行波理論波速測距算法

1、行波理論波速測距算法     引言準(zhǔn)確可靠的故障測距是電網(wǎng)健康運行的重要保證。行波故障測距在各類測距方法中具有明顯的理論優(yōu)勢，目前行波故障測距獲得了較大的發(fā)展，國內(nèi)外均有行波故障測距系統(tǒng)研發(fā)成功并獲得實際應(yīng)用。國外比較典型的為英國哈德威電氣公司（Hatha-wayInstrumentsLtd，UK）和加拿大不列顛哥倫比亞水電公司（BritishColombiaHydro）研發(fā)的現(xiàn)代行波測距系統(tǒng)1-2；國內(nèi)有代表性的為山東科匯電氣有限公司XC-2000行波故障測距裝置3-5，國內(nèi)其他科研單位也展開了行波測距的理論分析和裝置的研發(fā)工作6-13。實際運行經(jīng)驗表

2、明，由于現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，現(xiàn)有行波故障測距系統(tǒng)在實際現(xiàn)場應(yīng)用中受到諸多因素的影響，效果不理想，測距精度和適應(yīng)能力有待進一步提高。隨著現(xiàn)場通信等系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的逐漸提高，有必要針對現(xiàn)有測距系統(tǒng)的不足研究先進的行波故障測距系統(tǒng)。在對行波測距展開相應(yīng)理論研究以及硬件平臺開發(fā)的基礎(chǔ)上13-16，本文提出并設(shè)計了新型行波故障測距系統(tǒng)的實現(xiàn)算法。相對于常規(guī)測距系統(tǒng)，除具有模量分析、小波變換等常規(guī)分析方法，該系統(tǒng)算法還考慮了波速參數(shù)、線路長度參數(shù)等影響因素，并備獨立測距性能提升的單端測距算法，以及T型特殊線路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化自動測距和單端測距方式。利用行波信號發(fā)生裝置等組成的測試系統(tǒng)對該算法進行了實驗驗證，結(jié)果表

3、明該算法運行可靠，測距準(zhǔn)確。1系統(tǒng)框架針對現(xiàn)場所出現(xiàn)問題，該系統(tǒng)具備了相對完整的綜合測距功能，其框架如圖1所示。除具有常規(guī)系統(tǒng)所實現(xiàn)功能外，該系統(tǒng)在適應(yīng)能力提升與測距結(jié)果優(yōu)化層面獲得了深入研究，并分別在特殊線路及單端測距能力提升、波速度及線路長度參數(shù)優(yōu)化角度實現(xiàn)了一定的突破。2關(guān)鍵技術(shù)該系統(tǒng)主要包括啟動、選線和自動測距算法。啟動算法采用工頻量和行波分量自適應(yīng)啟動的算法，既保證了系統(tǒng)的可靠啟動也在一定程度上消除了誤啟動的發(fā)生；故障選線算法基于幅值和極性比較的方式構(gòu)建；自動測距算法是本系統(tǒng)的核心，除可實現(xiàn)常規(guī)行波測距系統(tǒng)所具有的功能外，還具有多空間數(shù)據(jù)源綜合利用和雙模式的優(yōu)化測距算法，同時具備了性

4、能提升的單端測距算法及特殊線路的自動測距算法。本系統(tǒng)較常規(guī)測距系統(tǒng)在理論上具有一定的改進。2.1多空間數(shù)據(jù)源綜合利用的改進因線路參數(shù)頻變等原因，波速度參數(shù)v數(shù)值具有不確定性和波動性，常規(guī)測距系統(tǒng)一般忽略該特性，在系統(tǒng)中主觀設(shè)置固定的波速度數(shù)值，這樣容易引入測距誤差。針對該問題，本文提出了多空間數(shù)據(jù)源綜合利用的測距方式，有效消除波速度引入的誤差。圖2為行波傳播示意圖，故障初始行波一般能量較強，會引起相鄰健康線路對端P處行波測距系統(tǒng)的啟動。利用雙端通信在M測量端分別提取故障線路對端N處和相鄰健康線路對端P處行波測量數(shù)據(jù)，并分別檢測故障初始行波到達時刻tM、tN、tP，分別利用tM、tN和tM、tP

5、進行雙端測距并化簡得：式（1）中消去了波速度參數(shù)，僅用到時間和線路長度參數(shù)，并且時間參數(shù)均對應(yīng)故障初始行波到達測量端的時刻，其奇異點檢測具有最高的可靠性。由此可得：a.多空間數(shù)據(jù)源測距方式消除了波速度參數(shù)不穩(wěn)定對測距結(jié)果的影響，并且該測距過程中保證了行波信號奇異點提取的可靠性和測距結(jié)果的精確性；b.當(dāng)常規(guī)系統(tǒng)波速度出現(xiàn)v誤差時，對于單端、雙端測距方式將分別消除（50vt2-tML）、（50v×tM-tNL）%的測距誤差，L為現(xiàn)場線路長度參數(shù)。2.2線路長度參數(shù)的監(jiān)測與校正現(xiàn)場線路長度參數(shù)L是行波故障測距過程中的重要參數(shù)，然而由于線路施工實際鋪設(shè)走廊與設(shè)計的誤差等原因，線路長度參數(shù)L可

6、能會具有一定的不準(zhǔn)確性。常規(guī)行波測距系統(tǒng)中一般根據(jù)雙端通信條件以及測距系統(tǒng)的配置情況選擇相應(yīng)的測距模式。如圖2所示，單、雙端測距分別按式（2）、（3）獲得：當(dāng)線路長度出現(xiàn)L誤差時，雙端測距結(jié)果將引入（50LL）的測距誤差，同時，對于可利用故障點反射波成功測距的單端測距而言，僅利用初始行波和故障點反射波，無需線路長度參數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)可得線路實際長度可由式（4）計算獲得，并據(jù)其實現(xiàn)線路長度參數(shù)準(zhǔn)確性的在線監(jiān)測和校正。LMN=（t2+tN-2tM）v（4）當(dāng)單端測距結(jié)果可靠并且與雙端測距結(jié)果相差較大時，可利用所得單雙端測距結(jié)果進行線路長度參數(shù)準(zhǔn)確性校驗及校正，具體實現(xiàn)方式在第3節(jié)探討。2.3單端測距適應(yīng)

7、能力的提升單端測距模式是目前現(xiàn)場中主要的測距方法。目前單端行波主要依賴極性識別實現(xiàn)第2個波頭的辨識，但受母線類型限制，三一類母線3（測量端為三類母線，對端為一類）情況下因無法識別第2個波頭性質(zhì)而無法有效測距。考慮到初始反極性行波具有較高的奇異性和幅值，與故障初始行波特征差異明顯，易于檢測，本文提出在三一類母線中利用基于初始反極性行波辨識的單端測距算法。設(shè)定故障初始行波極性為正，則與其極性相反者即為反極性行波，如圖3所示，圖3（a）、（b）中橢圓分別為初始反極性波頭及對應(yīng)的小波變換系數(shù)。經(jīng)分析可得，故障初始行波與初始反極性行波間的時間差t與故障距離LMF滿足一定規(guī)律，如圖4所示。由此可得，通過實

8、測t大小可有效判定故障區(qū)間，進一步識別第2個波頭的屬性，即可實現(xiàn)單端故障測距；在遠(yuǎn)端故障時可利用t包含的時間信息初測故障距離。2.4特殊線路的自動優(yōu)化測距常規(guī)行波測距系統(tǒng)在T型特殊線路中，一般通過兩兩雙端測距實現(xiàn)，自動測距程度相對不高，同時常規(guī)測距系統(tǒng)不具備T型線路單端測距的能力。針對該問題，本文利用T型線路3個測量端行波數(shù)據(jù)構(gòu)建了可靠的故障分支判別方法和優(yōu)化測距算法并且對于僅能得到一端行波數(shù)據(jù)的情況，提出了相應(yīng)的單端測距方法。T型線路結(jié)構(gòu)如圖5所示。如圖5所示，T型特殊線路各測量端的兩兩通信可得到3組雙端測距結(jié)果，在考慮各測量端不可避免因外界條件引入不同測距誤差情況下，經(jīng)推導(dǎo)簡化可得式（5）

9、，其可作為故障分支判別的理論依據(jù)，即滿足：則判斷T分支故障，其中為A、B、C測量端中任意一端，為除端外其余兩測量端中任意一端，為實際行波測距裝置的測距誤差，D1、D2分別為故障支路測量端與其他兩非故障支路測量端的兩兩雙端測距結(jié)果。故障點優(yōu)化測距按如下方法。其中，tA、tB、tC分別為故障初始行波到達A、B、C3個測量端的時間?？梢妰?yōu)化測距也消除了波速度參數(shù)不穩(wěn)定的影響，同時僅利用故障初始行波，并且可進行考慮測距誤差情況下的自動故障分支判別和故障點的優(yōu)化測距，有效提高了故障分支判別和測距的精確性。相對于常規(guī)兩兩雙端測距方式，該方法將消除（50vt-tiL）的測距誤差。現(xiàn)場T型線路3個測距端有時并

10、不同時配置行波測距系統(tǒng)，當(dāng)僅能得到一端行波數(shù)據(jù)時，本系統(tǒng)利用單端數(shù)據(jù)可實現(xiàn)一定程度上的自動故障測距。由單端行波測距原理可知，在無法有效判斷第2個行波波頭性質(zhì)的情況下，會得到多個可能的測距結(jié)果。結(jié)合后續(xù)行波波頭，充分提取復(fù)雜行波信號的有效信息，通過極性識別、假設(shè)推理法和多次“波頭查詢”的方式判定故障分支；同時結(jié)合現(xiàn)場線路長度、母線類型等已知條件對測距結(jié)果進行初步篩除，當(dāng)仍存在多個可能故障位置時，結(jié)合本地錄波器等其他測距信息確定最終測距結(jié)果。3實現(xiàn)流程啟動算法檢測到故障發(fā)生后將開始錄波并存儲數(shù)據(jù)，同時選線算法和自動測距算法將進入工作狀態(tài)，隨后自動測距算法相應(yīng)進入常規(guī)線路或T型特殊線路測距算法。若經(jīng)

11、判斷進入常規(guī)線路處理模塊，如圖6所示，首先判斷是否具備雙端行波測距條件，若具備則進入單雙端結(jié)合的雙測距模式，實現(xiàn)初步雙端和單端測距；否則利用性能提升的單端測距算法實現(xiàn)故障測距。若單端測距結(jié)果可靠且單雙端測距結(jié)果誤差較大，則判斷線路長度參數(shù)可能出現(xiàn)問題，并進行線路長度的校正，且僅需一次校正即可。線路長度的校正需要在單端波形清晰、測距結(jié)果可靠的情況下進行。若單雙端測距結(jié)果相近，則無需校正線路長度參數(shù)。進一步判斷故障線路相鄰健康線路對端故障行波數(shù)據(jù)是否可獲取，若可以則利用故障線路及其相鄰健康線路的多端數(shù)據(jù)綜合測距算法確定測距結(jié)果；否則根據(jù)雙端或單雙端結(jié)合確定測距結(jié)果并顯示。若經(jīng)判斷進入T型線路數(shù)據(jù)處

12、理算法，如圖7所示，首先判斷本端行波故障測距裝置是否可提取到T型線路其余兩端的行波數(shù)據(jù)，若可以則進入T型線路的優(yōu)化測距子算法，并進行故障分支判別和故障點的測距；否則進入T型線路單端行波故障測距子算法，經(jīng)判斷確定故障分支及可能的故障點，根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合錄波器等其他測距方式的結(jié)果以及現(xiàn)場線路長度、母線類型等有效信息綜合判斷最終故障距離。若現(xiàn)場無法確定唯一故障點，則將可能的故障點全部顯示，供現(xiàn)場人員參考分析。4實驗驗證4.1測試系統(tǒng)構(gòu)成為驗證本文算法的有效性，利用行波信號發(fā)生裝置和輸電線路行波故障測距系統(tǒng)構(gòu)成測試系統(tǒng)。行波信號發(fā)生裝置用以產(chǎn)生模擬高頻行波信號，本文研發(fā)的行波發(fā)生裝置6通道同步輸出

13、達每秒采樣點數(shù)為950000，并且具有16位AD輸出；行波故障測距系統(tǒng)可實現(xiàn)15路同步采集，采樣頻率高達5MHz。該測試系統(tǒng)完全滿足測試本文算法的要求。4.2實驗過程及數(shù)據(jù)分析ATP仿真模型見圖8，其中淄濰線全長121km淄博變有4回出線，濰坊變有5回出線，濟淄線全長66km，濟南變有5條出線，濟泰線全長98km，距濟南變80km處有T型分支線路至泰山2變，泰山變有4條出線，泰山2變有3條出線，濰萊線64km，設(shè)置萊陽變?yōu)橐活惸妇€。4.2.1實驗過程a.多空間數(shù)據(jù)測距。淄濰線距離淄博變80km處發(fā)生相間故障，具備常規(guī)雙端和多數(shù)據(jù)源測距的條件。實驗過程中3個測量端的行波故障測距系統(tǒng)均可靠啟動，從

14、錄波文件中調(diào)出淄濰線錄波圖如圖9所示，顯示故障初始行波到達淄博變和濰坊變的時刻分別為2010-10-24T16:00:06.947.824、16:00:06.947.695。同時調(diào)出濟淄線錄波圖如圖10所示，可得故障初始行波到濟南變的時刻為16:00:06.948.046。利用相鄰健康線路行波數(shù)據(jù)的測距方法可得故障點距淄博變79.676km，測距誤差為0.324km。常規(guī)雙端行波故障測距結(jié)果為79.504km，測距誤差為0.496km。結(jié)合多次實驗，實驗結(jié)果如表1所示，可見利用相鄰健康線路的測距模塊有效提高了測距的準(zhǔn)確性。b.線路長度校正。淄濰線距離淄博變60km處發(fā)生單相接地故障，設(shè)定現(xiàn)場已

15、知淄濰線的線路長度為125km。常規(guī)雙端行波故障測距結(jié)果如圖11所示，故障點距離淄博變62.535km。同時觀測淄博變錄波圖，如圖12所示，發(fā)現(xiàn)第2個波頭較清晰，可實現(xiàn)可靠單端測距并得到故障點位置為59.682km。該測距結(jié)果與雙端測距結(jié)果相差較大，判斷線路長度參數(shù)出現(xiàn)誤差。根據(jù)單端測距結(jié)果校正線路長度，得到校正結(jié)果為119.394km。設(shè)置多次類似故障，其實驗結(jié)果如表2所示，可得單端波形清晰有效情況下可有效實現(xiàn)線路長度的監(jiān)測和校正。c.性能提升單端測距。濰萊線為三一類母線，常規(guī)單端行波無法有效測距。實驗中利用初始反極性行波實現(xiàn)輔助測距，測距結(jié)果如表3所示。由此可見，基于初始反極性波頭可有效輔

16、助實現(xiàn)單端故障測距，并具有較高的測距精度和可靠性。d.T型線路自動測距。T型線路3個測量端距具備行波故障測距系統(tǒng)并可相互通信。分別設(shè)置不同分支故障，實驗結(jié)果如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)具備T型線路自動故障分支判別能力，并可實現(xiàn)精度提升的測距算法。當(dāng)T型線路僅可獲取一測量端故障行波數(shù)據(jù)時，需結(jié)合T線路各分支長度、母線類型等有效條件確定可能的故障分支及位置。由實驗結(jié)果可知該情況下將具備一定的單端測距功能，可結(jié)合現(xiàn)場錄波器等其他具備測距功能裝置綜合確定故障點位置，實驗結(jié)果如表5所示。4.2.2實驗分析各類實驗過程中，本文算法啟動可靠，故障選線準(zhǔn)確。通過對錄波數(shù)據(jù)分析處理后所得測距結(jié)果較常規(guī)測距系統(tǒng)精度有所提高，具有較好的優(yōu)化作用。針對T型特殊線路的測距算法可