专利名称：一种初始反极性方向行波的辨识方法
技术领域：
本发明涉及一种初始反极性方向行波的辨识方法。
背景技术：
输电线路行波故障测距技术已得到较大发展并达到商业化水平，目前已在国内外获得了一定范围的应用。单端行波故障测距投资成本低，不需要GPS系统和双端通信，且不受双端硬件系统启动不同步及时间不一致等因素的影响，具有一系列优势。同时，现场由于输电线路两端厂站所属管理单位的不同，不可避免存在只能依赖单端测距法的情形。为此， 加强对单端行波信号的认识，挖掘其包含的丰富故障信息，增强对有效信息的提取，对于构造可靠单端测距算法，提高对单端行波信号的深入挖掘利用具有重要意义。单端行波测距一般利用行波信号前两个波头实现测距，但单端行波测距在某些情况下因无法确定第二个波头的性质，从而无法有效判断故障点所处线路的区段及故障点的准确位置。加强对单端行波信号的利用的主要问题是如何提高对第二个波头性质的识别能力，这也是单端行波测距的关键[4]。文献[1-3]对行波传播过程中输电线路各影响因素进行了深入分析，并对行波模量的色散等现象进行了认识理解；文献[4]对单端电压行波的折反射特征进行了分析，利用电压行波在母线分布电容处初始反射极性提出了相应的波形识别方法，但该初始反射波在现场能否精确测量将是该方法可否成功应用的关键。文献[5] 对单端行波信号中故障初始行波和第二个波头的极性关系进行了分析，并利用极性识别的方法判断第二个波头的性质，但该极性关系的成立受到母线类型的限制；文献[6，7]利用模量的折反射情况提出了相应的识别方法，但零模分量的出现与故障类型有关，无法在非接地故障时使用该方法；同时零模分量在传播过程中衰减最为严重，利用零模分量的判断方法其可靠性可能会偏低。

发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供一种初始反极性方向行波的辨识方法。本发明在对单端行波信号特征深入分析的基础上，利用加强对初始反极性方向行波的辨识实现第二个同极性波头的识别。初始反极性方向行波与故障初始行波波形差异明显，相对容易检测，可实现对单端行波信号中第二个波头的有效识别，并可辅助构造可靠的单端行波测距算法，同时方向行波可有效消除相邻健康线路对端反射波的干扰。本发明结合对行波折反射的特征分析，提出了考虑透射模量的初始反极性方向行波的辨识方法，该方法利用 /W2R At1与故障距离的函数关系、及线零模的衰减规律构造识别判据，该判据不受故障类型、模量透射的影响，具有较强的适应能力。仿真结果表明，本发明所提方法可有效识别初始反极性方向行波，进而准确判断第二个波头的性质，为构造新型单端测距算法提供了理论支撑。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种初始反极性方向行波的辨识方法，故障发生后分别检测故障初始行波和第
4二个同极性波头的时间差△、，以及第二个同极性波头与初始反极性方向行波的时间差 At2，利用At1/At2和故障距离之间的函数关系作为判据辨识初始反极性方向行波；对于特殊点则利用与故障距离间的函数特征判据进行进一步识别；而对于极端情况则结合线零模分量的衰减规律进行分析识别，该方法的实现步骤如下1)行波测距装置录波启动；2)检测故障初始行波并记录其到达测量端本端时刻、，并提取其后
，由此得 Δ t,/ Δ t2 e (O, V0A2-V0]； 据以上分析可得函数f (Lmf)=八、/八、在透射模量衰减完全和不完全情况下的特征曲线， 根据所得特征曲线，通过实测数据获得△、/△、的数值，可识别初始反极性方向行波的性质，并且该判据不受模量衰减、故障类型等因素的影响。所述步骤4)中所述的特殊点为At1/At2 = 1时，故障点位置和初始反极性方向行波的性质出现两种可能情况，即为近端故障Lmf = V2L/(V2+2V0)处故障时，初始反极性方向行波为对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，或为远端故障Lmf = 2V0L/(V2+2V0) 处故障，初始反极性方向行波为透射模量衰减完全的第二类行波，其中L为线路长度。该情况下利用At1Mt2 = f (Lmf)判据不能确定唯一故障点，属于利用识别过程中特殊的点，需要进一步判别。所述步骤4)中所述的利用基于At1与故障距离间的函数特征判据为构造At1 与故障距离的函数，并建立函数关系曲线近端故障时，At1随故障距离增加线性增大，而远端故障时则线性减小；结合函数f (Lmf) =征曲线可得，远端故障区间内不同故障位置处At1/At2相同而At1则完全不同；由此得Δ ti/ Δ t2 = 1时，若满足/ Δ tr2L/ (V2+2V0) / > 0，则初始反极性波头为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波，据此可进一步对特殊点进行处理。所述步骤幻中所述的极端情况为当Δ、/Δ、= 1时，若八、-217作2+2%)数值为零，则仍存在两个可能的故障点，属于判断过程中的极端现象。所述步骤5)中，结合线零模衰减规律进一步推理判断的过程如下若初始反极性波头为对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，则表明零模分量未衰减至不可测量， 由于线模分量衰减程度要小于零模分量，则在其之前必然出现对端母线反射波线模分量， 且其时差At为，即在初始反极性波出现时刻前
区间内检测到与故障初始行波同极性的线模分量，则初始反极性方向行波必为近端故障时对端母线反射波零模分量透射出的线模分量；反之，则为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波。有益效果(1)实现对行波信号中包含有效故障信息波头的性质有效识别是深度利用行波信号的重要步骤，也是提高基于单端行波原理实现故障测距稳定性和可靠性的关键。分析指出初始反极性方向行波与故障初始行波差异明显，并且奇异性相对较高，易于检测，同时包含故障距离等重要信息，实现初始反极性方向行波的辨识具有重要意义。(2)在对电流行波折反射特征深入分析的基础上，考虑故障点透射模量对初始反极性波头辨识的影响，提出了利用At1/At2与故障点距离在透射模量可测和衰减至不可测情况下的特定函数关系，实现初始反极性方向行波属性辨识的方法。(3)特殊点故障时利用Δ tl与故障点距离间的特定函数关系进行进一步判断。对于极端情况需结合线零模衰减等其它有效信息进行判断识别。(4)本发明所提方法可有效识别各种情况的初始反极性方向行波波头，并且不受故障类型、模量透射及模量衰减等因素的影响。


图1为主要折反射行波示意图2为八、/八、与故障距离函数特征曲线图3为At1与故障距离间的特征曲线图4为本发明的流程图5为输电线路仿真示意图6为70km相间故障仿真结果示意图7为55km单相接地故障仿真结果示意图8为IOOkm单相高阻接地故障仿真结果示意图
图9为40. 3km单相接地故障仿真结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明电流故障初始行波到达测量端后将出现复杂的折反射过程，如图1所示，从初始反极性方向行波检测的角度，可将折反射行波分为以下三种主要类型一类行波故障点和本端测量端之间不断往返的行波；二类行波对端测量端与故障点之间不断往返并返回M端的行波；三类行波一类行波经故障点透射后在经对端测量端反射回的行波；
母线类型将会影响母线在测量端处的反射系数α，各类折反射行波的极性与故障线路两端的母线类型有较大的关系[8]。当测量端本端为第一类母线时，电流行波在测量端本端的反射系数接近-1，入射波与反射波的叠加将使实测电流行波非常微弱，甚至不会出现行波过程，这也是电流行波测量利用的原理性缺陷；测量端本端为第二类母线时，当测量端对端为非二类母线的情况下，第二个到达波头必为对端母线反射波，其极性取决于对端母线的性质，该情况下第二个波头性质明确，无需其它辅助识别信息；当测量端本端为第三类母线时，若对端为三类母线，则初始反极性方向行波必为对端母线反射波，而当对端为二类母线时，则第二个到达波头必为故障点反射波；当对端为一类母线时(三一母线结构)，此时第二个到达波头的性质将无法识别，并且初始反极性方向行波的辨识将变得复杂，尤其在考虑故障点模量透射的情况下，初始反极性波头的性质辨识难度增大。该情况下初始反极性方向行波的准确辨识将成为第二个波头识别及单端测距实现的关键。故障点处各模量将不再相互独立，零模和线模分量将发生交叉透射[9]。零模分量到达故障点时，在产生反射和折射零模分量的同时，同时将交叉产生反射和折射线模分量， 并且满足反射线模分量与入射零模分量极性相同，折射线模与入射零模分量极性相反；同理线模分量在故障点处将产生反射和折射线模分量，并且交叉产生反射和折射零模分量， 且满足反射零模分量与入射线模分量同极性，而折射零模分量与入射线模分量极性相反。电流故障行波传播过程中，零模分量的衰减和相移最为严重，而线模分量则要小的多[10]，本发明选用线模分量进行分析。故障发生后初始故障行波的各模分量极性相同， 在故障点处零模分量将折射产生极性相反的线模分量，在三一类母线结构中，该线模分量为反极性波，某些情况下将作为初始反极性波出现。考虑到零模分量在折射前传播过程中的衰减，若零模分量衰减严重使得所折射产生的线模分量微弱以致无法检测，则不会对初始反极性方向行波的检测造成影响；若否，则在初始反极性方向行波的辨识过程中需考虑该透射模量。总之，故障点模量的相互透射现象必然对初始反极性方向行波的辨识与检测带来影响。经上述分析可得，三一类母线结构中初始线模反极性行波其性质有可能为在对端母线处反射两次后的二类行波、经对端母线反射一次后的三类行波或者故障初始行波零模分量在对端母线处反射后在故障点折射出的线模分量。考虑到各类波头到达测量端本端的时序性，经分析推导可得初始反极性方向行波的表达式为i_ (t) = C1 [-i 0 (t-t0-4tNF-tMF) ] +c2i 0 (t-t0-3tMF-2tNF)+C3 ["ie (t-t0-2tNF-tMF) ](1)式中i_(t)为初始反极性方向电流行波，I0为故障初始行波线模分量，t0为故障发生时刻，tMF、tNF为行波在线路MF和NF段传播所需时间，Cl、c2, C3分别为正常数，并且 Cl = aNpFaF ,Cl = αΜβ2ραΝ，c3 = Y α Μ β F α N，其中α M、α N、α F分别为电流行波在本端测量端、 对端测量端和故障点处的反射系数，β F为电流行波在故障点处的折射系数，α Μ、α F、β F均为正数，αΝ -1 ； Y为故障点处零模分量交叉折射线模分量的系数，-1 < Y < 0。由此可得，初始反极性方向行波的主要特征有(1)初始反极性方向行波出现具有较强规律性，并且包含丰富故障信息。(2)初始反极性方向行波的性质取决于母线类型、 故障点位置和零模分量衰减程度。
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根据式(1)可得，各类反极性波头到达测量端本端具有时序性，并且随故障点位置不同其时序性随之改变。当近端故障时，即故障点位于测量端本端和线路中点之间，满足 2tNF+tMF < 3tMF+2tNF < 4tNF+tMF，则故障点零模透射线模分量在不完全衰减的情况下将首先到达测量端本端，成为初始反极性方向行波，若其衰减较严重至不可测量时，则第三类行波的初始波头将成为初始反极性方向行波；同理，远端故障时，即故障点位于线路中点与测量端对端之间，满足2tNF+tMF < 4tNF+tMF < St^+Zt-，表明故障点零模透射模量在可测条件下将成为初始反极性方向行波，不可测时经对端母线反射两次后的二类行波将成为初始反极性方向行波。为减少初始反极性识别的干扰，本发明提取故障初始行波到达测量端后
，由此得 Δ \J Δ t2 e (O, V0A2-V0]。据以上分析可得函数MLmf) = At1/At2在透射模量衰减完全和不完全情况下的特征曲线，如图2所示。图2中实线为透射模量不完全衰减情况下的特征曲线，而粗虚线则对应透射模量完全衰减的情形。由图2可以看出，通过实测数据获得At1Mt2的数值，根据特征曲线可有效识别初始反极性方向行波的性质，并且不受模量衰减、故障类型等因素的影响。基于Δ、/Δ、与故障距离间函数特征的识别法可涵盖适用于绝大部分故障位置，而Δ、/Δ、= 1时，由图2得初始反极性方向行波有可能为近端故障点位置为Lmf = V2L/(V2+2V0)时的对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，其中L为线路长度，或为远端故障Lmf = 2^17(^+2%)时透射模量衰减完全的第二类行波，需要对该类特殊点进行进一步处理。构造At1与故障距离的函数，并建立函数关系曲线如图3所示。近端故障时，At1 随故障距离增加线性增大，而远端故障时则线性减小。结合图2可得，远端故障区间内不同故障位置处Δ、/Δ、相同而At1则完全不同。由此得Δ、/Δ、= 1时，初始反极性波头为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波的判别式为I Δ t「2L/ (V2+2V0) | > O(2)
以上判别式可用以进一步对特殊点进行处理。若八、-217作2+2%) =0，仍存在两个可能的故障点，出现极端情况。此时需结合线零模分量衰减规律进一步推理判断，经分析指出，若初始反极性波头为对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，则表明零模分量未衰减至不可测量，由于线模分量衰减程度要小于零模分量，则在其之前必然出现对端母线反射波线模分量，且其时差八t为21^/\-21^/%，即在初始反极性波出现时刻前
区间内检测到与故障初始行波同极性的线模分量，则初始反极性方向行波必为近端故障时对端母线反射波零模分量透射出的线模分量；反之，则为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波。本发明方法可按图4所示步骤实现(1)检测故障初始行波并记录其到达测量端本端时刻^，并提取其后
区间内可靠检测到与故障初始行波同极性的线模分量。由此判断初始反极性方向行波为近端故障时对端母线反射波零模分量透射出的线模分量。由上述仿真过程可以看出，本发明所提方法在不同故障位置、模量衰减等情况下均可靠准确的实现了初始反极性方向行波性质的识别，并且该识别算法不受故障类型、模量透射及其衰减等因素的影响。参考文献[1]覃剑，陈祥训，郑健超.不同故障类型情况下行波传播特点的研究[J].电网技术，1999，23(1) 54-57[2]覃剑，陈祥训，郑健超.行波在输电线上传播的色散研究[J].中国电机工程学报，1999，19 (9) 28-30[3]覃剑.输电线路单端行波故障测距的研究[J].电网技术，2005，四(15) 65-70[4]徐青山，陈锦根，唐国庆.考虑母线分布电容影响的单端行波测距法[J].电力系统自动化，2007，31 O) 70-73[5]徐丙垠，李京，陈平等.现代行波测距技术及其应用[J].电力系统自动化， 2001,25(23) 62-65[6]施慎行，董新洲，周双喜.单相接地故障下第2个反向行波识别的新方法[J]. 电力系统自动化，2006，30(1) 41-44[7] Xu Qingshan , L. L. LA, Chen Jingen, et a 1. Novel and Com prehensiveCounterm easures for Single Terminal Fault Location of Transmission Lines[J]. Automation of Electric Power Systems,2006,30(15) :21-25[8]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术(第二版).西安西安交通大学出版社，2007[9]施慎行，董新洲，周双喜.单相接地故障行波分析[J].电力系统自动化，2005， 29(23) 29-32[10]覃剑.小波变换应用于输电线路行波故障测距的研究[D].北京中国电力科学研究院，2001。
权利要求
1.一种初始反极性方向行波的辨识方法，故障发生后分别检测故障初始行波和第二个同极性波头的时间差At1，以及第二个同极性波头与初始反极性方向行波的时间差At2， 利用Δ、/Δ、和故障距离之间的函数关系作为判据辨识初始反极性方向行波；对于特殊点则利用与故障距离间的函数特征判据进行进一步识别；而对于极端情况则结合线零模分量的衰减规律进行分析识别，其特征是，该方法的实现步骤如下1)行波测距装置录波启动；2)检测故障初始行波并记录其到达测量端本端时刻、，并提取其后W，2tMF+2tNF)区间内的行波信号，tMF、tNF分别为故障行波由故障点传播至测量端本端、对端所需时间；3)实测At1Jt2的数值，利用基于At1/At2= f (Lmf)判据判别初始反极性方向行波性质；4)若出现特殊点，利用基于At1与故障距离间的函数特征判据对特殊点进行识别；5)若步骤4)中出现极端情况，则结合实际录波线零模分量衰减规律进一步判断。
2.如权利要求1所述的一种初始反极性方向行波的辨识方法，其特征是，所述步骤3) 中利用基于Δ、/Δ、= f(Lmf)判据识别初始反极性方向行波的方法如下(a)远端故障当透射模量衰减完全时，At1= 2LNF/V2，其中V2为线模分量波速度，Lnf 为线路NF段的长度；Δ t2 = 2Lnf/V2，由此得远端故障时在透射模量衰减完全的情况下Δ I1/ At2=I ；当透射模量衰减不完全时，此时所测得初始反极性方向行波为经对端母线反射后并在故障点处零模交叉折射出的线模分量，满足At1 = 2Lnf/V2，At2 = 21^/\-21^/%，其中Vtl为零模分量波速度，可得Δ I1/ At2 = V0ZV2-V0,为一常数；(b)近端故障当透射模量衰减完全时，在所选定的行波信号区间内将检测不到反极性方向行波，At2记为①，At1 = 2ν/ν2，其中Lnf为线路MF段的长度，可得At1Z^t2 = 0 ；而当透射模量衰减不完全时，At1 = 2Lmf/V2，At2 = 2LNF/VQ-2LMF/V2，计算可得，Δ、/Δ t2 =V0/ (LnfV2ZLmf-V0)，因近端故障时 Lnf/Lmf e (①，1]，由此得 Δ t,/ Δ t2 e (0，V0/V2-V0]；据以上分析可得函数T(Lmf) = At1/At2在透射模量衰减完全和不完全情况下的特征曲线，根据所得特征曲线，通过实测数据获得Δ、/Δ、的数值，可识别初始反极性方向行波的性质，并且该判据不受模量衰减、故障类型等因素的影响。
3.如权利要求1所述的一种初始反极性方向行波的辨识方法，其特征是，所述步骤4) 中所述的特殊点为At1/At2 = 1时，故障点位置和初始反极性方向行波的性质出现两种可能情况，即为近端故障Lmf = V2L/(V2+2V0)处故障时，初始反极性方向行波为对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，或为远端故障Lmf = 2V0L/(V2+2V0)处故障，初始反极性方向行波为透射模量衰减完全的第二类行波，其中L为线路长度。
4.如权利要求1所述的一种初始反极性方向行波的辨识方法，其特征是，所述步骤4) 中所述的利用基于At1与故障距离间的函数特征判据为构造At1与故障距离的函数，并建立函数关系曲线近端故障时，At1随故障距离增加线性增大，而远端故障时则线性减小；结合函数fO^) = At1Mt2特征曲线可得，远端故障区间内不同故障位置处At1Mt2 相同而At1则完全不同；由此得At1Z^t2= 1时，若满足/ Δ ν2 ν(ν2+2ν。)/>0，则初始反极性波头为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波，据此可进一步对特殊点进行处理。
5.如权利要求1所述的一种初始反极性方向行波的辨识方法，其特征是，所述步骤5)中所述的极端情况为当At1/At2 = 1时，若八、-217作2+2%)数值为零，则仍存在两个可能的故障点，属于判断过程中的极端现象。
6.如权利要求1所述的一种初始反极性方向行波的辨识方法，其特征是，所述步骤5) 中，结合线零模衰减规律进一步推理判断的过程如下若初始反极性波头为对端母线反射波零模分量透射出的线模分量，则表明零模分量未衰减至不可测量，由于线模分量衰减程度要小于零模分量，则在其之前必然出现对端母线反射波线模分量，且其时差At为21^/ V0-2Lnf/V2,即在初始反极性波出现时刻前
区间内检测到与故障初始行波同极性的线模分量，则初始反极性方向行波必为近端故障时对端母线反射波零模分量透射出的线模分量；反之，则为远端故障时透射模量衰减完全的第二类行波。
全文摘要
本发明公开了一种初始反极性方向行波的辨识方法，该方法可有效识别各种情况的初始反极性方向行波波头，并且不受故障类型、模量透射及模量衰减等因素的影响。该方法的步骤如下1)行波测距装置录波启动；2)检测故障初始行波并记录其到达测量端本端时刻t1，并提取其后[0，2tMF+2tNF)区间内的行波信号，tMF、tNF分别为故障行波由故障点传播至测量端本端、对端所需时间；3)实测Δt1、Δt2的数值，利用基于Δt1/Δt2＝f(LMF)判据判别初始反极性方向行波性质；4)若出现特殊点，利用基于Δt1与故障距离间的函数特征判据对特殊点进行识别；5)若步骤(4)中出现极端情况，则结合实际录波线零模分量衰减规律进一步判断。
文档编号G01R31/08GK102313858SQ20111019906
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者张峰, 梁军 申请人:山东大学