CN104330708B - 一般电网下广域行波信号的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一般电网下广域行波信号的故障定位方法，在电网已配置少量故障行波监测点情况下，通过对故障后信号的相模变换及小波模极大值处理获得初始波头信息；在复杂电网情形下的实现扩展双端行波测距，在此基础上提供一般电网下的故障定位方法，实现从测量数据中快速寻找出准确的双端测距组合，通过结果的修正提高测距的精度。并通过对监测数据的处理和检验，保证对系统中任意故障点都能实现扩展双端行波测距，具有很好的容错能力。

Description

一般电网下广域行波信号的故障定位方法

技术领域

本发明涉及适应于一般电网下广域行波信号的故障定位方法研究。

背景技术

随着现代电力系统的空间范围不断扩大和现代计算机处理技术、数字信号处理技术、GPS同步校时技术的日益发展，复杂电网故障后的广域信息采集越来越容易实现。对于广域系统下的继电保护和状态监测研究也逐渐增多；为降低故障事故损失，达到好的经济效应和社会效益，要对电网的安全状况进行监测，并对故障进行快速定位，尤其对于广域系统，国内外已出现了一些成熟的研究成果。由于行波法受到系统运行参数的变化影响较小，并且考虑到单端测距法对反射波的辨识较困难，一些改进办法的适用范围也较小^[1][2]，因此利用小波的时频局部特性，对暂态行波的初始波头到达时刻进行检测，进而使用双端测距法进行测距。这种直接使用行波监测数据进行测距的装置称为TWR(Traveling WavesRecorder)。

对广域系统下的行波法测距研究中，其算法主要针对辐射状配电网，如果系统中含有环网等特殊结构，那么算法效果可能就达不到理想要求；采用邻近点优化策略求取最短路径，然后通过线性回归分析得到故障位置；文献^[5]在将双端测距的概念拓展的情况下，计算各条母线发生故障时到达所有监测点的时间，实际故障发生时以到达检测装置的最小时间作为基础，最后对检测值与理论值进行范数计算，选择最小的两个范数对应的母线，进而确定故障线路，但是，这种方法受限于线路的结构特点，只能满足IEEE-14系统82.2％的线路，并且不能迅速的自动分离出故障线路，需要人为进行分析；文献^[3,4]利用复杂电网的广域行波信息实现故障定位，考虑了电网内TWR的配置问题，但是没有考虑其算法的容错性。

参考文献

[1]张林利,徐丙垠,薛永端等.基于线电压和零模电流的小电流接地故障暂态定位方法[J].中国电机工程学报,2012,32(13):110-115.

[2]唐金锐,尹项根,张哲等.零模检测波速度的迭代提取及其在配电网单相接地故障定位中的应用[J].电工技术学报,2013,28(4):202-211.

[3]MertKorkali,Hanoch Lev-Ari,Ali Abur.Traveling-Wave-Based Fault-Location Technique for Transmission Grids Via Wide-Area Synchronized VoltageMeasurements[J].IEEE Trans.Power Del.,May 2012,27(2):1003-1011.

[4]Korkali M,Abur A.Optimal deployment of wide-area synchronizedmeasurements for fault-location observability[J].Power Systems,IEEETransactions on,2013,28(1):482-489.

[5]M.Korkali,A.Abur.Fault location in meshed power networks usingsynchronized measurements.Proc.North American Power Symp.,Sep.2010:1-6.

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种一般电网下广域行波信号的故障定位方法，对系统中任意故障点都能实现扩展双端行波测距，具有很好的容错能力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1、一种一般电网下广域行波信号的故障定位方法，包括如下步骤：

1)在拓扑结构确定的电网中选择最优TWR配置方案，得到先验知识；所述先验知识包括电网中所有母线节点之间的最短距离，配置的TWR对应的母线位置，安装TWR的母线处的一条或多条相邻母线以及所述一条或多条相邻母线分别到达各个TWR的最短距离，线模行波传播速度c_a；将所述先验知识存入数据库SQL-0；

2)假设电网中配置K个TWR，电网中发生故障时，K个TWR同时检测到故障行波电压，通过模变换和小波变换得到故障初始行波波头到达K个TWR的时间T_Mn(n＝1～K)，n为第n个TWR；在T_Mn(n＝1～K)中寻找最小值T_min，可知T_min所对应的TWR的安装母线位置I_i；通过查询数据库SQL-0，可知母线I_i的p条相邻母线I_vj(j＝1～p)；可知相邻母线I_vj(j＝1～p)分别到达K个TWR的最短距离D_vj(j＝1～p)；

3)令母线I_i处的TWR分别与其他K-1个TWR构成双端行波测距组合，任意选择I_i的一条相邻母线I_vj(j＝1～p)，设置初始j＝1；其中进行双端行波测距时采用包含该条相邻母线分别到达K个TWR的最短距离；根据双端行波测距技术计算可得K组故障信息，所述故障信息为故障线路R_Mt(t＝1～K)和故障线路R_Mt(t＝1～K)上距离线路首端的故障距离S_Mt(t＝1～K)；t为第t组故障信息；

4)初始令t＝1，任意选择一组故障信息处理：即根据这组中的故障线路R_Mt(t＝1～K)与其对应的故障距离S_Mt(t＝1～K)确定对应电网中的一个故障点位置，将该个故障点位置作为新节点f；

5)根据所选择的这组故障信息中的故障距离S_Mt(t＝1～K)，查询数据库SQL-0可知新节点f到各个TWR的距离S_f，根据新节点f到各个TWR的距离S_f可以得新节点f到各个TWR的传输时间T_f；

6)计算T_Mn(n＝1～K)与传输时间T_f的曼哈顿距离：H_n＝||T_f—T_Mn||(n＝1～K)；

7)判断步骤4)～步骤6)中K组故障信息是否均处理完毕，即t＝K是否成立，若成立，则进入步骤8)；若不成立，t＝t+1，返回步骤4)；

8)根据以上步骤可得K组曼哈顿距离，在K组曼哈顿距离里寻找曼哈顿距离最小值：ΔT_j＝minH(j＝1～p)，并记录该最小值对应的故障距离、故障线路以及双端行波测距组合，将其记录的数据存入数据库SQL-1；

9)重复步骤3)～步骤8)，得到每条相邻母线所对应的最小曼哈顿距离最小值；即j＝p是否成立，若成立进入步骤10)；若不成立则j＝j+1，返回步骤3)；

10)由p条相邻母线各自所对应的曼哈顿距离最小值构成最小曼哈顿距离集合：ΔT＝[ΔT₁ΔT₂...ΔT_p]；寻找ΔT中的最小值，查询数据库SQL-1得到此最小值所对应的故障距离、故障线路以及所使用的双端行波测距组合，双端行波测距组合假设为T_min和T_K，由公式(T_min-t₀)c_a+(T_K-t₀)c_a＝L_iK得到故障发生时间t₀，其中L_iK表示此双端行波测距组合所用的最短距离；

11)根据S_i＝c_a(T_Mn–t₀)，得到实际故障点到各个TWR的距离S_i，再由相应线路走向查询数据库SQL-0，得到各TWR测得的实际故障线路上离线路首端的实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}；

12)对结果S_fact进行检验：如果实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}为负或大于相应线路长度或实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}中数据不满足3σ准则，均删除对应实际故障距离数据；假设最终还有m组实际故障距离数据组成计算数据组得到最终测量故障距离为:

有益效果：

本发明目的是在电网已配置少量故障行波监测点情况下，通过对故障后信号的相模变换及小波模极大值处理获得初始波头信息。考虑在复杂电网情形下实现扩展双端行波测距，在此基础上给出一般电网故障定位方法，实现从测量数据中快速寻找出准确的行波测距组合，通过结果的修正提高测距的精度。并通过对监测数据的处理和检验，保证对系统中任意故障点都能实现扩展双端行波测距，具有很好的容错能力。

附图说明

图1为故障定位方法的流程图；

图2为I_i相邻母线示意图；

图3为IEEE-30标准系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

1、一种一般电网下广域行波信号的故障定位方法，包括如下步骤：

1)在拓扑结构确定的电网中选择最优TWR配置方案，得到先验知识；所述先验知识包括电网中所有母线节点之间的最短距离，配置的TWR对应的母线位置，安装TWR的母线处的一条或多条相邻母线以及所述一条或多条相邻母线分别到达各个TWR的最短距离，线模行波传播速度c_a；将所述先验知识存入数据库SQL-0；

2)假设电网中配置K个TWR，电网中发生故障时，K个TWR同时检测到故障行波电压，通过模变换和小波变换得到故障初始行波波头到达K个TWR的时间T_Mn(n＝1～K)，n为第n个TWR；在T_Mn(n＝1～K)中寻找最小值T_min，可知T_min所对应的TWR的安装母线位置I_i；通过查询数据库SQL-0，可知母线I_i的p条相邻母线I_vj(j＝1～p)；可知相邻母线I_vj(j＝1～p)分别到达K个TWR的最短距离D_vj(j＝1～p)；

3)令母线I_i处的TWR分别与其他K-1个TWR构成双端行波测距组合，任意选择I_i的一条相邻母线I_vj(j＝1～p)，设置初始j＝1；其中进行双端行波测距时采用包含该条相邻母线分别到达K个TWR的最短距离；根据双端行波测距技术计算可得K组故障信息，所述故障信息为故障线路R_Mt(t＝1～K)和故障线路R_Mt(t＝1～K)上距离线路首端的故障距离S_Mt(t＝1～K)；t为第t组故障信息；

4)初始令t＝1，任意选择一组故障信息处理：即根据这组中的故障线路R_Mt(t＝1～K)与其对应的故障距离S_Mt(t＝1～K)确定对应电网中的一个故障点位置，将该个故障点位置作为新节点f；

5)根据所选择的这组故障信息中的故障距离S_Mt(t＝1～K)，查询数据库SQL-0可知新节点f到各个TWR的距离S_f，根据新节点f到各个TWR的距离S_f可以得新节点f到各个TWR的传输时间T_f；

6)计算T_Mn(n＝1～K)与传输时间T_f的曼哈顿距离：H_n＝||T_f—T_Mn||(n＝1～K)；

7)判断步骤4)～步骤6)中K组故障信息是否均处理完毕，即t＝K是否成立，若成立，则进入步骤8)；若不成立，t＝t+1，返回步骤4)；

8)根据以上步骤可得K组曼哈顿距离，在K组曼哈顿距离里寻找曼哈顿距离最小值：ΔT_j＝minH(j＝1～p)，并记录该最小值对应的故障距离、故障线路以及双端行波测距组合，将其记录的数据存入数据库SQL-1；

9)重复步骤3)～步骤8)，得到每条相邻母线所对应的最小曼哈顿距离最小值；即j＝p是否成立，若成立进入步骤10)；若不成立则j＝j+1，返回步骤3)；

10)由p条相邻母线各自所对应的曼哈顿距离最小值构成最小曼哈顿距离集合：ΔT＝[ΔT₁ΔT₂...ΔT_p]；寻找ΔT中的最小值，查询数据库SQL-1得到此最小值所对应的故障距离、故障线路以及所使用的双端行波测距组合，双端行波测距组合假设为T_min和T_K，由公式(T_min-t₀)c_a+(T_K-t₀)c_a＝L_iK得到故障发生时间t₀，其中L_iK表示此双端行波测距组合所用的最短距离；

11)根据S_i＝c_a(T_Mn–t₀)，得到实际故障点到各个TWR的距离S_i，再由相应线路走向查询数据库SQL-0，得到各TWR测得的实际故障线路上离线路首端的实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}；

12)对结果S_fact进行检验：如果实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}为负或大于相应线路长度或实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}中数据不满足3σ准则，均删除对应实际故障距离数据；假设最终还有m组实际故障距离数据组成计算数据组得到最终测量故障距离为:

方案的效果评价：

本文在指定TWR配置方案的基础上，提出一种广域新型行波定位算法。配置方案可实现系统最大可观，即任意线路发生故障时，至少存在一对TWR可对其进行双端测距。现以一个模型为例：

为了验证算法的容错能力，首先假设系统中TWR均正常工作，按测距步骤进行故障定位，然后人为设置故障TWR，检验TWR无法正常工作时算法的正确性。

此算例使用IEEE-30标准系统，如图3所示。TWR配置母线位置为：2,3,5,8,11,13,14,16,18,21,26,29,30。

设置故障线路为线路4—6，故障发生在距离4母线25km处，故障类型设置为相间短路故障。故障发生时间为20ms。注：算例中，线路长度单位使用km，不使用英制单位；另外，高频下线模传播速度c_a＝299.15km/s。

无错误数据情况

故障初始行波波头到达13个TWR的时间T_M如下表1所示：

表1 各TWR检测初始行波到达时间

从TWR监测数据中可知，T_min＝t₁₃。由其他TWR与13号TWR的测距组合得到每组结果如下表2所示：

表2 故障测距初步结果

表中，曼哈顿距离最小为13号TWR与30号TWR的组合，因此，以13号和30号得到的测距结果作为以后计算的基础，得到故障为线路4-6上距4号母线25.0729km，计算故障时间t₀为20.0004ms，实际故障时间为20ms，绝对误差为0.42μs。之后，以故障时间t₀作为计算数据，得到各TWR测得的故障距离如下表3所示：

表3 校正后故障距离

最终，计算数据均值得到故障为线路4-6上距4母线25.0169km处，绝对误差为16.90m。相对误差为0.07％。

容错能力验证

为验证此算法的容错能力，在上例基础上，对5,16,26号母线上的TWR设置错误监测值：22.9730ms、22.5050ms、25.5770ms。

最小时间依旧是t₁₃，对应13号母线对应的TWR。由修正算法步骤，得到步骤9)求得的数据库SQL-1的数据，如下表4所示：

表4 故障测距初步结果

根据表中数据可见，5,16,26号母线上的TWR测得故障距离均为∞，这样以下步骤选择最小曼哈顿距离时，将删除这三个TWR的监测数据，使用余下数据继续进行分析。最终得到各TWR测得的故障距离S_fact，如下表5所示：

表5 校正后故障距离

最终，得到故障为：线路4-6上距4母线25.0006km，绝对误差为0.63m。经仿真验证，相比于其他定位算法，该方法定位精度高，可以适用任意类型的电网，并且具有很好的容错能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种一般电网下广域行波信号的故障定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在拓扑结构确定的电网中选择最优TWR配置方案，得到先验知识；所述先验知识包括电网中所有母线节点之间的最短距离，配置的TWR对应的母线位置，安装TWR的母线处的一条或多条相邻母线以及所述一条或多条相邻母线分别到达各个TWR的最短距离，线模行波传播速度c_a；将所述先验知识存入数据库SQL-0；

2)假设电网中配置K个TWR，电网中发生故障时，K个TWR同时检测到故障行波电压，通过模变换和小波变换得到故障初始行波波头到达K个TWR的时间T_Mn(n＝1～K)，n为第n个TWR；在T_Mn(n＝1～K)中寻找最小值T_min，可知T_min所对应的TWR的安装母线I_i位置；通过查询数据库SQL-0，可知母线I_i的p条相邻母线I_vj(j＝1～p)；可知相邻母线I_vj(j＝1～p)分别到达K个TWR的最短距离D_vj(j＝1～p)；

3)令母线I_i处的TWR分别与其他K-1个TWR构成双端行波测距组合，任意选择I_i的一条相邻母线I_vj(j＝1～p)，设置初始j＝1；其中进行双端行波测距时采用包含该条相邻母线分别到达K个TWR的的最短距离；根据双端行波测距技术计算可得K组故障信息，所述故障信息为故障线路R_Mt(t＝1～K)和故障线路R_Mt(t＝1～K)上距离线路首端的故障距离S_Mt(t＝1～K)；t为第t组故障信息；

4)初始令t＝1，任意选择一组故障信息处理：即根据这组中的故障线路R_Mt(t＝1～K)与其对应的故障距离S_Mt(t＝1～K)确定对应电网中的一个故障点位置，将该个故障点位置作为新节点f；

5)根据所选择的这组故障信息中的故障距离S_Mt(t＝1～K)，查询数据库SQL-0可知新节点f到各个TWR的距离S_f，根据新节点f到各个TWR的距离S_f可以得新节点f到各个TWR的传输时间T_f；

6)计算T_Mn(n＝1～K)与传输时间T_f的曼哈顿距离：H_n＝||T_f—T_Mn||(n＝1～K)；

7)判断步骤4)～步骤6)中K组故障信息是否均处理完毕，即t＝K是否成立，若成立，则进入步骤8)；若不成立，t＝t+1，返回步骤4)；

8)根据以上步骤可得K组曼哈顿距离，在K组曼哈顿距离里寻找曼哈顿距离最小值：ΔT_j＝minH(j＝1～p)，并记录该最小值对应的故障距离、故障线路以及双端行波测距组合，将其记录的数据存入数据库SQL-1；

9)重复步骤3)～步骤8)，得到每条相邻母线所对应的最小曼哈顿距离最小值；即j＝p是否成立，若成立进入步骤10)；若不成立则j＝j+1，返回步骤3)；

10)由p条相邻母线各自所对应的曼哈顿距离最小值构成最小曼哈顿距离集合：ΔT＝[ΔT₁ΔT₂...ΔT_p]；寻找ΔT中的最小值，查询数据库SQL-1得到此最小值所对应的故障距离、故障线路以及所使用的双端行波测距组合，双端行波测距组合假设为T_min和T_K，由公式(T_min-t₀)c_a+(T_K-t₀)c_a＝L_iK得到故障发生时间t₀，其中L_iK表示此双端行波测距组合所用的最短距离；

11)根据S_i＝c_a(T_Mn–t₀)，得到实际故障点到各个TWR的距离S_i，再由相应线路走向查询数据库SQL-0，得到各TWR测得的实际故障线路上离线路首端的实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}；

12)对结果S_fact进行检验：如果实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}为负或大于相应线路长度或实际故障距离S_fact＝{S_facti，i＝1～K}中数据不满足3σ准则，均删除对应实际故障距离数据；假设最终还有m组实际故障距离数据组成计算数据组得到最终测量故障距离为:

$S=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_{facti}^{*}.$