一种适用于直流输电系统故障测距方法及系统与流程

1.本发明涉及高压直流输电线路故障测距领域，特别是涉及一种适用于直流输电系统故障测距方法及系统。


背景技术：

2.中国电力能源存在“荷源分离”现象，西部和北部占据百分之八十的能源，相反中部和华东地区却占据百分之七十的电力负荷。预计到2025年跨区跨省输电能力将达到3.6亿千瓦，2035年预计达到6亿千瓦。高压直流输电工程在中国跨区域输电工程中承担重要作用，2018年，输送容量达到500万千瓦，西南水电的开发外送的重要通道，连接川渝电网与华中电网的渝鄂背靠背柔性直流联网工程投运，这是世界上首条
±
420kv柔性直流输电电压等级工程。2019年，中国首批海上风电经柔性直流送出项目即江苏如东
‑
射阳海上风电柔性直流工程启动。2020年，世界首个柔性直流电网即张北柔性直流电网试验示范工程完成工程建设、全线架通并投入运行。高压直流输电线路途经山区、河流、戈壁、海域，气候坏境恶劣，而直流输电线路是直流系统当中较为容易发生故障的部件，故障类型有单极接地故障、双极接地故障，其中以单极故障发生最为高频，如何远端快速测算故障发生位置，消除故障，保证供电可靠性显得尤为重要。
3.现有技术中通过波法主要依靠测量点捕捉故障行波到达时间差δt，结合传播速度v，定位故障距离，但是上述方法不容易捕捉行波波头，测量误差大。
4.综上，如何提高直流输电系统故障测距精度、速度是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适用于直流输电系统故障测距方法及系统，能够提高直流输电系统故障测距精度、速度，避免故障扩大导致线路停运，提高供电可靠性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种适用于直流输电系统故障测距方法，包括：
8.提取电信号故障行波；
9.根据所述电信号故障行波确定在故障发生瞬间整流侧与逆变侧电流行波的突变方向；
10.根据所述突变方向判断故障为区内故障还是区外故障；所述区内故障为以换流站为界限的直流线路的故障；所述区外故障为以换流站为界限的交流线路的故障；
11.若所述突变方向相同，则故障为区外故障；
12.若所述突变方向不同，则故障为区内故障；并对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
13.对电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间进行线性调频z变换确定固有频率主成分；
14.建立直流输电系统故障距离与固有频率主成分的对应关系；
15.根据对应关系和固有频率主成分确定故障距离。
16.可选地，所述若所述突变方向不同，则故障为区内故障；并对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间，具体包括：
17.判断直流输电系统是单极输电线路还是双极输电线路；
18.若所述直流输电系统是单极输电线路，则对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
19.若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦；
20.对模量解耦后的电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间。
21.可选地，所述若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦，具体包括：
22.基于karenbauer变换，确定直流输电系统的karenbauer模量变换矩阵；
23.对karenbauer模量变换矩阵进行求解；
24.利用求解后的karenbauer模量变换矩阵对所述电信号故障行波进行模量分解。
25.可选地，所述建立直流输电系统故障距离与固有频率主成分的对应关系，具体包括：
26.利用公式和确定距整流侧的故障距离；
27.其中，w＝2πf，f为固有频率主成分，θ1为整流侧故障行波反射角，θ2为故障点故障行波反射角，v为对应频率下的行波速度，re为求实部，d1为距整流侧的故障距离，s1为整流侧反射系数的拉普拉斯变换；s2为故障点反射系数的拉普拉斯变换。
28.可选地，所述根据对应关系和固有频率主成分确定故障距离，具体包括：
29.利用公式d2＝d
‑
d1确定距逆变侧的故障距离；其中，d2为距逆变侧的故障距离，d为整流侧与逆变侧之间的距离；
30.判断距整流侧的故障距离和距逆变侧的故障距离的大小；
31.若距整流侧的故障距离小于距逆变侧的故障距离，则距整流侧的故障距离为故障距离；
32.若距整流侧的故障距离大于距逆变侧的故障距离，则距逆变侧的故障距离为故障距离。
33.一种适用于直流输电系统故障测距系统，包括：
34.电信号故障行波提取模块，用于提取电信号故障行波；
35.突变方向确定模块，用于根据所述电信号故障行波确定在故障发生瞬间整流侧与逆变侧电流行波的突变方向；
36.第一判断模块，用于根据所述突变方向判断故障为区内故障还是区外故障；所述区内故障为以换流站为界限的直流线路的故障；所述区外故障为以换流站为界限的交流线路的故障；
37.区外故障确定模块，用于若所述突变方向相同，则故障为区外故障；
38.频谱区间确定模块，用于若所述突变方向不同，则故障为区内故障；并对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
39.固有频率主成分确定模块，用于对电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间进行线性调频z变换确定固有频率主成分；
40.对应关系建立模块，用于建立直流输电系统故障距离与固有频率主成分的对应关系；
41.故障距离确定模块，用于根据对应关系和固有频率主成分确定故障距离。
42.可选地，所述频谱区间确定模块具体包括：
43.第一判断单元，用于判断直流输电系统是单极输电线路还是双极输电线路；
44.频谱区间第一确定单元，用于若所述直流输电系统是单极输电线路，则对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
45.模量解耦单元，用于若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦；
46.频谱区间第二确定单元，用于对模量解耦后的电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间。
47.可选地，所述模量解耦单元具体包括：
48.karenbauer模量变换矩阵确定子单元，用于基于karenbauer变换，确定直流输电系统的karenbauer模量变换矩阵；
49.模量变换矩阵求解子单元，用于对karenbauer模量变换矩阵进行求解；
50.模量分解子单元，用于利用求解后的karenbauer模量变换矩阵对所述电信号故障行波进行模量分解。
51.可选地，所述对应关系建立模块具体包括：
52.距整流侧的故障距离确定模块，用于利用公式和确定距整流侧的故障距离；
53.其中，w＝2πf，f为固有频率主成分，θ1为整流侧故障行波反射角，θ2为故障点故障行波反射角，v为对应频率下的行波速度，re为求实部，d1为距整流侧的故障距离，s1为整流侧反射系数的拉普拉斯变换；s2为故障点反射系数的拉普拉斯变换。
54.可选地，所述故障距离确定模块具体包括：
55.距逆变侧的故障距离确定单元，用于利用公式d2＝d
‑
d1确定距逆变侧的故障距离；其中，d2为距逆变侧的故障距离，d为整流侧与逆变侧之间的距离；
56.第二判断单元，用于判断距整流侧的故障距离和距逆变侧的故障距离的大小；
57.故障距离第一确定单元，用于若距整流侧的故障距离小于距逆变侧的故障距离，则距整流侧的故障距离为故障距离；
58.故障距离第二确定单元，用于若距整流侧的故障距离大于距逆变侧的故障距离，则距逆变侧的故障距离为故障距离。
59.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
60.本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法及系统，基于快速傅里叶频谱分析定位故障行波固有频率主成分频谱区间，再通过线性调频z变换对区间频谱进行螺旋线采样，获得高分辨率，细化的频谱信息，进而精确提取固有频率主成分，利用故障距离与固有频率主成分之间存在的对应关系，建立了基于快速傅里叶和线性调频z变换的行波固有频率直流输电单端故障测距方法。本发明与传统故障行波固有频率测距方法相比，避免了由于算法复杂而导致的计算量大、对硬件设备要求高、不利于现场工程应用等缺点。本发明将快速傅里叶频谱分析与线性调频z变换应用于直流输电系统故障测距，具有程序简单，计算量小，计算速度快、精度高、对经过渡电阻接地故障也有较高的灵敏性等优点。能够提高直流输电系统故障测距精度、速度，避免故障扩大导致线路停运，提高供电可靠性。
附图说明
61.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
62.图1为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法流程示意图；
63.图2为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法整体流程示意图；
64.图3为故障电压行波示意图；
65.图4为快速傅里叶变换算法的频谱分析图；
66.图5为线性调频z变换的频谱分析图；
67.图6为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距系统结构示意图。
具体实施方式
68.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
69.本发明的目的是提供一种适用于直流输电系统故障测距方法及系统，能够提高直流输电系统故障测距精度、速度，避免故障扩大导致线路停运，提高供电可靠性。
70.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
71.图1为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法流程示意图，图2为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法整体流程示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距方法，包括：
72.s101，提取电信号故障行波；
73.换流站与逆变站在建设过程中会装设二次继电保护装置，通过二次继电保护装置内的互感器等检测元件提取故障发生后的电信号故障行波，电信号故障行波包括：故障电压行波或故障电流行波；图3为故障电压行波。
74.s102，根据所述电信号故障行波确定在故障发生瞬间整流侧与逆变侧电流行波的突变方向；
75.s103，根据所述突变方向判断故障为区内故障还是区外故障；所述区内故障为以换流站为界限的直流线路的故障；所述区外故障为以换流站为界限的交流线路的故障；
76.s104，若所述突变方向相同，则故障为区外故障；
77.s105，若所述突变方向不同，则故障为区内故障；并对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
78.快速傅里叶变换算法(fft)是处理时域无特征信号转化为频域特征信号的最简算法；
79.对上述得到的连续频谱进行分析，将频率低次且幅值最大的谐波对应频率作为固有频率，并根据需求取得固有频率主成分区间(f1，f2)，并如图4所示。
80.s105具体包括：
81.判断直流输电系统是单极输电线路还是双极输电线路；即一根输电线路则为单极，两根输电线路为双极。
82.若所述直流输电系统是单极输电线路，则对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
83.若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦；
84.对模量解耦后的电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间。
85.所述若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦，具体包括：
86.基于karenbauer变换，确定直流输电系统的karenbauer模量变换矩阵；
87.直流输电电缆等效为均匀电力线路，其参数矩阵为平衡矩阵，双极电信号以二阶参数矩阵为准，karenbauer模量变换矩阵为：
[0088][0089]
其中，p
s
为自感系数矩阵；p
m
为互感系数矩阵；
[0090]
对karenbauer模量变换矩阵进行求解；
[0091]
求解矩阵p的特征值λ1、λ2：
[0092][0093]
对应求解特征向量x1、x2：
[0094]
[0095]
求解得：
[0096]
x1＝
‑
x2；
[0097]
令即求解得模量变换矩阵s；
[0098][0099]
利用求解后的karenbauer模量变换矩阵对所述电信号故障行波进行模量分解。
[0100]
如图3所示，以电压暂态信号为仿真信号，即模量分解公式如下：
[0101][0102]
其中，为电压故障录波矩阵；k
m
为解耦后的电压矩阵。
[0103]
其中，k
m
为解耦后的电压矩阵为u

与时间t构成x(t)连续时域解耦信号。
[0104]
s106，对电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间进行线性调频z变换确定固有频率主成分；
[0105]
如图5所示，采用fft得到整体暂态电信号频谱图，初步定位固有频率主成分频带区间，由于只需对固有频率主成分所在频带进行分析，希望频谱的采样集中在这一频带内，以获得较高的分辨率。chirp
‑
z变换是利用螺旋线采样并利用fft快速计算的频谱细化方法，通过z变换后进而精确定位故障行波固有频率主成分。czt变换过程如下：
[0106]
固有频率主成分区间(f1，f2)对应的时间序列x(n)，同时通过对取得的时间序列x(n)进行z变换，z变换完成后，对变换结果分析，获取极大值的横坐标以得到固有频率f。
[0107][0108]
x(n)＝x
a
(nt)；
[0109]
其中，n为采样点数，t为时域截断窗长；
[0110]
z的取值采用公式：
[0111][0112]
其中，m为复频谱的点数；a和w为任意复数，分别于起始点的位置和盘旋趋势相关。
[0113]
s107，建立直流输电系统故障距离与固有频率主成分的对应关系；
[0114]
s107具体包括：
[0115]
利用公式和确定距整流侧的故障距离；
[0116]
其中，w＝2πf，f为固有频率主成分，θ1为整流侧故障行波反射角，θ2为故障点故障行波反射角，v为对应频率下的行波速度，re为求实部，d1为距整流侧的故障距离，s1为整流侧反射系数的拉普拉斯变换；s2为故障点反射系数的拉普拉斯变换。
[0117]
其中，
[0118]
z1为系统等效阻抗，ω；z1为直流输电线路特征阻抗，ω；r为接地电阻，ω；u为系统等效电源,mw；u
f
为等效故障电压源，mw。
[0119][0120][0121]
其中，μ0为真空磁导率；μ
r
为电缆线路空气介质相对磁导率；ε
o
为真空介电常数；ε
r
为相对介电常数。v为对应频率下的行波速度。
[0122]
s108，根据对应关系和固有频率主成分确定故障距离。
[0123]
s108，具体包括：
[0124]
利用公式d2＝d
‑
d1确定距逆变侧的故障距离；其中，d2为距逆变侧的故障距离，d为整流侧与逆变侧之间的距离；
[0125]
判断距整流侧的故障距离和距逆变侧的故障距离的大小；
[0126]
若距整流侧的故障距离小于距逆变侧的故障距离，则距整流侧的故障距离为故障距离；
[0127]
若距整流侧的故障距离大于距逆变侧的故障距离，则距逆变侧的故障距离为故障距离。
[0128]
即，d＝min(d1，d2)，若d1＝d2，则d＝d1＝d2。当d1＜d2，输出d＝d1，故障d为距离整流侧；当d1＞d2，输出d＝d2，故障d为距离逆变侧。
[0129]
图6为本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距系统结构示意图，如图6所示，本发明所提供的一种适用于直流输电系统故障测距系统，包括：
[0130]
电信号故障行波提取模块601，用于提取电信号故障行波；
[0131]
突变方向确定模块602，用于根据所述电信号故障行波确定在故障发生瞬间整流侧与逆变侧电流行波的突变方向；
[0132]
第一判断模块603，用于根据所述突变方向判断故障为区内故障还是区外故障；所述区内故障为以换流站为界限的直流线路的故障；所述区外故障为以换流站为界限的交流线路的故障；
[0133]
区外故障确定模块604，用于若所述突变方向相同，则故障为区外故障；
[0134]
频谱区间确定模块605，用于若所述突变方向不同，则故障为区内故障；并对所述
电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
[0135]
固有频率主成分确定模块606，用于对电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间进行线性调频z变换确定固有频率主成分；
[0136]
对应关系建立模块607，用于建立直流输电系统故障距离与固有频率主成分的对应关系；
[0137]
故障距离确定模块608，用于根据对应关系和固有频率主成分确定故障距离。
[0138]
所述频谱区间确定模块605具体包括：
[0139]
第一判断单元，用于判断直流输电系统是单极输电线路还是双极输电线路；
[0140]
频谱区间第一确定单元，用于若所述直流输电系统是单极输电线路，则对所述电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间；
[0141]
模量解耦单元，用于若所述直流输电系统是双极输电线路，则对所述电信号故障行波进行模量解耦；
[0142]
频谱区间第二确定单元，用于对模量解耦后的电信号故障行波进行快速傅里叶频谱分析，确定电信号故障行波的固有频率主成分所在的频谱区间。
[0143]
所述模量解耦单元具体包括：
[0144]
karenbauer模量变换矩阵确定子单元，用于基于karenbauer变换，确定直流输电系统的karenbauer模量变换矩阵；
[0145]
模量变换矩阵求解子单元，用于对karenbauer模量变换矩阵进行求解；
[0146]
模量分解子单元，用于利用求解后的karenbauer模量变换矩阵对所述电信号故障行波进行模量分解。
[0147]
所述对应关系建立模块607具体包括：
[0148]
距整流侧的故障距离确定模块，用于利用公式和确定距整流侧的故障距离；
[0149]
其中，w＝2πf，f为固有频率主成分，θ1为整流侧故障行波反射角，θ2为故障点故障行波反射角，v为对应频率下的行波速度，re为求实部，d1为距整流侧的故障距离，s1为整流侧反射系数的拉普拉斯变换；s2为故障点反射系数的拉普拉斯变换。
[0150]
所述故障距离确定模块608具体包括：
[0151]
距逆变侧的故障距离确定单元，用于利用公式d2＝d
‑
d1确定距逆变侧的故障距离；其中，d2为距逆变侧的故障距离，d为整流侧与逆变侧之间的距离；
[0152]
第二判断单元，用于判断距整流侧的故障距离和距逆变侧的故障距离的大小；
[0153]
故障距离第一确定单元，用于若距整流侧的故障距离小于距逆变侧的故障距离，则距整流侧的故障距离为故障距离；
[0154]
故障距离第二确定单元，用于若距整流侧的故障距离大于距逆变侧的故障距离，则距逆变侧的故障距离为故障距离。
[0155]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0156]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。