CN116087693B - 一种lcc-hvdc输电线路单端测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LCC‑HVDC输电线路单端测距方法及系统，属于电力系统继电保护领域。本发明利用单端测距原理，通过站端信号采集装置对故障电压行波信号进行采集，并利用广义非线性变换将故障电压进行降噪及故障特征增强处理，不需要进行传统的波头标定，只需通过行波向量来构造行波矩阵与循环右移矩阵，计算所述两个矩阵的乘积得到测距向量，根据该向量行元素中的突变点以及突变角即可完成故障测距。本发明针对直流输电线路进行故障测距，与传统单端测距相比，鲁棒性较好，可靠性更高。

Description

一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法及系统

技术领域

本发明涉及一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法及系统，属于电力系统继电保护领域。

背景技术

随着水力发电对于水资源的日益匮乏以及传统化石能源的枯竭，在实现碳中和的背景下，新能源所占比例日益提升，远距离输电是我国东部负荷中心供电的必然选择，以晶闸管为基本元件的LCC-HVDC得到了广泛应用。高压输电线路是电力系统的命脉，肩负着输送电能的责任，也是电力系统能够安全稳定运行的保证。高压直流输电系统具有输送容量大、输送距离远，功率调节简单，电网互联方便等优点，作为输电系统的桥梁，有着重要的地位，相较其他输电线路而言，高压直流输电线路具有运输距离长、跨越地区的地形地貌、气候环境复杂程度高等特征，其工作条件恶劣，因此直流输电线路的故障率一直居高不下，根据运行数据也可看出，我国直流输电线路的可靠性并不高。经研究调查发现，直流输电线路发生故障的主要原因为雷击、污秽、树枝倾倒等造成的线路绝缘能力降低而产生的闪络或接地故障等。当线路发生故障后，故障的巡线难度较大，严重影响永久性故障的恢复时间。为从根本上提高直流输电线路运行期间的安全管控水平，需应用更加先进的故障测距手段。因此，能够快速、准确、可靠的进行故障定位就显得尤为重要。

目前直流输电线路保护主要有单端行波测距和双端行波测距等，单端行波测距只需要在输电线路的一端装设故障检测装置，不需要双端数据通讯和同步对时设备，节约了故障测距成本，定位的实时性强，其故障定位精度不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响，不受通讯设备和对端设备可靠性的影响，然而单端测距的缺点也是显而易见的，在计算前需要先判断故障的发生位置与线路总长度的关系，需要对故障行波波头进行定位，若定位不准会影响故障测距的准确性。因此，在传统单端行波测距的基础上进行改良，加入了行波循环矩阵算法思想，对能量向量最大突变点进行定位即可准确的计算出故障距离，大大增加了故障测距的准确性与可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法及系统，用以解决在现有技术的直流输电线路故障测距中受条件影响而导致的测距精度差和测距存在死区等的问题。

本发明的技术方案是：一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法及系统，利用直流输电线路站端信号采集装置采集故障电压行波，基于行波测距原理完成直流输电线路故障测距。观察故障电压行波轨迹可知，当发生故障时，故障点发出的电压行波波头到达量测端时经过了一倍的故障距离，而当第二个波头到达时经过了三倍的故障距离，由此可以推知：基于电压行波向量所得到的矩阵A与循环矩阵B，当向量A中的第一个波头与循环矩阵B中的第二个波头重合时，循环矩阵B的移动距离为故障距离的0.5倍，利用该特征可通过标定向量P中的突变点/>以及对应的突变角/>来进行故障测距。

具体步骤为：

Step1：利用站端信号采集装置采集故障电压行波。该步骤的依据在于，在直流输电线路中，相互平行的正负极线路之间存在电磁耦合的作用，因此需将其进行解耦相互独立的线模分量和零模分量。而零模分量与大地连接，在实际运行当中，零模分量会通过大地流失并衰减，因此在量测端很难检测到零模分量，并且零模分量在通频带中传输易发生畸变。相反，线模分量的传输不会发生畸变，传播速度较为平稳，因此通过凯伦贝尔解耦公式对正负极电压解耦：

（1）

式中，与/>为站端信号采集装置采集到的原始故障电压行波，/>与/>是将原始故障电压行波通过凯伦贝尔变换后得到的线模量与零模量。

Step2：将变换后得到的线模量与零模量电压行波信号进行放大处理，并将其记作向量，向量/>。

Step2.1：通过差分变换得到沿线分布的电压梯度。执行该步骤的优势在于，能够将故障电压波形的特征放大，易于分析计算，对变换后的线模量与零模量故障电压行波进行差分计算得到量测端电压梯度：/> （2）

式中，代表电压梯度，m代表第m个采样点，/>代表电压行波的第m个采样点的值。

Step2.2：通过广义非线性变换对故障电压信号降噪处理。该步骤的优势在于，对于电压梯度引入广义非线性变换/>，通过/>变换对电压梯度/>进行处理，得到故障特征增强后的故障电压行波/>，引入的非线性变换/>为奇函数，/>变换如下：

（3）

式中，为放大系数，当/>时故障电压信号将会被放大，而时故障电压信号将会被缩小，因此通过改变/>的取值可以合理的调整故障电压信号的幅值增大倍数，并且由于非线性变换/>为奇函数，故障电压信号的极性也会被很好的保留。将变换后的电压行波记作向量/>，向量/>。

Step3：基于行波向量，构造矩阵/>。以及循环右移矩阵B。执行该步骤的优势在于，通过循环矩阵B移动的步长来测量真实的故障距离，无需进行传统的行波波头标定即可完成故障测距。

Step3.1：基于行波向量，构造矩阵/>：

（4）

Step3.2：基于行波向量，构造矩阵B为：将向量/>中的列元素循环右移，设置移动因子为dkm，线长为lkm，将移动的第k次单位作为循环右移矩阵B的第k行，其中k为正整数且/>：

（5）

式中，代表变换后的故障电压行波中的每一个采样点的故障量。

Step4：计算乘积矩阵，并计算其行元素总和得到向量P。执行该步骤的优势在于，根据故障电压行波的衰减特性，当矩阵A中的首波头与循环矩阵B中的第二个波头重合时，向量P中的对应行元素最大，而该突变点对应距离的一半则为真实的故障距离。

Step4.1：计算乘积矩阵：

（6）

Step4.2：基于所述矩阵C，计算矩阵C中各行元素的总和得到向量P；

（7）

Step5：根据向量P及突变角完成故障测距；

Step5.1：基于向量P，标定出向量P中最大的行元素，记为最大突变点x。执行该步骤的依据在于，当矩阵A中的首波头与循环矩阵B中的第二个波头重合时，向量P中的对应行元素最大，基于行波衰减原理可知，其他的波头相遇时的乘积值都比该点要小。

Step5.2：定义突变点与坐标零点连线与x轴的夹角为突变角，根据最大突变点x的突变角/>的正负确定故障距离。执行该步骤的依据在于，故障信号的首波头与第二个波头的突变角异号。

若突变角，故障距离为l-x/2；

若突变角，故障距离为x/2；

一种LCC-HVDC输电线路单端测距系统，包括：

电气信号采集模块，用于采集和存储数据；

数值计算模块，用于计算矩阵A、循环矩阵B、矩阵C以及向量P；

故障测距模块，用于通过向量P以及突变角进行故障测距，计算出故障距离后输出测距结果。

所述电气信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集采集故障电压行波；

模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；

保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储故障电压行波数据。

所述数值计算模块包括：

线模转换单元，用于计算量测端故障电压行波的线模分量；

参数设置单元，用于设置移动因子d、直流输电线路长度l；

数值计算单元，用于计算矩阵A、循环矩阵B，矩阵C以及向量P。

所述故障测距模块包括：

距离测量单元，用于测量向量P中最大突变点所对应的距离；

极性判断单元，用于判断向量P中最大突变点x对应突变角的正负。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对LCC-HVDC直流输电线路进行故障测距，其原理为单端行波测距，不需要对行波波头进行标定，只需采集故障电压行波数据即可，避免了因波头标定不准而引起的故障定位误差过大。

2、本发明无需进行人工巡线，大大节约了运行成本，提高了故障测距的效率。

3、本发明与传统的故障分析法相比较，其精度与准确率更高。

4、本发明的测距准确度不受信号干扰、噪声、通道的干扰，具有较好鲁棒性。

附图说明

图1是本发明仿真拓扑图；

图2是本发明Step1中线路故障点所发出的行波信号传播示意图；

图3是本发明实施例1中向量P中最大突变点响应图；

图4是本发明实施例2中向量P中最大突变点响应图；

图5是本发明实施例的系统框图；

图6是本发明实施例的具体步骤的测距流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：传统双端直流输电系统仿真模型如图1所示，线路全长1500km，电压等级为±800kV，设置故障距离整流侧200km处，故障类型设置为正极接地故障，过渡电阻设置为0.01Ω，采样率为1MHz。

一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法，具体步骤为：

Step1：利用站端信号采集装置采集故障电压行波；

Step2：利用广义非线性变换将故障电压行波进行降噪及故障特征增强处理，并将处理后的电压行波记为，向量/>；

Step2.1：通过凯伦贝尔变换将采集到的原始故障电压行波的正、负极量解耦为线模量和零模量：

（1）

式中，与/>为站端信号采集装置采集到的原始故障电压行波，/>与/>是将原始故障电压行波通过凯伦贝尔变换后得到的线模量与零模量。

Step2.2：对变换后的线模量与零模量故障电压行波进行差分计算得到量测端电压梯度：

（2）

式中，代表电压梯度，m代表第m个采样点，/>代表电压行波的第m个采样点的值。

Step2.3：对于电压梯度引入广义非线性变换/>，通过/>变换对电压梯度进行处理，可以得到故障特征增强后的故障电压行波/>，并且为了不改变电压梯度/>的极性，引入的非线性变换/>为奇函数，/>变换如下：

（3）

式中，为放大系数，故障电压行波的放大程度与/>的取值相关；

将变换后的电压行波记作向量，向量/>。

Step3：基于所述行波向量，构造矩阵/>以及循环右移矩阵B；

Step3.1：基于行波向量，构造矩阵/>：

（4）

Step3.2：基于行波向量，构造矩阵B为：将向量/>中的列元素循环右移，设置移动因子为dkm，线长为lkm，将移动的第k次单位作为循环右移矩阵B的第k行，其中k为正整数且/>：

（5）

式中，代表变换后的故障电压行波中的每一个采样点的故障量。

Step4：计算乘积矩阵，并计算其行元素总和得到向量P；

Step4.1：计算乘积矩阵：

（6）

Step4.2：基于所述矩阵C，计算矩阵C中各行元素的总和得到向量P；

（7）

Step5：根据向量P及突变角完成故障测距；

Step5.1：基于向量P，标定出向量P中最大的行元素，记为最大突变点x；在本实施例中，最大突变点x对应的距离为400km，如图3所示。

Step5.2：定义突变点与坐标零点连线与x轴的夹角为突变角，根据最大突变点的突变角/>的正负确定故障距离。由图3可知，在本实施例中突变角/>：

（8）

因此判断故障距离为。

如图5所示，一种LCC-HVDC输电线路单端测距系统图，包括：

电气信号采集模块，用于采集和存储数据；

数值计算模块，用于计算矩阵A、循环矩阵B、矩阵C以及向量P；

故障测距模块，用于通过向量P以及突变角进行故障测距，计算出故障距离后输出测距结果。

所述电气信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集故障电压行波；

模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；

保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储故障电压行波数据。

所述数值计算模块中包括：

线模转换单元，用于计算量测端故障电压行波的线模分量；

参数设置单元，用于设置移动因子d、直流输电线路长度l，在本实施例中，移动因子d为1km，接地极线路长度为1500km；

数值计算单元，用于计算矩阵A、循环矩阵B，矩阵C以及向量P。

所述故障测距模块具体包括：

距离测量单元，用于测量向量P中最大突变点所对应的距离，在本实施例中对应的距离为400km，如图3所示；

极性判断单元，用于判断向量P中最大突变点x对应突变角的正负，在本实施例中，突变角/>为负。

实施例2：传统双端直流输电系统仿真模型如图1所示，线路全长1500km，电压等级为±800kV，设置故障距离整流侧800km处，故障类型设置为正极接地故障，过渡电阻设置为0.01Ω，采样率为1MHz。

一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法，具体步骤为：

Step1：利用站端信号采集装置采集故障电压行波；

Step2：利用广义非线性变换将故障电压行波进行降噪及故障特征增强处理，并将处理后的电压行波记为，向量/>；

Step2.1：通过凯伦贝尔变换将采集到的原始故障电压行波的正、负极量解耦为线模量和零模量：

（1）

式中，与/>为站端信号采集装置采集到的原始故障电压行波，/>与/>是将原始故障电压行波通过凯伦贝尔变换后得到的线模量与零模量。

Step2.2：对变换后的线模量与零模量故障电压行波进行差分计算得到量测端电压梯度：

（2）

式中，代表电压梯度，m代表第m个采样点，/>代表电压行波的第m个采样点的值。

Step2.3：对于电压梯度引入广义非线性变换/>，通过/>变换对电压梯度进行处理，可以得到故障特征增强后的故障电压行波/>，并且为了不改变电压梯度/>的极性，引入的非线性变换/>为奇函数，/>变换如下：

（3）

式中，为放大系数，故障电压行波的放大程度与/>的取值相关；

Step3：基于所述行波向量，构造矩阵/>以及循环右移矩阵B；

Step3.1：基于行波向量，构造矩阵/>：

（4）

Step3.2：基于行波向量，构造矩阵B为：将向量/>中的列元素循环右移，设置移动因子为dkm，线长为lkm，将移动的第k次单位作为循环右移矩阵B的第k行，其中k为正整数且/>：

（5）

式中，代表变换后的故障电压行波中的每一个采样点的故障量。

Step4：计算乘积矩阵，并计算其行元素总和得到向量P；

Step4.1：计算乘积矩阵：

（6）

Step4.2：基于所述矩阵C，计算矩阵C中各行元素的总和得到向量P；

（7）

Step5：根据向量P及突变角完成故障测距；

Step5.1：基于向量P，标定出向量P中最大的行元素，记为最大突变点x；在本实施例中，最大突变点x对应的距离为1400km，如图4所示。

Step5.2：定义突变点与坐标零点连线与x轴的夹角为突变角，根据最大突变点的突变角/>的正负确定故障距离。由图4可知，在本实施例中突变角/>：

（8）

因此判断故障距离为。

如图5所示，一种LCC-HVDC输电线路单端测距系统，包括：

电气信号采集模块，用于采集和存储数据；

数值计算模块，用于计算矩阵A、循环矩阵B、矩阵C以及向量P；

故障测距模块，用于通过向量P以及突变角进行故障测距，计算出故障距离后输出测距结果。

所述电气信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集故障电压行波；

模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；

保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储故障电压行波数据。

所述数值计算模块中包括：

线模转换单元，用于计算量测端故障电压行波的线模分量；

参数设置单元，用于设置移动因子d、直流输电线路长度l，在本实施例中，移动因子d为1km，接地极线路长度为1500km；

数值计算单元，用于计算矩阵A、循环矩阵B，矩阵C以及向量P。

所述故障测距模块具体包括：

距离测量单元，用于测量向量P中最大突变点所对应的距离，在本实施例中对应的距离为1400km，如图4所示；

极性判断单元，用于判断向量P中最大突变点x对应突变角的正负，在本实施例中，突变角/>为正。

通过验证表明本发明所述的一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法及系统可靠性高。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种LCC-HVDC输电线路单端测距方法，其特征在于：

Step1：利用站端信号采集装置采集故障电压行波；

Step2：利用广义非线性变换将故障电压行波进行降噪及故障特征增强处理，并将处理后的电压行波记为，向量/>；

Step3：基于所述行波向量，构造矩阵/>以及循环右移矩阵B；

Step4：计算乘积矩阵，并计算其行元素总和得到向量P；

Step5：根据向量P及突变角完成故障测距；

所述Step2具体为：

Step2.1：通过凯伦贝尔变换将采集到的原始故障电压行波的正、负极量解耦为线模量和零模量：

（1）

式中，与/>为站端信号采集装置采集到的原始故障电压行波，/>与/>是将原始故障电压行波通过凯伦贝尔变换后得到的线模量与零模量；

Step2.2：对变换后的线模量与零模量故障电压行波进行差分计算得到量测端电压梯度：

（2）

式中，代表电压梯度，m代表第m个采样点，/>代表电压行波的第m个采样点的值；

Step2.3：对于电压梯度引入广义非线性变换/>，通过/>变换对电压梯度进行处理，得到故障特征增强后的故障电压行波/>，引入的非线性变换/>为奇函数，/>变换如下：

（3）

式中，为放大系数，故障电压行波的放大程度与/>的取值相关；

将变换后的电压行波记作向量，向量/>；

所述Step3具体为：

Step3.1：基于行波向量，构造矩阵/>：

（4）

Step3.2：基于行波向量，构造矩阵B为：将向量/>中的列元素循环右移，设置移动因子为dkm，线长为lkm，将移动的第k次作为循环右移矩阵B的第k行，其中k为正整数且：

（5）

式中，代表变换后的故障电压行波中的每一个采样点的故障量；

所述Step5具体为：

Step5.1：基于向量P，标定出向量P中最大的行元素，记为最大突变点x；

Step5.2：定义突变点与坐标零点连线与x轴的夹角为突变角，根据最大突变点的突变角/>的正负确定故障距离；

若突变角，故障距离为l-x/2；

若突变角，故障距离为x/2。

2.根据权利要求1所述的LCC-HVDC输电线路单端测距方法，其特征在于，所述Step4具体为：

Step4.1：计算乘积矩阵：

（6）

Step4.2：基于所述矩阵C，计算矩阵C中各行元素的总和得到向量P；

（7）。

3.一种采用权利要求1或2所述的LCC-HVDC输电线路单端测距方法的系统，其特征在于，包括：

电气信号采集模块，用于采集和存储数据；

数值计算模块，用于计算矩阵A、循环矩阵B、矩阵C以及向量P；

故障测距模块，用于通过向量P以及突变角进行故障测距，计算出故障距离后输出测距结果。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电气信号采集模块包括：

数据采集单元，用于采集故障电压行波；

模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；

保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储故障电压行波数据。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数值计算模块包括：

线模转换单元，用于计算量测端故障电压行波的线模分量；

参数设置单元，用于设置移动因子d、直流输电线路长度l；

数值计算单元，用于计算矩阵A、循环矩阵B，矩阵C以及向量P。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述故障测距模块包括：

距离测量单元，用于测量向量P中最大突变点所对应的距离；

极性判断单元，用于判断向量P中最大突变点x对应突变角的正负。