本發(fā)明屬于電網監(jiān)測技術領域，特別涉及了基于廣域行波能量和時間差的復雜電網故障定位方法。

背景技術：

快速準確定位故障位置是現(xiàn)代電力系統(tǒng)廣域網絡首要解決的問題之一。自從GPS(全球定位系統(tǒng))廣泛應用于工程行業(yè)以來，高精度時鐘定位同步功能使得行波測距技術得到了迅速發(fā)展。其中基于時差的雙端測距法憑借其具有良好的適用性、高精度性與良好的魯棒性的特點，成為行波測距的重要手段之一。在廣域網絡中，變電站的數(shù)量較多，因此故障發(fā)生時采集的信息存在著冗余。如何充分利用這些故障行波信息進行故障的定位與測距便成為行波定位面臨的一個重要課題。

盡管基于時差的雙端測距法是當前行波測距的主要方法之一，但對于較為龐大的廣域網絡，較大的信息冗余時，僅利用了時間這一物理量進行故障的定位與測距，會在故障定位判斷上出現(xiàn)一定困難。在故障精確測距的過程中，同樣會面臨大量的冗余信息，而且在GPS同步出現(xiàn)較大誤差情況下，若不對其進行篩選，對雙端測距的結果將造成較大影響。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發(fā)明旨在提供基于廣域行波能量和時間差的復雜電網故障定位方法，適用于復雜的大型電網，保護范圍無死區(qū)且定位迅速準確，并具有較好的精度和魯棒性。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明的技術方案為：

基于廣域行波能量和時間差的復雜電網故障定位方法，包括以下步驟：

(1)將電網的原始拓撲結構標記為P₁，在該電網中的共有N個變電站，分別記為B₁,B₂,…,B_N，每個變電站都安裝行波錄波裝置，所述行波錄波裝置設有三相線路電流行波監(jiān)測模塊；

(2)當系統(tǒng)發(fā)生故障后，各個站點的行波錄波裝置啟動，對故障信號進行錄波，錄得故障時間窗長度為n個工頻周期，分別為故障前n1個工頻周期和故障后n2個工頻周期，n＝n1+n2；

(3)對采集到的故障行波信息進行預處理，通過相模變換獲得零模行波和線模行波，采用Daubechies離散小波對各站點的零模行波進行d層分解，以最小尺度下d1層細節(jié)系數(shù)的模極大值表征行波的能量幅值，各個站點的模極大值能量記為E₁,E₂,…,E_N；

(4)比較E₁,E₂,…,E_N，找出其中兩個最大值E_MAX1和E_MAX2對應的站點B_i和B_j，由此迅速判斷故障位于支路Bi-Bj上；

(5)設故障線路兩端的變電站B_i和B_j為1級變電站，與1級變電站鄰接的非故障線路另一端的變電站設為2級變電站，與2級變電站鄰接的變電站設為3級變電站，依次類推，將整個電網劃分為m級變電站；若某個變電站屬于多個等級的變電站時，則將該變電站記為多個等級中最小等級的變電站；

(6)以1級變電站為起點，向外輻射至m1級變電站，m1≤m，將此區(qū)域作為局部故障網絡，其拓撲記為P₂，P₂中共有M個變電站，M≤N；

(7)采用Daubechies離散小波對線模行波進行d層分解，取最高頻率下d1層細節(jié)系數(shù)的模極大值對應的時刻作為故障波頭到達該站點的時刻，對于拓撲P₂，將M個變電站的故障起始時刻記為T₁,T₂,…,T_M；

(8)在拓撲P₂中，依據(jù)Folyd最短路徑算法，簡化局部故障網絡，得到具有全部有效信息的故障局部網絡，其拓撲記為P₃，P₃中共有Q個變電站，Q≤M；在拓撲P₃中，使用擴展雙端測距算法，以故障線路的一端作為參考端，在波頭到達參考端對側所有站點的時間中任取一個數(shù)據(jù)，與波頭到達參考端的時間組成一個測距數(shù)組，按照經過故障線路的最短路徑計算，共得到Q-1個故障位置結果；

(9)設行波到達故障線路的參考端和參考端對側任一站點之間的最短路徑所經過的變電站個數(shù)為h，則賦予步驟(8)得到的Q-1個故障位置的權值R＝1/(h-1)，通過加權求和，得到最終的故障位置。

進一步地，在步驟(2)中，對故障信號進行錄波時，采樣頻率為10kHz，錄得故障時間窗長度為7個工頻周期，分別為故障前3個工頻周期和故障后的4個工頻周期。

進一步地，在步驟(3)中，所述相模變換采用克拉克變換。

進一步地，在步驟(3)中，采用DB6離散小波對零模行波進行5層分解；在步驟(7)中，采用Daubechies離散小波對線模行波進行5層分解。

進一步地，在步驟(6)中，在提取局部故障網絡的過程中，將故障行波注入變電站母線方向的三相線路電流行波監(jiān)測模塊測得的數(shù)據(jù)保留，而把故障行波流出變電站母線方向的三相線路電流行波監(jiān)測模塊測得的數(shù)據(jù)去除。

進一步地，在步驟(6)中，以1級變電站為起點，向外輻射至3級變電站，將此區(qū)域作為局部故障網絡。

采用上述技術方案帶來的有益效果：

本發(fā)明使用行波能量作為故障特征，不受線路故障類型的影響，受故障合閘相角、接地電阻的影響小。系統(tǒng)在各種故障情況下都會有故障行波能量的產生，定位方法適用性強。

本發(fā)明適應于復雜的大型電網，保護范圍無死區(qū)，定位速度迅速準確。保護的有效范圍為全網系統(tǒng)，不存在定位死區(qū)。通過故障后故障區(qū)段的確定實現(xiàn)網絡拓撲簡化，提取定位有效信息，簡化計算，能夠快速定位故障點。

本發(fā)明故障定位的可靠性及精度不嚴重依賴于測量點間同步時鐘的精度，在部分測量點數(shù)據(jù)丟失或誤差較大時也能完成故障定位，方法具有較好的精度及魯棒性。

本發(fā)明方法可以利用大量現(xiàn)有的投運檢測設備，實現(xiàn)簡單，具有較強的經濟性和較好的實用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是簡單單端輻射狀網絡。

圖3是單端輻射狀網絡行波能量分析。

圖4是多母線分支的簡單網絡拓撲。

圖5是透射系數(shù)與母線出度的關系。

圖6是復雜電網拓撲P₁示意圖。

圖7是全網45個變電站的電流行波檢測裝置檢測到的行波能量示意圖。

圖8是P1根據(jù)簡化原則得到局部故障網絡拓撲P₂示意圖。

圖9是依據(jù)Folyd得到的拓撲P₃示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

基于廣域行波能量和時間差的復雜電網故障定位方法，如圖1所示，具體過程如下：

步驟1：對于拓撲結構確定的復雜電網，其原始拓撲結構記為P₁，在該電網中共有N個變電站，分別記為B₁,B₂,…,B_N，每個變電站都需要安裝行波錄波裝置，具有三相線路電流行波監(jiān)測模塊，中控室安裝故障定位主站。

步驟2：當系統(tǒng)發(fā)生故障后，各個站點的錄波裝置啟動，對故障信號進行錄波。采樣頻率取10kHz，錄得故障時間窗長度為7個工頻周期，分別為故障前3個工頻周期和故障后4個工頻周期。

步驟3：各站點對采集到的故障行波信息進行預處理。通過相模變換獲得零模行波電流和線模行波電流。相模變換取克拉克變換。

步驟4：使用DB6離散小波對各站點的零模行波進行5層分解，以最小尺度下d1層細節(jié)系數(shù)的模極大值表征行波的能量幅值，則各個站點的模極大值能量表示為E₁,E₂,…,E_N。

行波的能量受到線路的長度和節(jié)點處折反射規(guī)律的影響：

行波在線路上傳輸存在衰減特性：

上式中，α為衰減常數(shù)，β為相位常數(shù)，它們都是頻率的函數(shù)。Z為線路的單位阻抗值，Y為線路的單位導納值，下標mode為1,2時為線模，為0時為地模。隨著線路長度l的增加，行波的幅值衰減，相位滯后。其能量隨著線路長度衰減的規(guī)律如圖2和圖3所示。

行波在節(jié)點處的折反射對行波能量的衰減影響：

在一母線處，隨著分支出度數(shù)量的增多，行波能量在每一個分支上由于受到折反射規(guī)律的影響能量衰減，具體如圖4所示。圖4所示母線共有N-1條分支出度，假設各線路波阻抗相同，即Z₁＝Z₂＝…＝Z_N，所以除線路1外N-1條線路的并聯(lián)等效阻抗為：

根據(jù)折射規(guī)律可得線路2上的折射系數(shù)為：

同理，其他線路上的折射系數(shù)均為2/N，即折射波能量在各條線路上平均分配?？梢?，故障初始行波在具有同一類型線路上的折射系數(shù)具有明顯的規(guī)律。故障行波能量在節(jié)點處隨著線路出度數(shù)目的增多在分支上呈現(xiàn)明顯的衰減特性。其能量分析如圖5所示。

步驟5：進行故障區(qū)段判斷。當線路發(fā)生故障時，距離故障點最近的站點檢測到的電流行波信號能量幅值最大，比較E₁,E₂,…,E_N，找出前兩個最大值對應的站點B_i、B_j，可以由此迅速判斷故障位于支路Bi-Bj上。同時，由于采用了電流行波信號，每回線路的三相線路上均有電流行波監(jiān)測模塊，故可以對故障精確定位到每相線路。

步驟6：提取局部故障網絡。設故障線路兩端的變電站為2級變電站，與2級變電站鄰接的非故障線路另一端的變電站設為2級變電站，3級、4級變電站依次類推，各變電站級數(shù)并不唯一。

提取局部網絡拓撲的原則：

1)以故障線路兩端的變電站B_i、B_j為1級變電站，向外輻射兩級，即輻射到第3級變電站。局部故障電網絡拓撲的終點為第3級變電站；

2)當某一變電站屬于多個等級變電站時，按照“最小等級原則”處理。若變電站B_A即是第m級變電站，又是第n級變電站，且有m>n，則變電站B_A記作第n級變電站，并考慮是否納入計算范圍；

3)由于在站點出線和進線處都采集電流行波，在提取局部網絡拓撲的過程中，將故障行波注入變電站母線方向的行波檢測裝置測得的數(shù)據(jù)保留，而把故障行波流出變電站母線方向的行波檢測裝置所測得的數(shù)據(jù)去除。

根據(jù)簡化原則，簡化得到包含1級、2級、3級變電站的局部故障網絡拓撲P₂，共有M個變電站，分別記為B₁,B₂,…,B_M，M<＝N。

步驟7：對各站點檢測到的故障起始時刻進行精確判定。選用錄波得到的線模數(shù)據(jù)，線模行波相對于零模行波的衰減因子較小，隨著傳輸距離的增長和穿過的變電站數(shù)量的增多，行波波形的畸變、波頭在時間軸上的拉伸以及峰值衰減的程度相比零模都要弱得多、小的多。使用DB6離散小波對線模行波進行5層分解，取最小尺度下信號d1層細節(jié)系數(shù)的模極大值對應的時刻為故障波頭到達該站點的時刻T，對于簡化后的網絡拓撲P2，共有T₁,T₂,…,T_M個站點標定時間。

步驟8：在簡化后的包含網絡拓撲P₂中，依據(jù)Folyd最短路徑法，簡化局部故障網絡，得到具有全部有效信息的故障局部網絡P₃，包含Q個變電站，Q<＝M<＝N。使用擴展雙端測距算法，以故障線路的一端(Bi或Bj)作為參考端，在波頭到達參考端對側所有站點的時間中任取一個數(shù)據(jù)，與波頭到達參考端的時間組成一個測距數(shù)組，按照經過故障線路的最短路徑計算故障位置。共有Q-1個計算結果：L₁,L₂,…,L_i,…,L_(Q-1)，每個結果表示故障點與參考端的距離。其中可能存在因為GPS同步誤差甚至測量點缺失出現(xiàn)的錯誤結果。

步驟9：設行波到達故障線路的參考端和參考端對側任一站點之間的最短路徑所經過的變電站個數(shù)為h，則賦予步驟(8)得到的Q-1個故障位置的權值R＝1/(h-1)，通過加權求和，得到最終的故障位置。

本發(fā)明在復雜配電網具有很高的定位精度并且具備很高的適用性，對于不同故障類型，故障影響因素，本發(fā)明均可以滿足?，F(xiàn)以一個模型為例分析：

圖6為根據(jù)某省部分電網線路和變電站的標示圖，本故障設置在全長有194km的15-16輸電線段上，故障類型為A相接地。設故障距離比d為故障距離與線路全長的比值。分別在d＝0.1、0.5、0.9下對系統(tǒng)進行各類故障的仿真。

1、確定故障線路。全網45個變電站的電流行波檢測裝置檢測到的行波能量如圖7所示，可以看出變電站15、16的行波能量最大，可以迅速判斷出，故障發(fā)生在15-16段上。故障位置距離15變電站比距離16更近。確定故障點后，開始進行有效故障局部網絡拓撲的獲取。

2、將變電站15、16標記為一級站點，按照變電站分級原則進行局部網絡拓撲P2的提取，提取的局部故障網絡拓撲如圖8所示。

3、依據(jù)Folyd最短路徑法，簡化局部故障網絡P2，得到具有全部有效信息的局部故障網絡P3，如圖9所示。

4、在圖9中，各個站點的數(shù)據(jù)中確定組成雙端行波測距的每一組站點數(shù)據(jù)。利用小波變換分別獲取局部網絡拓撲中每個線模分量中奇異點的時間信息，即故障初始行波到達檢測點的時間。依據(jù)擴展雙端測距法，再分別對每組時間數(shù)據(jù)作差求得測距結果，如表1所示。

表1

對所有測量結果分別賦予相應的權值。在本次故障中，權值共有1、0.5、0.33三種。對于15-16這組數(shù)據(jù)的測距結果而言，權值為1，而對于15-17這組數(shù)據(jù)的測距結果而言，權值為0.33。設置d＝0.1,0.5,0.9，依據(jù)權值對結果進行加權計算。其結果與實際故障距離的對比誤差分析如表2所示?？傻?，算法的絕對誤差基本控制在500m以下，且對應的實際距離也符合工程實際中所允許的誤差，因此混合雙端加權測距算法具有很好的數(shù)據(jù)冗余性下可以保持良好的測距精度。

表2

實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。