一种阻抗法和行波法相结合的行波综合测距方法

摘要

本发明公开了一种阻抗法和行波法相结合的行波综合测距的方法，它通过监测输电线路的工频电压和工频电流进行录波启动判断。当输电线路发生故障后会产生工频录波文件和高频录波文件；阻抗法通过对工频录波文件中的启动相进行判断得到故障线路，通过对工频电压和工频电流数据进行阻抗分析计算得到阻抗测距长度；行波法以阻抗法提供的故障线路和故障时刻为参考对高频电流录波数据进行行波法测距得到行波测距长度。通过对阻抗测距长度和行波测距长度进行综合分析得到行波综合测距长度。本发明各种测距算法相结合保证了测距的可靠性，减少了测距失败的情况。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统传输线路故障测距领域，尤其是在高压、长距离、地形复杂、巡线 困难的电力传输网络中，能够正确的判断故障线路和准确的定位故障点。

背景技术

现有的电力系统传输线路的故障测距方法主要有阻抗法和行波法两种，这两种测距方式 在使用的过程中均有各自的优缺点。

阻抗法通常作为微机保护及录波装置的附加功能，具有启动定值量化、投资少等特点， 但其测距精度受过渡电阻、分布电容、系统运行方式等因素的影响较大，精度上不能满足电 力系统对测距精度的要求。

行波法测距包含单端法行波测距和双端法行波测距。单端法行波测距不需要传递对侧数 据、不受通信技术条件限制，具有投资小、实施简单、测距精度高等特点，但单端法行波测 距需要考虑行波的衰减及母线的反射等因素，存在识别反射波困难等情况；双端法测距只识 别行波首波头，不用辨别反射波，测距精度高，很好的解决了单端测距存在的问题,但双端法 测距要求两侧装置要接入统一的、稳定的时钟信号源并且要求两侧通信的线路具有很高的可 靠性，否则很容易造成双端测距失败的情况。另外，无论是单端行波法测距还是双端行波法 测距，其启动定值均不能量化，实际运行中启动门槛设置往往较低，容易误启动，一次故障 发生时往往会启动多次，即产生多个行波故障文件，需要参考对应保护装置的录波文件来识 别到底哪个才是真正的故障文件。

因此，现有的力系统传输线路的故障测距无论是阻抗法还是行波法均存在一定的局限性， 不能满足实际的需要。

发明内容

为解决电力系统传输线路中单纯依靠阻抗法测距时测距精度不能满足测距要求、易受过 渡电阻等因素影响，单纯依靠行波法测距时装置容易误启动，且单端测距时存在识别反射波 困难，双端测距时存在网络不稳定、对时信号丢失等因素影响，提出了一种阻抗法和行波法 相结合的综合测距方法，既避免了单纯行波法测距中存在的误启动现象，又提高了输电线路 故障测距的可靠性。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种阻抗法和行波法相结合的行波综合测距方法，包括以下步骤：

工频数据采集单元实时采集线路两端的工频电压和工频电流数据，高频数据采集单元实 时采集线路两端的高频电流通道数据，根据实时监测的工频电压和工频电流数据判断是否发 生故障；

工频启动量判断出故障后即刻进行工频电压、工频电流数据录波操作，同时进行高频行 波电流录波操作，录波完成后得到线路两端的对应的工频录波文件以及高频电流录波文件；

通过对记录的工频录波数据进行启动相判断，电压、电流有效值的计算，利用阻抗法分 析分别得到线路两端对应的故障线路号、故障时刻、故障点距线路的双端阻抗测距长度以及 故障点距线路的单端阻抗测距长度；

以阻抗法获得的故障线路号、故障时刻为参考，对记录的与工频录波数据分别对应的高 频行波电流数据进行行波法分析，得到线路一端的双端测距长度和单端测距长度，以及线路 另一端的双端测距长度和单端测距长度；

对利用阻抗法获得的线路两端的测距长度与利用行波法获得的线路两端的测距长度与线 路长度之间的关系给出故障点距线路一端的行波综合测距长度。

进一步的，工频数据采集单元对应的工频采样频率为5KHz、高频数据采集单元对应的高 频采样频率为2MHz；工频判断录波启动的方式包括电压和电流通道越限、突变启动，零序和 负序电流突变、越限启动，零序和负序电压突变、越限启动以及开关量启动。

进一步的，工频录波数据和高频电流录波数据都带有统一标准，为GPS或北斗的绝对时间 戳信息，工频录波文件名称和高频录波文件名称均以启动时的绝对时间作为文件名称。

进一步的，工频录波文件以及高频录波文件其录波长度可配置。

进一步的，故障线路号是根据工频判断出启动录波操作的故障相得到的。

进一步的，故障时刻是对得到的工频录波数据中的电压和电流数据进行突变值检测后得 到的。

进一步的，双端阻抗测距长度是通过对两侧的工频录波数据文件中的电压和电流量列写 微分方程得到的；而单端阻抗测距长度则是通过分别对两侧的工频录波文件中的电压和电流 量进行计算，得到故障发生时线路的阻抗值并与单位长度的线路阻抗相比较得到的。

行波法测距的具体方法为：

A.确立截取时间窗t_m：以提供的故障时刻t_0m为基准，前推Ams、后推Bms，确立t_m∈[t_0m-A， t_0m+B]的绝对时间段作为截取时间窗，其中A和B均为可调整参数，且为正实数；

B.确立首波、反射波绝对时间：对高频录波文件y_m中处于截取时间窗t_m内的高频电流数据 进行相模变换、小波变换，得到小波变换模极大值，并对小波变换得到的模极大值进行幅值 筛选，确定初始行波的首波头到达本端的绝对时间t₁和故障点反射波波头到达本端的绝对时 间t₂；同理对高频录波文件y_n中处于截取时间t_n中的数据进行同样处理，得到该故障产生的初 始行波的首波头到达N端的绝对时间t₃以及故障点反射波波头到达N端的绝对时间t₄。

C.根据绝对时间差计算得到故障点距离M、N端的双端测距长度及故障点距M、N端的单端 行波测距的长度。

进一步的，所述步骤C中，长度的计算具体为：

根据所述绝对时间t₁和t₃的时间差计算得到故障点距离M端的双端测距长度为：

$L_{mdx}=\frac{L_{mn}}{2}+\frac{v}{2}(t_1-t_3);$

其中L_mn为线路MN总长度，v为行波传播的速度；

根据所述绝对时间t₁和t₃的时间差计算得到故障点距离N端的双端测距长度为：

$L_{ndx}=\frac{L_{mn}}{2}+\frac{v}{2}(t_3-t_1)$

根据所述绝对时间t₁和t₂的时间差计算得到故障点距M端的单端行波测距的长度为：

$L_{msx}=\frac{(t_2-t_1)}{2}v$

根据所述绝对时间t₃和t₄的时间差计算得到故障点距N端的单端行波测距的长度为：

Lmn为线路两端m与n之间的距离，v为行波波速。

进一步的，工频录波文件x_m与相对应的高频录波文件y_m之间的映射关系通过如下方式确 立：

首先以工频录波文件时间即x_m为基准，前推设定时间T、后推设定时间T，形成一个绝对时 间扫描区间[x_m-T，x_m+T]；

然后扫描查找位于该区间的所有高频录波文件，如果存在多个高速录波文件，则取与x_m的时间差的绝对值最小的高频录波文件作为y_m。

进一步的，对利用阻抗法获得的线路两端的测距长度与利用行波法获得的线路两端的测 距长度进行综合分析给出故障点距M端的行波综合测距长度，具体步骤如下：

1)如果双端阻抗测距长度、双端行波测距长度均存在，并且测距长度均在线路长度之内 L_mdz∈[0，L_mn]，L_mdx∈[0，L_mn]：

计算双端阻抗测距长度与双端行波测距长度之差的绝对值L_md为：

L_md＝|L_mdz-L_mdx|

如果0≤L_md≤(L_mn×i％)：则行波综合测距长度A_m取行波双端测距长度L_mdx，否则行波综 合测距长度A_m取阻抗双端测距长度L_mdz；i为可调整参数；

2)如果双端阻抗测距长度L_mdz∈[0，L_mn]，双端行波测距长度L_mdx为区外，则行波综合测 距长度A_m取双端阻抗测距长度L_mdz；

3)如果双端行波测距长度L_mdx∈[0，L_mn]，双端阻抗测距长度L_mdz为区外，则行波综合测 距长度A_m取双端行波测距长度L_mdx；

4)如果双端阻抗测距长度L_mdz为区外，双端行波测距长度L_mdx为区外，而单端阻抗测距长 度L_msz满足L_msz∈[0，L_mn]，单端行波测距长度L_msx满足L_msx∈[0，L_mn]，则进行以下判断：

如果L_msz≤(L_mn×j％)，则行波综合测距长度A_m取L_msz，否则行波综合测距长度A_m取L_msx； 其中，j为可调整参数；

5)如果双端阻抗测距长度L_mdz为区外，双端行波测距长度L_mdx为区外，而单端阻抗测距长 度L_msz满足L_msz∈[0，L_mn]，单端行波测距长度L_msx为区外，则行波综合测距长度A_m取单端阻抗 测距长度L_msz；

6)如果双端阻抗测距长度L_mdz为区外，双端行波测距长度L_mdx为区外，而单端行波测距长 度L_msx满足L_msx∈[0，L_mn]，单端阻抗测距长度L_msz为区外，则行波综合测距长度A_m取单端行波 测距长度L_msx；

7)如果双端阻抗测距长度L_mdz为区外，双端行波测距长度L_mdx为区外，单端行波测距长度 L_msx为区外，单端阻抗测距长度L_msz为区外，则行波综合测距长度A_m为区外。

本发明的有益效果：

1、工频采样数据判断录波启动的方式，启动定值量化，能够有效的减少线路的误启动。

2、工频录波数据与高频录波数据对比分析，解决了单纯行波法测距中只能测距不能分析 的问题。

3、各种测距算法相结合保证了测距的可靠性，减少了测距失败的情况。

附图说明

图1综合测距流程图；

图2传输线仿真测试系统示意图；

图3M端工频录波数据波形图；

图4M端高频截取区间t_m波形图；

图5N端工频录波数据波形图；

图6N端高频截取区间t_n波形图；

图7M端双端阻抗测距示意图；

图8N端双端阻抗测距示意图；

图9M端手动单端行波测距示意图；

图10N端手动单端行波测距示意图；

图11M端双端行波测距示意图；

图12N端双端行波测距示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作具体说明：

图1是本发明的具体实施流程图，其具体实施过程如下：

通过监测输电线路的工频电压和工频电流进行录波启动判断。首先当输电线路发生故障 后，工频启动量会触发录波记录软件模块进行工频电压、工频电流数据和高频电流数据的录 波记录操作，得到工频录波文件以及高频录波文件；

然后阻抗法通过对工频录波文件中的电压和电流量进行计算得到阻抗测距长度，行波法 以阻抗法提供的故障线路、故障时刻为参考，对高频录波数据进行录波区间截取操作，之后 进行小波变换、相模变换等处理得到行波法测距长度；

最后通过对阻抗测距长度及行波测距长度的综合分析得到行波综合测距长度。

对于本发明的一种阻抗法和行波法相结合的行波综合测距方法更为详细的描述为：，包 括以下步骤：

步骤1：工频数据采集单元实时采集线路MN两端的工频电压和工频电流数据并判断是否 启动故障录波，高频数据采集单元实时采集线路MN两端的高频电流通道数据；

步骤2：工频启动量判断出故障后即刻启动工频记录软件模块进行工频电压、工频电流 数据录波操作，同时触发高频记录软件模块进行高频行波电流录波操作,录波完成后MN两侧 得到工频录波文件x_m、x_n以及高频电流录波文件y_m、y_n；

步骤3：通过对步骤2中记录的工频录波数据x_m、x_n进行启动相判断，电压、电流有效值 计算，得到M端故障线路号m、M端故障时刻t_0m、故障点距M端的双端阻抗测距结果L_mdz以 及故障点距M端的单端阻抗测距结果L_msz；同理，可以得到N端的故障线路号n、N端故障 时刻t_0n、故障点距N端的双端阻抗测距结果L_ndz以及故障点距N端的单端阻抗测距结果L_nsz；

步骤4：以步骤3中提供的故障线路号、故障时刻为参考，对步骤2中记录的与x_m和x_n分别对应的高频行波电流数据y_m和y_n进行行波法分析，得到M端行波法双端测距结果L_mdx和单端测距结果L_msx，以及N端行波法的双端测距结果L_ndx和单端测距结果L_nsx；

步骤5：对步骤3中M端得到的阻抗法测距结果L_mdz和L_msz与步骤4中得到的M端行波法测距 结果L_mdx和L_msx进行综合分析给出故障点距M端的行波综合测距结果A_m，同理得到故障点距N端 的行波综合测距结果A_n。

更具体的，所述步骤1中的工频采样频率为5KHz、高频采样频率为2MHz；工频判断录波启 动的方式包括电压和电流通道越限、突变启动，零序和负序电流突变、越限启动，零序和负 序电压突变、越限启动以及开关量启动；

所述步骤2中的工频录波数据和高频电流录波数据都带有统一标准(GPS或北斗)的绝对时 间戳信息，工频录波文件名称和高频录波文件名称均以启动时的绝对时间(**年**月**日** 时**分**秒**毫秒**微秒**纳秒)作为文件名称，如文件名为2014-11-05-16-33-48-511-000 的工频录波文件x，表示工频量判断出故障启动时的绝对时间为2014年11月5日16时33分48秒 511毫秒000微秒；同理，文件名为2014-11-05-16-33-48-518-170-000的高频录波文件y，表 示高频启动时的绝对时间为2014年11月5日16时33分48秒518毫秒170微秒000纳秒。

步骤2中的工频录波文件x_m、x_n以及高频录波文件y_m、y_n其录波长度可配置；

步骤3中的故障线路号m和n是根据工频判断出启动录波操作的故障相得到的；

步骤3中的故障时刻(t_0m、t_0n)是对得到的工频录波数据中的电压和电流数据进行突变值检 测后得到的，即如果存在连续的3个采样点，其对应点的有效值参数与前一周期对应时刻有效 值参数相比较，如果其突变量值均超过设定的门槛值时，则将本周期中该3个采样点中首个采 样点的绝对时间作为故障时刻，如果未找到满足上述条件的3个采样点，则将启动工频录波操 作的绝对时间作为故障时刻；

步骤3中的双端阻抗测距结果L_mdz、L_ndz是通过对两侧的工频录波数据文件中的电压和电 流量列写微分方程得到的；而单端阻抗测距结果L_msz、L_nsz则是通过分别对两侧的工频录波文 件中的电压和电流量进行计算，得到故障发生时线路的阻抗值并与单位长度的线路阻抗相比 较得到的；

步骤4中的行波法测距的具体方法(以M端为例)为：

1、确立截取时间窗t_m：以步骤3中提供的故障时刻t_0m为基准，前推Ams、后推Bms，确立 t_m∈[t_0m-A，t_0m+B]的绝对时间段作为截取时间窗，其中A和B均为可调整参数，且为正实数， 默认设置为A＝15,B＝10；

2、确立首波、反射波绝对时间：对高频录波文件y_m中处于截取时间窗t_m内的高频电流数 据进行相模变换、小波变换，得到小波变换模极大值，并对小波变换得到的模极大值进行幅 值筛选，确定初始行波的首波头到达本端的绝对时间t₁和故障点反射波波头到达本端的绝对 时间t₂；同理对高频录波文件y_n中处于截取时间t_n中的数据进行同样处理，得到该故障产生的 初始行波的首波头到达N端的绝对时间t₃以及故障点反射波波头到达N端的绝对时间t₄；

3、根据所述绝对时间t₁和t₃的时间差计算得到故障点距离M端的双端测距结果为：

$L_{mdx}=\frac{L_{mn}}{2}+\frac{v}{2}(t_1-t_3);$

其中L_mn为线路MN总长度，v为行波传播的速度；

4、根据所述绝对时间t₁和t₃的时间差计算得到故障点距离N端的双端测距结果为：

$L_{ndx}=\frac{L_{mn}}{2}+\frac{v}{2}(t_3-t_1)$

5、根据所述绝对时间t₁和t₂的时间差计算得到故障点距M端的单端行波测距的结果为：

$L_{msx}=\frac{(t_2-t_1)}{2}v$

6、根据所述绝对时间t₃和t₄的时间差计算得到故障点距N端的单端行波测距的结果为：

$L_{nsx}=\frac{(t_4-t_3)}{2}v$

所述步骤4中工频录波文件x_m与相对应的高频录波文件y_m之间的映射关系通过如下方式确 立：

首先以工频录波文件时间即x_m为基准，前推20ms、后推20ms，形成一个绝对时间扫描区间 [x_m-20，x_m+20]；

然后扫描查找位于该区间的所有高频录波文件，如果存在多个高速录波文件，则取与x_m的时间差的绝对值最小的高频录波文件作为y_m。

所述步骤5中M端根据阻抗法测距结果L_mdz、L_msz和行波法测距结果L_mdx、L_msx进行综合分 析后得到M端的行波综合测距结果A_m的具体步骤如下：

1.如果双端阻抗测距结果L_mdz、双端行波测距结果L_mdx均存在，并且测距结果均在线路长 度之内L_mdz∈[0，L_mn]，L_mdx∈[0，L_mn]：

计算双端阻抗测距结果与双端行波测距结果之差的绝对值L_md为：

L_md＝|L_mdz-L_mdx|

如果0≤L_md≤(L_mn×i％)：则行波综合测距结果A_m取行波双端测距结果L_mdx，否则行波综 合测距结果A_m取阻抗双端测距结果L_mdz；

注：i为可调整参数，默认i＝2。

2.如果双端阻抗测距结果L_mdz∈[0，L_mn]，双端行波测距结果L_mdx为区外，则行波综合测 距结果A_m取双端阻抗测距结果L_mdz；

3.如果双端行波测距结果L_mdx∈[0，L_mn]，双端阻抗测距结果L_mdz为区外，则行波综合测 距结果A_m取双端行波测距结果L_mdx；

4.如果双端阻抗测距结果L_mdz为区外，双端行波测距结果L_mdx为区外，而单端阻抗测距结 果L_msz满足L_msz∈[0，L_mn]，单端行波测距结果L_msx满足L_msx∈[0，L_mn]，则进行以下判断：

如果L_msz≤(L_mn×j％)，则行波综合测距结果A_m取L_msz，否则行波综合测距结果A_m取L_msx；

注：j为可调整参数，默认j＝10。

5.如果双端阻抗测距结果L_mdz为区外，双端行波测距结果L_mdx为区外，而单端阻抗测距结 果L_msz满足L_msz∈[0，L_mn]，单端行波测距结果L_msx为区外，则行波综合测距结果A_m取单端阻抗 测距结果L_msz；

6.如果双端阻抗测距结果L_mdz为区外，双端行波测距结果L_mdx为区外，而单端行波测距结 果L_msx满足L_msx∈[0，L_mn]，单端阻抗测距结果L_msz为区外，则行波综合测距结果A_m取单端行波 测距结果L_msx；

7.如果双端阻抗测距结果L_mdz为区外，双端行波测距结果L_mdx为区外，单端行波测距结果 L_msx为区外，单端阻抗测距结果L_msz为区外，则行波综合测距结果A_m为区外。

为了更好的说明本发明的方法，进行了仿真操作，具体如下：

图2为仿真测试系统模型示意图。

如图所示输电线路MN，线路长度为41.634km，假设在线路F(距M端29.867km，距N端 11.767km)处发生C相短路接地故障，工频启动量触发录波记录操作，得到工频录波文件和高 频录波文件，之后两侧交换录波数据完成对本次故障数据源的准备工作，其对应波形分别如 图3、图4、图5、图6所示。

以M站为例，如图3所示为M站本侧工频录波数据波形，根据工频启动量判断得到M端故障 线路为M线，根据阻抗法对本侧工频录波数据的分析得到本侧故障线路为时间为2014/09/08 14:46:50:618:199，则行波法以阻抗法提供的该时间为基准，前推15ms、后推10ms得到本侧 截取时间窗t_m的起始时间为2014/09/0814:46:50:603:199，截至时间为2014/09/08 14:46:50:628:199，如图4所示两游标之间即为对应的截取时间窗t_m。同理M端对对侧传送过 来的对侧工频录波数据的启动量进行判断得到N端故障线路为N线，对对侧工频录波数据进行 阻抗法分析得到对侧故障时间为2014/09/0814:46:50:617:997，行波法以阻抗法给的该故障 时间为基准，前推15ms，后推10ms得到对侧高频故障数据的截取时间窗t_n的起始时间为 2014/09/0814:46:50:602:997，截至时间为2014/09/0814:46:50:627:997，如图6所示两游 标之间即为对应的截取时间窗t_n。

如图7为M端双端阻抗测距示意图，由图可知M端双端阻抗测距长度为29.402km，误差为 0.465km；单端阻抗测距长度为30.212km，误差为0.345km。

如图8为N端双端阻抗测距示意图，由图可知N端双端阻抗测距长度为12.232km，误差为 0.465km；单端阻抗测距长度为9.656km，误差为2.111km。

M端在确立了本侧和对侧高频故障数据的截取时间窗t_m和t_n后，行波法以各自的截取时间 窗为范围，分别对本端获取到的两侧高频故障数据进行小波变换、相模变换等处理后得到M 端本侧和对侧故障数据中行波首波头和反射波波头时间，之后计算得到M侧双端行波测距长 度，同理N端也进行类似处理得到N端双端测距长度。

注：在双端行波测距长度存在(不为区外)的情况下，自动算法不进行单端行波测距流程。

如图9所示为M端手动行波单端测距示意图，由图所示得到故障点距M端的单端手动测距长 度为30.1638km/11.4702km，实际故障点位置距M端为29.867km，误差为0.2968km。

如图10所示为N端手动单端行波测距示意图，由图所示得到故障点距N端的单端手动测距 长度为11.1363km/30.4977km，实际故障点位置距N端为11.767km，误差为0.6307km。

如图11所示为M端双端行波测距示意图，由图可知双端行波测距长度为距M端30.1095km， 实际故障点为距M端29.867km，误差为0.2425km。

如图12所示为N端双端行波测距示意图，由图可知双端行波测距长度为距N端11.5245km， 实际故障点为距N端11.767km，误差为0.2425km。

综合以上所述，以M端为例，双端阻抗测距长度L_mdz为29.402km，双端行波测距长度L_mdx为30.1095km，则两者之差绝对值L_md为0.7075km，小于线路全长的2％，则行波综合测距长 度取双端行波测距长度L_mdx的值，即A_m取值为30.1095km，误差为0.2425km；同理N端综合 测距长度An取值为11.5245km，误差为0.2425km。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。