直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障测距时域法制造技术

本发明专利技术公开了一种直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障测距时域 方法，该方法通过建立非同步的直流线路故障时域观测方程，方程包含有故障 距离、线路分布电阻、传播波速、波阻抗和两端数据不同步时间差等待观测量， 然后分别将故障初始行波到达线路两端时刻作为各端数据的参考时刻，将行波 特性方程引入，消除故障时域观测方程中不同步时间差待观测量，从而得到了 无需同步时钟且能实现线路参数自适应的直流线路故障测距时域新方法。该方 法具有较高的过渡电阻耐受能力，能有效地提高直流线路双端故障测距的准确 性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统直流输电线路故障测距的方法，特别涉及一种结合行波特性的无需同步时钟且参数自适应的直流输电线路双端故障测距时域方法。
技术介绍
直流输电系统的输送距离长，线路发生故障的几率高，线路故障的准确测距对于减少停电检修时间、提高直流输电系统的可靠性具有重大意义。目前，直流输电线路故障测距采用的是双端行波法，即通过检测故障初始线模电压行波到达线路两端的准确时刻而实现故障测距。但在高阻接地故障的情况下，可能出现暂态行波较弱的情况，尤其在超长距离的直流输电线路上，受行波色散与衰减的影响更为严重，双端行波法往往因行波到达线路两端时刻较难准确获取而出现较大误差。 行波波速检测的准确性和两端数据的时钟同步性对双端行波测距亦有较大影响。对于行波波速的确定方法，可借助历史故障数据对行波波速进行修正，但该类方法不能满足实时环境变化的要求，波速的细微变化都会带来较大误差。双端行波法完全依赖于两端数据的同步，虽然目前同步时钟(GPS)的精度可以达到双端行波测距的要求，但是，若双端测距可摆脱对同步时钟的依赖，则不但可以降低成本，更可提高双端故障测距的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决直流输电线路故障测距过程中线路参数不确定性和双端数据不同步性所带来的测距误差，提高在金属性接地和高阻接地故障情况下直流线路故障测距的准确性和可靠性，提供一种结合故障行波特性，可摆脱对同步时钟的依赖，并可实现双端非同步且参数自适应的直流输电线路故障测距方法。 为达上述目的，本专利技术采用如下的技术方案一种直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障测距时域方法，其特点是，包括如下步骤 第一步，以采样频率fs采集极I、极II直流线路两端M、N的电压、电流瞬时值umI、imI、umII、imII、unI、inI、unII、inII，转换成M、N两端的线模电压、线模电流um、im、un、in 第二步，确定数据时窗范围，用小波多尺度分解对数据时窗内的线模电压行波信号um和un进行分层，并计算各层的频率含量EK，在频域范围4～30kHz中选取EK最大值的频域作为滤波器的中心频率(实验证明4～30kHz的频段一方面可躲开直流和低频分量的影响，另一方面可减少线路参数频变特性的影响)，对所述线模电压、线模电流行波信号um、im、un、in进行过滤，得到故障分析信号中最佳的频带信号； 其中，tstart和tstop分别为数据时窗的起始和终止时刻， tstop＝tstarl+3l/vmin+trdn 式中l为直流线路两端M、N的距离，vmin为直流线路的线模传播波速的最小值，vmin＝0.97～0.99c，c为光速；trdn为计算冗余时间，trdn＝pΔtcal，p为故障时域观测方程个数，p>实际待观测量的个数，Δtcal为计算时间间隔，Δtcal>对极I或极II直流线路两端M、N的电压、电流瞬时值采样时间间隔的10倍； 式中sK(t)为所述线模电压行波信号um和un经小波分解后第K层信号的高频部分；所述第K层对应的频带为fs/2K+1～fs/2K，中心频率为3fs/2K+1，带宽为fs/2K+1； 第三步，建立故障时域观测方程 (1) 其中，l为直流线路两端M、N的距离、d为故障点距离直流线路M端的距离、tΔ为直流线路M、N两端不同步时间差、r为直流线路的线模分布电阻、v为直流线路的线模传播波速、ZC为直流线路的线模特征阻抗； 其中，tΔ＝tm0-tn0 式中，tm0为直流线路的M端数据时钟的参考时刻，tn0为直流线路N端数据时钟的参考时刻； 建立行波特性方程 d＝(vtwΔtf+l)/2 Δtf＝Tfm-Tfn＝tfm-tfn+tΔ 式中，vtw为所述线模电压的行波波速，Δtf为所述线模电压的行波到达直流线路M、N两端的时间差，Tfm和Tfn分别为故障初始线模电压行波到达直流线路M端和N端的时刻；tfm和tfn分别为故障初始线模电压行波到达直流线路M、N两端的时刻相对于各自参考时刻tm0、tn0的时间； 第四步，对所述线模电压行波信号um和un求取模极大值时刻，将其作为故障初始线模电压行波到达直流线路M端和N端的时刻，并将故障初始线模电压行波到达直流线路M、N两端的时刻分别设为M、N两端数据时钟的参考时刻tm0、tn0，则tfm＝tfn＝0，tΔ＝Δtf，即M、N两端不同步时间差等于故障初始线模电压行波到达线路两端的时间差，根据行波特性方程，则 tΔ＝Δtf＝(2d-l)/kvv (2) 其中，kv为行波分析线模波速与时域分析线模波速的比值； 第五步，将式(2)代入式(1)，分别取计算时刻t＝t1，t2，t3，…，tP，建立包含所述实际待观测量的双端不同步故障时域优化方程 对式(3)进行全局寻优求解，即可实现直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障时域测距； 其中，计算时刻t1，t2，…，tk，…，tp为 式中，1<k<p，k为自然数。 更具体的，所述第一步中的采集极I、极II直流线路两端M、N的电压、电流瞬时值是指用装设于直流线路M、N两端的故障行波录波装置采集直流线路两端M、N的电压、电流瞬时值。 所述第一步中的采样频率fs为1MHz或500kHz，这是优选方案。 所述第二步中的滤波器是指Butterworth数字带通滤波器。 所述第二步和第五步中所述实际待观测量是指故障点距离直流线路M端的距离、直流线路的线模分布电阻、直流线路的线模传播波速和直流线路的线模特征阻抗共四个待观测量。 所述第四步中的对所述线模电压行波信号um和un求取模极大值时刻，是指采用小波分析检测信号奇异点理论对所述线模电压行波信号um和un求取模极大值时刻。 所述第五步中对式(3)进行全局寻优求解是指利用粒子群优化算法对式(3)进行全局寻优求解。 所述第四步中行波分析线模波速与时域分析线模波速的比值kv的确定方法是(1)采用LINE CONSTANTS程序，根据实际线路参数输电线路的单根导线内径、单根导线外径、直流电阻、水平距离、悬挂高度、弧垂最低高度、分裂导线数、分裂间距和导线角度，计算直流线路的线模传播波速与分析频率的关系曲线；(2)根据所述关系曲线，得到所述第四步采用小波分析检测信号奇异点理论对所述线模电压行波信号um和un求取模极大值时刻所采用的分析频段在曲线中所对应的直流线路的线模传播波速 以及所述第二步中选取的EK最大值的频域对应的直流线路的线模传播波速v′；(3)经计算可得由于 和v′的取值有一定的范围，因此计算得到的kv也有一定的范围；该值对于某一输电线路而言，只要确定了行波波头探测所用频段以及时域分析所需频段，则kv值的取值范围不因故障情况改变而变化，即为一确定的范围，kv在其取值范围内任选一个值，都可达到减少行波波速vtw和传播波速v的差异所带来的影响的目的。 本专利技术相对于现有技术的主要优点和有益效果是本专利技术的直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障测距时域方法，可结合行波特性，实现无需同步时钟的双端非同步且线路参数自适应的直流输电线路故本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流输电线路双端非同步且参数自适应的故障测距时域方法，其特征是，包括如下步骤：　第一步，以采样频率ｆ↓［ｓ］采集极Ⅰ、极Ⅱ直流线路两端Ｍ、Ｎ的电压、电流瞬时值ｕ↓［ｍⅠ］、ｉ↓［ｍⅠ］、ｕ↓［ｍⅡ］、ｉ↓［ｍⅡ］、ｕ↓［ｎⅠ］、ｉ↓［ｎⅠ］、ｕ↓［ｎⅡ］、ｉ↓［ｎⅡ］，转换成Ｍ、Ｎ两端的线模电压、线模电流ｕ↓［ｍ］、ｉ↓［ｍ］、ｕ↓［ｎ］、ｉ↓［ｎ］：　＊＊＊　第二步，确定数据时窗范围［ｔ↓［ｓｔａｒ］，ｔ↓［ｓｔｏｐ］］，用小波多尺度分解对数据时窗内的线模电压行波信号ｕ↓［ｍ］和ｕ↓［ｎ］进行分层，并计算各层的频率含量Ｅ↓［Ｋ］，在频域范围４～３０ｋＨｚ中选取Ｅ↓［Ｋ］最大值的频域作为滤波器的中心频率，对所述线模电压、线模电流行波信号ｕ↓［ｍ］、ｉ↓［ｍ］、ｕ↓［ｎ］、ｉ↓［ｎ］进行过滤，得到故障分析信号中最佳的频带信号；　其中，ｔ↓［ｓｔａｒｔ］和ｔ↓［ｓｔｏｐ］分别为数据时窗的起始和终止时刻，　ｔ↓［ｓｔｏｐ］＝ｔ↓［ｓｔａｒｔ］＋３ｌ／ｖ↓［ｍｉｎ］＋ｔ↓［ｒｄｎ］　式中：ｌ为直流线路两端Ｍ、Ｎ的距离，ｖ↓［ｍｉｎ］为直流线路的线模传播波速的最小值，ｖ↓［ｍｉｎ］＝０．９７～０．９９ｃ，ｃ为光速；ｔ↓［ｒｄｎ］为计算冗余时间，ｔ↓［ｒｄｎ］＝ｐΔｔ↓［ｃａｌ］，ｐ为故障时域观测方程个数，ｐ＞实际待观测量的个数，Δｔ↓［ｃａｌ］为计算时间间隔，Δｔ↓［ｃａｌ］＞对极Ⅰ或极Ⅱ直流线路两端Ｍ、Ｎ的电压、电流瞬时值采集时间间隔的１０倍；　＊＊＊　式中：ｓ↓［Ｋ］（ｔ）为所述线模电压行波信号ｕ↓［ｍ］和ｕ↓［ｎ］经小波分解后第Ｋ层信号的高频部分；所述第Ｋ层对应的频带为：ｆ↓［ｓ］／２↑［Ｋ＋１］～ｆ↓［ｓ］／２↑［Ｋ］，中心频率为３ｆ↓［ｓ］／２↑［Ｋ＋１］，带宽为ｆ↓［ｓ］／２↑［Ｋ＋１］；　第三步，建立故障时域观测方程：　ｆ↓［Ｌｏｃａｔｉｏｎ］（ｄ，ｒ，ｖ，Ｚ↓［Ｃ］，ｔ↓［Δ］，ｔ）＝１／２（１＋ｒｄ／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］［ｕ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］＋ｄ／ｖ）－ｉ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］＋ｄ／ｖ）（Ｚ↓［Ｃ］＋ｒｄ／４）］＋１／２（１－ｒｄ／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］［ｕ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］－ｄ／ｖ）－ｉ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］－ｄ／ｖ）（Ｚ↓［Ｃ］－ｒｄ／４）］－（ｒｄ／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］ｕ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］）－ｒｄ／４（１＋ｒｄ／４Ｚ↓［Ｃ］）（１－ｒｄ／４Ｚ↓［Ｃ］）ｉ↓［ｍ］（ｔ－ｔ↓［Δ］）－１／２（１＋ｒ（ｌ－ｄ）／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］［ｕ↓［ｎ］（ｔ＋（ｌ－ｄ）／ｖ）－ｉ↓［ｎ］（ｔ＋（ｌ－ｄ）／ｖ）（Ｚ↓［Ｃ］＋ｒ（ｌ－ｄ）／４）］－１／２（１－ｒ（ｌ－ｄ）／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］［ｕ↓［ｎ］（ｔ－（ｌ－ｄ）／ｖ）－ｉ↓［ｎ］（ｔ－（ｌ－ｄ）／ｖ）（Ｚ↓［Ｃ］－ｒ（ｌ－ｄ）／４）］＋ｒ（ｌ－ｄ）／４Ｚ↓［Ｃ］）↑［２］ｕ↓［ｎ］（ｔ）＋ｒ（ｌ－ｄ）／４（１＋ｒ（ｌ－ｄ）／４Ｚ↓［Ｃ］）（１－ｒ（ｌ－ｄ）／４Ｚ↓［Ｃ］）ｉ↓［ｎ］（ｔ）＝０　（１）　其中，ｌ为直流线路两端Ｍ、Ｎ的距离、ｄ为故障点距离直流线路Ｍ端的距离、ｔ↓［Δ］为直流线路Ｍ、Ｎ两端不同步时间差、ｒ为直流线路的线模分布电阻、ｖ为直流线路的线模传播波速、Ｚ↓［Ｃ］为直流线路的线模特征阻抗；　其中，ｔ↓［Δ］＝ｔ↓［ｍ０］－ｔ↓［ｎ０］　式中，ｔ↓［ｍ０］为直流线路的Ｍ端数据时钟的参考时刻，ｔ↓［ｎ０］为直流线路Ｎ端数据时钟的参考时刻；　建立行波特性方程：　ｄ＝（ｖ↓［ｔｗ］Δｔ↓［ｆ］＋ｌ）／２　Δｔ↓［ｆ］＝Ｔ↓［ｆｍ］－Ｔ↓［ｆｎ］＝ｔ↓［ｆｍ］－ｔ↓［ｆｎ］＋ｔ↓［Δ］　式中，ｖ↓［ｔｗ］为所述线模电压的行波波速，Δｔ↓［ｆ］为所述线模电压的行波到达直流线路Ｍ、Ｎ两端的时间差，Ｔ↓［ｆｍ］和Ｔ↓［ｆｎ］分别为故障初始线模电压行波到达直流线路Ｍ端和Ｎ端的时刻；ｔ↓［ｆｍ］和ｔ↓［ｆｎ］分别为故障初始线模电压行波到达直流线路Ｍ、Ｎ两端的时刻相对于各自参考时刻ｔ↓［ｍ０］、ｔ↓［ｎ０］的时间；　第四步，对所述线模电压行波信号ｕ↓［ｍ］和ｕ↓［ｎ］求取模极大值时刻，将其作为故障初始线模电压行波到达直流线路Ｍ端和Ｎ端的时刻，并将故障初始线模电压行波到达直流线路Ｍ、Ｎ两端的时刻分别设为Ｍ、Ｎ两端数据时钟的参考时刻ｔ↓［ｍ０］、ｔ↓［ｎ０］，则ｔ↓［ｆｍ］＝ｔ↓［ｆｎ］＝０，ｔ↓［Δ］＝Δｔ↓［ｆ］，即Ｍ、Ｎ两端不同步时间差等于故障初始线模电压行波到达线路两端的时间差，根据行波特性方程，则：　ｔ↓［Δ］＝Δｔ↓［ｆ］＝（２ｄ－ｌ）／ｋ↓［ｖ］ｖ　（２）　其中，ｋ↓［ｖ］为行波分析线模波速与时域分析线模波速的比值；　第五步，将式（２）代入式（１），分别取计算时刻ｔ＝ｔ↓［１］，ｔ↓［２］，ｔ↓［３］，…，ｔ↓［Ｐ］，建立包含所述实际待观...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王钢，梁远升，李海锋，黄敏，朱革兰，黎小林，傅闯，
申请(专利权)人：王钢，梁远升，李海锋，黄敏，朱革兰，黎小林，傅闯，
类型：发明
国别省市：81