专利名称：直流输电线路故障电压行波红绿双色表示的故障测距方法
技术领域：
本发明涉及直流输电线路故障电压行波红绿双色表示的故障测距方法，属电力系统继电保护技术领域。
背景技术：
故障测距[1-8] —直以来受到电力工作者的高度关注，准确的故障测距可以极大 的缩短巡线时间，加快恢复供电，对电力系统的安全和经济运行具有非常重要的意义。行 波故障测距是根据行波传输理论实现的故障测距方法当输电线路发生故障时，会产生沿 线传播的故障行波，在波阻抗不连续点发生折、反射，利用故障行波的传输时间计算故障距 离。行波法可以分为单端法和双端法两种。双端法需要线路两端精确对时及信息传输通道， 装置的成本较单端法高。单端法是利用线路一端测量到的故障暂态行波在故障点与本端或 者对端母线之间往返一次的传播时间计算故障点到本端或者对端母线间的距离。现有的行 波单端法故障测距基本上是利用小波分析[7]或是数学形态学[8]来实现的，故障行波传 到直流线路的边界处，反射波在几个微妙后，极性反转，从而使反射波的识别带来困难；在 高阻接地故障下，第二个波头易受噪声干扰。参考文献[1]冈萨雷斯.数字图像处理[M].北京，电子工业出版社，2007.[2]束洪春，司大军，基于多算法的输电线路故障测距系统[J].电网技术， 2004，28(7) :49-52，57·[3]许丙垠，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(12) 62-65.[4]Fernando H, Magnago, Ali Abur. Fault Location Using Wavelets[J]. IEEE Transactions onPower Del ivery. Vol. 13, No. 4, October 1998.[5]董新洲，葛耀中，许丙垠.利用暂态电流行波的输电线路故障测距研究[J].中 国电机工程学报，1999，19 (4) =76-80.[6]Cansin Y. Evrenosoglu, Ali Abur, Ergun Akleman, Ozan O.Ozener. Bewley DiagramsRevisited via Visualization[J]. IEEE Transactions on Power Systems. Vol. 24，No. 3，August2009.[7]赵妍卉，王少荣.基于小波模极大值理论的HVDC输电线路行波故障定位方法 的研究[J].继电器，2007，35(1) 13-17.[8]李学鹏，全玉生，黄徐，马彦伟，杨俊伟.数学形态学用于高压直流输电线路行 波保护的探讨[J].继电器，2006，34(5) 5-9.

发明内容
本发明的目的是提供一种直流输电线路故障电压行波红绿双色表示的故障测距方法，当直流输电线路发生故障时，将双极电压行波分别映射到红(R)、绿(G)两个颜色通 道，在双极电压行波的色彩模式图下实现故障测距。本发明将直流输电线路双极故障电压行波分别映射到红(R)通道和绿(G)通道， 形成极电压行波的色彩模式图，通过图像处理的手段，提取色彩模式图中的故障信息，实现 单端故障测距。本发明的技术方案为1)当直流线路任一极电压突变量|u(n+l)-u(n) -1 u (η )-u (n-1) |大于整定值时， 采样频率为IMHz的高速数据采集与录波装置启动，并记录故障后3ms的整流侧正极和负极 电压行波波形，其中η为第η个采样点，u(n)为两极中任一极第η个采样点的电压采样值。2)将整流侧正极电压行波Udri和负极电压行波Udrt分别按式(1)作归一化 r ι ττ - ^ -min(^)<formula>formula see original document page 4</formula>
式中x取1或2，分别对应正极和负极，Hiin(Uta)为取Uta的最小值运算，max (Uta) 为取Udn的最大值运算，得到归一化后的正极电压行波Udrl和负极电压行波Udr2 ；3)将Udrl和Udr2按式⑵分别映射到红(R)和绿(G)两个颜色通道f =Udrx2 - [O, 255]2 (2)式中f表示函数对应关系，χ的意义同式(1)，Uta2为包含正极电压行波Udri和负 极电压行波Udri的二维空间，W，255]2为红(R)绿(G)颜色空间，得到双极电压行波的色彩 模式图。4)双极电压行波的色彩模式图中的颜色突变处对应故障行波到达保护处的时间。 同样色度的红色和绿色叠加将得到黄色，如图1所示，图中45°线即为黄色线。本发明中产 生色彩的方式为加色法，当选取黄色为基准时，即R色度-G色度=O为基准，若颜色在黄色 的基础上向红色突变则对应在图1中的区域1，此时R色度-G色度> O ；若颜色在黄色的基 础上向绿色突变则对应图1中的区域2，此时R色度-G色度<0。由此可见，选取黄色基准 后的电压色彩模式图与极电压的线模分量本质上是相同的，红色突变即对应极电压行波线 模分量的正极性浪涌，绿色突变即对应极电压行波线模分量的负极性浪涌。这样，故障行波 模量上的结论就可以直接应用在双极电压行波的色彩模式图中。考虑到直流线路两端的边界情况，由于边界上的平波电抗器的电感值较大，高频 暂态行波在边界处的折射系数接近于零，这使得利用整流侧直流线路极电压行波测距时， 不会受到交流线路行波的影响；同时由于平波电抗器的存在，对于直流线路故障高频行波 相当于开路，这就使得直流线路两端边界的电压行波反射系数接近1，故进行单端测距时， 其故障点反射波和对端母线反射波就可以通过它们的极性来区分。以图2的网格图来说 明电压故障初始行波uF向直流输电线路的两端传播，在整流侧直流线路的保护处，故障点 反射波为，对端母线反射波为αρβΝ%，βΜ、βΝ* β F分别为边界Μ、边界N和故障 点F处的反射系数，CIf*故障点F的折射系数，在直流输电系统中，β Μ和βΝ接近于1，CIf 为正，β F—般在负，所以故障点反射波β 和初始电压行波uF反极性；对端边界反射 波和初始电压行波％同极性。反应在双极电压行波的色彩模式图上，故障点反射 波和初始电压行波的突变颜色不同，即初始电压行波为红色突变则故障点反射波为绿色突 变，初始电压行波为绿色突变则故障点反射波为红色突变；对端边界反射波和初始电压行波的突变颜色相同，即对端边界反射波和初始电压行波同为红色突变或同为绿色突变。准 确提取双极电压行波的色彩模式图中第一处颜色突变所对应的时刻ti和第二处颜色突变 所对应时刻t2，得到At = t2_tlt)若前两处的颜色突变不同，即第一处为红色突变，第二处 为绿色突变，或第一处为绿色突变，第二处为红色突变，则第二处突变对应故障点反射波， 利用公式(3)计算出故障距离χ r nvAt<formula>formula see original document page 5</formula>(3)式中ν是线模上的波速度，其值由直流线路参数决定，可采用数字仿真测量法算 出0时刻在300km的线路首端注入电压，在线路末端设立观测点，精确记录电流行波到达
观测点的时刻t，利用公式ν=，，即可得出V。若前两处的颜色突变相同，即都为红色突变
或绿色突变，则第二处突变对应对端边界反射波，利用公式(4)计算出故障距离 r vAtX = L----(4)式中L为故障线路长度，其它各物理量意义同前。本发明与现有技术相比具有下列优点1)直接利用整流侧直流线路保护处的双极电压行波进行单端测距，不需要构造电 压行波线模分量；2)利用双极的故障电压行波分别映射到红(R)通道和绿(G)通道，形成故障电压 行波的色彩模式图，通过图像处理的手段，提取色彩模式图中的故障信息，使得测距更加直 观，简单。


图1为RG色彩叠加原理图；图2为行波网格图；图中M和N为边界M和边界N，F为故障点，uF为初始故障行 波，为故障点反射波，为对端边界反射波，βΜ、^和β F分别为边界Μ、边 界N和故障点F处的反射系数，α F为故障点F的折射系数；图3为直流系统图；图4为故障电压行波图；图5为本发明的故障电压行波的红绿色彩模式图。
具体实施例方式以图3的士500kV双极直流系统为例，在长为L = 500km的直流线路首端离保护 安装处150km处发生正极接地故障，接地电阻为5 Ω，仿真采样频率为1MHz。具体实施步骤 如下1)当直流线路任一极电压突变量|u(n+l)-u(n) -1 u (η)-u (n-1) |大于整定值时， 其中η为第η个采样点，u(η)为两极中任一极第η个采样点的电压采样值，采样频率为 IMHz的高速数据采集与录波装置启动，并记录故障后3ms的整流侧正极和负极电压行波波 形图，如图4所示；2)将整流侧正极电压行波Udri和负极电压行波Udrt分别按式<formula>formula see original document page 6</formula>作归一化，得到归一化后的正极电压行波Udrl和负极电压行波Udr2 ；3)将 Udrl 和 Udr2 按式f =Udrx2 -
2 (2)分别映射到红(R)和绿(G)两个颜色通道，得到双极电压行波的色彩模式图，为便 于观察，将其分辨率改为256 · 3000，如图5所示；4)利用图像处理软件(例如Photoshop)的边缘检测功能准确提取双极电压行波
的色彩模式图中前两处颜色突变处所对应的时刻，作差得到At = 0.001008s，若前两处的
颜色突变不同，利用公式 vAt<formula>formula see original document page 6</formula>计算出故障距离χ ；若前两处的颜色突变相同，则利用计算出故障距离χ ；根据图3的直流线路参数，利用数字仿真测量法算出线模的波 速度ν为2. 979146X 105km/s，故本例故障距离
<formula>formula see original document page 6</formula>
权利要求
一种直流输电线路故障电压行波红绿双色表示的故障测距方法，其特征在于该方法通过以下步骤完成1)当直流线路任一极电压突变量|u(n+1)-u(n)|-|u(n)-u(n-1)|大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动，并记录故障后3ms的整流侧正极和负极电压行波波形，其中n为第n个采样点，u(n)为两极中任一极第n个采样点的电压采样值；2)将整流侧正极电压行波udr1和负极电压行波udr2分别按式(1)作归一化 <mrow><msub> <mi>U</mi> <mi>drx</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>u</mi> <mi>drx</mi></msub><mo>-</mo><mi>min</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>drx</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>max</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>drx</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>min</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>drx</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中x取1或2，分别对应正极和负极，min(udrx)为取udrx的最小值运算，max(udrx)为取udrx的最大值运算，得到归一化后的正极电压行波Udr1和负极电压行波Udr2；3)将Udr1和Udr2按式(2)分别映射到红(R)和绿(G)两个颜色通道fUdrx2→
2(2)式中f表示函数对应关系，x的意义同式(1)，Udrx2为包含正极电压行波Udr1和负极电压行波Udr1的二维空间，
2为红(R)绿(G)颜色空间，得到双极电压行波的色彩模式图；4)准确提取双极电压行波的色彩模式图中第一处颜色突变所对应的时刻t1和第二处颜色突变所对应的时刻t2，Δt＝t2-t1，若前两处的颜色突变不同，即第一处为红色突变，第二处为绿色突变，或第一处为绿色突变，第二次为红色突变，则第二处突变对应故障点反射波，利用公式(3)计算出故障距离x <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>v&Delta;t</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中v是线模上的波速度，其值由直流线路参数决定；若前两处的颜色突变相同，即都为红色突变或绿色突变，则第二处突变对应对端边界反射波，利用公式(4)计算出故障距离 <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>-</mo><mfrac> <mi>v&Delta;t</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中L为故障线路长度，其它各物理量意义同前。
全文摘要
本发明涉及直流输电线路故障电压行波红绿双色表示的故障测距方法。本方法是当直流输电线路发生故障时，将整流侧直流线路保护处的双极电压行波分别映射到红(R)通道和绿(G)通道，形成双极电压行波的色彩模式图，选取色彩模式图中前两个颜色突变处，若前两处的突变颜色不同，则第二处突变对应故障点反射波；若前两处突变颜色相同，则第二处突变对应对端边界反射波，利用图像处理软件准确提取突变处所对应的时间，代入单端测距公式，实现单端测距。在保证故障测距准确性的同时，使得测距更加直观。
文档编号G01R31/08GK101825676SQ20101015648
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者张敏, 彭仕欣, 束洪春 申请人:昆明理工大学