一种多端架空配电线路非接触式电流行波故障定位方法与流程

本发明涉及配电网，具体涉及一种基于非接触式磁场感知与动态形态学分析的架空配电线路故障定位方法，尤其适用于具有多端供电、多级分支结构的复杂配电网。

背景技术：

1、配电线路作为电力系统连接用户的“最后一公里”，其运行的可靠性直接关系到供电质量。随着新型电力系统的推进，现代配电网结构日益复杂，多端供电、闭环运行、多级分支的接线方式越来越普遍。一旦线路发生永久性故障，如果不能快速、准确地定位故障点，将导致大面积长时间停电，造成严重的经济损失。

2、目前，现有的配电线路故障定位技术主要存在以下几类缺陷：

3、1、接触式行波检测技术：行波法本身具备定位精度高、不受故障类型干扰的优势，但该类方案必须在高压回路中串联或并联电容分压器、罗氏线圈等采集设备。此类装置施工时必须断电，现场作业难度大，设备采购与后期运维成本居高不下，无法在节点数量庞大、拓扑繁杂的配电网中大规模落地。

4、2、传统非接触探测方案：行业内曾尝试采用霍尔元件、磁通门器件开展磁场非接触测量，但这类元器件普遍存在检测灵敏度偏低、有效工作频带狭窄的问题，难以捕捉故障产生的微弱高频行波信号。同时，现有面向多端电网的故障判定逻辑设计简单，未搭建系统化分层识别体系，无法区分故障位于主干线、分支线或母线节点，最终定位结果模糊，无法满足运维需求。

5、3、阻抗式故障定位方法：该方案依靠线路阻抗测算故障距离，计算结果高度依赖线路参数的准确性。户外线路易受地形、邻近线路互感、电缆接头等因素影响，在高阻抗接地故障场景下，定位误差会大幅增加，严重时直接失效。

6、综上所述，研发一种部署简便、抗干扰能力突出、且可适配多端复杂拓扑的智能故障定位方法，是当前电力系统亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种多端架空配电线路非接触式电流行波故障定位方法，旨在解决现有的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多端架空配电线路非接触式电流行波故障定位方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：在各终端节点部署隧道磁阻传感器，以所述隧道磁阻传感器的敏感轴垂直于线路走向的安装姿态，非接触式采集故障初始电流行波产生的空间交变磁通密度信号，并对各终端进行时钟同步；

4、步骤s2：以传感器敏感中心为原点建立三维空间坐标系，依据毕奥-萨伐尔定律，将三相电流行波分别视为独立的磁场源，采用矢量叠加法计算各相电流在传感器位置处产生的磁通密度矢量，叠加后获得合成磁通密度矢量，再将该矢量分别投影至传感器坐标系的x轴和y轴方向，得到合成磁通密度的分量；利用旋转校准矩阵对所述合成磁通密度进行姿态误差补偿，得到校正后的磁通密度分量；

5、步骤s3：采用动态结构元素形态学滤波算法处理所述校正后的磁通密度信号，所述动态结构元素滤波器的结构元素长度根据信号局部方差特征自适应调整；利用形态学膨胀与腐蚀运算提取行波包络特征，通过计算膨胀信号与腐蚀信号之间的互相关函数，根据互相关峰值对应的时延方向识别入射波与反射波，并将入射行波的突变点时刻识别为波头到达时刻；

6、步骤s4：以各终端与相邻母线节点之间的线路区段为基本单元，预先标定各终端在单位幅值行波信号注入时的基准磁通密度值；系统发生故障后，获取各终端测得的故障初始行波磁通密度幅值，以各终端故障幅值与对应基准值的比值为元素构建故障影响度矩阵

a；

7、步骤s5：将所述故障影响度矩阵

a中的每个元素施加符号判决函数，所述符号判决函数为以数值1为基准点设置容差区间，将各元素映射为“+1”、“0”、“-1”三种编码状态，形成故障方位编码矩阵

c；

8、步骤s6：基于所述故障方位编码矩阵

c，按行统计非对角元素中“-1”与“+1”的占比，通过检测行编码与列编码之间的互补对称关系，按照分层逻辑进行故障区段判别，所述分层逻辑包括分支故障判别、母线节点故障判别和节点间故障判别；

9、步骤s7：确定故障区段后，选取位于故障区段两端或靠近故障点的两个终端作为测距端，提取两个测距端各自检测到的初始行波到达时刻，结合两测距端之间的线路长度及行波传播速度，采用双端行波测距公式计算故障点位置。

10、进一步地，所述步骤s1中，所述隧道磁阻传感器安装于横担下方或杆塔主材侧壁，安装高度距离三相导线所在平面不小于0.5m且不大于2.0m；系统采用不低于4mhz的采样率进行实时数据采集，并通过授时模块实现各终端采集过程的时钟同步，所述授时模块采用北斗卫星导航系统或gps全球定位系统接收单元，各终端通过接收卫星授时信号实现秒脉冲同步，同步精度优于1μs。

11、进一步地，所述步骤s2中，依据毕奥-萨伐尔定律，三相电流行波在传感器位置处产生的磁通密度矢量可表示为：

12、

13、其中，

ik为各相电流瞬时值，

dk为传感器到各相导线的空间直线距离，

edk为传感器各相导线的单位方向矢量；将该矢量分别投影至传感器坐标系的x轴和y轴方向，得到合成磁通密度的分量表达式：

14、；

15、；

16、其中，

μ0为真空磁导率，、、分别为a、b、c三相电流行波瞬时值，、、分别为传感器到a、b、c三相导线的空间直线距离，

α、

β分别为a相及c相导线与传感器连线在水平投影与垂直方向的夹角；

17、所述空间投影变换与姿态误差补偿通过以下旋转矩阵为：

18、；

19、其中，

θ为传感器安装俯仰角偏差量，所述俯仰角偏差量通过倾角传感器实时测量获得或通过现场安装时的人工标定获取。

20、进一步地，所述步骤s3中，所述动态结构元素形态学滤波算法采用一维扁平型自适应结构元素

i(

m)，结构元素幅值设为0以降低计算复杂度。结构元素长度

m根据磁通密度信号

b(

n)的局部方差特征自适应确定，确定方式为：

21、

22、其中，

σb和

μb分别为当前分析窗内磁通密度信号的标准差和均值，

λ为预设的比例系数，用于将信号的相对波动幅度映射至合适的结构元素长度量纲，

mmin和

mmax为预设的结构元素长度上下限。该设计使得滤波器在信号波动剧烈时自动增大滤波尺度以平滑噪声，在信号平缓时自动减小滤波尺度以保留细节特征。

23、进一步地，所述步骤s3中，膨胀运算与腐蚀运算的表达式分别为：

24、；

25、；

26、为区分入射波与反射波，计算膨胀信号与腐蚀信号的互相关函数：

27、

28、取互相关函数首次达到峰值时对应的时延

τp；若

τp＞0，表示膨胀信号在相位上超前于腐蚀信号，判定为入射行波；若

τp＜0，表明膨胀信号在相位上滞后于腐蚀信号，判定为反射行波；将入射行波的突变点时刻识别为波头到达时刻。

29、进一步地，所述步骤s4中，所述基准磁通密度的具体标定方法为：在母线节点

j处向第

i个终端所在线路区段注入单位幅值的脉冲行波信号，由该终端处的隧道磁阻传感器测量并记录对应的合成磁通密度幅值，标定为；所述脉冲电流的上升沿时间不大于1μs，脉冲宽度不大于2μs；

30、所述故障影响度矩阵

a为

n×

n维矩阵，

n为终端总数，其第

i行第

j列元素

rij定义为：

31、；

32、其中，为第i个终端测得的故障初始行波磁通密度幅值，为第

j个终端在对应线路区段的基准磁通密度值，对角线元素标记为无效元素。

33、进一步地，所述步骤s5中，所述符号判决函数的表达式为：

34、；

35、其中，

δ为预设的误差容忍阈值，用于克服现场测量噪声及传感器不一致性带来的数值波动，所述误差容忍阈值

δ的取值范围为0.01至0.05；所述故障方位编码矩阵

c中的元素，即，对角线元素标记为无效。

36、进一步地，所述步骤s6中，所述分层逻辑具体为：

37、（1）分支故障判别：对故障方位编码矩阵

c中的每一行k，分别计算非对角元素中取值为“-1”的占比和取值为“+1”的占比；若存在终端

k满足=1，同时该终端对应列中非对角元素取值为“+1”的占比也为1，则判定故障发生在该终端

k所连接的分支线路上；

38、（2）母线节点故障判别：若故障方位编码矩阵

c中的所有非对角元素均取值为0，则判定故障位于母线节点处；

39、（3）节点间故障判别：当不满足上述分支故障特征及母线节点故障特征时，判定故障位于相邻母线节点之间的线路区段上。具体定位方式为：对故障方位编码矩阵中所有相邻行与列的组合进行遍历，定位到同时满足“行方向取值为-1、列方向取值为+1”特征的最小闭合区域，即为故障所在的具体节点间区段。

40、进一步地，所述步骤s7中，所述双端行波测距公式为：

41、；

42、其中，

d为故障点与其中一个测距端的距离，

l为两测距端之间的线路长度，

v为行波传播速度，、分别为两个测距端检测到的初始行波到达时刻；

43、所述行波传播速度

v的获取方法为：利用该线路区段已知的长度参数和该区段两端终端在系统正常运行时记录的历史行波传输时延数据进行计算，即

v=

l/

tprop，其中

tprop为行波在该区段两端之间传播的实测时延。

44、进一步地，所述步骤s7中，采用以下一致性校验方法判断两个测距端检测到的初始行波是否为同一波头：计算两端检测到的行波到达时刻差δ

t= |

tl-

tr|，若δ

t满足δ

t≤

l/

v，且两端检测到的行波幅值极性相同，则判定为同一波头；否则重新进行波头识别；

45、若故障区段内存在多个终端时，优先选取故障区段两端距离故障点最近的终端作为测距端，或选取磁通密度信号信噪比最高的两个终端；所述信噪比的计算方法为：以故障发生前10个采样点的信号均方根值作为噪声功率估计值

pnoise，以故障后行波到达后5个采样点的信号峰值作为信号功率估计值

psignal，信噪比snr= 10×log10(

psignal/

pnoise)。

46、又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

47、再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上方法的步骤。

48、本发明的有益效果体现在：

49、1.非接触安装，无需停电作业：采用隧道磁阻传感器实现磁场非接触感应，无需与高压线路直接电气连接，大幅降低施工难度与安全风险；

50、2.抗干扰能力强，定位精度高：通过动态结构元素形态学滤波与相位判别机制，有效抑制背景噪声，精准识别波头，定位误差小于100米；

51、3.适配复杂拓扑，分级识别清晰：利用双矩阵判据与分层逻辑，统一实现分支、母线、节点间线路的故障区段判别，突破传统双端行波法对拓扑结构的限制；

52、4.适用工况宽：对各类故障类型、过渡电阻及故障初相角均具有良好的适应性；

53、5.计算复杂度低，实时性强：算法以基础算术运算为主，满足配电网快速自愈对时效性的要求。