行波理論波速測(cè)距算法

1、行波理論波速測(cè)距算法     引言準(zhǔn)確可靠的故障測(cè)距是電網(wǎng)健康運(yùn)行的重要保證。行波故障測(cè)距在各類測(cè)距方法中具有明顯的理論優(yōu)勢(shì)，目前行波故障測(cè)距獲得了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外均有行波故障測(cè)距系統(tǒng)研發(fā)成功并獲得實(shí)際應(yīng)用。國(guó)外比較典型的為英國(guó)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(cè)距系統(tǒng)1-2；國(guó)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(cè)距裝置3-5，國(guó)內(nèi)其他科研單位也展開(kāi)了行波測(cè)距的理論分析和裝置的研發(fā)工作6-13。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表

2、明，由于現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性，現(xiàn)有行波故障測(cè)距系統(tǒng)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中受到諸多因素的影響，效果不理想，測(cè)距精度和適應(yīng)能力有待進(jìn)一步提高。隨著現(xiàn)場(chǎng)通信等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的逐漸提高，有必要針對(duì)現(xiàn)有測(cè)距系統(tǒng)的不足研究先進(jìn)的行波故障測(cè)距系統(tǒng)。在對(duì)行波測(cè)距展開(kāi)相應(yīng)理論研究以及硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上13-16，本文提出并設(shè)計(jì)了新型行波故障測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)算法。相對(duì)于常規(guī)測(cè)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(zhǎng)度參數(shù)等影響因素，并備獨(dú)立測(cè)距性能提升的單端測(cè)距算法，以及T型特殊線路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化自動(dòng)測(cè)距和單端測(cè)距方式。利用行波信號(hào)發(fā)生裝置等組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表

3、明該算法運(yùn)行可靠，測(cè)距準(zhǔn)確。1系統(tǒng)框架針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)問(wèn)題，該系統(tǒng)具備了相對(duì)完整的綜合測(cè)距功能，其框架如圖1所示。除具有常規(guī)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能外，該系統(tǒng)在適應(yīng)能力提升與測(cè)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(cè)距能力提升、波速度及線路長(zhǎng)度參數(shù)優(yōu)化角度實(shí)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(dòng)、選線和自動(dòng)測(cè)距算法。啟動(dòng)算法采用工頻量和行波分量自適應(yīng)啟動(dòng)的算法，既保證了系統(tǒng)的可靠啟動(dòng)也在一定程度上消除了誤啟動(dòng)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(dòng)測(cè)距算法是本系統(tǒng)的核心，除可實(shí)現(xiàn)常規(guī)行波測(cè)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(cè)距算法，同時(shí)具備了性

4、能提升的單端測(cè)距算法及特殊線路的自動(dòng)測(cè)距算法。本系統(tǒng)較常規(guī)測(cè)距系統(tǒng)在理論上具有一定的改進(jìn)。2.1多空間數(shù)據(jù)源綜合利用的改進(jìn)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(dòng)性，常規(guī)測(cè)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(cè)距誤差。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了多空間數(shù)據(jù)源綜合利用的測(cè)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(qiáng)，會(huì)引起相鄰健康線路對(duì)端P處行波測(cè)距系統(tǒng)的啟動(dòng)。利用雙端通信在M測(cè)量端分別提取故障線路對(duì)端N處和相鄰健康線路對(duì)端P處行波測(cè)量數(shù)據(jù)，并分別檢測(cè)故障初始行波到達(dá)時(shí)刻tM、tN、tP，分別利用tM、tN和tM、tP

5、進(jìn)行雙端測(cè)距并化簡(jiǎn)得：式（1）中消去了波速度參數(shù)，僅用到時(shí)間和線路長(zhǎng)度參數(shù)，并且時(shí)間參數(shù)均對(duì)應(yīng)故障初始行波到達(dá)測(cè)量端的時(shí)刻，其奇異點(diǎn)檢測(cè)具有最高的可靠性。由此可得：a.多空間數(shù)據(jù)源測(cè)距方式消除了波速度參數(shù)不穩(wěn)定對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，并且該測(cè)距過(guò)程中保證了行波信號(hào)奇異點(diǎn)提取的可靠性和測(cè)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(shí)，對(duì)于單端、雙端測(cè)距方式將分別消除（50vt2-tML）、（50v×tM-tNL）%的測(cè)距誤差，L為現(xiàn)場(chǎng)線路長(zhǎng)度參數(shù)。2.2線路長(zhǎng)度參數(shù)的監(jiān)測(cè)與校正現(xiàn)場(chǎng)線路長(zhǎng)度參數(shù)L是行波故障測(cè)距過(guò)程中的重要參數(shù)，然而由于線路施工實(shí)際鋪設(shè)走廊與設(shè)計(jì)的誤差等原因，線路長(zhǎng)度參數(shù)L可

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

7、能力的提升單端測(cè)距模式是目前現(xiàn)場(chǎng)中主要的測(cè)距方法。目前單端行波主要依賴極性識(shí)別實(shí)現(xiàn)第2個(gè)波頭的辨識(shí)，但受母線類型限制，三一類母線3（測(cè)量端為三類母線，對(duì)端為一類）情況下因無(wú)法識(shí)別第2個(gè)波頭性質(zhì)而無(wú)法有效測(cè)距?？紤]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(cè)，本文提出在三一類母線中利用基于初始反極性行波辨識(shí)的單端測(cè)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(duì)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(shí)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(guò)實(shí)

8、測(cè)t大小可有效判定故障區(qū)間，進(jìn)一步識(shí)別第2個(gè)波頭的屬性，即可實(shí)現(xiàn)單端故障測(cè)距；在遠(yuǎn)端故障時(shí)可利用t包含的時(shí)間信息初測(cè)故障距離。2.4特殊線路的自動(dòng)優(yōu)化測(cè)距常規(guī)行波測(cè)距系統(tǒng)在T型特殊線路中，一般通過(guò)兩兩雙端測(cè)距實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)測(cè)距程度相對(duì)不高，同時(shí)常規(guī)測(cè)距系統(tǒng)不具備T型線路單端測(cè)距的能力。針對(duì)該問(wèn)題，本文利用T型線路3個(gè)測(cè)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(cè)距算法并且對(duì)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(cè)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(cè)量端的兩兩通信可得到3組雙端測(cè)距結(jié)果，在考慮各測(cè)量端不可避免因外界條件引入不同測(cè)距誤差情況下，經(jīng)推導(dǎo)簡(jiǎn)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(cè)量端中任意一端，為除端外其余兩測(cè)量端中任意一端，為實(shí)際行波測(cè)距裝置的測(cè)距誤差，D1、D2分別為故障支路測(cè)量端與其他兩非故障支路測(cè)量端的兩兩雙端測(cè)距結(jié)果。故障點(diǎn)優(yōu)化測(cè)距按如下方法。其中，tA、tB、tC分別為故障初始行波到達(dá)A、B、C3個(gè)測(cè)量端的時(shí)間?？梢?jiàn)優(yōu)化測(cè)距也消除了波速度參數(shù)不穩(wěn)定的影響，同時(shí)僅利用故障初始行波，并且可進(jìn)行考慮測(cè)距誤差情況下的自動(dòng)故障分支判別和故障點(diǎn)的優(yōu)化測(cè)距，有效提高了故障分支判別和測(cè)距的精確性。相對(duì)于常規(guī)兩兩雙端測(cè)距方式，該方法將消除（50vt-tiL）的測(cè)距誤差?，F(xiàn)場(chǎng)T型線路3個(gè)測(cè)距端有時(shí)并

10、不同時(shí)配置行波測(cè)距系統(tǒng)，當(dāng)僅能得到一端行波數(shù)據(jù)時(shí)，本系統(tǒng)利用單端數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)一定程度上的自動(dòng)故障測(cè)距。由單端行波測(cè)距原理可知，在無(wú)法有效判斷第2個(gè)行波波頭性質(zhì)的情況下，會(huì)得到多個(gè)可能的測(cè)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(hào)的有效信息，通過(guò)極性識(shí)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(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路長(zhǎng)度、母線類型等已知條件對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行初步篩除，當(dāng)仍存在多個(gè)可能故障位置時(shí)，結(jié)合本地錄波器等其他測(cè)距信息確定最終測(cè)距結(jié)果。3實(shí)現(xiàn)流程啟動(dòng)算法檢測(cè)到故障發(fā)生后將開(kāi)始錄波并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)選線算法和自動(dòng)測(cè)距算法將進(jìn)入工作狀態(tài)，隨后自動(dòng)測(cè)距算法相應(yīng)進(jìn)入常規(guī)線路或T型特殊線路測(cè)距算法。若經(jīng)

11、判斷進(jìn)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(cè)距條件，若具備則進(jìn)入單雙端結(jié)合的雙測(cè)距模式，實(shí)現(xiàn)初步雙端和單端測(cè)距；否則利用性能提升的單端測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。若單端測(cè)距結(jié)果可靠且單雙端測(cè)距結(jié)果誤差較大，則判斷線路長(zhǎng)度參數(shù)可能出現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)行線路長(zhǎng)度的校正，且僅需一次校正即可。線路長(zhǎng)度的校正需要在單端波形清晰、測(cè)距結(jié)果可靠的情況下進(jìn)行。若單雙端測(cè)距結(jié)果相近，則無(wú)需校正線路長(zhǎng)度參數(shù)。進(jìn)一步判斷故障線路相鄰健康線路對(duì)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(cè)距算法確定測(cè)距結(jié)果；否則根據(jù)雙端或單雙端結(jié)合確定測(cè)距結(jié)果并顯示。若經(jīng)判斷進(jìn)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(cè)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(jìn)入T型線路的優(yōu)化測(cè)距子算法，并進(jìn)行故障分支判別和故障點(diǎn)的測(cè)距；否則進(jìn)入T型線路單端行波故障測(cè)距子算法，經(jīng)判斷確定故障分支及可能的故障點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合錄波器等其他測(cè)距方式的結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)線路長(zhǎng)度、母線類型等有效信息綜合判斷最終故障距離。若現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法確定唯一故障點(diǎn)，則將可能的故障點(diǎn)全部顯示，供現(xiàn)場(chǎng)人員參考分析。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成為驗(yàn)證本文算法的有效性，利用行波信號(hào)發(fā)生裝置和輸電線路行波故障測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)。行波信號(hào)發(fā)生裝置用以產(chǎn)生模擬高頻行波信號(hào)，本文研發(fā)的行波發(fā)生裝置6通道同步輸出

13、達(dá)每秒采樣點(diǎn)數(shù)為950000，并且具有16位AD輸出；行波故障測(cè)距系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)15路同步采集，采樣頻率高達(dá)5MHz。該測(cè)試系統(tǒng)完全滿足測(cè)試本文算法的要求。4.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析ATP仿真模型見(jiàn)圖8，其中淄濰線全長(zhǎng)121km淄博變有4回出線，濰坊變有5回出線，濟(jì)淄線全長(zhǎng)66km，濟(jì)南變有5條出線，濟(jì)泰線全長(zhǎng)98km，距濟(jì)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(yáng)變?yōu)橐活惸妇€。4.2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程a.多空間數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)距的條件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中3個(gè)測(cè)量端的行波故障測(cè)距系統(tǒng)均可靠啟動(dòng)，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(dá)淄博變和濰坊變的時(shí)刻分別為2010-10-24T16:00:06.947.824、16:00:06.947.695。同時(shí)調(diào)出濟(jì)淄線錄波圖如圖10所示，可得故障初始行波到濟(jì)南變的時(shí)刻為16:00:06.948.046。利用相鄰健康線路行波數(shù)據(jù)的測(cè)距方法可得故障點(diǎn)距淄博變79.676km，測(cè)距誤差為0.324km。常規(guī)雙端行波故障測(cè)距結(jié)果為79.504km，測(cè)距誤差為0.496km。結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)利用相鄰健康線路的測(cè)距模塊有效提高了測(cè)距的準(zhǔn)確性。b.線路長(zhǎng)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(chǎng)已

15、知淄濰線的線路長(zhǎng)度為125km。常規(guī)雙端行波故障測(cè)距結(jié)果如圖11所示，故障點(diǎn)距離淄博變62.535km。同時(shí)觀測(cè)淄博變錄波圖，如圖12所示，發(fā)現(xiàn)第2個(gè)波頭較清晰，可實(shí)現(xiàn)可靠單端測(cè)距并得到故障點(diǎn)位置為59.682km。該測(cè)距結(jié)果與雙端測(cè)距結(jié)果相差較大，判斷線路長(zhǎng)度參數(shù)出現(xiàn)誤差。根據(jù)單端測(cè)距結(jié)果校正線路長(zhǎng)度，得到校正結(jié)果為119.394km。設(shè)置多次類似故障，其實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)線路長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)和校正。c.性能提升單端測(cè)距。濰萊線為三一類母線，常規(guī)單端行波無(wú)法有效測(cè)距。實(shí)驗(yàn)中利用初始反極性行波實(shí)現(xiàn)輔助測(cè)距，測(cè)距結(jié)果如表3所示。由此可見(jiàn)，基于初始反極性波頭可有效輔

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