CN101478148B - 一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统继电保护领域，公开了一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法，包括在被保护线路段某侧设置有保护装置，通过计算本侧正序故障分量电压相量

和正序故障分量电流相量

，然后计算出故障分量正序阻抗

，取其虚部，即为故障分量正序电抗，

根据故障分量正序电抗与定值的大小关系来区分故障方向。

Description

一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法

(一)、技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域的一种故障方向判定方法，具体地说，是一种用于电力系统交流输电线路发生故障时，判断故障方向的方法。 

(二)、背景技术

方向元件在现代继电保护装置中占有重要的地位，在方向性过流保护、距离保护和纵联方向线路保护中，它都得到了广泛的应用。故障分量正序方向元件，利用故障分量正序电压和故障分量正序电流之间的角度，来判断故障方向，它可以全面适用于各种类型的故障，是方向元件的首选。但这种方法的缺陷在于，对于某些系统中的某些故障，保护装置测量到的故障分量正序电流较大，但故障分量正序电压较小，不能满足方向判别的要求，导致错误的结果。 

(三)、发明内容

本发明旨在提供一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法，用以克服现有电线路故障方向判断方法的缺陷。所要解决的技术问题是，通过计算故障分量正序电抗，根据故障分量正序电抗与定值的比较结果，来判断故障分量。要求易于实现，灵敏度高，并不需要设置电压门槛。 

本发明所采用的技术方案如下： 

一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法，其特征在于：在被保护线路段一侧设置保护装置， 

首先，保护装置采集本侧三相电压和电流值，计算本侧正序故障分量电压相量 

正序故障分量电流相量 

其次，根据正序故障分量电压相量和电流相量，计算故障分量正序电抗X₁， 

X₁为正序故障分量电压和正序故障分量电流之间的比值的虚部，即  $X_1=\mathrm{Im}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1}\right);$

最后，进行判定，如果X₁＜k_F×X_L1，X_L1为线路正序电抗，K_F为正向故障电抗可靠系数，且 

I_set为电流定值，则确定为正向故障；如果X₁＞k_R×X_L1，X_L1为线路正序电抗，K_R为反向故障电抗可靠系数，且 

则确定为反向故障。 

所述K_F的整定原则为：0.1≤K_F≤0.4；所述K_R的整定原则为：0.6≤K_R≤0.9；所述I_set的整定原则为：I_set＝(0.1～0.5)I_n，I_n是线路本侧电流互感器二次额定值。 

K_F优选为0.4；K_R优选为0.6；I_set优选为0.2I_n。 

其原理是：故障分量的计算采用故障后数据减去故障前数据的方法，将得到的故障分量数据，使用全周傅立叶算法，计算出故障分量相量。通过计算本侧正序故障分量电压相量 

和正序故障分量电流相量 

，然后计算出故障分量正序阻抗 

，取其虚部，得到故障分量正序电抗， 

根据故障分量正序电抗与定值的大小关系来区分故障方向。 

当线路上发生正向故障时，故障分量正序电抗等于背侧的系统电抗，极性为负，小于线路正序电抗。当线路上发生反向故障时，故障分量正序电抗等于线路和对侧系统的正序电抗之和，大于线路电抗。根据这个特点，可以判断故障方向。 

本发明的积极效果在于，故障分量正序电抗X₁为正序故障分量电压相量与正序故障分量电流相量之间的比值的虚部。通过计算故障分量正序电抗，根据故障分量正序电抗与定值的比较结果，来判断故障分量。该方向判断方法不受负荷影响，不受过渡电阻影响，灵敏度高。不需要设置电压门槛，即使感受到的故障分量正序电压的幅值较小，仍可以准确的判别方向。 

传统的反映电压和电流之间相角的方向元件，需要对灵敏角进行设定。而基于故障分量正序电抗的方向元件，使用电抗分量来判别方向，仅需比较故障分量正序电抗和相应门槛之间的大小，而非判断角度区域，不需要考虑灵敏角，实现简单。 

(四)、附图说明

图1是保护装置连接图，文字描述中以m侧的保护为例。 

图2是发生正向故障时的正序故障分量等效网络。 

图3是发生反向故障时的正序故障分量等效网络。 

图4是正向和反向区域描述图。 

图5是仿真模型系统图。 

(五)、具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。 

参照图1，在m侧有保护装置。线路的保护装置具有数据处理功能，能够采样本侧的三相电压和电流，控制本侧的执行机构。保护装置采样本侧的三相电压和电流，计算出故障分量正序电抗，然后进行方向判别。 

图2、图3分别为发生正向、反向故障故障时的正序故障分量网络图，双侧电源供电的线路在F点发生了故障。图中，Z_sm、Z_sn分别为线路两侧正序电源阻抗，Z_L1为正序线路阻抗， 

为F点的正序故障分量电势， 

为流过故障支路的正序电流，R_F1为故障点处的正序电阻， 分别为母线m处的正序故障分量电压和电流。故障分量正序阻抗为： 

$Z_1=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1}$

式中， 

分别为保护安装处的正序故障分量电压和电流。故障分量正序电抗为故障分量正序阻抗的虚部： 

X₁＝imag(Z₁)                            (1) 

当发生正向故障时，如图2所示，对于装在母线m处的保护装置，可知： 

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{m1}=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{m1}\×Z_{\mathrm{sm}}$

所以，母线m处的故障分量正序阻抗为： 

$Z_{m1}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{m1}/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{m1}=-Z_{\mathrm{sm}}---\left(2\right)$

当发生反向故障时，如图3所示，可知： 

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{m1}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{m1}\×(Z_{L1}+Z_{\mathrm{sn}})$

所以， 

$Z_{m1}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{m1}/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{m1}=Z_{L1}+Z_{\mathrm{sn}}---\left(3\right)$

结合式(2)和式(3)可知，当发生正向故障时， 

m侧的故障分量正序电抗为： 

X_m1＝-X_sm                   (4) 

其中，X_m1和X_sm分别为故障分量正序电抗和m侧系统的正序电抗。当发生反向故障时， 

X_m1＝X_L1+X_sn                (5) 

其中，X_L1和X_sn分别为线路和n侧系统的正序电抗。 

由式(4)、(5)可知，当发生正向故障时，故障分量正序电抗的极性为负，因为极性的关系，它总是会小于线路正序电抗，即X_m1＜X_L1；当发生反向故障时，故障分量正序电抗为线路正序电抗和对侧系统正序电抗之和，必定大于线路正序电抗，即X_m1＞X_L1。因此，可以根据故障分量正序电抗来判断故障方向。基于故障分量正序电抗的方向元件即据此提出，判据为： 

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1<k_F\&times;X_{L1}\\ \left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|>I_{\mathrm{set}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1>k_R\&times;X_{L1}\\ \left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|>I_{\mathrm{set}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

当故障分量正序电抗和线路正序电抗之间的关系满足式(6)时，为正向故障；满足式(7)时，为反向故障。式(6)和式(7)中的k_F、k_R、分别为正向和反向判据的电抗可靠系数，I_set是电流定值。k_F和k_R应取不同的数值，且k_F小于k_R，以使 正向区域和反向区域完全分开，保证可靠性。一般地，k_F可以设定为0.4，k_R可以设定为0.6，如此，k_R＞k_F，正向范围和反向范围没有交迭区，而且正向区域和反向区域都有较大裕度。I_set可以设置为0.2I_n，I_n为线路的额定电流，足以保证方向判别的可靠性。 

图4为由正向门槛K_F×X_L1和反向门槛K_R×X_L1确定的正向区域和反向区域。从图中可以看出，正向区域和反向区域之间，没有交迭区。正向故障时，故障分量正序电抗小于零，位于横轴以下，反向故障时，故障分量正序电抗大于线路正序电抗。由图2可知，当k_F取为0.4，k_R取为0.6时，正向区域和反向区域都有较大裕度，有利于可靠的判断方向。线路电抗X_L1越大，此方向元件的可靠性越高。 

结合式(4)和(5)可知，故障分量正序电抗仅与系统和线路的正序电抗有关，与过渡电阻无关，可知该方向元件不受过渡电阻的影响。 

从式(6)和式(7)可知，该元件的灵敏度受限于电流定值I_set，因系统正常运行时，并无故障分量，而目前的微机保护测量精度高，所以I_set可以取较低的数值，设置为0.2I_n时，已足以满足判别方向的可靠性。由此可知，该方向元件的灵敏度高。 

当保护感受到的故障分量正序电压和正序电流较大时，传统的反映电压和电流之间相角的方向元件，和基于故障分量正序电抗的方向元件，都可以准确的判定方向。 

如果保护感受到的故障分量正序电压低于某一门槛，则传统的反映相位的方向元件不能使用，而基于故障分量正序电抗的方向元件，仍然可以准确的判别方向。 

当发生反向故障时，只要电流条件满足要求， $\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|>I_{\mathrm{set}},$ 装置感受到的故障分量正序电压和电流总是满足式(3)所描述的关系，故障分量正序电抗等于线路和对侧系统的正序电抗之和，大于线路的正序电抗，式(7)满足，而式(6)不满足，基于故障分量正序电抗的方向元件可以准确的判别出故障方向。 

当发生正向故障时，如果装置背后是大电源，或故障点远离保护安装处，保护 感受到的故障分量正序电压会较小。基于故障分量正序电抗的方向元件，电流条件需满足要求， $\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|>I_{\mathrm{set}},$ 装置感受到的故障分量正序电压和电流满足式(2)所描述的关系，故障分量正序电抗等于负的背后系统正序电抗，其小于线路的正序电抗。当故障分量电压较小，甚至接近于零时，计算的故障分量正序电抗也会很小，式(6)满足，而式(7)不满足，基于故障分量正序电抗的方向元件可以准确的判别出故障方向。 

容易得出，线路越长，线路阻抗越大，基于故障分量正序电抗的可靠性越高。当线路很短时，考虑极端情况，假设线路电抗接近于零，则式(6)、(7)中的电抗门槛K_F×X_L1和K_R×X_L1接近于零，保护不能区分正向和反向的电抗门槛，则不能准确的判别方向。一般地，当X_L1＞1Ω(二次值)时，因微机保护的测量精度高，该方向元件已经具有较高的可靠性。而实际系统中的线路一般满足X_L1＞1Ω的关系，基于故障分量正序电抗的方向元件可以满足实际电力系统的要求。 

基于故障分量正序电抗的方向元件判据中，k_F可以设定为0.4，k_R可以设定为0.6，k_R＞k_F，正向范围和反向范围没有交迭区，这两个参数可以在装置内部设定，不需要整定，有足够的可靠性。同时该方向元件判据中的线路正序电抗，目前已经成为线路保护装置中的基本参数，因此不需要再额外增加定值。 

图5为仿真模型系统图。使用EMTP模型对该方向元件进行了大量的仿真验证 

EMTP仿真中，系统电压等级为500kV，线路采用分布参数模型。共采用了四种模型进行验证，分别命名为模型1、模型2、模型3和模型4，各模型线路的正序和零序阻抗参数相同，仅在线路长度和电源阻抗的大小方面有差别，如图5所示。 

模型1是长线模型，线路长度为400km，Z_m1＝4.3578+j49.8097，Z_m0＝1.1+j16.6，Z_n1＝2.1788+j24.9048，Z_n0＝0.436+j8.02，阻抗的单位为欧姆。 

模型2是中长线模型：线路长度为200km，Z_m1＝4.3578+j49.8097，Z_m0＝1.1+j16.6，Z_n1＝1.0894+j12.4524，Z_n0＝0.27+j4.151。 

模型3是短线模型：线路长度为40km，Z_m1＝4.3578+j49.8097，Z_m0＝1.1+j16.6，Z_n1＝7.2627+j83.016，Z_n0＝1.21+j27.7。 

模型4是弱馈模型，线路长度为400km，Z_m1＝4.3578+j49.8097，Z_m0＝1.1+j16.6，Z_n1＝800+j1000，Z_n0＝50+j100，n侧为弱馈端。 

四个模型的线路参数为：正序参数r₁＝0.01958Ω/km，l₁＝0.8192mH/km，c₁＝0.0135uF/km；零序参数r₀＝0.1828Ω/km，l₀＝2.74mH/km，c₀＝0.0092uF/km。 

仿真中，保护装置装在n侧。分别在K1、K2、K3、K4四个点模拟各种金属性故障和带过渡电阻接地故障，K1位于m端线路出口，K2位于线路中点，K3位于n端线路出口，K4位于n端母线反向侧出口，计算时采用傅立叶滤波算法。 

表1列出了部分仿真结果，表1中的数据为发生区内及区外故障时，故障分量正序电抗的计算结果。仿真中采用了傅立叶算法，为了验证原理的正确性，消除故障时的衰减直流分量和高次谐波对计算结果的影响，表格中的计算数据为故障后100ms的数据。表1中，X₁为故障分量正序电抗。表2列出了模型1中的线路在B相在不同故障点发生经不同过渡电阻接地故障时的仿真结果，其中R_F表示接地过渡电阻的数值，分别取100Ω、300Ω、400Ω和500Ω，ΔU₁为保护安装处的正序故障分量电压的幅值(二次值)。 

表1，EMTP仿真中金属性故障时的仿真结果 

表2，EMTP仿真中，单相带过渡电阻接地故障的仿真结果 

从表1可以看出，对于模型1，当线路上发生正向故障时，故障分量正序电抗X₁的符号为负，数值在25Ω左右，与保护背侧的系统电抗十分接近，K_F×X_L1＝41.2Ω，二者的关系满足式(6)，可以明确的判定为正向故障。反向故障时，X₁的符号为正，数值为175Ω左右，与线路正序电抗和对侧的系统正序电抗之和接近，K_R×X_L1＝61.8Ω，二者之间的关系满足式(7)，可以准确的判断为反向故障。分析其它两个模型的仿真结果，可以得到同样的结论。 

从表2可以看出，在线路上发生带过渡电阻的故障时，X₁的符号为负，数值稳定在25Ω左右，和保护背侧的系统正序电抗接近，不受过渡电阻的影响。满足式(6)，可以明确的判定为正向故障。 

为了和传统的反映电压和电流之间相角的方向元件进行比较，表2中还列出了保护安装处的故障分量正序电压的幅值。对于传统的反映电压和电流之间的相角的方向元件，一般要求电压的幅值不低于2.5V。从表2可以看出，当发生带过渡电阻的故障时，保护安装处的故障分量正序电压的数值较低，多数情况下，低于2.5V，传统的反映电压和电流之间的相角的方向元件不能准确判别方向，而基于故障分量正序电抗的方向元件仍然可以准确判别。 

根据EMTP仿真结果可知，式(6)和式(7)描述的基于故障分量正序电抗的方向元件，在各种系统和故障情况下，可以准确的判断故障方向。 

Claims (3)

1.一种电力系统交流输电线路故障方向判断方法，其特征在于：在被保护线路段一侧设置保护装置，

首先，保护装置采集本侧三相电压和电流值，计算本侧正序故障分量电压相量

、正序故障分量电流相量

其次，根据正序故障分量电压相量和电流相量，计算故障分量正序电抗X₁，X₁为正序故障分量电压和正序故障分量电流之间的比值的虚部，即

最后，进行判定，如果X₁＜k_F×X_L1，X_L1为线路正序电抗，K_F为正向故障电抗可靠系数，且

I_set为电流定值，则确定为正向故障；如果X₁＞k_R×X_L1，X_L1为线路正序电抗，K_R为反向故障电抗可靠系数，且

则确定为反向故障。

2.根据权利要求1所述的电力系统交流输电线路故障方向判断方法，其特征在于：所述K_F的整定原则为：0.1≤K_F≤0.4；所述K_R的整定原则为：0.6≤K_R≤0.9；所述I_set的整定原则为：I_set＝(0.1～0.5)I_n，I_n是线路本侧电流互感器二次额定值。

3.根据权利要求2所述的电力系统交流输电线路故障方向判断方法，其特征在于：K_F＝0.4；K_R＝0.6；I_set＝0.2I_n。

Images