HVDC传输线路中的单端故障定位的方法

摘要

本发明涉及HVDC（高压直流）传输线路中的故障定位的方法，尤其是混合线路中的故障定位的方法，其中，线路的一部分是架空线路，一部分是线缆线路。故障定位基于由传输线路中的故障所感应的估计到达时间，行进波沿着线路从故障点传播至位于传输线路的一端的测量点。

说明书

发明领域

本发明涉及传输线路中的故障定位的方法，尤其是HVDC（高压直流）混合线路中的故障定位的方法，在该混合线路中，线路的一部分是架空线路，并且一部分是线缆线路。故障定位基于由传输线路中的故障所感应的估计到达时间，行进波沿着线路从故障点传播至位于传输线路的一端的测量点。

发明背景

在传输线路中，可以使用用于故障检测和故障定位的不同的方法，以便对故障位置准确地进行定位。例如，传输线路中的最准确的解决方案是，利用行进波原理——自线路两端起的在时域测量中的同步。采取故障定位器的形式的计算机装置对在出现故障的期间感应的行进波进行监测。波在传输线路中从故障位置以接近光速的速度在架空线路中双向地传播。在传输线路的终点，检测到波，并且确定波到达测量点的时间。

从专利申请WO2011127967A1得知存在有用于确定故障波到达输电系统的测量点的时间的方法及设备。该方法对作为均质线路的传输线路中的故障位置的定位有用。对于长的传输混合线路，如架空线路和海底线缆或地下线缆，期望的是，在刚刚出故障之后，确定这样的故障出现于何处。故障位置的距离与两站中的第一故障波到达测量点的时间之间的差成比例，并且与传输线路中的故障波的速度成比例。能够以用于检测故障波到达的时间的同步装置的准确度确定与故障的距离。通常，同步误差接近于200ns。此发明通常是双端方法。

从专利US4766549得知单端传输线路故障定位器。呈现了用于在传输线路中对故障进行定位的系统。用于在高压直流（HVDC）传输线路中对故障进行定位的系统仅使用从传输线路的一端取得的测量。系统包括用于由位于传输线路中的故障所生成的瞬变、即行进波进行检测的部件和用于通过进行极性检测而将瞬变分类为由于故障而产生的瞬变和从传输线路的一端反射的瞬变的部件。此外，系统包括用于确定瞬变到达传输线路的一端的时间的部件和用于计算这些瞬变的到达时间之间的差、以便确定故障的位置的部件。这样的系统在均质类型的传输线路–纯架空线路或纯线缆线路中运行，但在传输线路由两个或更多个不同的段，架空段和线缆段构成时，发生一些故障，其中，每个段具有不同的浪涌阻抗和不同的波传播速度，这导致这样的两个段的结点处的另外的波反射。本发明提供优先于上文所讨论的单端技术的改进。

利用本发明来创建行进波方案，以便使用比利点阵图(Bewleylatticediagram)来计算理论故障点的行进波脉冲和这些脉冲到达测量点的理论时间，例如从CRC出版社在2001年出版的第4版第3章的由PhilipC.Magnusson、GeraldC.Alexander、VijaiK.Tripathi、AndreasWeisshaar创作的文献“传输线路和波传播”得知该行进波方案。

发明内容

本发明的要素由如下的步骤组成：

·创建参考数据库，该参考数据库包括在由用户针对已知的线路参数而建立的已知的理论距离X1的理论故障点生成的至少第一、第二和第三理论行进波脉冲P1'、P2'、P3'的理论时间方案，并且在测量点（S1）计算这些脉冲到达时间T1'、T2'、T3'，

·通过在故障线路的一端测量行进波脉冲P1、P2、P3，从而检测线路的未知的距离的未知的实际点的故障脉冲的存在，并且在计算机装置中，针对故障线路的未知的距离而计算行进脉冲P1、P2、P3的第一到达时间T1、第二到达时间T2和第三到达时间T3，其中，在第一脉冲P1的幅值具有比由用户赋予的阈值Th更大的值时，T1等于0，并且创建在故障点生成的脉冲P1、P2、P3的实际时间方案，

·将在故障点生成的脉冲P1、P2、P3的实际时间方案与在已知的理论故障点生成的脉冲P1'、P2'、P3'的理论时间方案比较，并且通过极性检查而将未知的点的实际时间方案与所有的理论时间方案匹配，

·指示已知的距离的理论时间方案，该理论时间方案是与未知的距离的实际时间方案最佳地匹配的时间方案，

·将未知的距离指示为等于已知的距离的值，该值确定故障点的位置。

优选地，在理论故障点生成的第一、第二和第三理论行进波脉冲P1'、P2'、P3'的理论时间方案基于这些脉冲的比利点阵图，并且取得针对由用户赋予的理论已知的距离而计算的理论到达时间T1'、T2'、T3'，以便创建理论时间方案。

优选地，将未知的故障点的实际时间方案与理论时间方案匹配的过程基于第二行进波脉冲P2和P2'的实际到达时间T2与理论到达时间T2'之间的时间差?T2_k和第三行进波脉冲P3和P3'的实际到达时间T3与理论到达时间T3'之间的时间差?T3_k的计算。

优选地，计算时间差?T2_k和?T3_k的绝对值的和，以便选择和∑(k)的最小值。

优选地，通过选择时间差的绝对和的最小值而确定故障点的未知的距离X。

优选地，在确定故障点的未知的距离之后，针对故障线路而触发警报，并且故障定位的准确值是已知的。

本发明的优点是优先于现有技术的改进，并且允许提高传输线路，尤其是包括具有不同的浪涌阻抗的许多不同的段的线路中的故障定位的准确度。由于应用仅一端的测量，因而本发明允许不使用如两个终端之间的通信信道或GPS（全球定位系统）之类的装置就进行故障定位。

具体实施方式

在附图上的示范性的实施例中呈现本发明的方法，在附图中：

图1描绘运行所呈现的发明的传输系统；

图2描绘实现本发明的方法的一组步骤；

图3描绘在放置于传输线路的架空部分中的故障点传播的理论行进波的到达时间的比利点阵图；

图4描绘在放置于传输线路的线缆部分中的故障点传播的理论行进波的到达时间的比利点阵图；

图5描绘由于已知的位置X1处的故障而生成的脉冲和这些脉冲到达测量装置的时间的理论时间方案；

图6描绘在实际故障位置X生成的脉冲和这些脉冲到达测量装置的时间的实际时间方案；

图7描绘从图5和图6得到的时间方案的比较的示例。

如图1中所示，系统包括HVDC传输线路1，HVDC传输线路1具有架空线路区段OHL和线缆线路区段CBL。这两类线路之间的联接点指示为J。传输线路1的全长指示为TL。线路1具有带有测量点S1的终端A和带有测量点S2的终端B。在点S1与点S2之间，通过故障电阻RF的故障的位置显示为点S3，点S3能够放置于线路区段OHL或CBL中的任何位置。在终端A中，故障定位器2放置成具有与测量点S1的电连接。故障定位器是装备有例如处理器、RAM、ROM、电源等的标准部件，未在附图上呈现的用于测量并处理线路1的可变参数的部件以及采取检测模块3的形式的用于检测故障的部件的计算机装置。检测模块3与运行模块4连接，运行模块4用于生成从模块3接收的与行进波从故障点S3出发的到达时间有关的数据的专用时间方案并存储该专用时间方案。故障定位器2还装备有基于数据的创建模块5，在该创建模块5中，基于传输线路1的已知的常数和可变数据，并且基于故障放置于已知的理论距离处这一事实，自动地创建参考数据库，这些数据收集于专用表中，稍后将解释专用表。数据库创建模块5适合于从终端A的用户接收永久数据并通过连接件6而从点S3接收可变数据。运行模块4和基于数据的创建模块5这两个模块都将其输出端与故障定位模块7的输入端连接，故障定位模块7用于通过将存储于模块4中的实际数据与在模块5中计算出并存储的理论数据比较而确定故障定位。模块7的输出端与用于呈现传输线路中的故障定位的结果的装置8或用于在需要时触发警报的采取已知的在这样的情形下使用的装置（显示器、电话、警示灯或警告音等）的形式的装置连接。故障定位器2放置于终端A中，但故障定位器2能够位于终端B中，在这样的情形下，测量点是S2，而不是点S1。该方法涉及HVDC线路的仅单端的故障定位。

根据本发明的方法包括以下的步骤。

步骤1A

在步骤1A中，在故障定位器2的模块5中，将专用参考数据库创建为已知的理论距离X1中的故障定位的时间方案。假设在理论故障点S3'创建理论行进波脉冲P1'、P2'、P3'，考虑波脉冲（图5）的极性（+或-），针对已知的故障距离X1而计算这些脉冲到达测量点S1的理论到达时间T1'、T2'、T3'。故障X1的已知的距离作为具有全长TL的HVDC线路的等间隔而由用户赋予。传输线路1被划分为许多等间隔k=1……n-1，在距离X1上具有初始点S1和许多可变的理论故障点S3'，距离X1以米呈现：例如100m、200m、300m、5000m、……59900m等。在故障定位器2的处理器中实现的计算机程序针对k（1）、k（2）……k（n-1）而创建表1，其中，k是已知的间隔的序数，并且指示已知的距离X1上的线路中的理论故障点，n是自然数。为了创建表1，具有已知的距离X1，使用架空线路区段中的故障和线缆线路区段中的故障的比利点阵图（图3和图4），创建理论时间方案（图3和图4的左侧）。每个已知的距离X1的所有的理论k时间方案收集于示范性的表1中。

表1

为了更清楚地理解表1的创建，在下文中呈现了表1的k时间方案的计算的示例，对于架空线路区段OHL中的故障，k=499，并且对于线缆线路区段CBL中的故障，k=800。联接点J是架空线路区段OHL的终点或线缆线路区段CBL的起始点。该示例基于HVDC线路的一端处的所测量到的电流信号。在终端A或B中，线路1的参数是已知的。

对于架空线路区段OHL，以下的参数是已知的：

浪涌阻抗ZL=400Ω

行进波的传播速度VL=300000[km/s]

架空线路区段的全长OHL=30km

对于线缆线路区段CBL，以下的参数是已知的：

线缆线路的浪涌阻抗：ZC=50Ω

行进波的传播速度：VC=150000[km/s]

线缆线路的全长CBL=30km

使用比利点阵图来计算理论故障点S3'的行进波脉冲P1'、P2'、P3'和这些脉冲到达测量点S1的理论到达时间T1'、T2'、T3'，在图3和图4上对此进行解释。

根据图3中所呈现的附图，电流信号的向后行进波TWN具有负极性。相反，向前行进波TWM具有正极性。在接近于结J的点S3在线路OHL中引发故障之后，波TWN和波TWM两者都沿着线路沿不同的方向以速度VL传播。到达在测量点S1处的终端A的波TWN具有根据方程T1'=X1/VL而计算的到达时间T1'并且脉冲P1'具有负极性。然后，波TWN作为TWN'而反射回，并且其传播至故障点S3。与TWN的传播互助，向前行进波TWM到达结点J，并且具有时间TJ，根据方程TJ=（OHL-X1）/VL而计算时间TJ。它具有正极性。然后，波TWM的第一部分通过点J而传输，并且成为TWM''，仍然具有正极性，并且在等于TC=CBL/VC的时间TC之后，行进至S2。波TWM的第二部分从点J反射，并且成为TWM'，并且在等于TJ的时间之后，行进至故障位置S3，并且极性从正变成负，因为，反射系数等于（ZC-ZL）/（ZL+ZC）且为负。在波TWM'到达S3时，然后，波TWM'的一部分通过S3'而传输，并且成为具有负极性的TW2，并且在等于T2'=2*TJ的时间T2'之后，行进至S1。波TWM'的第二部分从点S3'反射，并且成为波TWM'''，并且在时间TJ之后，再次到达点J。波TWM'''再次从点J反射，并且成为TWM''''，并且在等于TJ的时间之后，行进至故障位置S3。在波TWM''''到达S3时，然后，波TWM''''的一部分通过故障点S3而传输，并且成为波TW3，在等于T3'=2*TJ的时间T3'，波TW3行进至S1。例如，在表1中针对k=297而描述该情形，k=297与已知的故障位置X1=29700m（表1）有关。由于第二波P2'在第一波P1'之后以等于2*TJ=2*1μs的延时行进，因而T2'的值等于2μs。由于第三波P3'在第一波P1'之后以等于4*TJ=4*1μs的延时行进，因而T3'的值是4μs。

根据在图4中呈现的附图，电流信号的向后行进波TWN具有负极性。相反，向前行进波TWM具有正极性。在在S3'引发故障之后，波TWN和波TWM两者都沿着线路沿不同的方向以速度VC传播。波TWN在根据方程TJ1=（X1-OHL）/VC而计算的时间TJ1之后到达J点，并且具有负极性。然后，波TWN的第一部分作为波TWN'而反射回，其具有负极性，因为，反射系数等于（ZL-ZC）/（ZL+ZC），并且其传播至故障点S3，在时间TJ1之后，再次到达故障点S3。波TWN的第二部分通过点J而传输，并且成为波TW1，并且在线路OHL中以时间TL1=OHL/VL从点J行进至终端A。在根据方程T1'=TJ1+TL1而计算的到达时间T1'，TW1作为脉冲P1'而到达点S1，具有与波TWN相同的极性。与波TWN的传播互助，向前行进波TWM行进至终端B，以等于TC1=（OHL+CBL-X1）/VC的到达时间TC1到达点S2，并且具有正极性。然后，波TWM从点S2反射，并且成为波TWM'，波TWM'具有正极性，并且行进至S3，其在时间TC1之后，到达S3。接下来，波TWM'的一部分通过S3而传输，并且成为TWM''，并且在等于TJ1的时间之后，从点S3行进至点J。在波TWM''到达点J时，然后，波TWM''的一部分通过点J而传输，并且成为具有正极性P2'的波TW2，其以时间TJ1从点J行进至S1，并且在时间T1'之后，在等于T2'=2*TC1的时间T2'，到达S1。

在波TW1从点J行进至点S1时，波TWN'的第二部分从点J反射，并且成为波TWN'，并且在时间TJ1之后，再次到达点S3。然后，波TWN'的一部分从点S3反射，并且成为TWN''，TWN''具有负极性，以时间TJ1行进至点J。在波TWN''到达点J时，然后，波TWN'''的一部分通过点J而传输，并且成为波TW3，波TW3仍然具有负极性，并且以时间TL1从点J行进至终端A，并且在时间T1'之后，在等于T3'=2*TJ1的时间T3'，到达点S1。例如，在表1中针对k=500而描述该情形，k=500与已知的故障位置X1=50000m（表1））有关。由于第二波P2'在第一波之后以等于2*TC1=2*66,66μs的时间延时到达点S1，因而T2'的值等于133,33μs。由于第三波P3'在第一波P1'之后以等于2*TJ1=2*133,33μs的时间延时行进，因而T3'的值是266,66μs。

步骤1B

在步骤1B中，首先，在点S1使用传输线路1的HVDC电流信号来以已知的方式检测故障。接下来，确定行进波脉冲P1、P2、P3的极性和这些脉冲到达点S1（图6）的到达时间T1、T2、T3。脉冲P1、P2、P3与线路1上的未知的点，例如点S3的故障有关。在脉冲P1的所测量到的幅值的值比阈值Th更大时，寄存脉冲P1的初始到达时间T1，阈值Th取决于线路的全长，并且由用户赋予。T1是接下来的脉冲P2、P3的起始点。然后，寄存接下来的脉冲P2、P3，并且在检测模块3中计算并存储这些脉冲的第二到达时间T2和第三到达时间T3。基于上文中所呈现的数据，创建针对未知的距离X的T2、T3的时间方案（图6）。从时间方案显而易见，P1和P3具有负极性，并且P2具有正极性。

步骤2

在此步骤中，将在步骤1B中针对距离X上的未知的故障点而创建的时间方案与收集于表1中的所有的理论时间方案比较。启动使实际时间方案与理论时间方案匹配的过程。在第一步骤中，由于第一脉冲P1始终具有负极性，因而检查第二脉冲P2和第三脉冲P3的极性。如果未知的X的时间方案的P2和P3的极性与来自在步骤1A中创建的数据库的时间方案的P2'和P3'的极性匹配（图5和图6），则从表1取得这种情况下的到达时间T2'、T3'，以便与来自在步骤1B中创建的未知的故障位置的时间方案的脉冲P2和P3的实际到达时间T2、T3一起计算。在表1中，对于k等于500，出现上述的情况，这意味着位于CBL区段中的故障。

接下来，根据如下的公式而计算时间差?T2_k=T2-T2'和?T3_k=T3-T3'（图7）：

?T2_k=T₂-T_2’（1）

和

?T3_k=T₃-T_3’（2）

并且，接下来，根据如下的公式，针对第二行进波脉冲和第三行进波脉冲而计算时间差?T2和?T3的绝对值的和∑(k)：

∑(k)=|?T2_k|+|?T3_k|（3）

此后，将和∑(k)的结果存储于模块7中，并且再次针对来自表1的接下来的k而启动比较的过程，并且计算直到k等于n-1为止。对于与未知的X1的时间方案匹配的来自数据库的所有的时间方案，计算并存储和∑(k)。然后，以已知的方式选择所存储的和∑(k)的最小值。然后，指示具有∑(k)的最小值的唯一的相关数k。

步骤3

在步骤4中，利用在步骤1A中创建并在步骤2中针对所指示的k而选择的一个时间方案而确定已知的故障定位距离X1。在步骤2中指示的k与存储于表1中的X1的相关值有关。

步骤4

根据和∑(k)的最小值的最佳匹配时间方案而确定未知的故障定位距离X，并且未知的距离X等于值X1，该值指示未知的故障定位并触发警报。