一种海上直流电缆行波测距方法及系统

技术领域

本发明涉及故障线路测距技术领域，尤其涉及一种海上直流电缆行波测距方法及系统。

背景技术

海上风电作为新能源发电领域的重要组成部分，具备资源条件稳定、距离负荷中心较近等优势，近年来成为世界各国风电发展的重要方向。而当海上风电的离岸距离超过70km甚至更远时，由于海底电缆存在对地电容作用，风场内网无功充电电流及过电压问题将不可忽视，采用高压交流输电将不能满足大容量、远距离海上风电输送的需求。因此，大型风电场传输并网应当采用高压直流输电的方式，目前，中国已建设并投运额定容量为1100MW，额定电压等级±400kV如东海上风电送出工程。海上风电采用直流电缆输电，相较于架空线，电缆的故障更加隐蔽，检修耗时更长。所以，在复杂的海洋环境中，如何能够实现快速和精确的故障测距以缩短检修时间、减少停电损失是一个值得关注的问题。

目前，广泛采用的故障测距方法是行波测距法，包括单端法和双端法。无论是单端法还是双端法都采用线路平均波速度进行计算，而在实际工程中直流电缆长线路是由单位长度电缆通过软接头技术进行连接而成，软接头将造成各段波速度的不一致，从而给行波测距法带来较大误差。

因此，提出一种海上直流电缆行波测距方法及系统，来解决现有的单一波速度问题以及波头识别不准确的现状，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种海上直流电缆行波测距方法及系统，用于实现精确的故障测距。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上直流电缆行波测距方法，包括以下步骤：

S101.利用电缆实验记录各分段上波速度、波的传播时间和平均波速：v

S201.若发生故障，则两端测量点检测初始故障行波到达时刻，初始故障行波到达线路始端的时刻为t

S301.不考虑若利用波速度平均值

S401.对S301得到的初步测距结果进行修正，得到最终测距结果为l

可选的，S101的具体内容为：电缆线路起始端为0号点，末端为n号点。电缆单位长度为l，电缆共有n分段，电缆总长为L＝nl；在0号点与1号点之间的单位长度线路上，波速度记为v

可选的，若行波从0号点线路始端传递到n号点线路末端总共用时为

可选的，S301中的初步测距结果如下：

可选的，S401中的最终测距结果如下：假设故障发生在a号与a+1号点之间的一段上，

式中，ε为修正量。

一种海上直流电缆行波测距系统，利用上述的一种海上直流电缆行波测距方法，包括：数据获取模块、故障设定模块、单片机、初步故障测距模块和故障修正模块；

数据获取模块，与单片机第一端口连接，用于利用电缆实验记录各分段上波速度、波的传播时间和平均波速：v

故障设定模块，与单片机第二端口连接，用于假设发生故障，则两端测量点检测初始故障行波到达时刻，初始故障行波到达线路始端的时刻为t

初步故障测距模块，与单片机第三端口连接，用于在不考虑若利用波速度平均值

故障修正模块，与初步故障测距模块连接，用于对初步测距结果进行修正，得到最终测距结果为l

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种海上直流电缆行波测距方法及系统：考虑了由于不同电缆线路之间，以及电缆长线每一分段之间的波速度差异带来的测距误差，并通过数学推导得出了误差项和精确测距结果的表达式；能够有效提高测距的准确度，实现快速和精确的故障测距以缩短检修时间、减少停电损失。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种海上直流电缆行波测距方法流程图；

图2为本发明提供的一种海上直流电缆行波测距系统结构框图；

图3为不同波速度分段线路示意图；

图4为海上风电直流输电系统结构框图；

图5为海缆线路实验海缆末端测量信号以及小波变换，其中5.1为海缆线路实验原始电压信号，5.2为海缆线路实验小波变换后的模极大值；

图6为陆缆线路实验海缆末端测量信号以及小波变换，其中6.1为陆缆线路实验原始电压信号，6.2为陆缆线路实验小波变换后的模极大值；

图7为全线路实验全线路末端测量信号以及小波变换，其中7.1为全线路实验原始电压信号，7.2为全线路实验小波变换后的模极大值。

具体实施方式

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。

参照图1所示，本发明公开了一种海上直流电缆行波测距方法，包括以下步骤：

S101.利用电缆实验记录各分段上波速度、波的传播时间和平均波速：v

S201.若发生故障，则两端测量点检测初始故障行波到达时刻，初始故障行波到达线路始端的时刻为t

S301.不考虑若利用波速度平均值

S401.对S301得到的初步测距结果进行修正，得到最终测距结果为l

进一步的，参见图3所示，S101的具体内容为：直线代表电缆线路，圆圈代表接头或分段点(包括起始点和中间点)。电缆线路起始端为0号点，末端为n号点。电缆单位长度为l，电缆共有n分段，电缆总长为L＝nl；在0号点与1号点之间的单位长度线路上，波速度记为v

对于具体线路，上述v

更进一步的，若行波从0号点线路始端传递到n号点线路末端总共用时为

更进一步的，S301中的初步测距结果如下：

进一步的，S401中的最终测距结果如下：假设故障发生在a号与a+1号点之间的一段上，故障点与始端距离为l

式中，ε为修正量。

具体的，一般而言，初步测量结果l

因此，根据上式可以确定故障发生在第几分段，假设通过初测已经明确故障发生在a号与a+1号点之间的一段上，下一步，对测距结果进行修正，令

上式中l

根据已知每分段下的波速度和传播时间，可以构造如下修正式

式中t

最后可以得出：

参见图3所示，本发明公开了一种海上直流电缆行波测距系统，用于对图1所示一种海上直流电缆行波测距方法的实现，包括：数据获取模块、故障设定模块、单片机、初步故障测距模块和故障修正模块；

数据获取模块，与单片机第一端口连接，用于利用电缆实验记录各分段上波速度、波的传播时间和平均波速：v

故障设定模块，与单片机第二端口连接，用于假设发生故障，则两端测量点检测初始故障行波到达时刻，初始故障行波到达线路始端的时刻为t

初步故障测距模块，与单片机第三端口连接，用于在不考虑若利用波速度平均值

故障修正模块，与初步故障测距模块连接，用于对初步测距结果进行修正，得到最终测距结果为l

在一个具体实施例中，本发明还公开了在PSCAD仿真中模拟装置的测距过程，具体内容如下：

在PSCAD中建立海-陆混合直流电缆输电线路的故障测距模型。在利用双端法进行故障测距时，只检测初始故障行波到达时刻，不考虑换流器控制的影响。因此输电线路两端可以直接用直流电源进行等效。线路全长108km，包括99km直流海缆线路以及9km直流陆缆线路。海上风电场一侧定义为输电线路始端，交流大电网一侧定义为输电线路末端。如图4所示为海上风电直流输电系统结构，实际输电为双极系统，图4中以单条线简易表示。在始端测量点B以及末端测量点E分别测量正负极电压行波信号，利用相模变换求出初始故障行波线模量，再采用小波变换对其进行分析，根据模极大值的位置判断初始故障行波到达时刻。

1电缆模型：

电缆包括直流海底电缆与直流陆上电缆。海底地质环境复杂，地震、海床塌陷、滑坡、洋流变化、海洋生物及船只抛锚，都有可能造成电缆断裂、破损，影响电缆的安全运行。海底电缆需适应海洋中的恶劣环境，因此直流海缆比直流陆缆多一层绝缘防护层以及一层金属铠装层，这导致了二者的波阻抗和波速度不同。直流海缆参数如下表1所示：

表1直流海缆参数

按照表1所给参数，在PSCAD中搭建4PSCAD直流海缆模型。

直流陆缆参数如表2所示：

表2直流陆缆参数

按照表2所给参数，在PSCAD中搭建5PSCAD直流陆缆模型。

2测距数据准备：

首先对线路进行实验测试，从电缆始端注入电压行波，始端测量到模极大值的时刻为0.01s.在末端测量点记录波形，采样率为1MHz。采用三次中心B样条函数的导函数作为小波函数，对原始信号进行小波变换，检测出尺度因子分别为24、23、22、21下后的信号，记录Wi(23,t)中第一个模极大值出现的时刻，即为初始行波到达测量点的时刻，由此推算出海缆和陆缆线路的波速度。

1)对海缆线路进行实验

通过上述注入行波的方法得出海缆线路的平均波速度，记录末端测量到的波形以及小波变换后2

由图5可知，模极大值出现时刻为0.010540s，海缆全长为99km，传播时间为540μs，计算所得海缆上的平均波速度为

在如东海上风电实际工程中，电缆单位长度为9km，每段之间需要用海底电缆软接头技术进行连接，由于电缆接头的存在，势必会造成不同段上的波速度不一致。为了构造不同的波速度，在仿真中将电缆按照9km的单位长度进行分段，通过每段电缆参数的细微调整来模拟实际工程中的软接头。

99km长的海底电缆共分为11段，行波在每段的传播时间以及波速度如表3所示，表3海缆不同段波速度

2)对陆缆线路进行实验

通过注入行波的方法得出陆缆线路的波速度，记录末端测量到的波形以及小波变换后2

陆缆单位长度9km，单位长度传播时间为49.00μs，计算所得波速度为

v

3)对线路全长进行实验

通过注入行波的方法得出线路全长的平均波速度，记录末端测量到的波形以及小波变换后2

线路全长为108km，其中海缆99km，陆缆9km，线路全长传播时间为589μs，计算所得平均波速度为

本发明还进行了故障测距仿真，具体内容如下：

在PSCAD中，设置故障发生时间为0.01s，设置了不同位置的单极接地故障，测量点采样频率为1MHz。采样信号为两端的直流电压线模信号，通过小波变换提取模极大值出现的时刻集合，第一个模极大值出现的时刻即为初始故障行波传到测量点的时刻。对发生在不同位置的故障分别采用只考虑平均波速度的传统双端法以及考虑多段波速度的改进双端法进行故障测距，得到如下表所示的结果。表4中记录了故障距离始端测量点的实际位置、两端测量点检测到初始故障行波波头的时刻、两种方法的测距结果以及对应的误差。

表4传统法与改进法测距结果

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由上表信息知，当故障发生在距离始端9km时，传统法的误差小于改进法的误差，可以认为是由于采样频率1MHz造成的，限于采样频率，对初始故障行波的识别只能精确到微秒级，因此会造成一定的偏差；另外，当故障发生在线路全长中点(距离始端54km)时，传统法的误差为0。除上述特殊说明的两组数据以外，其余所有测距数据均表明改进法比传统的双端测距法更精确，本文的实验数据反映出，传统法的平均测量误差为30.749m，而改进法的平均测量误差为23.368m，并且，改进法的最小误差可以达到0.01m。仿真实验数据证明了改进法具有更高的精确性。

综上，本文在海上风电通过直流电缆送出的背景下，通过分析传统双端行波测距的误差项来源，提出了改进的双端行波测距法。其核心思想是考虑了由于不同电缆线路之间，以及电缆长线每一分段之间的波速度差异带来的测距误差，并通过数学推导得出了误差项和精确测距结果的表达式。随后，在PSCAD中搭建电缆线路模型，并设置不同距离的故障，记录线路始端和末端测量波形。采用相模变换和小波变换提取初始行波到达两端测量点时刻，最终得出测距结果。通过对比分析传统双端法与改进后双端法的测距结果，表明改进双端法具有更高的精度。

对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。