專利名稱：基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中輸電線路故障單端測距方法。

背景技術(shù)：
行波法故障測距是現(xiàn)有主流故障測距方法。行波法故障測距受過渡電阻等因素的影響小，可以達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。而單端行波測距方法僅需線路測量端信號(hào)，不需同步設(shè)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。但是由于行波波頭識(shí)別大多在時(shí)域上進(jìn)行，故障的多樣性、波形畸變影響必將使測距出現(xiàn)誤差甚至完全誤判，此外，端點(diǎn)系統(tǒng)等效感抗使波頭曲線發(fā)生畸變，同樣造成行波波頭識(shí)別困難，更甚的是，在不對(duì)稱短路故障條件下“?；祀s”現(xiàn)象將使測量精度將進(jìn)一步惡化?？傊胁ǚü收蠝y距難于在各種條件和噪聲環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別和提取故障行波波頭到達(dá)時(shí)間以及對(duì)故障行波波頭形狀的準(zhǔn)確估計(jì)，從而測量精度低，測量誤差大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有輸電線路行波故障測距技術(shù)的不足之處，提供一種基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法，該方法的故障測距結(jié)果精確、可靠，且對(duì)設(shè)備無特殊要求，方便實(shí)施。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為一種基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法，其步驟為 A、預(yù)處理故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； B、主成分頻率提取采用多信號(hào)分類的譜估計(jì)方法，提取輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的固有頻率主成分頻率f1； C、單端測距 C1、根據(jù)被測的輸電線系統(tǒng)的模型計(jì)算得到主成分頻率f1下的以下參數(shù) (1)特征阻抗矩陣Zm Zs和Ys分別為故障電流行波主成分頻率f1下傳輸線路的模阻抗和模導(dǎo)納； (2)模波速vn 先計(jì)算模波速矩陣V， 再根據(jù)式(2)的模波速矩陣V，求得模波速vn若故障類型為三相相間/接地短路或兩相相間/接地短路時(shí)，模波速vn＝v33，若故障類型為單相接地短路時(shí)，模波速vn＝(v11+v22)/2； (3)故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf， (4)測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1， 式(3)、(4)中，Yf為故障點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，I為單位矩陣，Z1為測量端等效阻抗矩陣，T為相模變換矩陣； C2、故障測距 若C1中得到的故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf和測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1都為實(shí)數(shù)時(shí)，故障距離d根據(jù)以下(5)式計(jì)算 否則，故障距離d根據(jù)以下(6)式計(jì)算 式(6)中，θ1、θf分別指測量端和故障點(diǎn)的反射角矩陣元素，反射角矩陣θ1＝∠(Γ1)，θf＝∠(Γf)，若故障類型為三相相間/接地短路故障或兩相相間/接地短路故障時(shí)，θ1＝[∠(Γ1)]22，θf＝[∠(Γf)]22，若故障類型為單相接地短路故障時(shí)，θ1＝[∠(Γ1)]33，θf＝[∠(Γf)]33； 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 一、通過已知的單端系統(tǒng)等效阻抗、輸電線路參數(shù)和已有故障類型確定方法得出的故障類型，從頻域的角度出發(fā)，提取由暫態(tài)行波在輸電線路段內(nèi)往返形成的固有頻率及主成分，依據(jù)固有頻率主成分精確計(jì)算故障距離，全程使用一個(gè)參數(shù)——輸電線路故障電流行波信號(hào)固有頻率主成分頻率，不用識(shí)別行波波頭形狀，不必讀取行波波頭到達(dá)時(shí)刻，避免了現(xiàn)有時(shí)域方法識(shí)別和提取故障電流行波波頭困難的問題，提高了行波測距的可靠性，對(duì)及時(shí)查找和處理線路故障，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低運(yùn)行成本，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
二、故障電流行波模波速受頻率影響，傳統(tǒng)的時(shí)域方法不能解決波速不定的問題，而本發(fā)明在得到輸電線路故障電流行波信號(hào)固有頻率主成分頻率后，可依據(jù)行波固有頻率主成分頻率和公式精確計(jì)算出與故障類型相對(duì)應(yīng)的行波模波速，減小測距誤差，其測量結(jié)果精確。特別地，現(xiàn)有時(shí)域方法對(duì)占故障類型80％的故障電流小的單相接地故障，檢測困難且測距誤差大，本發(fā)明采用故障電流行波的0模和α模模波速算術(shù)平均值作為模波速的計(jì)算方法，大大提高了單相接地故障情況下的計(jì)算準(zhǔn)確度。
三、較之現(xiàn)有的時(shí)域測距方法需要至少1MHz的采樣頻率，本發(fā)明提取輸電線路故障電流行波信號(hào)固有頻率主成分頻率時(shí)采樣頻率范圍為100kHz～500kHz，對(duì)采樣設(shè)備無特殊要求，方便實(shí)施。
上述的A步預(yù)處理中，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的具體做法是 若故障類型為三相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； 這是因?yàn)槿嘞嚅g/接地短路故障時(shí)，0模電流和電壓為0，不能進(jìn)行測距計(jì)算，而α模中占主要成分的是線路對(duì)端反射的固有頻率，β模模量進(jìn)行測距計(jì)算能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果； 若故障類型為兩相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； 這是因?yàn)閮上嘞嚅g短路故障時(shí)，由兩相相間短路故障短路點(diǎn)反射矩陣式(15)可以看出，使β模變換列向量對(duì)應(yīng)故障相則矩陣為對(duì)角陣，在α模和β模量中都不會(huì)混入其它兩個(gè)模量的成分，而α模中占主要成分的是線路對(duì)端反射的固有頻率，實(shí)際應(yīng)用中不采用； 兩相接地短路故障時(shí)，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； 這是因?yàn)閮上嘟拥囟搪饭收蠒r(shí)，由兩相接地短路故障短路點(diǎn)反射矩陣式(16)至兩相接地短路故障時(shí)短路點(diǎn)反射矩陣不為對(duì)角陣，但是在β模量中不會(huì)混入其它兩個(gè)模量的成分，而且反射系數(shù)也和兩相短路相同，而0模和α模系數(shù)中都混入了兩個(gè)模量的線路特征阻抗，因此無法精確計(jì)算波速。
若故障類型為單相接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的α模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x。
這是因?yàn)閱蜗嘟拥囟搪饭收蠒r(shí)，“模混雜”現(xiàn)象使故障行波的頻率成分改變，觀察單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)反射系數(shù)矩陣式(17)可以發(fā)現(xiàn)，由于2Zmα≈Zm0，在主對(duì)角線上的兩個(gè)元素0模和α模反射的能量大體相等，?；祀s能量也大體相等。
這樣，預(yù)處理中最終達(dá)到僅取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)相模變換后的單一模量信號(hào)作為輸入信號(hào)，可以省去繁瑣的相模變換重復(fù)加減乘除計(jì)算，提高計(jì)算速度。
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例 本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
是，基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法具體實(shí)施步驟如下 A、預(yù)處理故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； B、主成分頻率提取采用多信號(hào)分類的譜估計(jì)方法，提取輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的固有頻率主成分頻率f1； C、單端測距 C1、根據(jù)被測的輸電線系統(tǒng)的模型計(jì)算得到主成分頻率f1下的以下參數(shù) (1)特征阻抗矩陣Zm, Zs和Ys分別為故障電流行波主成分頻率f1下傳輸線路的模阻抗和模導(dǎo)納； (2)模波速vn 先計(jì)算模波速矩陣V， 再根據(jù)式(2)的模波速矩陣V，求得模波速vn若故障類型為三相相間/接地短路或兩相相間/接地短路時(shí)，模波速vn＝v33，若故障類型為單相接地短路時(shí)，模波速vn＝(v11+v22)/2； (3)故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf， (4)測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1， 式(3)、(4)中，Yf為故障點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，I為單位矩陣，Z1為測量端等效阻抗矩陣，T為相模變換矩陣； C2、故障測距 若C1中得到的故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf和測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1都為實(shí)數(shù)時(shí)，故障距離d根據(jù)以下(5)式計(jì)算 否則，故障距離d根據(jù)以下(6)式計(jì)算 式(6)中，θ1、θf分別指測量端和故障點(diǎn)的反射角矩陣元素，反射角矩陣θ1＝∠(Γ1)，θf＝∠(Γf)，若故障類型為三相相間/接地短路故障或兩相相間/接地短路故障時(shí)，θ1＝[∠(Γ1)]22，θf＝[∠(Γf)]22，若故障類型為單相接地短路故障時(shí)，θ1＝[∠(Γ1)]33，θf＝[∠(Γf)]33； 本例的A步預(yù)處理中，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的具體做法是 若故障類型為三相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； 若故障類型為兩相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x； 若故障類型為單相接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的α模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x。
本發(fā)明中，固有頻率主成分頻率f1的含義如下 理想傳輸線上傳播的行波當(dāng)線路兩端為完全反射時(shí)在頻域上表現(xiàn)為以π/τ為基頻的無窮多的諧波之和，這種現(xiàn)象稱為行波的固有頻率，其中2τ為行波往返于線路兩端的周期。此固有頻率在有損傳輸線條件下和在線路兩端不完全反射時(shí)仍然存在。固有頻率頻譜中第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的頻率f1為其主成分頻率，其在功率譜中所占能量大，對(duì)應(yīng)幅值最大，易于分辨讀取，本專利取f1進(jìn)行故障測距計(jì)算。
本發(fā)明中，采用多信號(hào)分類的譜估計(jì)方法，提取輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的固有頻率主成分頻率f1的算法為現(xiàn)有的算法，其具體做法如下 1.設(shè)輸電線路故障電流行波模信號(hào)x及其后K-1個(gè)值形成長度為K的時(shí)間窗向量，故障行波電流信號(hào)可用以下諧波模型表示 其中，αp和fp為第p個(gè)復(fù)正弦信號(hào)的幅值和頻率，ω(n)為噪聲信號(hào)矩陣； 2.求x的頻率時(shí)間窗向量v(f)＝[1ej2πf…ej2π(K-1)f]T(8) 3.由x的自相關(guān)函數(shù) 得到K×P階的矩陣V＝[v(f1)v(f2)…v(fp)](10)，矩陣V的列向量是頻率為fp時(shí)由式(8)定義的頻率時(shí)間窗向量，VH為V的Hermit矩陣，σω2為白噪聲，I為單位矩陣，A為對(duì)應(yīng)頻率能量組成的對(duì)角陣，
4.對(duì)x的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行矩陣特征值分解，得到對(duì)λk排序，使λ1≥λ2≥…≥λk，得到對(duì)應(yīng)的特征分量qk，qkH為qk的Hermit矩陣。
5.令K＞P+1，得到
上式(13)功率譜R中的P個(gè)峰值對(duì)應(yīng)信號(hào)x中的各個(gè)固有頻率成分fp(p＝1，2，...)，令p＝1，即得x的固有頻率主成分頻率f1。
基于以上算法，多信號(hào)分類的譜估計(jì)提取x的固有頻率主成分頻率f1可以采用現(xiàn)有的軟件直接進(jìn)行計(jì)算，如采用Matlab軟件時(shí)頻分析工具箱進(jìn)行 1.根據(jù)輸電線路故障電流行波模信號(hào)x數(shù)據(jù)長度和線路參數(shù)，取定采樣頻率fs，采樣點(diǎn)數(shù)nfft和權(quán)值order的數(shù)值(一般來說fs≥50kHz，nfft取256的整數(shù)倍，采樣頻率fs為100kHz時(shí)，order一般取30-50，采樣頻率fs為500kHz時(shí)，order一般取150-200)； 2.調(diào)用Matlab軟件平臺(tái)中的多信號(hào)分類譜估計(jì)函數(shù)Hs＝spectrum.music(order)以及pseudospectrum(Hs，x，′NFFT′，nfft，′fs′，fs)進(jìn)行基于多信號(hào)分類的譜估計(jì)； 3.由第二步中的操作得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x進(jìn)行基于多信號(hào)分類的譜估計(jì)的功率譜，讀取功率譜中第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的頻率，即為所求的固有頻率主成分頻率f1。
本發(fā)明中，基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法中由式(4)算出的不同故障類型對(duì)應(yīng)不同故障點(diǎn)反射系數(shù)矩陣如下 三相相間/接地短路 兩相相間短路(BC相相間短路) 兩相接地短路(BCG) 單相接地短路 其中，α為相間過渡電阻，Zm0、Zmβ、Zmα分別為特征阻抗的0、α、β模。
采用本實(shí)施例的方法，對(duì)于一個(gè)具體的輸電線路系統(tǒng)進(jìn)行的故障測距計(jì)算的結(jié)果如下 該輸電線路系統(tǒng)為雙電源單回路系統(tǒng)，輸電線總長度100km，線路型式選用TOWER 3H5桿塔，電源1電壓110∠50kV、頻率50Hz，電源2電壓109∠30kV、頻率50Hz，土壤電阻率R為100Ω*m，電源1處等效阻抗Z1＝0，測距裝置裝設(shè)于電源1的母線上進(jìn)行單端測距，行波在電源1的母線處產(chǎn)生完全反射。
故障發(fā)生在距離電源1的母線42.5km處。
情況一發(fā)生三相相間/接地短路；情況二發(fā)生兩相相間/接地短路；情況三發(fā)生單相接地短路。
以下給出三種情況的主要測距過程與結(jié)果 情況一即三相相間/接地短路(ABC/ABCG) A、預(yù)處理 故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型為三相相間/接地短路，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)為β模電流信號(hào)x； B、提取行波故障電流固有頻率主成分 對(duì)x進(jìn)行多信號(hào)分類算法故障電流行波主成分提取，采樣頻率100kHz，采樣點(diǎn)數(shù)1024，權(quán)值order＝35，得到故障電流行波固有頻率的主成分頻率為3500Hz。
C、參數(shù)計(jì)算和故障測距計(jì)算 由電源1處等效阻抗Z1＝0，得到3個(gè)模量的反射系數(shù)為Γ0＝Γα＝Γβ＝-1，Γ0、Γα和Γβ分別為測量端(電源1處)的0模、α模和β模的反射系數(shù)，故障點(diǎn)處三種模量的反射系數(shù)同為-1，金屬性短路故障，θ1+θf＝2π。
計(jì)算模波速 計(jì)算故障距離誤差21m。
情況二即兩相相間/接地短路(B-C/BCG) A、預(yù)處理故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型為兩相相間/接地短路，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)為β模電流信號(hào)x； B、提取行波故障電流固有頻率主成分對(duì)x進(jìn)行多信號(hào)分類算法故障電流行波主成分提取，采樣頻率100kHz，采樣點(diǎn)數(shù)1024，權(quán)值order＝35，得到故障電流行波固有頻率的主成分頻率為3500Hz。
C、參數(shù)計(jì)算和故障測距計(jì)算 計(jì)算模波速 故障距離為誤差21m。
情況三即單相接地短路 A、預(yù)處理 故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型為兩相相間/接地短路，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)α模電流信號(hào)x； B、提取行波故障電流固有頻率主成分 對(duì)x進(jìn)行多信號(hào)分類算法故障電流行波主成分提取，采樣頻率100kHz，采樣點(diǎn)數(shù)1024，權(quán)值order＝35，得到故障電流行波固有頻率的主成分頻率為3370Hz。
C、參數(shù)計(jì)算和故障測距計(jì)算 模波速矩陣 計(jì)算模波速 計(jì)算故障距離誤差42m。
采用本發(fā)明的基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法對(duì)以上三種情況進(jìn)行測距，得到的誤差分別只有21m、21m和42m，而在相同線路系統(tǒng)條件下，使用傳統(tǒng)時(shí)域小波單端測距方法對(duì)三種情況進(jìn)行測距，得到的故障測距結(jié)果誤差則分別為150m、150m和300m；可見，本發(fā)明的方法其測距精度大大提高。
權(quán)利要求
1.一種基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法，其步驟為
A、預(yù)處理故障錄波裝置從輸電線路采集得到故障電流行波信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)濾波處理后進(jìn)行相模變換，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x；
B、主成分頻率提取采用多信號(hào)分類的譜估計(jì)方法，提取輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的固有頻率主成分頻率f1；
C、單端測距
C1、根據(jù)被測的輸電線系統(tǒng)的模型計(jì)算得到主成分頻率f1下的以下參數(shù)
(1)特征阻抗矩陣Zm，
Zs和Ys分別為故障電流行波主成分頻率f1下傳輸線路的模阻抗和模導(dǎo)納；
(2)模波速vn
先計(jì)算模波速矩陣V，
再根據(jù)式(2)的模波速矩陣V，求得模波速vn若故障類型為三相相間/接地短路或兩相相間/接地短路時(shí)，模波速vn＝v33，若故障類型為單相接地短路時(shí)，模波速vn＝(v11+v22)/2；
(3)故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf，
(4)測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1，
式(3)、(4)中，Yf為故障點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，I為單位矩陣，Z1為測量端等效阻抗矩陣，T為相模變換矩陣；
C2、故障測距
若C1中得到的故障點(diǎn)的反射系數(shù)矩陣Γf和測量端的反射系數(shù)矩陣Γ1都為實(shí)數(shù)時(shí)，故障距離d根據(jù)以下(5)式計(jì)算
否則，故障距離d根據(jù)以下(6)式計(jì)算
式(6)中，θ1、θf分別指測量端和故障點(diǎn)的反射角矩陣元素，反射角矩陣θ1＝∠(Γ1)，θf＝∠(Γf)，若故障類型為三相相間/接地短路故障或兩相相間/接地短路故障時(shí)，θ1＝[∠(Γ1)]22，θf＝[∠(Γf)]22，若故障類型為單相接地短路故障時(shí)，θ１＝[∠(Γ1)]33，θf＝[∠(Γf)]33；
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法，其特征在于所述的A步預(yù)處理中，根據(jù)被測輸電線系統(tǒng)的故障類型，得到輸電線路故障電流行波模信號(hào)x的具體做法是
若故障類型為三相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x；
若故障類型為兩相相間/接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的β模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x；
若故障類型為單相接地短路故障，選取被測輸電線路故障電流行波信號(hào)的α模信號(hào)作為輸電線路故障電流行波模信號(hào)x。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于行波固有頻率提取的輸電線路故障單端測距方法，它經(jīng)過輸電線路故障電流行波信號(hào)固有頻率主成分的提取分析后，依據(jù)該主成分頻率和故障類型，選取相應(yīng)模量和計(jì)算方法，得到主成分頻率下的線路特征阻抗矩陣、反射系數(shù)矩陣、反射角矩陣和模波速，最后依據(jù)行波固有頻率、模波速和反射角計(jì)算出故障的距離，給出輸電線路故障測距結(jié)果。該方法能有效提取輸電線路故障電流行波主成分，故障測距結(jié)果精確、可靠，且對(duì)設(shè)備無特殊要求，方便實(shí)施。
文檔編號(hào)G01R31/08GK101718833SQ200910216799
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者何正友, 鄔林勇, 夏璐璐, 李小鵬, 臧天磊, 張海申 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)