专利名称：一种采用多端信号的输电线路精确故障定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用多端信号的输电线路故障定位方法及装置，属输电设备技术领域。
目前国内外电力设备公司生产的故障录波装置上的故障定位模块大多是采用单侧电流、电压信号，使用的数学模型是描述稳态过程的代数方程，在原理上存在缺陷，无法消除过渡电阻和对端系统助增电流的影响，无法准确描述故障时电气量的暂态过程行为，因此现有的故障分析定位方法存在原理上的不足，受多种因素的影响，定位误差较大。
本发明提供的技术方案是一种采用多端信号的输电线路精确故障定位方法，包括以下步骤一、利用GPS实现输电线路多端的电压、电流信号同步采样1)对输电线路二次侧的电压、电流信号经过电压、电流变送器变换成可进行采集和测量的低电平，经采样变换成计算机能够处理的数字信号；2)利用GPS实现输电线路多端的同步采样，对所采集的电气量打上时标；二、记录并交换故障前后的电气量以获得故障定位所需数据1)根据采样所得到的信号，判断线路是否发生故障，若线路无故障，则重复以上过程；若发生故障，则开始进行故障录波，记录故障前后线路的电压、电流数据，对所记录的数据打上时标并保存在数据文件中；2)数据保存后，各侧变电站交换所保存的数据；三、故障定位以获得故障点准确位置1)判断故障相别2)精确故障定位首先，对电流电压量和参数进行相模变换；根据所对应的故障类型，选用与故障相相关的线模量；根据基尔霍夫电压定律，采用该线模量的多端电气量列写回路方程，求得故障点；具体的实现步骤如下(1)列写出描述故障前后过程的微分方程式和初始条件(2)对电流电压量和参数进行相模变换(3)根据所对应的故障类型，选用与故障相相关的线模量；(4)根据基尔霍夫电压定律，采用该线模量的多端电气量列写回路方程，求得故障点当输电线路上发生单相接地、两相短路接地、相间短路或三相短路时定位公式为p=umns+Rsins+LsdinsdtRsims+Lsdimsdt+Rsins+Lsdinsdt]]>其中p为故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims、ins(s＝α，β)分别为第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(s＝α，β)为第s线模量两侧的电压差；在实际应用中，应将定位公式离散化，离散化以后的定位公式为p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>其中p(k)为由第k-1和第k个采样值求得故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims(k)、ins(k)(s＝α，β)分别为第k个采样点第s线模量两侧的电流；ims(k-1)、ins(k-1)(s＝α，β)分别为第k-1个采样点第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(k)(s＝α，β)为第k个采样点第s线模量两侧的电压差；ΔT为采样周期。
本发明可通过电容电流补偿来修正定位结果设由上述定位公式计算出的初始故障点距两侧距离的百分比分别为p0和1-p0，然后根据这个初始故障点来分配线路两侧的电容百分比，计算出考虑电容电流后注入线路的修正电流，将修正电流替代定位公式中的线路电流，就获得对电容电流进行补偿后的修正结果；每获得一个定位结果后，都根据最近一次的定位结果重新计算分配故障点两侧电容值的百分比，设本次和前一次的修正结果分别为pi和pi-1，重复上述过程，直到满足|pi-pi-1|＜ε为止，ε为设定的误差值。
本发明还可对上述定位结果用概率法及最小二乘法进行处理，处理步骤如下1)统计法预处理每两个采样点可计算出一个定位结果，若干个采样点可计算得到多个初步定位结果，首先剔除初步结果中的无效数据；对初步定位结果进行预处理，除去坏数据；具体过程如下因为定位结果p(i)是故障点F到线路一侧的线路长度占全线路总长度的百分数，0≤p(i)≤1，故p(i)＞0或p(i)＜1为无效数据，应予以剔除；其次，假定定位结果以正确的故障定位结果为中心，呈正态分布由真实的电流、电压信号所计算得到的结果，以较高的概率分布在正确的故障定位结果周围；而由受到干扰的电流、电压信号所计算得到的结果，则以较小的概率稀疏地分布在偏离正确的故障定位结果较远处；依据这种思想，对初步定位结果进行预处理，除去坏数据——保留较高概率的故障定位结果，除去较小概率的故障定位结果。
2)用最小二乘法求故障定位结果上述定位公式p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>分别用Y和X代表定位公式的分子、分母多项式，定位公式可以综合为p=YX]]>可写成Y＝pXP的最小二乘解为P＝(XTX)-1XTY根据上式计算出的P，反过来将Y作为已知量求出X′，令Z＝X′，Z即为辅助变量，用辅助变量法修正后的定位计算结果为P′＝(ZTX)-1ZTY。
本发明还提供了一种输电线路故障定位装置，包括将输电线路上电压、电流互感器二次侧的电压、电流变换成与自适应数据采集板相适应的低电平的电压变换器、电流变送器，将模拟的低电平信号转变成计算机能够处理的数字量的V/F板，用于接收GPS信号并对所采集的数字量打上时标的GPS信号接收板，采集V/F板所转换的数字量的数据采集卡，通过ISA总线读入数据采集卡采集的电气量的工业控制计算机；其中电压电流互感器的输出接电压变送器、电流变送器的输入，电压变送器、电流变送器的输出接V/F板的输入，V/F板、GPS信号接收板的输出接数据采集卡的输入，数据采集卡的输出通过ISA总线接工业控制计算机的输入。
本发明提出了一种新颖的采用多端信号的输电线路精确故障定位方法和装置，其基本思路是对电流、电压量和线路参数进行相模变换；根据所对应的故障类型，选用与故障相关的线模量；根据元件特性和基尔霍夫定律，采用多端电气量的线模量列写回路微分方程，由于采用的是电气信号和线路参数的线模量，可以避免大地回路中土壤电导率变化和天气变化等因素对于定位结果的较大影响；采用微分方程代替现有故障定位方法中所使用的代数方程作为数学模型，能够很好地描述故障后的暂态过程及特征，避免衰减的非周期分量对于定位结果的影响；利用GPS精确授时系统保证数据的同期性。对于电力系统中越来越多的长距离输电线路上所发生的故障，本发明提出的电容电流补偿方法可使故障定位精度大大提高。从理论上讲，一阶微分方程法只需两个时刻的采样值就能算出故障点，因而在整个故障过程中可得出许多个定位结果，而且在实际应用时，由于工况复杂，采样的故障数据可能受到污染，需对这些定位结果进行统计学方法的预处理。由于离散后方程的个数远大于未知数的个数，为超定方程，可采用最小二乘法，本发明提出的概率法及最小二乘处理方法可以剔除因采样误差等因素所产生的无效结果，确保最终定位结果精确可靠。该方法及装置可对输电线路上发生的故障进行定位，其定位精度高，定位误差受各种因素的影响很小，具有非常好的鲁棒性。
二、数据记录保存及交换部分1)当线路发生故障，定位装置启动并开始进行故障录波，记录故障前后一定时间内线路的电压、电流数据，对所记录的数据打上时标保存在硬盘的数据文件中。
2)数据保存后各侧变电站交换所保存的数据，取得发生故障后各变电站所记录保存的信息后，在任一故障定位后台机上均可用本发明所提出的故障定位公式计算出故障位置。
三、故障类型相别判断及定位计算1)判断故障区域及相别判断故障相别可用已有的一些故障相别判据，也可通过下述步骤实现将定位装置安装在线路的两端，并使两侧电流的参考方向由母线流向线路。如果两侧的电流按参考方向相加后为零，则表明线路正常运行(当线路正常运行时，两侧的电流按参考方向相加后应该为零)；如果两侧的电流按参考方向相加后不等于零，则表明线路内部出现故障(当线路内部故障时两侧测得的电流均为由母线流向线路，将它们按参考方向相加后的结果必然不等于零)。将三相看成三个单相分别对每一相进行如上的处理即可得到结果若是A相接地，则B相和C相为非故障相，两侧的三相电流分别对应相加必然是A相电流不为零，而B相和C相的电流均为零；若是A相和B相为故障相，按同样方法处理后，可得到A相和B相电流不为零，而C相的电流为零；三相故障结论为三相的电流均不为零。2)精确故障定位首先，列写出描述线路暂态的微分方程，对电流电压量和参数进行相模变换；根据所对应的故障类型，选用与故障相相关的线模量；写出线模量的微分方程式，根据基尔霍夫电压定律，采用该线模量的双端电气量列写回路方程，即可求得故障点。I先对线路的电流电压量和参数进行相模变换由于三相输电线路的回路之间存在互感、互阻和互电容的耦合，因此，在对三相输电线路分析之前可先进行解耦。将三相或多相耦合方程变换为多个独立方程来求解，电压、电流的相模变换矩阵分别记为Tu、Ti。对于均匀换位线路来说二者相等，对于不换位线路满足关系式Tu-1＝TiTVm＝Tu-1V，Im＝Ti-1I经过相模变换，模量电阻矩阵Rm＝Tu-1RTi＝TiTRTi为对角线矩阵，同理模量电感矩阵Lm、电容矩阵Cm为对角线矩阵，也就是说每一种模式的电压、电流只通过相应模式的电阻、电感或电容相联系，而与其它模式的量无关。由此可见，上述相模变换的确消除了相间的耦合，分解出的模量之间不存在耦合。
a)选取Karenbauer变换作为相模变换矩阵i0iαiβ=131111-1010-1iaibic]]>此电流变换将A，B，C三个相量电流转换为0，α，β三个模量电流，电压变换方程类似。
相量的电阻与电感矩阵分别为 则模量的电阻与电感矩阵为 公式中R0＝Rs+2Rm，Rα＝Rβ＝Rs-Rm，L0＝Ls+2Lm，Lα＝Lβ＝Ls-LmII计算故障点当输电线路上发生单相接地、两相短路接地、相间短路或三相短路时定位公式为p=umns+Rsins+LsdinsdtRsims+Lsdimsdt+Rsins+Lsdinsdt]]>其中p为故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims、ins(s＝α，β)分别为第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(s＝α，β)为第s线模量两侧的电压差。
在实际的应用中，使用离散化的定位公式，离散化以后的定位公式为p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>其中p(k)为由第k-1和第k个采样值求得故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims(k)、ins(k)(s＝α，β)分别为第k个采样点第s线模量两侧的电流；ims(k-1)、ins(k-1)(s＝α，β)分别为第k-1个采样点第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(k)(s＝α，β)为第k个采样点第s线模量两侧的电压差；ΔT为采样周期。
对于较长线路计及电容电流，利用电容电流补偿修正定位结果。修正方法如下设isCm和isCn分别是故障点两侧的电容充电s模电流，ism和isn分别是两侧电源注入线路的电流，isXm和isXn分别是考虑电容电流后注入线路的修正电流，即iαXm＝iαm-iαCmiαXn＝iαn-iαCn将上述定位公式中的线路电流用修正电流替换。由于两侧的电容分流是与故障点位置有关的，首先用定位公式计算出一个初始故障位置，然后根据这个初始故障点来分配两侧的电容百分比。
设计算出的初始故障点距两侧距离的百分比分别为p0和1-p0，由于两侧的电容也相同的比例分配，故两侧的电容电流分别为iαCm=p0C1duαmdt]]>iαCn=(1-p0)C1duαndt]]>两侧的修正电流分别为iαXm＝iαm-iαCmiαXn＝iαn-iαCn将修正电流替代上述定位公式中的线路电流。可以得到修正后的定位公式p0=umns+Rs[ins-(1-p0)C12dunsdt]+Lsd[ins-(1-p0)C12dunsdt]dtRs(ims-p0C1dusmdt)+Lsd(ims-p0C12dumsdt)dt+Rs[ins-(1-p0)C12dunsdt]+Lsd(ins-(1-p0)C12dunsdt]dt]]>这是关于p的非线性方程，采用迭代法求解，重复迭代直到满足如下条件为止。
|pk-pk-1|＜εε为设定的误差值；对前面得到的定位初步结果进行概率法及最小二乘法处理从理论上讲，一阶微分方程法只需两个时刻的采样值就能算出故障点，因而在整个故障过程中可得出许多p值，而且在实际应用时，由于工况复杂，采样的故障数据可能受到污染，需对这些定位结果进行统计学方法的预处理。由于离散后方程的个数远大于未知数的个数，为超定方程，本方法采用最小二乘法求解。
定位结果的处理步骤1.统计法预处理对于初步结果，首先必须剔除无效数据。因为定位结果p(k)是故障点F到线路一侧的线路长度占全线路总长度的百分数，因此有0≤p(k)≤1，故p(k)＞0或p(k)＜1为无效数据，应予以剔除。其次，有理由假定这些结果以正确的故障定位结果为中心，呈正态分布由真实的电流、电压信号所产生的结果，以较高的概率分布在真值周围；而由干扰信号所产生的结果，则以较小的概率稀疏地分布在偏离真值较远处。依据这种思想，对初步定位结果进行预处理，除去坏数据。
2.用最小二乘法求故障定位结果定位公式p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>分别用Y和X代表定位公式的分子、分母多项式，定位公式可以综合为p=YX]]>或写成Y＝pX则定位结果P的最小二乘解为P＝(XTX)-1XTY
根据上式计算出的P，反过来将Y作为已知量求出X′，令Z＝X′，Z即为辅助变量；用辅助变量法修正后的定位计算结果为P′＝(ZTX)-1ZTY下面详细介绍本发明中故障定位装置的有关部分(参见附图
)1)隔离变换和V/F部分输电线路A、B、C三相的高电压、大电流通过输电线路上的电压互感器(TV)、电流互感器(TA)变换成低电压和小电流；隔离变换是用电压、电流变送器将电压、电流互感器二次侧的低电压变换成采集部分适用的低电平。由V/F变换采集得到数字量后传给计算机处理。其中隔离变换所选用的变送器应该具有较高的变换精度和较小的响应时间。电流变送器还应具有较好的饱和特性。
每个装置输入n路模拟量(n路电压，n路电流)，先经信号处理箱变为脉冲信号再进入PC插件(扩展板)。V/F变换器选用目前满刻度频率最高、线性度好的VFC110芯片，误差约为2-12。
2)GPS时钟接收部分GPS接收机由接收模块和天线组成。接收机在任意时刻能同时接收其4～8颗卫星，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码和处理，能从中提取并输出两种时间信号一是间隔为1s的脉冲信号，即1PPS(1pulse per second)，其脉冲前沿与国际标准时间(格林威治时间)的同步误差不超过50nS；二是经RS-232串行口输出的报文，包括1PPS脉冲前沿相对应的国际标准时间和日期代码(年、月、日、时、分、秒)。
基于GPS的同步采样原理是这样的由高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足采样率要求的时钟信号，它每隔一秒被GPS的标准秒脉冲信号校准一次，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿与GPS秒脉冲同步。线路两侧都以振荡器输出的经过同步的时钟信号作为采样脉冲去控制各自的数据采集，因此采样是同步的。GPS接收机经标准串口将时间码送给工控机，用于给采样数据以“时间标签”，以用于数据传送和处理。
3)数据采集卡的工作原理数据采集卡为一块插入工控机ISA总线的扩展板，数据采集卡的主要功能有1.接收PC机关于采样频率的指令2.PC机可对扩展板复位操作；3.扩展板向PC机报告自检结果及GPS接收板的工作状态；4.扩展板具有完善的自检与自复位功能；5.对8路模拟量按照PC的指令以0.25ms的采样速率进行模数转换，并打上时标，必要时可对数据进行预处理；6.A/D变换分辨率接近2-12。
权利要求
1.一种采用多端信号的输电线路精确故障定位方法，包括以下步骤(一)利用GPS实现输电线路多端的电压、电流信号同步采样1)对输电线路二次侧的电压、电流信号经过电压、电流变送器变换成可进行采集和测量的低电平，经采样变换成计算机能够处理的数字信号；2)利用GPS实现输电线路多端的同步采样，对所采集的电气量打上时标；(二)记录并交换故障前后的电气量以获得故障定位所需数据1)根据采样所得到的信号，判断线路是否发生故障，若线路无故障，则重复以上过程；若发生故障，则开始进行故障录波，记录故障前后线路的电压、电流数据，对所记录的数据打上时标并保存在数据文件中；2)数据保存后，各侧变电站交换所保存的数据；(三)故障定位以获得故障点准确位置1)判断故障相别2)精确故障定位首先，对电流电压量和参数进行相模变换；根据所对应的故障类型，选用与故障相相关的线模量；根据基尔霍夫电压定律，采用该线模量的多端电气量列写回路方程，求得故障点；具体的实现步骤如下(1)列写出描述故障前后过程的微分方程式和初始条件(2)对电流电压量和参数进行相模变换(3)根据所对应的故障类型，选用与故障相相关的线模量；(4)根据基尔霍夫电压定律，采用该线模量的多端电气量列写回路方程，求得故障点当输电线路上发生单相接地、两相短路接地、相间短路或三相短路时定位公式为p=umns+Rsins+LsdinsdtRsims+Lsdimsdt+Rsins+Lsdinsdt]]>其中p为故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims、ins(s＝α，β)分别为第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(s＝α，β)为第s线模量两侧的电压差；在实际应用中，应将定位公式离散化，离散化以后的定位公式为p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>其中p(k)为由第k-1和第k个采样值求得故障点距输电线路一侧的距离占线路全长的百分比；ims(k)、ins(k)(s＝α，β)分别为第k个采样点第s线模量两侧的电流；ims(k-1)、ins(k-1)(s＝α，β)分别为第k-1个采样点第s线模量两侧的电流；Rs、Ls(s＝α，β)分别为第s线模量对应的电阻和电感；umns(k)(s＝α，β)为第k个采样点第s线模量两侧的电压差；ΔT为采样周期。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征是利用电容电流补偿来修正定位结果；设由上述定位公式计算出的初始故障点距两侧距离的百分比分别为p0和1-p0，然后根据这个初始故障点来分配线路两侧的电容百分比，计算出考虑电容电流后注入线路的修正电流，将修正电流替代定位公式中的线路电流，就获得对电容电流进行补偿后的修正结果；每获得一个定位结果后，都根据最近一次的定位结果重新计算分配故障点两侧电容值的百分比，设本次和前一次的修正结果分别为pi和pi-1，重复上述过程，直到满足|pi-pi-1|＜ε为止，ε为设定的误差值。
3.根据权利要求1或2所述的定位方法，其特征是得到定位结果后，对这些结果用概率法及最小二乘法进行处理，处理步骤如下1)统计法预处理每两个采样点可计算出一个定位结果，若干个采样点可计算得到多个初步定位结果，首先剔除初步结果中的无效数据；对初步定位结果进行预处理，除去坏数据；具体过程如下因为定位结果p(i)是故障点F到线路一侧的线路长度占全线路总长度的百分数，0≤p(i)≤1，故p(i)＞0或p(i)＜1为无效数据，应予以剔除；其次，假定定位结果以正确的故障定位结果为中心，呈正态分布由真实的电流、电压信号所计算得到的结果，以较高的概率分布在正确的故障定位结果周围；而由受到干扰的电流、电压信号所计算得到的结果，则以较小的概率稀疏地分布在偏离正确的故障定位结果较远处；依据这种思想，对初步定位结果进行预处理，除去坏数据——保留较高概率的故障定位结果，除去较小概率的故障定位结果；2)用最小二乘法求故障定位结果上述定位公式p(k)=umns(k)+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(K-1)ΔTRsims(k)+Lsims(k)-ims(k-1)ΔT+Rsins(k)+Lsins(k)-ins(k-1)ΔT]]>分别用Y和X代表定位公式的分子、分母多项式，定位公式可以综合为p=YX]]>可写成Y＝pXP的最小二乘解为P＝(XTX)-1XTY根据上式计算出的P，反过来将Y作为已知量求出X′，令Z＝X′，Z即为辅助变量，用辅助变量法修正后的定位计算结果为P′＝(ZTX)-1ZTY
4.一种输电线路故障定位装置，包括将输电线路上电压、电流互感器二次侧的电压、电流变换成与自适应数据采集板相适应的低电平的电压变换器、电流变送器，将模拟的低电平信号转变成计算机能够处理的数字量的V/F板，用于接收GPS信号并对所采集的数字量打上时标的GPS信号接收板，采集V/F板所转换的数字量的数据采集卡，通过ISA总线读入数据采集卡采集的电气量的工业控制计算机；其中电压电流互感器的输出接电压变送器、电流变送器的输入，电压变送器、电流变送器的输出接V/F板的输入，V/F板、GPS信号接收板的输出接数据采集卡的输入，数据采集卡的输出通过ISA总线接工业控制计算机的输入。
全文摘要
本发明涉及一种采用多端信号的输电线路故障定位方法，包括以下步骤一、利用GPS实现输电线路多端的电压、电流信号同步采样；二、记录并交换故障前后的电气量以获得故障定位所需数据；三、故障定位以获得故障点准确位置1)判断故障相别，2)精确故障定位。本发明还提供了一种输电线路故障定位装置，包括电压变换器、电流变送器，GPS信号接收板，数据采集卡及工业控制计算机。本发明可对输电线路上发生的故障进行定位，其定位精度高，定位误差受各种因素的影响很小，具有非常好的鲁棒性。
文档编号G01R31/08GK1474190SQ0312525
公开日2004年2月11日 申请日期2003年8月12日 优先权日2003年8月12日
发明者陈允平, 龚庆武, 舒乃秋, 龙志君, 张承学, 胡志坚 申请人:武汉大学