述初始电压行波波头到达节点m的时间，t2表示所述初始电压行波波头到达节点n的时间，l表示线路长度，v表示1模电压信号或2模电压信号的行波波速，d
mf
表示节点m和节点f两点间距离，d
nf
表示节点n和节点f两点间距离，节点m和节点n所述多个末端节点中的其中一个节点，节点f为所述故障点。
[0023]
本发明实施例还提供了一种基于双端行波法的配电网故障测距装置，所述装置包括：
[0024]
电压信号获取模块，用于获取配电网模型中各个末端节点的三相电压信号，其中，所述配电网模型包括多个末端节点和一个故障点，所述故障点被配置为单相断线电源侧接地故障；
[0025]
clarke变换模块，用于对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号；
[0026]
小波变换模块，用于对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换，并根据小波模首个极大值得到故障初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间；
[0027]
测距确定模块，用于基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离。
[0028]
作为本发明进一步的改进，每个所述末端节点的三相电压信号相互耦合，
[0029]
所述clarke变换模块包括：
[0030]
通过clarke变换将相互耦合的每个所述末端节点的三相电压信号分别分解为0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，
[0031]
所述clarke变换采用如下变换矩阵：
[0032][0033]u0,1,2
＝tu
a,b,c
[0034]
式中，t表示clarke变换矩阵，u
0,1,2
表示模电压信号，u
a,b,c
是相电压信号。
[0035]
作为本发明进一步的改进，所述小波变换模块选用三次b样条小波变换，对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换。
[0036]
作为本发明进一步的改进，对每个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号，所述小波变换模块变换后得到的小波模首个极大值对应该1模电压信号或2模电压信号的奇异点，即初始电压行波波头。
[0037]
作为本发明进一步的改进，所述测距确定模块包括：
[0038]
所述双端行波法确定故障距离采用如下公式：
[0039][0040]
式中，t1表示所述初始电压行波波头到达节点m的时间，t2表示所述初始电压行波波头到达节点n的时间，l表示线路长度，v表示1模电压信号或2模电压信号的行波波速，d
mf
表示节点m和节点f两点间距离，d
nf
表示节点n和节点f两点间距离，节点m和节点n所述多个末端节点中的其中一个节点，节点f为所述故障点。
[0041]
本发明的有益效果为：
[0042]
针对单相断线接地故障，用于对断线情况下某一侧接地时的故障进行测距。利用故障后产生的行波信号向两端传播这一特性，通过识别故障产生的暂态初始行波波头到达时间，并基于该时间数据运用双端行波法来完成故障测距，充分利用暂态分量幅值较大、波形突变点多且具备丰富的多层次频带能量的特点，相较于利用稳态零序电流幅值法检测接地故障，可以提高检测灵敏度，测距误差小，且相较于注入信号检测故障位置的方法，在测距过程中无需额外增加信号注入设备，相应减少硬件成本。
附图说明
[0043]
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简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
[0044]
图1为本发明一示例性实施例所述的一种基于双端行波法的配电网故障测距方法的流程示意图；
[0045]
图2为本发明一示例性实施例所述的双端行波法测距故障原理示意图；
[0046]
图3为本发明一示例性实施例所述的配电网模型的示意图；
[0047]
图4为本发明一示例性实施例所述的提取得到的小波模极大值的示意图，其中，4(a)、4(b)、4(c)和4(d)分别示出了图3的配电网模型中1点、3点、5点和6点的小波模极大值。
具体实施方式
[0048]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0049]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0050]
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
[0051]
本发明实施例所述的一种基于双端行波法的配电网故障测距方法，如图1所示，所述方法包括：
[0052]
s1，获取配电网模型中各个末端节点的三相电压信号，其中，所述配电网模型包括多个末端节点和一个故障点，所述故障点被配置为单相断线电源侧接地故障；
[0053]
s2，对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号；
[0054]
s3，对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换，并根据小波模首个极大值得到故障初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间；
[0055]
s4，基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离。
[0056]
本发明所述方法针对单相断线接地故障，用于对断线情况下某一侧接地时的故障进行测距。本发明所述方法利用故障后产生的行波信号向两端传播这一特性，通过识别故障产生的暂态初始行波波头到达时间，并基于该时间数据运用双端行波法来完成故障测距。本发明所述方法利用暂态分量进行定位，充分利用故障时暂态分量幅值较大、波形突变点多且具备丰富的多层次频带能量的特点，使得故障初始电压行波波头易于被测量设备检测到并进而启动故障预警，加快工作人员的检修进度，相较于利用稳态零序电流幅值法检测接地故障、故障后零序和母线电压进行区段定位等其它涉及稳态信息的方法，本发明所述方法可以提高检测灵敏度，测距误差小。与注入信号检测故障位置的方法相比，本发明所述方法在测距过程中无需额外增加信号注入设备，相应减少硬件成本。
[0057]
其中，所述配电网模型例如可以采用电力系统仿真软件pscad/emtdc构建。对于不同的配电网模型，末端节点的数量可能不相同，本发明对配电网模型不做具体限定。可以理解的是，本发明所述方法适用于不同的配电网模型。
[0058]
一种可选的实施方式中，每个所述末端节点的三相电压信号相互耦合，
[0059]
所述对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号，包括：
[0060]
通过clarke变换将相互耦合的每个所述末端节点的三相电压信号分别分解为0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，
[0061]
所述clarke变换采用如下变换矩阵：
[0062][0063]u0,1,2
＝tu
a,b,c
[0064]
式中，t表示clarke变换矩阵，u
0,1,2
表示模电压信号，u
a,b,c
是相电压信号。
[0065]
可以理解的是，对于每个末端节点(例如图3所示的配电网模型中的1点、2点、3点、4点、5点和6点)的三相电压信号，即ua、ub和uc，三个电压信号是相互耦合的，将每个末端节点的ua、ub和uc通过clarke变换来实现变换，变换后能得到解耦后的0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，即u0、u1和u2。其中，0模电压信号即0模分量为地模分量，其速度随地理条件的变化而变化，不适用于故障测距，1模电压信号和2模电压信号为线模分量，其速度比较稳定，适用于故障测距。因此对于变换得到的0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，取其中的1模电压信号或2模电压信号进行后续的小波变换处理。1模电压信号和2模电压信号均适用于故障测距，可以选取其中的一种进行小波变换处理。
[0066]
一种可选的实施方式中，选用三次b样条小波变换，对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换。该小波基函数具备紧支性的优点，即时域内符合紧、频域内符合有限，适合时频范围内信号的局部化研究，使得初始电压行波波头的标定时间更加精确，除此之外该小波基函数还具备光滑性高的优点，能够更好的还原和重构原信号而不至于失真。
[0067]
一种可选的实施方式中，对每个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号，小波变换后得到的小波模首个极大值对应该1模电压信号或2模电压信号的奇异点，即初始电压行波波头。
[0068]
本发明的小波基函数选用三次b样条小波，通过对每个1模电压信号的最高频信号进行分析，得到小波模极大值，提取小波模首个极大值，该小波模首个极大值对应1模电压信号的奇异点，也即是初始电压行波波头。相应的，也可以通过对每个2模电压信号的最高频信号进行分析，得到小波模极大值，提取小波模首个极大值，该小波模首个极大值对应2模电压信号的奇异点，也即是初始电压行波波头。
[0069]
一种可选的实施方式中，所述基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离，包括：
[0070]
双端行波法测距故障原理如图2所示，利用双端行波法确定故障距离采用如下公式：
[0071][0072]
式中，t1表示所述初始电压行波波头到达节点m的时间，t2表示所述初始电压行波波头到达节点n的时间，l表示线路长度，v表示1模电压信号或2模电压信号的行波波速，d
mf
表示节点m和节点f两点间距离，d
nf
表示节点n和节点f两点间距离，节点m和节点n为所述多个末端节点中的其中一个节点，节点f为所述故障点。
[0073]
下面将结合附图来具体说明本发明所述的一种基于双端行波法的配电网故障测距方法。
[0074]
如图3所示，示例了构建好的配电网模型，该模型为6节点模型，由三相电源、变压器、架空线路和三相负荷组成。对该配电网模型设定故障：设置故障点位于7点，由开关的动作模拟a相断线状态和线路接地的状态，故障时间设为0.2秒，故障后接地电阻为1ω，总仿真时长为0.3秒。运行该配电网模型，仿真得到六个点的电压波形，本实施例选取其中1点、3点、5点和6点这四点的电压波形进行说明，并将波形数据复制到matlab软件中以进行后续处理。
[0075]
在matlab软件中对1点、3点、5点和6点这四点的三相电压信号进行处理，分别得到四点的0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，并提取四点的1模电压信号进行后续的小波变换处理。
[0076]
在matlab软件中对四点的1模电压信号分别利用三次b样条小波进行小波变换，提取得到的小波模极大值如图4所示，其中，图4(a)、4(b)、4(c)和4(d)分别示出了1点、3点、5点和6点的小波模极大值。
[0077]
基于图3所示的配电网模型所设定的参数，故障点即7点位于2点和4点之间，7点距离2点5km，7点距离4点6km，1点和2点之间距离为4.5km，2点和4点之间距离为11km，2点和3点之间距离为7km，4点和5点之间距离为4km，4点和6点之间距离为3km，所有线路的参数如电阻、电感和对地电容设置为一样，通过计算得到1模电压信号的行波波速为v1＝2.9
×
108m/s。
[0078]
根据图4中得到的各点小波模极大值所对应的时间和仿真故障所设置的时间0.2s，得到时间差，并结合1模电压信号的行波波速，计算1点、3点、5点和6点的测距距离，并与仿真所设置的故障距离进行比较，得到的比较结果如表1所示，从表1可以看出，1模信号应用于测距的有效性。
[0079]
表1测距距离与实际故障距离的比较结果
[0080][0081]
再根据双端行波法确定故障距离的计算公式，计算得到各个故障距离：
[0082]
联合1点和3点：d
1f
＝4.735km，d
3f
＝6.765km，故障点f位于1点和3点之间；
[0083]
联合1点和5点：d
1f
＝9.46km，d
5f
＝10.04km，故障点f位于1点和5点之间；
[0084]
联合1点和6点：d
1f
＝9.54km，d
6f
＝8.96km，故障点f位于1点和6点之间；
[0085]
联合3点和5点：d
3f
＝11.725km，d
5f
＝10.275km，故障点f位于3点和5点之间；
[0086]
联合3点和6点：d
3f
＝11.805km，d
6f
＝9.195km，故障点f位于3点和6点之间；
[0087]
联合5点和6点：d
5f
＝4.08km，d
6f
＝2.92km，故障点f位于5点和6点之间。
[0088]
根据以上结果综合分析，由于联合1点和3点以及联合5点和6点时这两种情况下得到的故障区间，不同于联合1点和5点、联合1点和6点、联合3点和5点以及联合3点和6点这四种情况下得到的故障区间，因此可以排除1点和3点两点计算得到的故障距离以及5点和6点两点计算得到的故障距离，最终结合保留的四种情况可以得到的故障点为图3所示配电网模型中设置的故障点，即7点。在四种确定出正确故障区间的情况中，即1点和5点、1点和6点、3点和5点、3点和6点，定位精度最差的一种情况(即联合3点和5点的情况)通过双端行波法所计算的故障距离与仿真所设置的故障距离的绝对误差为275m，该误差不大，处于可接受范围内，证明了本方法应用于单相断线接地故障的有效性。
[0089]
本发明实施例所述的一种基于双端行波法的配电网故障测距装置，所述装置包括：
[0090]
电压信号获取模块，用于获取配电网模型中各个末端节点的三相电压信号，其中，所述配电网模型包括多个末端节点和一个故障点，所述故障点被配置为单相断线电源侧接地故障；
[0091]
clarke变换模块，用于对各个所述末端节点的三相电压信号进行clarke变换，得到各个所述末端节点解耦后的1模电压信号和2模电压信号；
[0092]
小波变换模块，用于对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换，并根据小波模首个极大值得到故障初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间；
[0093]
测距确定模块，用于基于所述初始电压行波波头到达各个所述末端节点的时间，利用双端行波法确定故障距离。
[0094]
一种可选的实施方式中，每个所述末端节点的三相电压信号相互耦合，
[0095]
所述clarke变换模块包括：
[0096]
通过clarke变换将相互耦合的每个所述末端节点的三相电压信号分别分解为0模电压信号、1模电压信号和2模电压信号，
[0097]
所述clarke变换采用如下变换矩阵：
[0098][0099]u0,1,2
＝tu
a,b,c
[0100]
式中，t表示clarke变换矩阵，u
0,1,2
表示模电压信号，u
a,b,c
是相电压信号。
[0101]
一种可选的实施方式中，所述小波变换模块选用三次b样条小波变换，对各个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号进行小波变换。
[0102]
一种可选的实施方式中，对每个所述末端节点解耦后的1模电压信号或2模电压信号，所述小波变换模块变换后得到的小波模首个极大值对应该1模电压信号或2模电压信号
的奇异点，即初始电压行波波头。
[0103]
一种可选的实施方式中，所述测距确定模块包括：
[0104]
所述双端行波法确定故障距离采用如下公式：
[0105][0106]
式中，t1表示所述初始电压行波波头到达节点m的时间，t2表示所述初始电压行波波头到达节点n的时间，l表示线路长度，v表示1模电压信号或2模电压信号的行波波速，d
mf
表示节点m和节点f两点间距离，d
nf
表示节点n和节点f两点间距离，节点m和节点n为所述多个末端节点中的其中一个节点，节点f为所述故障点。
[0107]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0108]
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0109]
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。