一种基于故障录波数据的站间时差分析方法

摘要

一种基于故障录波数据的站间时差分析方法，包括了利用频域分析方法确定录波内故障相对时间点、采用动态时间归整方法搜索故障特征匹配的故障录波对、生成站间时间偏移表等步骤。本发明的方法不依赖于线路参数和电力系统架构，基于现有故障信息系统的历史录波数据，即可对厂站间的时间进行精确同步，实现方法简单易操作且准确性较高，具有较强的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于自动化领域，具体属于应用于故障信息系统中的一种站间时差分析方案。

背景技术

虽然当前很多厂站均装有统一授时系统，但可靠性较差，同时往往比较严重的故障会造成通信链路中断，从而造成其时钟常常出错，多个厂站录波器实现精确对时在目前还无法完全保证。在进行故障分析时，对于简单故障，工作人员可以通过分析主站的多个厂站故障波形，根据特征电气量的变化和保护断路器动作情况进行人工关联。但对于一些在短时间内发生的多次复杂故障，每个厂站在短时间内可能记录多次录波数据，没有准确时钟很难判断多个录波数据的关联性。为准确分析故障，很多时候需要多个录波器采集的录波数据根据每次故障进行数据的人工同步，不仅费时也无法应用到生产一线。

当前主要的对时方式有以下几种：

(1)脉冲对时方式硬对时。脉冲对时方式的优点是可以获得较高的同步精度可达毫微秒级，对时接收电路比较简单。但是脉冲对时的不足之处是从设备必须预先设置正确的时间基准，当主时钟和从时钟相差太大时，这种对时方式将无法校正分钟以上的误差，而且额外配置专门的脉冲对时装置。

(2)串行口对时方式。串口对时方式是对时从设备如微机故障录波及监控设备等通过串行口接收时钟信息，来校正其自身的时钟。串行口对时方式可分为一用于近距离和一用于远距离两种。串行口对时中，由于串口接收一帧数据的时间较长，这种方式对时的精度较低只能达到秒级的精度。

(3)B码方式。B码对时方式融合了脉冲对时和串口对时的优点，具有较高的对时精度(可达几十微秒至几毫秒)，其突出优点是将时间同步信号和秒、分、时、天等时间码信息加载到频率为1kHz的信号载体中。B码方式的缺点是B码的产生和接收电路都较为复杂，尤其是其中的AC码电路，实现更为复杂。

(4)网络对时。网络对时方式是在服务器处配置外部时钟源，该装置通过串口将时钟源的时钟信号接入服务器，由服务器通过网络采用广播方式发出对时命令，对其下的各个工作站进行对时。目前，网络时间协议NTP和简单网络时间协议SNTP是使用最普遍的国际互联网时间传输协议。网络对时的缺点是需要有可信赖的网络及稳定的传输时延，通信网络不稳定导致时延变化时，对时的精度将会收到影响，网络对时一般采用的主从模式依赖于主服务器的时钟，当从节点与主节点之间的链路中断后，从节点的时间将无法进行同步。

发明内容

针对当前对时方法的存在着扩展性差、对时精度不够、对时系统复杂等问题，本发明提出了一种基于故障录波数据的站间时差分析方法，利用故障信息系统中的历史录波数据进行时差的精确分析。

本发明具体采用以下技术方案。

一种基于故障录波数据的站间时差分析方法，其特征在于，所述站间时差分析方法包括以下步骤：

步骤1：择两厂站之间有物理线路连接的故障录波数据，并提取该物理线路两端的录波数据即各相原始电流时间序列数据，分别放入对应该线路两端的两个故障录波集中；

步骤2：确定线路两端录波数据中各个相别故障起始时刻及该起始时刻对应的电流时序数据的下标，其中所述下标用于表示故障录波数据对应的序号；

步骤3：采用动态时间归整方法搜索故障特征匹配的故障录波对；

步骤4：计算有物理线路连接的两厂站故障录波数据之间的时间差，并生成主站所对应的所有厂站之间整体时间偏移表。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤1中，监控管理中心主站对各个厂站的录波数据集进行遍历，选择两厂站之间有物理线路连接的录波数据，将所述物理线路两端厂站上送的录波数据分别放入对应该线路两端的两个故障录波集中。

步骤2具体包括以下内容：

2.1计算线路两端的原始电流时间序列数据的频域特征数据；

2.2根据频域特征数据判定故障相，并标识该相故障录波数据的相对起始时刻；

2.3根据2.2录波内故障相对起始时刻，计算原始电流时间序列数据对应的下标记为FaultIndex；如果2.2没有判断出故障相，则令原始电流时间序列数据的下标FaultIndex为无效值。

在步骤2.2中，如果当前时间点的频率特征数据满足以下三个条件其中的一个，则判定当前时间点n为录波内故障相对起始时刻：

(1)频率特征数据中最大值的频率F_n不在工频的门限范围内[工频-Thr1，工频+Thr1]，Thr1＝5；

(2)频率特征数据最大幅值小于幅值门限值Thr2，Thr2＝10^-6，即0.000001；

(3)当前时刻频率特征数据最大幅值,较之前幅值平均值的变化率大于变化率门限值Thr3；Thr3为变化率门槛值，设定为0.05。

在步骤3具体包括以下内容：

3.1筛选故障相别相同的录波数据作为备选录波对，分别放入线路的待匹配的两端录波集合对中；

3.2搜索两端录波集合对中表征同一次故障的录波数据对。

在步骤4中，根据步骤3搜索到的匹配的故障录波对，计算故障录波对中两录波的本地记录时间，以及各自录波数据内的故障起始时刻，进而得到两个厂站之间的时间编译，最终得到主站下属的厂站之间的时间偏移表；主站处理故障数据时，可以根据此表进行时间对齐和关联。

本发明具有以下有益效果：

本专利的方法不依赖于线路参数和电力系统架构，基于现有故障信息系统的历史录波数据，即可对厂站间的时间进行精确同步，实现方法简单易操作且准确性较高，具有较强的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的基于故障录波数据的站间时差分析原理图；

图2是本发明公开的基于故障录波数据的站间时差分析方法流程示意图；

图3是确定录波数据中各个相别故障相对起始时刻的流程示意图；

图4是采用动态时间归整方法搜索故障特征匹配的故障录波对的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提出一种基于故障录波数据的站间时差分析方法，基于厂站间历史故障录波数据对厂站间的时间差进行计算，该方法的可行性基于以下分析：

在电力网络中，厂站之间的平均距离在百公里量级，电信号在输电线路中传播速度速度在290千米/s之间，因此当发生输电线路故障时，在真实时间坐标系中，线路两端录波器收到故障波形的时间差在微秒以下。因此只要找到故障引起线路两端的故障录波(该录波附加本地绝对时间)，就可以确定站间的时差。

不同原因如山火、雷电、异物、鸟害引起的故障录波中的电流信号特征细节是不同的，即使是同种类型的故障，电流信号特征也是有差别的，因此可以通过分析电流特征从海量的录波集中找到同一次故障的两端录波对。

典型的线路故障引起线路两端厂站的故障数据生成过程如图1所示。在线路上产生故障后，故障信号沿线路TL_a、TL_b向两端厂站A、B站进行传播，故障信号从故障点达到各自的站内录波器Tr_a、Tr_b以后，录波器根据设定的逻辑条件进行录波。录波器持续不断的对电气量包括电压电流进行采集缓存，但是并不形成录波文件，当故障发生时，录波器会将故障时刻前一段时间数据也进行存储。不同的录波器对故障录波的反应时间不同，导致故障点距离开始时间是不同的。通过录波内故障点相对时间的定位，可以完成线路两端录波的精确对时。

本发明公开的基于故障录波数据的站间时差分析方法如附图2所示，电力系统故障信息管理系统具有层次化的系统体系，其结构包括监控管理中心主站系统和置于变电站内的厂站系统，主站与厂站之间是一对多的关系，通过输电线路与厂站的连接，构成电力传输网络。厂站系统完成本变电站的故障数据的采集、预处理、自检等工作，将数据上送到主站。主站进行综合数据的处理和故障分析。所述站间时差分析方法包括以下步骤：

步骤1：选择两厂站之间有物理线路连接的故障录波数据，并提取该物理线路两端的各相原始电流时间序列数据；对于监控管理中心主站对各个厂站的录波数据集进行遍历，根据录波通道配置，选择两厂站之间有物理线路连接的录波数据，假设线路为L，监控管理中心主站将线路L两端厂站上送的录波数据分别放入WaveSet_L_A，WaveSet_L_B两个数据集中，其中，WaveSet_L_A，WaveSet_L_B表示线路L两端的A厂站和B厂站的故障录波数据集合。

对两个集合中的录波数据进行独立处理，分别提取该线路两端录波数据中的各相原始电流时间序列数据：I_Aa,I_Ab,I_Ac和I_Ba,I_Bb,I_Bc；其中，I_Aa,I_Ab,I_Ac表示线路一端(A端)的A、B、C三相电流时间序列数据，I_Ba,I_Bb,I_Bc表示线路另一端(B端)的A、B、C三相电流时间序列数据。

步骤2：确定录波中各个相别故障相对起始时刻及下标；如附图3所示，步骤2包括以下内容：

2.1计算线路两端的原始电流时间序列数据的频域特征数据，

对原始电流时间序列数据进行加窗傅里叶变换：

P＝STFT(S,nfft,w,h,fs)

S为原始电流信号为I_a，I_b，I_c其中之一。需独立、分别的对I_a，I_b，I_c进行加窗傅里叶变换，S的数据点数为T，采样率为fs，nfft为傅立叶变换长度，w为选择窗口包含的数据点个数，h窗口与窗口之间的数据点重叠个数，fs为录波原始采样率；

对S进行加窗傅里叶变换后的输出P为对原始信号分解后的矩阵，有N行M列，其中，N＝(T-w)/h，为窗口数；M＝nfft/2，为频率段数；

由P得到每个时间窗上的频谱最大幅值和对应的频率；

第n个时间窗上的最大幅值为：

MaxP_n＝{max(P_n,m)|m＝1..M}，n为第n个时间窗，n＝1..N，P为N*M的矩阵，为信号S加窗傅立叶变换后所得的矩阵。MAXP为1*N的一个数组。

对应的频率为：

F_n＝{Freq(m)|max(P_n,m),m＝1..M}，

其中n＝1..N，其中Freq(m)＝m/M*fs；

2.2判定录波内故障相对起始时刻；从令n＝1…N遍历数组MaxP_n、F_n中的每个值，如果当前时间点的频率特征数据满足以下三个条件其中的一个，则判定当前时间点n为录波内故障相对起始时刻：

(1)如果最大幅值MaxF_n所对应的频率F_n不在工频的门限范围内[工频-Thr1，工频+Thr1]，Thr1＝5；

(2)最大幅值MaxF_n小于幅值门限值Thr2，Thr2＝10^-6，即0.000001；

(3)当前时刻最大幅值,较之前幅值平均值的变化率大于变化率门限值Thr3，即

abs指的是取绝对值，mean指的是求平均值,MaxP、N同步骤2.1中的定义，Thr3为变化率门槛值设定为0.05。

2.3根据步骤2.2得到的录波内故障相对起始时刻，计算其对应的下标记为FaultIndex，具体到三个通道，下标记为FaultIndex_A、FaultIndex_B、FaultIndex_C；如果该相别没有满足三个规则的数据，则令FaultIndex为无效值。步骤3：采用动态时间归整方法搜索故障特征匹配的故障录波对。如附图4所示，步骤3包括以下内容：

3.1筛选符合条件的数据；

根据步骤2的计算结果，确定录波数据所对应的故障线路相别，筛选故障相别相同的录波数据作为备选录波对，分别放入线路L的两端录波集合对中：

＜MatchSet_L_A,MatchSet_L_B＞；

3.2搜索线路L的两端录波集合MatchSet_L_A、MatchSet_L_B中表征同一次故障的录波数据对；

(1)分别从MatchSet_L_A、MatchSet_L_B中取出一个录波文件，Wa和Wb；

(2)选择Wa、Wb中的故障相电流录波数据经过步骤2.1的处理分别得到Wa、Wb对应的P，分别记作PA和PB，维度分别为[Na，Ma]和[Nb，Mb]，N1、N2分别为两者的窗口数；如果的采样频率不一致，即M，则截取较低频率的数据；

(3)将PA，PB视作长度分别为N1、N2，元素为[1*M]向量的序列，M为频率段数，那么计算序列PA和PB的相似度矩阵为：

其中d(PA_i,PB_j)＝PA_i·PB_j/|PA_i|×|PB_i|，i，j为矩阵SimM的横纵坐标。

采用DTW(Dynamic Time Warping，动态时间规整)算法，求相似度矩阵SimM从左上到右下的累积最短距离AccD(N1，N2)。对AccD的定义如下:

AccD(i,j)＝SimM(i,j)+min{AccD(i,j-1),AccD(i-1,j),AccD(i-1,j-1)}

其中i，j分别为SimM的行下标和列下标，1<＝i<＝N1，1<＝j<＝N2。AccD(N1，N2)对应的最短路径为：

W＝w₁,w₂,....,w_k,...w_K

其中max(N1，N2)<＝K<N1+N2，w_K的值为矩阵横纵坐标对<N1,N2>，w_K-1的值为AccD(N1,N2-1),AccD(N1-1,N2),AccD(N1-1,N2-1)三个元素中最小的元素的下标(比如，假设AccD(N1,N2-1)是三个中最小元素，则w_K-1＝＜N1,N2-1＞)，以此类推，可以往前求得到w₁的值。

根据步骤2求的录波内故障相对时间点方法，分别得到PA和PB的故障点FaultIndexA和FaultIndexB，检测以下三个条件是否同时满足：

1)<FaultIndexA，FaultIndexB>是否在最短路径W中

2)其后长度为Thr3的路径在W中，设定Thr3＝10，即<FaultIndexA+1，FaultIndexB+1>，…，<FaultIndexA+Thr3，FaultIndexB+Thr3>属于W序列。

3)两个序列的最小距离AccD(N1，N2)/K>Thr4，Thr4＝99％；

如果三个条件都满足，则PA、PB对应的录波Wa和Wb为匹配成功录波对。

步骤4：计算有物理线路连接的两子站故障录波数据之间的时间差，并生成整体时间偏移表；

假设录波Wa的本地记录时间是t_a，Wb的本地记录录波时间为t_b。录波内的故障时刻偏移为tf_a＝FaultIndexA/fs，tf_b＝FaultIndexB/fs，站A与站B的时间差为：

Δt_a，b＝(t_a+tf_a)-(t_b+tf_b)

根据之前的计算，可以得到站与站之间的时间偏移表，如表1所示。主站处理数据时，可以根据此表进行数据的时间对齐和关联。另外，如果表中有gps对时的子站，则以此站为基准，其他在表中跟其有直接关系和间接关系的，都可以按照时间偏移表进行时间调整和对齐，生成本地精确时间。

表1.时间偏移表

线路名站名站名时间差L1A站B站Δτ_a，bL2A站C站Δτ_a，c。。。。。。。。。。。。