专利名称：一种输电线路单端行波故障测距方法
技术领域：
本发明涉及一种基于初始反极性方向行波检测的输电线路单端行波故障测距方法，适用于电力系统输电线路故障点的定位。
背景技术：
准确快速的故障测距可有效帮助修复高压输电线路，保证可靠供电，最大程度降低线路故障对整个电力系统造成的威胁。行波故障测距是目前实现输电线路故障定位的有效方法，并在现场具有较为广泛的应用，其中单端行波故障测距投资成本低，不需要GPS系统和双端通信，并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，但同时也存在波形识别相对困难的问题。单端行波法一般利用行波信号前两个波头实现测距，目前有许多相关文献对单端 if^t^PtllJ^MJf[I- Tamer Kawady, Jurgen Stenzel. A Practical FaultLocation Approach for Double Circuit Transmission Lines Using Single End Data. IEEETrans on Power Delivery, Vol. 18, No. 4 :1166-1173,2003 ；2.Darren Spoor, Jian GuoZhu. Improved Single-Ended Traveling-Wave Fault-Location Algorithm Based onExperience With Conventional Substation Transducers.Trans on Power Delivery, Vol.21, No. 3 :1714-1720,2006 ；3.覃剑，彭莉萍，王和春.基于小波变换技术的输电线路单端行波故障测距[J].电力系统自动化，；4.陈锦根，徐青山，唐国庆.计及线路不平衡时线模解耦不完全误差的行波单端测距新方法[J].电力自动化设备，2006，沈(9) :54-57 ； 5.覃剑，葛维春，邱金辉等。输电线路单端行波测距法和双端行波测距法的比较[J]电力系统自动化，2006，30 (6) :92-95 ；6.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 ) :70-73 ；7.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，2001,25^3) :62-65 ；8.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 ；9. Xu Qingshan, L. L. LA,Chen Jingen,et al. Novel and Comprehensive Counterm easures for Single Terminal Faul t Location of TransmissionLines[J]. Automation ofElectric Power Systems, 2006, 30 (15) :21-25 ；10.卢继平，黎颖，李健，等.行波法与阻抗法结合的综合单端故障测距新方法[J].电力系统自动化，2007，3K23) :65-69] 0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。单端法的关键在于如何识别第二个波头的性质。文献 W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 ) :70-73]对母线分布电容处电压行波的折反射特征进行了分析，利用电压行波在分布电容处初始反射波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[7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 :62-6]利用极性识别的方法判断第二个行波波头的性质，但该极性关系的成立与母线类型有直接关系，受到现场母线类型的限制；文献[8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 ；9Xu Qingshan, L. L. LA, Chen Jingen, et al. Novel and Comprehensive Counterm easures for Single Terminal Faul t Location of TransmissionLines[J]. Automation ofElectric Power Systems,2006,30(15) :21-25]利用模量的折反射情况提出了相应的识别方法，文献[8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]对故障点处模量的交叉透射进行了深入分析，提出了利用交叉透射行波的反射波识别方法；文献[9Xu Qingshan,L. L. LA,Chen Jingen, et al. Novel and Comprehensive Counterm easures for Single Terminal Faul t Location of TransmissionLines[J]. Automation ofElectric Power Systems, 2006, 30 (15) :21-25]则利用各模量波速不同判定故障点所属输电线路区段和第二个波头性质。零模分量的出现与故障类型有关，利用模量的各类方法中在非接地故障时则不再成立，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。另外，为判断故障点所属输电线路区段，有文献引入了工频电气量的测距结果，依此确定大体故障区段，进而结合单端行波信号确定故障点的位置。该方法具有一定的应用价值，但如何将两类测距结果集中到同一数据平台则可能会受到现场条件的限制[10卢继平，黎颖，李健，等.行波法与阻抗法结合的综合单端故障测距新方法[J].电力系统自动化，2007，31 03) :65-69]。故障初始行波到达测量端后，后续行波折反射过程将非常复杂，上述各类方法中均未实现各种情况下第二个波头性质的可靠有效识别。本发明认识到初始的故障行波波头最容易识别并且其检测具有最高的可靠性，在各类行波测距方法中，初始故障行波的检测具有重要的意义。分析指出，在单端行波信号中，初始反极性故障行波也同样具有较强的使用价值，并最终提出了一种基于初始反极性方向行波检测的单端行波故障测距方法。

发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，在对单端电流行波折反射特征进行充分理论分析的基础上，将初始反极性方向行波的检测引入到单端测距中，提供了一种基于初始反极性方向行波检测的输电线路单端行波故障测距方法。初始反极性故障行波波头与初始故障行波波形差异最大，容易可靠识别，同时反极性波头出现次数相对较少，其检测过程中所受干扰相对较少，初始反极性方向行波波头在各类反极性波头中具有最高的奇异性。同时研究也指出，反极性行波的出现与母线类型和故障点位置有关，通过判断初始反极性方向行波的出现时刻并结合线路母线结构类型可有效判断故障点所属输电线路区段和第二个波头的性质，并确定故障点的精确位置。它利用初始反极性方向行波有效的解决了常规单端测距算法中第二个行波波头性质不易判定的问题，并依据所判断结果实现单端故障测距。仿真验证表明，该方法可有效实现单端故障测距，并且具有较高的可靠性和准确性。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种输电线路单端行波故障测距方法，基于初始反极性方向行波检测，通过初始反极性方向行波的特征分析，辨识其波头出现的时刻，确定故障点在输电线路的所属区段及第二个波头的性质，并进一步实现单端故障测距；它的步骤为(1)输电线路发生故障时，行波故障测距装置启动后采集行波信号并存储，检测故障初始行波线模分量到达时刻、；(2)提取、时刻后W，2L/v]时间区间内的行波信号，检测该时间区间内的初始反极性方向行波；其中，L为线路长度，ν为线模分量的波速度；(3)检测上述时间区间内的初始反极性方向行波，并确定该初始反极性方向行波线模分量到达时刻，计算At =；结合At数值大小可确定故障点在线路的所属区段，即该故障为近端故障(故障点位于线路中点和测量端本端之间)或远端故障(故障点位于线路中点和测量端远端之间)；(4)根据所得到故障点所处区段范围，判断第二波头的性质。根据故障初始行波和第二个波头，分别由式(6)或(7)得到最终测距结果，其中t2为第二个波头线模分量到达测量端的时刻。Lmf = (t^ti) ν/2(6)或Lmf = L- (Vt1) v/2(7)。所述步骤(3)中，故障初始行波与初始反极性方向行波线模分量到达母线测量端的时间差At与故障距离Lmf满足分段线性函数关系，如图3所示。利用该函数关系结合式 (5)可判断故障点在线路的所属区段及初始反极性方向行波性质。所述步骤中，利用初始反极性方向行波获得故障点所处线路区段后，若为近端故障，则第二个波头为故障点反射波；若为远端故障，则为对端母线反射波。由此判断第二个到达测量端的波头为故障点反射波或对端母线反射波。本发明的有益效果是(1)初始反极性方向行波与初始故障行波波形差异较大，特征明显，且初始反极性方向行波奇异性较强，受其它反极性行波干扰较少，有利于实现可靠检测。基于其上述特征，本发明提出了利用初始反极性方向行波的单端测距方法。(2)初始反极性波头的出现与故障点的位置以及行波在对端母线处反射的次数有直接的关系。通过分析总结其特征规律，可利用所检测到的初始反极性方向行波有效确定故障点所处线路区段。(3)利用初始反极性方向行波解决了常规单端行波测距中第二个波头性质不易判定的问题。结合该方法可有效确定第二个行波波头性质，并可确定最后故障点的位置。仿真验证结果表明，本发明所提供方法可有效提高单端行波故障测距的可靠性和有效性，具有一定的实际应用价值。


图1为主要折反射行波示意图；图2为远端故障主要折反射行波示意图；图3为时间差Δ t与故障点位置Lmf关系示意图；图4为本发明流程图；图5输电线路仿真示意图；图6为30km处故障时数据处理结果；图7为70km处故障时数据处理结果；图8为90km处故障时数据处理结果；
图9为140km处故障时数据处理结果；
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。本发明的工作原理为1. 1不同母线类型的波形识别方式行波故障测距过程中，电流行波的折反射特征与故障线路两端的母线类型有较大的关系。从考虑行波折反射的角度，输电线路母线类型可分为以下三类(1)仅有一条出线，并带有升压或降压变压器(2)母线共有两条出线，有无变压器不限(3)除故障线路外，母线至少还有其它两条出线，有无变压器不限电流行波在波阻抗不连续处将发生折反射，其折反射系数分别为α = (Z1-Z2) / (Z^Z2) β = TLj 让沟、\)其中α，β分别为电流行波的反射系数、折射系数，Z2分别为行波折反射前后所处线路的波阻抗[11.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]。基于电流行波的单端测距与母线类型有直接的关系。当测量端本端为第一类母线时，由于反射系数接近-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，使得测距可能无法有效实现，这也是基于电流行波实现故障测距的原理性缺陷；测量端本端为第二类母线时，由于测量端本端不会发生反射，因此第二个行波波头必为对端母线反射波；当测量端本端为第三类母线时，若对端为三类母线(三三类母线结构)， 则故障初始行波与后续反射波存在固定的极性关系[1. Tamer Kawady, Jurgen Stenzel. A Practical FaultLocation Approach for Double Circuit Transmission Lines Using Single End Data. IEEETrans on Power Delivery, Vol. 18, No. 4 :1166-1173,2003 ； 2. Darren Spoor,Jian GuoZhu. Improved Single-Ended Traveling-Wave Fault-Location Algorithm Based onExperience With Conventional Substation Transducers. Trans on Power Delivery, Vol. 21，No. 3 :1714-1720，2006]，且初始反极性波头具有固定属性，可利用该极性关系和该固定属性判断反射波类型，而当对端为二类母线时，则后续反射波必为本端测量端反射波，当对端为一类母线时(三一类母线结构)，将面临单端电流行波测距过程中较难解决的问题，也是目前各类单端行波故障测距的研究中尚未效解决的问题。经上述分析可得，在可有效实现单端行波测距的母线类型中，当其一测量端为二类母线时，电流行波折反射波特征明显，可结合母线结构类型判断第二个波头属性；当测量端本端为三类母线时，并考虑到实际电力系统中三类母线居多，单端行波测距算法的研究将具有普遍性和代表性，尤其对于三一类母线，构造通用可靠的波形识别算法具有重要意义。1. 2行波折反射过程分析单端行波信号中包含相当复杂的折反射过程，从考虑初始反极性行波检测的角度，故障初始行波到达本端测量端后，主要包含如下四类折反射行波(1)故障点和本端测量端之间不断往返的行波
(2)对端测量端与故障点之间不断往返的行波(3) 1类行波经故障点透射后在经对端测量端反射回的行波(4) 2类行波经故障点透射回本端测量端后经故障点再次反射回的行波设输电线路F点处在、时刻发生故障，如图1所示，可得到本端测量端所检测到的主要反向行波可表达为
权利要求
1.一种输电线路单端行波故障测距方法，其特征是，基于初始反极性方向行波检测，通过初始反极性方向行波的特征分析，辨识其波头出现的时刻，确定故障点在输电线路的所属区段及第二个波头的性质，并进一步实现单端故障测距；它的步骤为(1)输电线路发生故障时，行波故障测距装置启动后采集行波信号并存储，检测故障初始行波线模分量到达时刻ti ；(2)提取、时刻后W，2L/v]时间区间内的行波信号，检测该时间区间内的初始反极性方向行波；其中，L为线路长度，ν为线模分量的波速度；(3)检测上述时间区间内的初始反极性方向行波，并确定该初始反极性方向行波线模分量到达时刻trev，计算Δ = Μν-、；结合At数值大小确定故障点所处区段，即该故障为近端故障，此时故障点位于线路中点和测量端本端之间；或远端故障，此时故障点位于线路中点和测量端远端之间；(4)根据所得到的故障点所处区段范围，判断第二波头的性质，根据故障初始行波和第二个波头，分别由式(6)或(7)得到最终测距结果，其中t2为第二个波头线模分量到达测量端的时刻，
2.如权利要求1所述的输电线路单端行波故障测距方法，其特征是，所述步骤(3)中， 故障初始行波与初始反极性方向行波线模分量到达母线测量端的时间差At与故障距离满足分段线性函数关系，利用该函数关系结合式可有效判断故障点所处线路区段及初始反极性方向行波性质a近端故障发生时，式(5)中满足31-+21^ < 4tNF+tMF < 4tNF+3tNF，表明三类行波中经对端母线一次反射后的波头首先到达本端测量端，由此可得，近端故障时初始反极性行波属于三类行波，并需要经过对端母线反射一次；b远端故障发生时，式(5)中满足^,+tMp < 3tMF+2tNF < 4tNF+3tMF，表明二类行波中经对端母线两次反射后的波头首先到达本端测量端；由此可得，远端故障时初始反极性行波属于二类行波，并需要经过对端母线反射两次。
3.如权利要求1所述的输电线路单端行波故障测距方法，其特征是，所述步骤(4)中， 利用初始反极性方向行波得到故障点所处线路区段后，若为近端故障，则第二个波头为故障点反射波；若为远端故障，则为对端母线反射波，从而确定第二个到达测量端的波头为故障点反射波或对端母线反射波，进而进一步实现单端行波故障测距。
全文摘要
本发明涉及一种基于初始反极性方向行波检测的单端故障测距方法，可有效实现单端行波故障测距，并且具有较高的可靠性和准确性。它的步骤为(1)行波故障测距装置启动后检测故障初始行波线模分量到达时刻t1，并提取其后
时间区间内的行波信号，其中L为线路长度，v为线模分量的波速度。(2)检测该时间区间内的初始反极性方向行波，计算初始反极性方向行波线模分量到达时刻与故障初始行波线模分量到达时刻的时间差，对照曲线图3确定故障为近端故障或远端故障，由此确定故障点所处区段。(3)利用所确定故障区段判别第二个到达波头的性质。(4)利用故障初始行波和第二个行波波头确定最终测距结果。
文档编号G01S11/02GK102288869SQ201110120070
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者张峰, 梁军 申请人:山东大学