一种基于波形主导特征仿真推断的输电线故障单端行波测距方法

本发明涉及一种基于波形主导特征仿真推断的输电线故障单端行波测距方法，属于电力系统继电保护领域。

背景技术：

1、当前，电力系统迅速发展，高电压、远距离、大容量、交直流混连、区域电网联合已成为现实，输电线路单端电流行波录波装置由于其经济、高速、不受系统振荡等因素影响而广泛应用于110kv及以上电压等级输电线路中。因此，故障发生后准确、及时定位故障位置、排除故障对提高供电可靠性具有重要作用。

2、行波测距关键在于精准识别初始波头、故障点反射波或对侧母线反射波。然而，当前单端行波测距受到过渡电阻、通道衰耗、录波线路通道噪声干扰、零模分量等因素的影响，使得在实际应用中存在行波波头自动标定工作难度大，难以实现自动判断是否存在标记错误的情况。而仿真样本具有规整、无噪声干扰、行波主导特征明显、故障位置已知的特点，能够强化行波波头主导特征并平抑噪声干扰。因此，本发明提供了一种通过相似度度量比选得到实测数据最相似仿真样本，融入仿真样本提示后的波头标定方法，该方法能够增加可测距波头、减少实测数据错误波头标定，并能利用识别的多个波头检验测距结果正确性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于波形主导特征仿真推断的输电线故障单端行波测距方法，可以有效剔除当前实测数据中的错误标定波头进行测距，并能检测验证所测故障距离的正确性，从而能够解决以往实测数据中波头标定存在难以自动校验的技术问题。

2、本发明的技术方案是：一种基于波形主导特征仿真推断的输电线故障单端行波测距方法，具体步骤为：

3、step1：读取故障相电流行波录波数据和对应故障线离线仿真样本集合am。建立与当地线路拓扑类型、线长一致、过渡电阻为高阻和低阻两类的仿真模型，以每间隔2km发生故障遍历输电线路全长，得到该线路故障离线样本库。

4、step2：构建改进模式距离相似度度量算法，比选故障录波数据和仿真样本库中仿真数据，得到与实测故障数据最相似仿真样本。

5、step3：读取仿真样本提示区间ri＝[ris，rie]和对应测距算式，通过现有波头标定技术分别预标定实测数据，得到实测波头序列t。判断待测数据波头是否在仿真提示区间中，且两者极性是否一致，以此判断预标定的实测波头是否标定有效。

6、step4：对于每个提示区间，若t中存在tu满足ris<tu<rie，其中δti＝tu-t0(tu≠t0)，代入对应测距算式进行计算，得到由故障距离xk组成的测距序列，通过序列中的xk数量和序列标准差判断测距结果是否有效。

7、所述step1具体为：

8、step1.1：通过行波录波装置采集数据，记录故障前后2ms以上的电流行波数据。

9、step1.2：在pscad/emtdc中以保持两端线路相邻母线类别相同、故障线路长度一致、过渡电阻为高阻和低阻两类的拓扑搭建仿真模型。故障角、母线线路出线回路数、故障类型不会改变行波的极性和突变时刻，可设置为定值。

10、step1.3：仿真模型以每间隔2km发生一次故障遍历故障线路全长，进行批量仿真，得到两组按故障距离远近顺序编号的离线仿真样本库。

11、所述step2具体为：

12、step2.1：改进模式距离通过计算两个时间序列斜率，按其斜率的正负和幅值大小，将时间序列分段为m段。每一段模式集合为{急剧上升，急剧下降}，其对应模式表示为c＝{1，-1}。分段线性化后的时间序列：

13、s＝{(t1,y1s,y1l),…(ti,yis,yie),…(tm,yms,yme)}(1)

14、式中，yis、yie分别表示该第i段序列的起始值和终值，ti为第i段序列的初始时间。

15、step2.2：首个突变时刻起始点(t1，c1)，后续以每段对应的模式(急剧上升或急剧下降)和每段对应时间按时间先后组成多段模式组合：

16、s＝{(t1,c1),(t2,c2),…(ti,ci),…(tm,cm)}(2)

17、式中，ci∈c，表示对应第n段的模式。可得到每段序列对应模式和时间，可取两个序列对应的第i段(ti，ci)进行分析比较。

18、step2.3：基于实测数据只有故障发生后短时间内呈现显著的宏观形态特征，只分析仿真和实测数据中最显著的前3段时间序列。首波头最先到达，最强也最为显著，无多途干扰，故作为基准。则以首波头对齐后，比较剩余最显著的两段序列对应的极性和时间差，由式(3)计算两个时间序列改进的模式距离，数学表达式为：

19、

20、式中，ss,sa别为实测数据和仿真数据时间序列，f(ci)，f(ti)分别为各段模式序列对应的极性距离和时间距离，αi,βi为权重。其中，f(ci)＝|cai-cbi|，c＝{1，-1}表征行波的极性，两个时间序列极性一致时，极性距离为0。相反时，极性距离为2。设置时间距离和极性距离量级相同，对时间的差异也在[0,2]的范围内进行线性化归算并设置饱和截止，即：

21、

22、式中，δt为两个时间序列对应的分段末尾时刻差，δt小于tl时，时间距离为0。大于th时，时间距离为2。介于tl和th时，时间距离由时间阈值和距离阈值生成线性函数决定。

23、step2.4：将改进模式距离进行排序，比选得到最小的dm，dm小于模式距离阈值dth时，即可确定第m个样本即为最近邻仿真样本。当dm大于改进模式距离阈值dth时，则样本库中无最相似样本，上报该数据为特殊数据。

24、所述step3具体为：

25、step3.1：读取最近邻仿真样本的提示区间ri和对应测距算式。

26、step3.2：预标定待测故障电流tu和极性pu，得到n个行波波头序列t＝[t0,t1…tn]，tu∈t。step3.3：判断tu是否在提示区间ri内，判别式为：

27、

28、即实测数据与仿真样本的极性保持一致，同时实测数据标定波头在仿真样本提示区间ri＝[ti-ε，ti+ε]里，即可判断此次实测标定波头有效。

29、所述step4具体为：

30、step4.1：对融入仿真样本提示的故障标定波头tu依据仿真样本提供的对应的测距算式单端测距原进行测距，得到xi。

31、step4.2：通过计算多个故障距离的标准差即能验证所测故障距离序列xi的准确性。当i大于2时，依据式(6)计算标准差σ,设置σ阈值为η，当σ<η时，测距序列元素相差较小，则测距正确，η经验值可取3。波头测距标准差：

32、

33、式中，xi为识别出的i+1个波头所求的i个故障距离，u为xi的平均值，n为xi个数。

34、step4.3：根据波头数量和标准差σ对该故障数据进行自动校验。当i≥2同时标准差σ<ε时，该故障数据通过检测验证，测距正确，输出测距结果x1。当标准差σ<ε或i<2时，该故障数据识别波头个数较少或故障序列元素相差较大，则此次测距不通过检测验证，输出测距结果x1，并转人工进一步校核测距结果准确性。

35、本发明的有益效果是：本发明简单且高效，离线仿真样本库建立完成后能够在故障线路不扩建、改建前持续适用；该方法能够检测验证所测故障的正确性，融入仿真样本提示后可增加可用于测距的波头个数，通过提示得到的多个波头能得到多个测距距离，从而验证测距正确性，同时，最近邻仿真样本能够作为人工校核的辅助提示。该方法对解决当前单端行波测距难以确定标定波头是否正确、标定波头可靠性不高的问题具有重要意义。