CN105807182A - 一种输电线路的双端行波故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种输电线路的双端行波故障定位方法，包括以下步骤：S1、在输电线路上每隔10~15km安装一个用于检测行波信号的检测装置；S2、传感器模块接收电路中的电流电压信号，采样系统对电流电压信号进行采样记录，并通过A/D转换模块进行处理后，由通信模块将数据传输给主控中心；S3、主控中心对接收到的数据进行分析发现故障行波信号后，找到该故障行波信号对应的检测装置Am相邻的检测装置An中的第二故障行波信号，对故障行波信号和第二故障行波信号分别进行分析计算并得到第一个行波波头分别到达检测装置Am和An的时刻；S4、计算故障点所在位置。本发明能够实现故障位置的准确标定，精确度高。

Description

一种输电线路的双端行波故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统保护技术领域，特别涉及一种输电线路的双端行波故障定位方法。

背景技术

快速、准确地确定输电线路的故障点位置，可加快永久故障的修复，及时消除隐患以避免大量瞬时性故障的再次发生，对保证电力系统的安全稳定和经济运行有十分重要的意义。

目前，输电线路的故障定位，国内外已经提出了多种方法，主要有阻抗法、S注入法、“故障指示器”技术、馈线自动化技术和行波法。阻抗法受线路阻抗、负荷和电源参数的影响较大，对于带有多分支的配电线路，阻抗法无法排除伪故障点。S注入法的注入信号的能量有限，如果故障点经很大电阻接地，或者故障点距离线路始端很远，那么信号将很微弱无法准确测量。“故障指示器”技术虽然得到了实用化，但接地故障指示器的使用效果则不很理想，正确率不高，电网发生单相接地故障时常常没有反应。馈线自动化技术不能准确的对故障进行定位，而且故障定位的区间受馈线自动化设备安装密度的影响。

目前，国内外学者对110kV及其以上高压输电线路故障定位问题进行了大量研究，且已经取得实用性进展，在采用双端行波信号进行故障定位时，行波波头的测量可采用不同的实现方法。典型方法是直接利用电流互感器的二次信号进行波头检测。目前应用于电力系统的比较成熟的测距装置，如中国电力科学研究院研发的WFL2010、西安交通大学和山东科汇电气股份有限公司研发的XC-11等。这些行波定位装置主要是利用电流互感器具有的良好的传变高频信号的能力,但是，采用电流行波信号进行故障定位时，电流行波的采集信号受电晕干扰较大，对数据进行小波分析时，有时会出现波头定时不准，造成定位稳定性、可靠性和准确性不高工程适应性相对较差。而在非雷击绝缘自然破坏时，通常易发生在电压峰值附近，电压行波较电流行波灵敏度高。另外，现有行波测距装置由于采样率较低，大多不超过1MHz，定位精度也较低，理论与实际测距误差往往超过1km。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种输电线路的双端行波故障定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种输电线路的双端行波故障定位方法，包括以下步骤：S1、在输电线路上每隔10～15km安装一个用于检测行波信号的检测装置，分别标记为A1，A2…Am，An，…At，每个检测装置包括传感器模块，采样系统，A/D转换模块，通信模块；S2、所述传感器模块接收电路中的电流电压信号，与所述传感器模块相连的所述采样系统对电流电压信号进行采样记录，并通过所述A/D转换模块进行处理后，由所述通信模块将数据传输给主控中心；S3、主控中心对接收到的数据进行分析，发现故障行波信号后，找到该故障行波信号对应的检测装置Am，以及与检测装置Am相邻的检测装置An对应的第二故障行波信号，对故障行波信号和第二故障行波信号分别进行分析，首先将所述故障行波信号和所述第二故障行波信号中对应的固定杂波和行波分离出来，再通过分散演算，计算并得到第一个行波波头分别到达检测装置Am和检测装置An的时刻；S4、根据第一个行波波头分别到达检测装置Am和检测装置An的时刻，计算故障点距离检测装置An和An-1的距离，并根据检测装置An和An-1的具体位置，计算出故障处所在位置。

所述传感器模块包括三个非接触式传感器，所述三个非接触式传感器分别安装在输电线路的每一相上，用于测量输电线路每一相的电压电流信号，所述三个非接触式传感器的响应频率大于10MHz。

所述采样系统的采样频率为10MHz。

所述通信模块将数据传输给主控中心时，对采样数据进行部分抽取传输；若主控中心发现故障行波信号，则主控中心向通信模块发出详细数据上传请求，通信模块接收到详细数据上传请求后，对故障行波信号的详细采样数据进行全部上传。

所述检测装置还包括GPS定位模块，用于对检测装置进行定位以及时钟校准。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：采用先进计算方法，可以使得故障波形准确还原，并且能够通过推算，在大量干扰信号中出找出波头(故障波起始点)，从而能够准确计算出故障位置；采用非接触式传感器进行行波信号采集，改变目前仅限于实用变电站内电流电压传感器采集方式进行故障定位，检测装置可以安装在输电线路的塔杆上，可以简化安装难度；通过非接触式传感器的高速响应频率，可以提高检测装置的采样频率，进一步提高了数据的可靠性和准确性，从而进一步提高了双端行波的定位精度；采用10MHz的高速数据采样，而通信时采用数据抽取的通信方式，不仅提高了数据精度，而且降低了通信数据量，提高通信效率；本发明的故障定位方法能够实现高质量的故障位置的标定，故障定位精度理论误差达到100米以内，现场故障精度控制在200米以内。

附图说明

图1为本发明的实施例采用的分离演算方法的示意图；

图2为本发明的实施例采用的非接触器传感器内部的结构示意图；

图3为本发明的实施例中数据抽取通信以及必要详细数据通信的示意图，图3A表示采样系统采集到的数据点，图3B表示通常情况的数据抽取通信时传输的数据点，图3C表示第一个行波波头到达时的采取的数据全部传输通信时传输的数据点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明提出了一种输电线路的双端行波故障定位方法，包括以下步骤：

S1、在输电线路上每隔10～15km安装一个用于检测行波信号的检测装置，对每个检测装置进行编号，分别标记为A1，A2，…Am，An，…At。

本发明的输电线路的双端行波故障定位方法所采用的每个检测装置包括传感器模块，采样系统，A/D转换模块，通信模块，其中，传感器模块包括3个非接触式传感器，分别安装在输电线路的每一相上，采样系统与传感器模块相连，用于采集传感器模块中的电流电压信号，A/D转换模块与采样系统相连，通信模块与A/D转换模块的信号输出端相连，通信模块可以将A/D转换模块的输出信号通过移动电话网或卫星电话的方式发送给主控中心。

S2、通过检测装置中的传感器模块接收电路中的电流电压信号，与传感器模块相连的采样系统对传感器接收到的电流电压信号进行采样记录，并通过A/D转换模块进行处理后传输给通信模块，由通信模块通过移动电话网或卫星电话的方式传输给主控中心。

所述传感器接收电路中的电流电压信号，与所述传感器相连的所述采样系统对电流电压信号进行采样记录，并通过A/D转换模块进行处理后，由所述通信模块将数据传输给主控中心；

S3、主控中心对接收到的数据进行分析发现故障行波信号后，找到与该故障行波信号对应的检测装置Am相邻的检测装置An中的第二故障行波信号，对故障行波信号和第二故障行波信号分别进行分析，首先将所述故障行波信号和所述第二故障行波信号中对应的固定杂波和行波分离出来，再通过分散演算，计算并得到第一个行波波头到达检测装置Am的时刻tm和到达An的时刻tn；

其中，主控中心对故障行波信号进行计算处理时，为了正确地测出行波到达时刻，不能简单地检测电平，还需要对波形上升点进行演算。如图1所示，本发明采用先进的计算方法，使得故障波形状对于演算结果几乎没有影响，即将故障行波信号中的固定杂波和行波进行分别计算，通过分散演算的方式计算得到第一个行波波头到达检测装置Am的时间tm和到达An的时间tn，此方法与单纯的微分演算相比，固定杂波的频率成分对演算的影响相对较小。

S4、根据第一个行波波头到达检测装置Am的时间tm和到达检测装置An的时间tn；计算故障点距离检测装置Am和An的距离，并根据检测装置Am和An的具体位置，计算出故障处所在位置。

对于故障线路来说，设输电线路全长L(即检测装置Am和An的距离)，故障点初始行波达到检测装置Am和An的时间若已知，则故障点距检测装置Am和An的距离分别为：

$L_M=\frac{1}{2}\[(t_m-t_n)v+L\]$

$L_N=\frac{1}{2}\[(t_n-t_m)v+L\]$

式中v为行波波速，由于输电线路零模行波存在衰耗大、参数随频率变化大、波速不稳定等问题，一般不采用零模行波测距。线模行波的波速可以利用线路参数计算和实测。考虑线路参数的频率相关特性，行波波速计算公式如下：

$v=\frac{w}{\sqrt{\frac{1}{2}{w}^{2}LC-RG+\sqrt{(R^2+w^2{L}^2)(G^2+w^2{C}^2)}}}$

式中：R，L，G，C分别为线路单位长度的电阻、电感、电导和电容参数的频率特性，近似认为输电线路为均匀的无损长线，可按下式简化计算线模行波波速：

$V_{ma}=V_{mb}=\frac{1}{\sqrt{L_{ma}{C}_{ma}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{mb}{C}_{mb}}}$

式中：L_ma，C_ma，L_mb，C_mb分别为两端输电线路单位长度的模量电感和电容。

其中，传感器模块包括三个非接触式传感器，分别安装在输电线路的三相上，用于测量输电线路每一相的电压电流信号，所述三个非接触式传感器的响应频率大于10MHz。如图2所示，为非接触器传感器内部的结构示意图，该非接触式传感器内部具有电场传感器和磁场传感器两部分构成，通过这两个传感器可以在间隔一定距离，检测带电体的电压和电流信号。检测原理为：磁场传感器的主体为带磁芯的线圈，可以检测出带电体中流过电流所产生的磁场。电场传感器为平板结构，可以检测电体上电压产生的电场，因此，该非接触式传感器面对带电体(输电导线)设置时，可以输电导线中产生的电压电流信号进行检测。此传感器对于工频波和高频波具有非常良好的响应特性，通过高性能电缆将信号传输到检测装置，正确地记录信号波形。由于不与输电线路直接相连，该传感器模块可以直接安装在铁塔上，改变目前仅限于实用变电站内电流电压传感器采集方式进行故障定位。此外，该非接触式传感器的响应频率可以达到10MHz以上，因此，可以获得较高精度的故障行波信号，从而可以得到精确的行波到达时间，从而实现精确的故障定位。

其中，采样系统的采样频率的典型值可以为10MHz。

此外，由于高速采样所得到的波形数据，数据量较大，本发明采用必要数据部分优先传送功能，减少通信数据量和传输时间，以达到高效率的数据通信，如图3所示，为本发明的实施例中采取的数据抽取通信以及必要详细数据通信的示意图。图A表示采样系统采集到的数据点，图B表示通常情况的数据抽取通信时传输的数据点，图C表示第一个行波波头到达时的采取的数据全部传输通信时传输的数据点，从图中可以看出，采样波形的数据点较多，当无故障行波信号时，通信模块仅对采样数据进行部分传送，即采取数据抽取的方式进行通信，一旦主控中心发现故障行波信号，主控中心即对详细的演算数据提出上传请求，通信模块接收到该请求后，即对行波信号的详细采样数据进行全部上传，主控中心再根据该数据对行波到达时间进行计算。

此外，检测装置还可以包括GPS定位模块，用于对检测装置进行定位以及时钟校准，其时钟校准精度可以达到10^-7。

本发明提供了一种输电线路的双端行波故障定位方法，采用先进计算方法，可以使得故障波形准确还原，并且能够通过推算，在大量干扰信号中出找出波头(故障波起始点)，从而能够准确计算出故障位置；通过非接触式传感器进行行波信号采集，改变目前仅限于实用变电站内电流电压传感器采集方式进行故障定位，可以安装在输电线路的塔杆上，简化安装难度，安装距离可以为5～50km，优选的安装距离为10～15km，从而可以提高双端行波的定位精度；此外，通过非接触式传感器的高速响应频率，可以提高检测装置的采样频率，进一步提高了数据的可靠性和准确性，从而进一步提高了双端行波的定位精度；主控中心进行故障行波信号计算分析时，将故障行波信号中的固定杂波和行波进行分别计算，通过分散演算的方式计算得到第一个行波波头到达检测装置的时间，从而使固定杂波的频率成分对演算的影响相对较小，提高了时间检测的精度；而且，采用的高精度GPS定位模块对检测模块进行定位和时钟校准，也可以提高时间精度，因此采用本发明的故障定位方法，故障定位精度理论误差可以达到100米以内，现场故障精度可以控制在200米以内，可以广泛应用于高压电网输电网络。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种输电线路的双端行波故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在输电线路上每隔10~15km安装一个用于检测行波信号的检测装置，分别标记为A1，A2…Am，An，…At，每个检测装置包括传感器模块，采样系统，A/D转换模块，通信模块；

S2、所述传感器模块接收电路中的电流电压信号，与所述传感器模块相连的所述采样系统对电流电压信号进行采样记录，并通过所述A/D转换模块进行处理后，由所述通信模块将数据传输给主控中心；

S3、主控中心对接收到的数据进行分析，发现故障行波信号后，找到该故障行波信号对应的检测装置Am，以及与检测装置Am相邻的检测装置An对应的第二故障行波信号，对故障行波信号和第二故障行波信号分别进行分析，首先将所述故障行波信号和所述第二故障行波信号中对应的固定杂波和行波分离出来，再通过分散演算，计算并得到第一个行波波头分别到达检测装置Am和检测装置An的时刻；

S4、根据第一个行波波头分别到达检测装置Am和检测装置An的时刻，计算故障点距离检测装置An和An-1的距离，并根据检测装置An和An-1的具体位置，计算出故障处所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路的双端行波故障定位方法，其特征在于，所述传感器模块包括三个非接触式传感器，所述三个非接触式传感器分别安装在输电线路的每一相上，用于测量输电线路每一相的电压电流信号，所述三个非接触式传感器的响应频率大于10MHz。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路的双端行波故障定位方法，其特征在于，所述采样系统的采样频率为10MHz。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路的双端行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述通信模块将数据传输给主控中心时，对采样数据进行部分抽取传输；若主控中心发现故障行波信号，则主控中心向通信模块发出详细数据上传请求，通信模块接收到详细数据上传请求后，对故障行波信号的详细采样数据进行全部上传。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路的双端行波故障定位方法，其特征在于，所述检测装置还包括GPS定位模块，用于对检测装置进行定位以及时钟校准。