一种直流输电线路行波故障测距终端、方法和系统与流程

本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种直流输电线路行波故障测距终端、方法和系统。

背景技术：

近年来，高压直流输电在我国获得快速发展，直流输电线路故障测距对于线路故障后的快速排除、恢复供电、以及交直流系统的安全稳定具有重要意义。现有直流输电线路上主要应用的是基于双端行波原理的直流输电行波故障测距方法，现有方法基本满足了平均测距误差在1km左右的要求，但具有如下两方面的缺点：

(1)可靠性低：现有技术中针对直流输电线路的行波故障测距终端都是利用换流站内的耦合电容器(或噪声滤波器)中性点电流采集暂态电压，其采样原理如图1所示。耦合电容器中性点电流对应的是直流输电线路电压变化率(暂态量)而非实际电压，导致了以下问题：

1)受直流输电线路长度及故障点位置影响大。由于暂态行波在传输过程中，高频量衰减较快，与直流输电线路长度呈指数关系；当故障点偏向直流输电线路一侧时，距离故障点较远的一侧暂态量往往较小。在国内人工短路试验中，故障点接近直流输电线路两端，直流输电线路两侧的行波故障测距终端采集到耦合电容器中性点电流幅值相差较大，并呈现线路越长幅值差越大的特点，如图2和图3所示。

2)受故障过渡电阻影响较大，直流输电线路故障瞬间变化率与故障过渡电阻直接相关，接地/短路瞬间过渡电阻较大时，暂态量幅值较低，会显著降低直流输电线路电压变化率，从而降低故障测距终端的可靠性。

(2)精度受线路长度影响较大；由双端行波法原理可知，当直流输电线路较长时，行波波速影响相对扩大。假定故障点靠近直流输电线路一侧时，设定波速与实际波速误差1％时，会导致直流输电线路约0.5％的额外测量误差。此外，随着直流输电线路长度增加，覆盖地域增大，弧垂、大地电阻率等因素导致长度、波速误差均会扩大，测距精度低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中可靠性低且精度受线路长度影响较大的不足，本发明提供一种直流输电线路行波故障测距终端、方法和系统，终端包括两个非接触式传感器，方法包括确定行波故障测距终端的故障特征，基于故障特征确定故障类型，基于故障类型进行行波故障测距，不仅大大提高了测距的可靠性，且精度受线路长度影响较小，提高了测距精度。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种直流输电线路行波故障测距终端，行波故障测距终端安装于杆塔上，包括两个非接触式传感器；

所述非接触式传感器通过电缆与行波故障测距终端连接，用于采集直流输电线路的模拟电压信号。

所述非接触式传感器包括感应电极、屏蔽电极、测量电容和防护罩；

所述防护罩位于屏蔽电极上部，所述感应电极位于屏蔽电极内部，所述屏蔽电极接地，所述测量电容一端连接感应电极，另一端连接屏蔽电极，且所述测量电容与行波故障测距装置并联。

所述感应电极的面积大于等于0.25m²，所述感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。

所述行波故障测距终端还包括：

ad转换模块，用于将非接触式传感器采集的模拟电压信号转换为数字电压信号；

无线通讯模块，用于发送数字电压信号。

所述非接触式传感器与直流输电线路保持预先设定的安全距离。

另一方面，本发明提供一种直流输电线路行波故障测距方法，包括：

基于行波故障测距终端采集的电压信号，确定行波故障测距终端的故障特征；

将幅值最大的两个行波故障测距终端的故障电压幅值均大于预设的暂态电压门槛值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障；

基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距。

确定行波故障测距装置的故障特征，包括：

基于行波故障测距终端采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列；

基于模极大值序列确定故障初始时刻，并将故障初始时刻对应暂态电压幅值设为故障电压幅值。

常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距，包括：

将故障初始时刻最早的行波故障测距终端设定为第1台行波故障测距终端；

基于第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离以及行波的校正波速进行行波故障测距。

基于第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离以及行波的校正波速进行行波故障测距，包括：

按下式确定故障点与第1台行波故障测距终端之间的距离：

l1＝d1-(tn-t1)×v/2

式中，l1为故障点与第一台行波故障测距终端之间的距离，d1为第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离，tn为第n台行波故障测距终端的故障初始时刻，t1为第1台行波故障测距终端的故障初始时刻，v为校正后的行波波速。

基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距，包括：

按下式计算故障点与行波故障测距终端之间的距离：

ln≈δl+d1/2

式中，ln为故障点与第n台行波故障测距终端之间的距离；δl为故障点到第1台行波故障测距终端和到第n台行波故障测距终端之间的距离差，其基于暂态电压幅值的衰减系数确定。

另一方面，本发明还提供一种直流输电线路行波故障测距系统，包括：

数据接收模块，用于接收行波故障测距终端的电压信号；

第一确定模块，用于基于述电压信号，确定行波故障测距终端的故障特征；

第二确定模块，用于将幅值最大的两个行波故障测距终端的故障电压幅值均大于预设的暂态电压门槛值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障；

测距模块，用于基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距；

故障特征包括故障初始时刻和故障电压幅值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的直流输电线路行波故障测距终端安装于杆塔上，包括两个非接触式传感器；非接触式传感器通过电缆与行波故障测距终端连接，用于采集直流输电线路的模拟电压信号，非接触式传感器位于直流输电线路安全距离以外，可实现带电安装；

本发明提供的直流输电线路行波故障测距方法中，基于行波故障测距终端采集的电压信号，确定行波故障测距终端的故障特征；将幅值最大的两个行波故障测距终端的故障电压幅值均大于预设的暂态电压门槛值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障；基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距，不仅大大提高了测距的可靠性，且精度受线路长度影响较小，提高了测距精度；

本发明基于多个分布的行波故障测距终端采集的暂态电压，相邻行波故障测距终端之间直流输电线路相对较短，减少了暂态电压因长距离传输衰减对行波故障测距终端启动可靠性的影响；

本发明中通过多个分布式行波故障测距终端采集的故障初始时刻实现行波波速的校正，并且相邻行波故障测距终端之间的直流输电线路长度较短，降低了波速误差影响，提高直流输电线路故障测距的精度；

本发明在某个行波故障测距终端异常情况下，也能正常完成行波故障测距，具有较高的可靠性；

本发明通过多个分布式行波故障测距终端对直流输电线路进行了分段，间接缩短了直流输电线路长度，且通过对行波波速进行校正，降低了波速的影响；

本发明对故障类型进行了辨识，并基于不同故障类型选择相应的行波故障测距，精度高，且实现了高阻故障的测距。

附图说明

图1是现有技术中直流输电线路行波故障测距终端采样原理示意图；

图2是现有技术中距离故障点较近侧电流波形图；

图3是现有技术中距离故障点较远侧电流波形图；

图4是本发明实施例中直流输电线路行波故障测距方法流程图；

图5是本发明实施例中非接触式传感器侧视结构示意图；

图6是本发明实施例中非接触式传感器俯视结构示意图；

图7是本发明实施例中多个行波故障测距终端行波故障测距原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种直流输电线路行波故障测距终端，行波故障测距终端安装于杆塔上，包括两个非接触式传感器；

非接触式传感器通过电缆与行波故障测距终端连接，用于采集直流输电线路的模拟电压信号。

行波故障测距终端还包括：

ad转换模块，用于将非接触式传感器采集的模拟电压信号转换为数字电压信号；

无线通讯模块，用于发送数字电压信号。

非接触式传感器与直流输电线路保持预先设定的安全距离。

如图5和图6所示，非接触式传感器包括感应电极、屏蔽电极、测量电容和防护罩；

防护罩位于屏蔽电极上部，感应电极位于屏蔽电极内部，屏蔽电极接地，测量电容一端连接感应电极，另一端连接屏蔽电极，且测量电容与行波故障测距装置并联。

感应电极的面积大于等于0.25m²，感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。

感应电极与直流输电线路之间存在杂散电容，当非接触式传感器与直流输电线路距离大于安全距离时，由于孤立导体效应，杂散电容的容值主要与感应电极的尺寸相关。当感应电极为圆形且其直径为0.5m时，安全距离10m时，杂散电容的容值为2pf。感应电极不限于圆形和方形，面积大于等于0.25m²即可，屏蔽电极主要用于屏蔽相邻极线路的影响，感应电极与屏蔽电极之间的间距大于10cm。防护罩主要用于防水、防尘，保障传感器正常工作。测量电容用于提取暂态电压,当分压比为1：1000，测量电容的容值为2uf。

每个行波故障测距终端接入两个非接触式传感器，两个非接触式传感器分别对应于正负极线路。非接触式传感器在原理上相当于电容分压器，实现了隔离直流，通过暂态量，在正常情况下，非接触式传感器采样值趋近于零，故障瞬时电压升高。此外，非接触式传感器安装位置在线路安全距离以外，可实现设备的带电安装。

实施例2

本发明实施例2提供了一种直流输电线路行波故障测距方法，具体流程图如图4所示，具体过程如下：

s101：基于行波故障测距终端采集的电压信号，确定行波故障测距终端的故障特征；

s102：将幅值最大的两个行波故障测距终端的故障电压幅值均大于预设的暂态电压门槛值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障；

s103：基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距。

确定行波故障测距终端的故障特征，包括：

基于行波故障测距终端采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列；

基于模极大值序列确定故障初始时刻，并将故障初始时刻对应暂态电压幅值设为故障电压幅值。

常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

当故障为常规故障时，选取初始时刻最早的两台行波故障测距终端(例如：当t1、tn最早时，则选取第1台行波故障测距终端1和第n台行波故障测距终端)的故障初始时刻进行行波故障测距，暂态行波在直流输电线路上的传输波速与线路电感/电容参数相关，这些参数与环境相关，因此，线路传输波速会在小范围内变化，非固定值。对于超长距离的直流输电线路而言，少量的波速偏差也会造成较大的故障测距误差。于是，当故障为常规故障时，行波故障测距具体是基于行波的校正波速进行行波故障测距。

具体地，基于常规故障进行行波故障测距，包括：

将故障初始时刻最早的行波故障测距终端设定为第1台行波故障测距终端；

基于第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离以及行波的校正波速进行行波故障测距。

如图7所示，假设通过n台行波故障测距终端实现故障测距，t1-t4为4台行波故障测距终端，f为故障点，t1-t4分别为第1至第4台行波故障测距终端的故障初始时刻，

按下式确定故障点与第1台行波故障测距终端之间的距离：

l1＝d1-(tn-t1)×v/2

式中，l1为故障点与第一台行波故障测距终端之间的距离，d1为第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离，tn为第n台行波故障测距终端的故障初始时刻，t1为第1台行波故障测距终端的故障初始时刻，v为校正后的行波波速，v按下式确定：

v＝dn/(tn-tn-1)

式中，tn-1为第n-1台行波故障测距终端的故障初始时刻，dn为第n台行波故障测距终端与第n-1台行波故障测距终端之间的距离。

当故障为高阻故障时，选取幅值最大的行波故障测距终端(例如：当uf1、ufn最大时，则选取第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端)的故障初始时刻和故障电压幅值进行行波故障测距。

基于高阻故障进行行波故障测距，包括：

按下式计算故障点与行波故障测距终端之间的距离：

ln≈δl+d1/2

式中，ln为故障点与第n台行波故障测距终端之间的距离；δl为故障点到第1台行波故障测距终端和到第n台行波故障测距终端之间的距离差，其基于暂态电压幅值的衰减系数确定，具体按下式确定：

δl＝ln-l1＝-ln(ufn/uf1)/γ

式中，l1为故障点与第1台行波故障测距终端之间的距离，ufn为第n台行波故障测距终端的故障电压幅值，ufn-1为第n-1台行波故障测距终端的故障电压幅值，γ为衰减系数，γ按下式确定：

γ＝-ln(ufn/ufn-1)/dn

式中，ufn为第n-1台行波故障测距终端的故障电压幅值。

实施例3

基于同一发明构思，本发明实施例3还提供一种直流输电线路行波故障测距系统，下面对各个组成部分的功能进行详细说明：

数据接收模块，用于接收本发明实施例1中行波故障测距终端的电压信号；

第一确定模块，用于基于电压信号，确定行波故障测距终端的故障特征；

第二确定模块，用于将幅值最大的两个行波故障测距终端的故障电压幅值均大于预设的暂态电压门槛值的故障确定为常规故障；反之，将故障确定为高阻故障；

测距模块，用于基于常规故障/高阻故障进行行波故障测距；

故障特征包括故障初始时刻和故障电压幅值。

第一确定模块具体用于：

基于行波故障测距终端采集的暂态电压，并采用小波变换法提取小波变换的细节系数；

基于细节系数计算模极大值序列；

基于模极大值序列确定故障初始时刻，并将故障初始时刻对应暂态电压幅值设为故障电压幅值。

常规故障包括：故障的过渡电阻不大于300欧姆；

高阻故障包括：故障的过渡电阻大于300欧姆。

测距模块具体用于：

将故障初始时刻最早的行波故障测距终端设定为第1台行波故障测距终端；

基于第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离以及行波的校正波速进行行波故障测距，具体包括：

按下式确定故障点与第1台行波故障测距终端之间的距离：

l1＝d1-(tn-t1)×v/2

式中，l1为故障点与第一台行波故障测距终端之间的距离，d1为第1台行波故障测距终端和第n台行波故障测距终端之间的距离，tn为第n台行波故障测距终端的故障初始时刻，t1为第1台行波故障测距终端的故障初始时刻，v为校正后的行波波速，v按下式确定：

v＝dn/(tn-tn-1)

式中，tn-1为第n-1台行波故障测距终端的故障初始时刻，dn为第n台行波故障测距终端与第n-1台行波故障测距终端之间的距离。

测距模块按下式计算故障点与行波故障测距终端之间的距离：

ln≈δl+d1/2

式中，ln为故障点与第n台行波故障测距终端之间的距离；δl为故障点到第1台行波故障测距终端和到第n台行波故障测距终端之间的距离差，其基于暂态电压幅值的衰减系数确定，具体按下式确定：

δl＝ln-l1＝-ln(ufn/uf1)/γ

式中，l1为故障点与第1台行波故障测距终端之间的距离，ufn为第n台行波故障测距终端的故障电压幅值，ufn-1为第n-1台行波故障测距终端的故障电压幅值，γ为衰减系数，γ按下式确定：

γ＝-ln(ufn/ufn-1)/dn

式中，ufn为第n-1台行波故障测距终端的故障电压幅值。

为了描述的方便，以上所述终端的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的终端。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令终端的制造品，该指令终端实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。