一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域。當線路發(fā)生故障時，分別于量測端M端和量測端N端，由高速采集裝置獲取量測端M端和量測端N端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前(l1/vl+l2/vc)時窗長和故障初始到達后2(l1/vl+l2/vc)時窗長的行波數(shù)據(jù)；其次，采用DWT?PCA?SVM判別機制，實現(xiàn)故障段的判別；再次，分別于量測端M端和量測端N端，于行波觀測時窗[t0,t0+l1/(2v)]和[t0,t0+l2/(2v)]時窗內(nèi)，計算測距函數(shù)fMu(x)和fNu(x)沿線分布的突變點，并根據(jù)測距函數(shù)沿線突變的分布規(guī)律實現(xiàn)線纜混合線路的故障測距。
【專利說明】
一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法，屬于 電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 故障測距的任務(wù)就是當線路的某一點發(fā)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(shù)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(tài)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(jīng)歷了早期行波故障測距和現(xiàn)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(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代行波測距技術(shù)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(yīng)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(xiàn)廣域行波測 距等方面。因此，現(xiàn)代行波故障測距在未來發(fā)展之路中還要面對許多技術(shù)和原理層面上的 挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線 路雙端測距方法，用以解決上述問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距 方法，首先，當線路發(fā)生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取量測 端Μ端和量測端Ν端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前（li/vi+12/V。)時窗長和 故障初始到達后2(1^1+12")時窗長的行波數(shù)據(jù);其次，采用DWT-PCA-SVM判別機制，實現(xiàn) 故障段的判別；再次，分別于量測端Μ端和量測端Ν端，于行波觀測時窗[to Jo+WUv)]和 [t0，tQ+l2/(2v)]時窗內(nèi)，計算測距函數(shù)f Mu(x)和fNu(x)沿線分布的突變點，并根據(jù)測距函數(shù) 沿線突變的分布規(guī)律實現(xiàn)線纜混合線路的故障測距。
[0006] 具體步驟為：
[0007] 第一步、當線路發(fā)生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取 量測端Μ端和量測端Ν端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前（li/vi+12/V。)時窗 長和故障初始到達后2(1:/^+12/^)時窗長的行波數(shù)據(jù)；
[0008] 第二步、采用下述步驟判斷故障段：
[0009] 首先，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波到達量測端后27 個點，即采用2(1:/^+12/%)時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解(DWT)，得到a^cU~d 8小波重構(gòu)系 數(shù)；
[0010]其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行主成分分析(PCA)，得到 Ρ&~Ρ(：5主成分對應(yīng)的投影值qi~q5;
[0011]再次，將如~啦作為支持向量機(SVM)的輸入量：
[0012]若SVM輸出0,表示架空線路故障；
[0013] 若SVM輸出1，表示電纜故障；
[0014] 上述方法為"DWT-PCA-SVM"故障段判別機制；
[0015]第三步、構(gòu)建測距函數(shù)。首先，根據(jù)式（1)和(2)計算沿線電壓分布；
[0018]式中，UM=ikXZc，ik為相鄰健全線路電流行波，在式(1)和⑵中，j=M，N;
[0019] j=M時，表示采用量測端Μ端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為電纜 波阻抗Z c = Zc, cable，電纜芯線電阻r = rc，電纜波速度V = V。；
[0020] j=N時，表示采用量測端N端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為架空 線路波阻抗Zc^Zc^hl，架空線路線模電阻r = ri，架空線路波速度ν = νι;
[0021] 其次，計算方向行波沿線路分布：
[0022] 根據(jù)式（1)和式(2)計算得到電壓行波和電流行波以及式(3)和(4)計算正向行波 和反向行波：
[0023] 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3)
[0024] 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4)
[0025] 再次，提取正向行波和反向行波的突變：
[0026] 先采用式(5)和(6)差分運算得到(0和、，⑴；
[0027] %< (，) = [?; (卜Δ，)]/Δ， （5)
[0028] cSt i：r (/) = [?/； (? - ιΓη (t - Δ/)] / At (β)
[0029] (〇為正向行波的差分結(jié)果，《 (0為反向行波的差分結(jié)果，Δ t為采樣間隔；
[0030] 再計算差分結(jié)果Cdlf在一段時間的能量心,(U)，即：
[0033] 式中，SV(M)為正向行波在一段時間內(nèi)的能量(-V)為反向行波在一段時間內(nèi) 的能量，在式(3)~(8)中，j=M、N;
[0034] 最后，構(gòu)建測距函數(shù)：
[0035] 分別于量測端Μ端和量測端N端，在[to，to+l/(2v)]時窗長度內(nèi)，得到測距函數(shù)fMu (X)和fNuI(X):
[0038]第四步、確定故障距離：
[0039]將量測端Μ端，在[tQ，to+l/(2V)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)fuI(x)的突變點記為突 變解集f Ml! = [ XM1，XM2，......]；
[0040] 將量測端N端在[如，如+1/(2￥)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)€_&)的突變點記為突 變解集fNU=[XNl，XN2,......]；
[0041] 若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于架空線路，根據(jù)式：
[0042] x*M= (vi/vc)x*n x*M￡fMu x*NefNu
[0043] 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離；
[0044] 若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于電纜線路，根據(jù)式：
[0045] X*M= (vc/vi)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0046] 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離。
[0047]構(gòu)建DWT-PCA-SVM線纜混合線路故障線段辨識的模型及算法：
[0048] 首先，采用附圖1所示的線纜混合線路仿真系統(tǒng)，以架空線路起端觀測為例。假設(shè) 線路發(fā)生A相金屬性接地故障，故障初相角分別設(shè)為+90°和-90°。設(shè)置故障位置從離開起端 lkm開始，步長為lkm，遍歷電纜和架空線路全長。得到68條故障電流行波數(shù)據(jù)，并對電流行 波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波到達量測端后27個點，即采用2(1:/^+12/ Vc)時窗長的數(shù)據(jù)。其次，將電流行波數(shù)據(jù)進行小波分解，并選取a，d2~d8尺度下的小波系數(shù) 進行重構(gòu);再次，將重構(gòu)后的電流行波小波系數(shù)進行 PCA(主成分)聚類分析，得到PCl~PCd 成分對應(yīng)的投影值qi~q5。最后，將qi~q5作為SVM的輸入量，進行訓(xùn)練，并規(guī)定SVM輸出0，表 示架空線路故障;若SVM輸出1，表示電纜故障。其中，h為架空線路全長，1 2為電纜線路全長， VI為架空線路波速度，V。為電纜線路波速度。
[0049] 本發(fā)明的有益效果是：
[0050] (1)采用DWT-PCA-SVM判別機制，實現(xiàn)了線纜混合線路故障段的可靠辨識；
[0051] (2)雙端不需要同步，適用于工程實際。
【附圖說明】
[0052]圖1為本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3中的線路結(jié)構(gòu)圖，架空線路全長25km，電 纜線路全長為l〇km;
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進一步說明。
[0054] 一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法，首先，當線路發(fā) 生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取量測端Μ端和量測端N端故 障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前(h/Vi+h/V。)時窗長和故障初始到達后2(li/ V1+1 2/Vc)時窗長的行波數(shù)據(jù);其次，采用DWT-PCA-SVM判別機制，實現(xiàn)故障段的判別;再次， 分別于量測端Μ端和量測端N端，于行波觀測時窗[tQ，to+li/(2v)]和[tQ，to+l2/(2v)]時窗 內(nèi)，計算測距函數(shù)f Mu(x)和fNu(x)沿線分布的突變點，并根據(jù)測距函數(shù)沿線突變的分布規(guī)律 實現(xiàn)線纜混合線路的故障測距。
[0055] 具體步驟為：
[0056]第一步、當線路發(fā)生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取 量測端Μ端和量測端Ν端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前（li/vi+12/V。)時窗 長和故障初始到達后2(1:/^+12/1)時窗長的行波數(shù)據(jù)；
[0057]第二步、采用下述步驟判斷故障段：
[0058]首先，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波到達量測端后27 個點，即采用2(1:/^+12/^)時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解(DWT)，得到a^cU~d8小波重構(gòu)系 數(shù)；
[0059]其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行主成分分析(PCA)，得到 Ρ&~Ρ(：5主成分對應(yīng)的投影值qi~q5;
[0060]再次，將qi~q5作為支持向量機(SVM)的輸入量：
[00611若SVM輸出0,表示架空線路故障；
[0062] 若SVM輸出1，表示電纜故障；
[0063] 上述方法為"DWT-PCA-SVM"故障段判別機制；
[0064]第三步、構(gòu)建測距函數(shù)。首先，根據(jù)式（1)和(2)計算沿線電壓分布；
[0065]

[0067] 式中，UM=ikXZc，ik為相鄰健全線路電流行波，在式(1)和⑵中，j=M，N;
[0068] j=M時，表示采用量測端Μ端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為電纜 波阻抗Zc = Zc, cable，電纜芯線電阻r = rc，電纜波速度V = V。；
[0069] j=N時，表示采用量測端N端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為架空 線路波阻抗Zc^Zc^hl，架空線路線模電阻r = ri，架空線路波速度ν = νι;
[0070] 其次，計算方向行波沿線路分布：
[0071] 根據(jù)式（1)和式(2)計算得到電壓行波和電流行波以及式(3)和(4)計算正向行波 和反向行波：
[0072] 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3)
[0073] 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4)
[0074] 再次，提取正向行波和反向行波的突變：
[0075] 先采用式(5)和(6)差分運算得到^^ (0和(0;
[0076] V,, (〇 = [〃: (0-":(卜~ 夠
[0077] cbt_u _ (/) = [η；(/)~?；(?-Δ0]/Δ/ (6)
[0078] (0為正向行波的差分結(jié)果，V,,,-⑴為反向行波的差分結(jié)果，Δ t為采樣間隔；
[0079] 再計算差分結(jié)果Cdlf在一段時間的能量心Λ^)，即：
[0082] 式中，(U)為正向行波在一段時間內(nèi)的能量Λ", (Κ)為反向行波在一段時間 內(nèi)的能量，在式(3)~(8)中，j=M、N;
[0083] 最后，構(gòu)建測距函數(shù)：
[0084] 分別于量測端Μ端和量測端N端，在[to，to+l/(2v)]時窗長度內(nèi)，得到測距函數(shù)fMu (X)和fNuI(X):
[0087]第四步、確定故障距離：
[0088]將量測端Μ端，在[to，tQ+l/(2v)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)fui(x)的突變點記為突 變解集f Ml! = [ XM1，XM2，......]；
[0089] 將量測端N端在[如，如+1/(2￥)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)€_&)的突變點記為突 變解集fNU=[XNl，XN2,......]；
[0090] 若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于架空線路，根據(jù)式：
[0091] X*M= (vi/vc)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0092] 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離；
[0093]若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于電纜線路，根據(jù)式：
[0094] X*M= (vc/vi)x*N X*M￡fMu X*NefNu
[0095] 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離。
[0096]構(gòu)建DWT-PCA-SVM線纜混合線路故障線段辨識的模型及算法：
[0097]首先，采用附圖1所示的線纜混合線路仿真系統(tǒng)，以架空線路起端觀測為例。假設(shè) 線路發(fā)生A相金屬性接地故障，故障初相角分別設(shè)為+90°和-90°。設(shè)置故障位置從離開起端 lkm開始，步長為lkm，遍歷電纜和架空線路全長。得到68條故障電流行波數(shù)據(jù)，并對電流行 波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波到達量測端后27個點，即采用2(1:/^+12/ Vc)時窗長的數(shù)據(jù)。其次，將電流行波數(shù)據(jù)進行小波分解，并選取a，d2~d8尺度下的小波系數(shù) 進行重構(gòu);再次，將重構(gòu)后的電流行波小波系數(shù)進行 PCA(主成分)聚類分析，得到PCl~PCd 成分對應(yīng)的投影值qi~q5。最后，將qi~q5作為SVM的輸入量，進行訓(xùn)練，并規(guī)定SVM輸出0，表 示架空線路故障;若SVM輸出1，表示電纜故障。其中，h為架空線路全長，1 2為電纜線路全長， VI為架空線路波速度，V。為電纜線路波速度。
[0098]實施例1:以圖1所示的輸電線路為例，架空線路距離量測端Μ端2.5km發(fā)生接地故 障。
[0099] 根據(jù)說明書中步驟二，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波 到達量測端后27個點，即采用2(ll/vl+12/v C)時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解，得到a0、dl~ d8小波重構(gòu)系數(shù)。其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行PCA聚類分析， 得到PC1~PC5主成分對應(yīng)的投影值ql~q5= [3.05 0.0054 0.35 0.024 -0.016]作為SVM 的輸入屬性，SVM輸出0,表示架空線路故障。根據(jù)步驟三、四得到Μ端測距函數(shù)fMu(x)，且fMu =[2.414.96];同理得到量測端1^端測距函數(shù)€%(1)，且€%=[3.67 7.43]，可知^1 = 2.41 * xni/(vi/v。) = 3.67,故得到故障位于架空線路，且離開量測端Μ端2.41km。
[0100] 實施例2:以圖1所示的輸電線路為例，架空線路距離量測端Μ端10.5km發(fā)生接地故 障。
[0101] 根據(jù)說明書中步驟二，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波 到達量測端后27個點，即采用2(ll/vl+12/v C)時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解，得到a0、dl~ d8小波重構(gòu)系數(shù)。其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行PCA聚類分析， 得到PC1~PC5主成分對應(yīng)的投影值ql~q5=[1.81 0.12 0.02 0.013 0.014]作為SVM的輸 入屬性，SVM輸出0,表示架空線路故障。根據(jù)步驟三、四得到量測端Μ端測距函數(shù)fMu(x)，且 fMu= [14.30];同理得到量測端N端測距函數(shù)fNu(x)，且fNu= Φ?？芍实玫焦收衔挥诩芸?線路，且離開量測端Μ端10.70km。
[0102] 實施例3:以圖1所示的輸電線路為例，電纜線路距離Μ端28.5km發(fā)生接地故障。
[0103] 根據(jù)說明書中步驟二，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波 到達量測端后27個點，即采用2(ll/vl+12/vC)時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解，得到aO、dl~ d8小波重構(gòu)系數(shù)。其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行PCA聚類分析， 得到PC1~PC5主成分對應(yīng)的投影值ql~q5= [0.96 -0.35 -0.25 0.006 -0.0049]作為SVM 的輸入屬性，SVM輸出0,表示架空線路故障。根據(jù)步驟三、四得到端測距函數(shù)fMu(x)，且fMu = [5.43];同理得到量測端N端測距函數(shù)fNU(x)，且fNU=[3.63]，可知，χμι = 5·43 ? xni/(vi/vc) =3.63，故得到故障位于電纜線路，且離開量測端Μ端28.63km。
[0104]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述 實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前 提下作出各種變化。
【主權(quán)項】
1. 一種基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法，其特征在于:首先， 當線路發(fā)生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取量測端Μ端和量測 端Ν端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前（hM+12/V。)時窗長和故障初始到 達后2(1^1+12/1)時窗長的行波數(shù)據(jù);其次，采用DWT-PCA-SVM判別機制，實現(xiàn)故障段的判 另IJ;再次，分別于量測端Μ端和量測端Ν端，于行波觀測時窗[t^to+h/Uv)]和[t Q，tQ+l2/ (2v)]時窗內(nèi)，計算測距函數(shù)fMu(x)和f Nu(x)沿線分布的突變點，并根據(jù)測距函數(shù)沿線突變 的分布規(guī)律實現(xiàn)線纜混合線路的故障測距。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障行波沿線分布特性的線纜混合線路雙端測距方法， 其特征在于具體步驟為： 第一步、當線路發(fā)生故障時，分別于量測端Μ端和量測端N端，由高速采集裝置獲取量測 端Μ端和量測端Ν端故障電流行波數(shù)據(jù)，并截取故障初始行波到達前（1ι/νι+12/ν。)時窗長和 故障初始到達后2(1:/^+12/1)時窗長的行波數(shù)據(jù)； 第二步、采用下述步驟判斷故障段： 首先，將電流行波取絕對值后選取行波到達量測端前3個點，行波到達量測端后27個 點，即采用時窗長的數(shù)據(jù)，進行小波分解，得到aoA~cM、波重構(gòu)系數(shù)； 其次，選取a，d2~d8尺度下重構(gòu)獲取的故障電流波形進行主成分分析，得到？&~？(： 5主 成分對應(yīng)的投影值qi~q5; 再次，將qi~q5作為支持向量機的輸入量： 若SVM輸出0,表示架空線路故障； 若SVM輸出1，表示電纜故障； 第三步、構(gòu)建測距函數(shù)： 首先，根據(jù)式(1)和(2)計算沿線電壓分布；式中，UM=ikXZc；，ik為相鄰健全線路電流行波，在式⑴和(2)中，j=M，N; j=M時，表示采用量測端Μ端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為電纜波阻 抗Zc = Zc，cable，電纜芯線電阻r = rc，電纜波速度V = Vc ; j=N時，表示采用量測端N端數(shù)據(jù)計算沿線電壓和電流分布，且線路參數(shù)取為架空線路 波阻抗Zc^Zc^HL，架空線路線模電阻r = ri，架空線路波速度ν = νι; 其次，計算方向行波沿線路分布： 根據(jù)式（1)和式(2)計算得到電壓行波和電流行波以及式(3)和(4)計算正向行波和反 向行波： 正向行波:u+jx=(Ujx+Zcijx)/2 (3) 反向行波:u-jx=(Ujx-Zcijx)/2 (4) 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~_",. (0和(0 ;(5) (6) .-丨、' I- ，-、. ' .，-、.··.」. ... ㈧為正向行波的差分結(jié)果，％(0為反向行波的差分結(jié)果，Δ t為采樣間隔；再計算差分結(jié)果(3冊在一段時間的能量1,(^)，SP: m (8) 式中，(u)為正向行波在一段時間內(nèi)的能量(·ν)為反向行波在一段時間內(nèi)的能 量，在式(3)~(8)中，j=M、N; 最后，構(gòu)建測距函數(shù)： 分別于量測端Μ端和量測端N端，在[to，to+1/(2v)]時窗長度內(nèi)，得到測距函數(shù)fMU(X)和 fNul(x)：? Μ i9b) 第四步、確定故障距離： 將量測端Μ端，在[tQ，t〇+l/(2V)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)fuI(x)的突變點記為突變解 Mu - [ XM1, XM2 ,......]; 將量測端N端在[tQ，t〇+l/(2V)]時窗內(nèi)計算得到測距函數(shù)fNu(x)的突變點記為突變解集 fNu= [XNI ,ΧΝ2 ,......]； 若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于架空線路，根據(jù)式： Χ*Μ= (ν?/ν〇)χ*Ν X*M^fMu X*N^fNu 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離； 若根據(jù)步驟二，判斷出故障位于電纜線路，根據(jù)式： Χ*Μ= (ν〇/ν?)χ*Ν X*M^fMu X*N^fNu 并結(jié)合突變點的極性和幅值，確定故障距離。
【文檔編號】G01R31/08GK105866625SQ201610201245
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】束洪春, 田鑫萃
【申請人】昆明理工大學(xué)