CN101672883B - 一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置，其中，所述方法包括：分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；计算用来计算故障距离的所述混合输电线路连接点的正序电压和正序电流；分别利用所述故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离，本发明实施例所提供的方法不受负荷电流、故障类型、故障时的初始相位角、系统阻抗及过渡电阻的影响，试验结果表明该算法具有非常高的精度。

Description

一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置。

背景技术

随着电力事业的发展，输电线路电压等级和输送容量逐步提高，架空和电缆混合输电线路在高压输配电工程中应用越来越广泛。当输电线路发生故障时，快速准确地确定故障地点和排除故障，对于提高供电可靠性，减少停电时间具有重要意义。对于架空和电缆混合输电线路的故障定位来说，两段线路不同的特性阻抗和传播常数是影响其准确性的两个主要因素。目前，一种常用的故障测距算法为单端法，只利用线路一侧的电压和电流值进行测距。

发明人通过研究发现单端定位法只需一侧信息，投资小，但主要影响因素有过渡电阻、线路分布电容、对侧系统运行阻抗变化等。因此对一般结构的输电网络来说，单端法存在不可避免的原理性误差，当故障位于50％线路长度以远时，其定位精度无法保证。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置，实现对架空和电缆混合输电线路故障点的准确定位。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法，包括：

分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；

分别利用故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在线路区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流包括：

线路保护装置通过光纤通道测量所述混合输电线路两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；

根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

所述计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流包括：

确定故障点所在的线路区域，并根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流，其中，

所述连接点的正序电流 $I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$

所述连接点的正序电压U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，端点m为无故障点线路区域中所述混合输电线路端点，mk为所述混合输电线路中的无故障点线路区域；sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，l_mf为端点m到连接点k的距离。

所述计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流包括：

分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的第三正序电压和第三正序电流以及第四正序电压和第四正序电流；

其中，从所述混合输电线路端点m计算的k点的第三正序电流和第三正序电压为：

从所述混合输电线路端点n计算的k点的第四正序电流和第四正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.;$

选取根据无故障点区域mk的端点m计算出的连接点的第三正序电流I_mk1和第三正序电压U_mk1作为计算故障距离的所述连接点的正序电压和正序电流。

所述故障点的第一正序电压U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

所述故障点的第二正序电压U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)；

其中，故障点f所在区域的两端点分别为连接点k和端点n，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为故障点f所在区域线路的长度，x是故障点f到端点n的故障距离。

所述故障距离 $x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

一种架空和电缆混合输电线路故障定位装置，包括：

获取单元，用于分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

第一计算单元，用于计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；；

第二计算单元，用于分别利用故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在线路区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

第三计算单元，用于通过令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

所述获取单元包括：

测量子单元，用于通过线路保护装置测量所述混合输电线路两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；

计算子单元，用于根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

所述第一计算单元，包括：

确定子单元，用于确定故障点所在的线路区域；

第一计算子单元，用于根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流，

所述连接点的正序电流 $I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$

所述连接点的正序电压U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，端点m为无故障点线路区域中所述混合输电线路端点，mk为所述混合输电线路中的无故障点线路区域；sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，l_mf为端点m到连接点k的距离。

所述第一计算单元，包括：

第二计算子单元，用于分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的第三正序电压和第三正序电流以及第四正序电压和第四正序电流，其中，从所述混合输电线路端点m计算的k点的第三正序电流和第三正序电压为：

从所述混合输电线路端点n计算的k点的第四正序电流和第四正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.;$

选取子单元，用于选取根据无故障点区域mk的端点m计算出的连接点的第三正序电流I_mk1和第四正序电压U_mk1作为计算故障距离的所述连接点的正序电压和正序电流。

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第一正序电压U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第二正序电压U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)；

其中，故障点f所在区域的两端点分别为连接点k和端点n，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为故障点f所在区域线路的长度，x是故障点f到端点n的故障距离。

所述故障距离 $x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

可见，在本发明实施例中，分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；分别利用所述故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离，本发明实施例所提供的方法不受负荷电流、故障类型、故障时的初始相位角、系统阻抗及过渡电阻的影响，试验结果表明该算法具有非常高的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例所提供的场景图；

图2为现有技术中均匀传输线的电路模型图；

图3为本发明一实施例所提供的均匀介质中故障定位的场景图；

图4为本发明一实施例所提供的方法的流程图；

图5为本发明另一实施例所提供的方法的流程图；

图6为本发明另一实施例所提供的场景图；

图7为本发明一实施例所提供的装置的结构示意图；

图8为本发明一实施例所提供的一单元的结构示意图；

图9为本发明另一实施例所提供的一单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法和装置，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

对于架空和电缆混合输电线路而言，所述混合输电线路由两部分组成，一部分是架空线，一部分是电缆。如图1所示，所述混合输电线的两个端点分别为m和n，而架空线和电缆的连接点为k，那么mk和kn两部分与架空线和电缆相对应，为了描述方便，现假设mk段为架空线，kn为电缆部分。

本发明实施例所提供的方法基于均匀介质中输电线路分布参数模型，利用同一输电线同步采样的两端电气量进行故障定位。

图2为均匀传输线的电路模型，其中，R₀表示单位长度的电阻(Ω/km)，L₀表示单位长度的电感(H/km)，G₀表示单位长度导线之间的电导(S/km)，C₀表示单位长度导线之间的电容(F/km)。则均匀传输线的电压电流方程如下所示：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=R_{0}i+L_0\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=G_{0}u+C_0\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

将上述方程改写为与频率相关的形式，则均匀传输线的电压电流方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_m\\ I_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\γ}{l}_{\mathrm{nm}}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)\\ \mathrm{sh}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)/Z_c& -\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_n\\ I_n\end{array}\right]---\left(3\right)$

即在均匀传输线路中，根据该线路中任意一点n的电压电流，计算该线路中任意一点m的电压电流的公式为：

U_m＝U_nch(γl_nm)-I_nZ_csh(γl_nm)；I_m＝U_n/Z_csh(γl_nm)-I_nch(γl_nm)。

这里的sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，l_nm为n端到m端的距离。

为了使本发明实施例更加清楚明白，以下首先结合均匀输电线路介绍一下本发明实施例所使用的故障定位原理。

参加图3，在均匀传输介质中，线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧m，n同步采样的电压电流值，并计算线路两侧m，n的正序电压U_m1和U_n1，以及正序电流I_m1和I_n1。

基于输电线路分布参数模型，当在线路故障点f发生各种类型的故障时，根据均匀传输线路模型的均匀传输线的电压电流方程，从所述线路两侧m，n中的第一端m计算故障点f的正序电压U_f1，以及从所述线路两侧m，n中的第二端n计算故障点f的正序电压U′_f1，则：

U_f1＝U_m1ch(γl_mf)-I_m1Z_csh(γl_mf)；

U′_f1＝U_n1ch(γl_nf)-I_n1Z_csh(γl_nf)；

其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，l_mf为线路第一端m到故障点f的距离，l_nf为线路第二端n到故障点f的距离。

根据从线路两侧所计算的故障点f的正序电压相等，即：U_f1＝U′_f1，从而得到以下基于正序分量的故障距离，即从线路第一端m到故障点f的距离方程为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_c+U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c-U_{m1})e^{\mathrm{\γ}{l}_{\mathrm{mn}}}}{(I_{n1}{Z}_c-U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c+U_{m1})e^{-\mathrm{\γ}{l}_{\mathrm{mn}}}},$ 其中，l_mn为线路全长。

根据上述故障定位原理，本发明实施例所提供的一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法，包括：

分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；

分别利用所述故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

其中，可以通过多种方式计算用于计算故障距离的所述混合输电线路连接点的正序电压和正序电流，下面结合具体的方式对本发明实施例进行详细说明。

参见图4，本发明一实施例所提供的方法包括：

S401：分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

结合图1进行分析，所述混合输电线路的两个端点分别为点m和点n，实际应用中，线路保护装置可以通过光纤通道测量所述混合输电线路mn两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；然后根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

S402：确定故障点所在的线路区域，并根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流。

因为所述混合输电线路由架空线和电缆两段组成，两段的结合点为k，那么故障点f就可能出现在架空线线路区域mk，也可能出现电缆线路区kn，下面以故障点出现在kn部分对本发明实施例所提供的方法进行描述，当故障点出现在mk部分时对应处理即可。

在确定故障点f在kn区域后，就利用无故障点的区域mk中端点m的正序电压U_m1和正序电流I_m1计算连接点k的正序电压和正序电流。

如图1所示，故障点f处于电缆侧，架空线和电缆的连接点为k，架空线特性阻抗为，Z_cm为架空线特性阻抗或波阻抗，γ_m为架空线传播常数，Z_cn为电缆特性阻抗或波阻抗，γ_n为电缆传播常数，U_mk1为k点正序电压，I_mk1为k点正序电流，U_f1为故障点正序电压。

k点的正序电压和正序电流分别为：

$I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$ U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_mk为架空线的长度。

S403：分别利用所述故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点。

在计算了连接点k的正序电压U_mk1和正序电流I_mk1后，故障点f对于其所在的区域kn来说，求故障点f到端点n的故障距离就相当于求均匀介质中任意一点到线路端点的距离。

根据前述故障定位原理，从k点计算出故障点f的正序电压为：

U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为电缆线路的长度，x是故障点到n端的故障距离。

同样地，从n端计算出故障点f的电压为：

U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)。

S404：令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

基于分布参数模型，当在故障点f(如图1)发生各种类型的故障时，f点所在线路两侧各自计算的正序电压应相等，即：U_f1＝U′_f1，从而，

基于正序分量的故障距离x为：

$x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

本发明实施例所提供的方法不受负荷电流、故障类型、故障时的初始相位角、系统阻抗及过渡电阻的影响，试验结果表明该算法具有非常高的精度。同时，由于电流差动保护被广泛的运用于高压输电线路当中，所以使得本发明实施例所提供的方法中需要的原始数据-被保护线路两端的同步数据很容易被获得，并利用光纤通道进行数据的传输，因此该法能够极为方便地应用于在线定位。

与上述实施例相对应，本发明实施例还提供另一种故障定位方法，参见图5，该方法包括：

S501：分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

S502：分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的正序电压和正序电流；

参见图1，即分别从m端和n端计算连接点k的正序电压和电流。

其中，从m端计算的k点的正序电流和正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)\\ U_{\mathrm{mk}1}=U_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-Z_{\mathrm{cm}1}{I}_{m1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)\end{array}\right.;$

从n点计算的k点的正序电流和正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.$

S503：选取根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点计算的所述连接点的正序电流和正序电压与所述故障点所在的区域中所包含的所述混合输电线路的端点的正序电压和正序电流从两端计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压；

S504：令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

当在故障点f在电缆侧时(如图1)，从k点和n端分别自计算故障点f的第一正序电压和第二正序电压，且所述第一正序电压与所述第二正序电压相等，

即：U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))    (4)；

需要注意是，当故障点f在电缆侧，即在kn侧时，连接点k点的正序电压和正序电流要选择根据无故障点区域的端点m计算获得的U_mk1和I_mk1。

U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)    (5)

U_f1＝U′_f1                              (6)

由以上(4)(5)(6)式可以得到

U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)   (7)

根据式(7)解出x为：

$x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}---\left(8\right)$

同理，当在故障点f在架空线侧时(如图6)，从K点和m端分别自计算故障点f的第一正序电压和第二正序电压，其所述正序电压应相等。

此时，需要注意是，当故障点f在架空线侧，即在mk侧时，连接点k点的正序电压和正序电流要选择根据无故障点区域的端点n计算获得的U_nk1和I_nk1。最终，解出故障距离x为：

本发明实施例所提供的方法利用的混合输电线路两端的故障相正序电压电流分量很容易就能获得，架空线和电缆连接点的电流电压也可以计算出来，使得本发明实施例所提供的方法能够应用于各种拓扑结构的架空线和电缆混合输电线路的精确定位，并且该故障点定位方法与地网无关，定位结果不受接地电阻影响，不受负荷电流、系统阻抗、故障时的初始相位角的影响。

与方法实施例相对应，本发明实施例还提供一种架空和电缆混合输电线路故障定位装置，参见图7，包括：

获取单元701，用于分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

第一计算单元702，用于计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；；

第二计算单元703，用于分别利用所述故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

第三计算单元704，用于通过令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

其中，所述获取单元701包括：

测量子单元7011，用于通过线路保护装置测量所述混合输电线路两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；

计算子单元7012，用于根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

参见图8，所述第一计算单元702，包括：

确定子单元7021，用于确定故障点所在的线路区域；

第一计算子单元7022，用于根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流，

所述连接点的正序电流 $I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$

所述连接点的正序电压U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，端点m为无故障点线路区域中所述混合输电线路端点，mk为所述混合输电线路中的无故障点线路区域；sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，l_mf为端点m到连接点k的距离。

在本发明的另一实施例中，参见图9，所述第一计算单元702，包括：

第二计算子单元7023，用于分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的第三正序电压和第三正序电流以及第四正序电压和第四正序电流，其中，从所述混合输电线路端点m计算的k点的第三正序电流和第三正序电压为：

从所述混合输电线路端点n计算的k点的第四正序电流和第四正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.;$

选取子单元7024，用于选取根据无故障点区域mk的端点m计算出的连接点的第三正序电流I_mk1和第三正序电压U_mk1作为计算故障距离的所述连接点的正序电压和正序电流。

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第一正序电压

U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第二正序电压

U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)；

其中，故障点f所在区域的两端点分别为连接点k和端点n，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为故障点f所在区域线路的长度，x是故障点f到端点n的故障距离。

根据式(6)，所述第三计算单元计算得到所述故障距离x，

$x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种架空和电缆混合输电线路故障定位方法，其特征在于，包括：

分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；

分别利用故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在线路区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流包括：

线路保护装置通过光纤通道测量所述混合输电线路两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；

根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流包括：

确定故障点所在的线路区域，并根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流，其中，

所述连接点的正序电流 $I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$

所述连接点的正序电压U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，端点m为无故障点线路区域中所述混合输电线路端点，mk为所述混合输电线路中的无故障点线路区域；sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，l_mf为端点m到连接点k的距离。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流包括：

分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的第三正序电压和第三正序电流以及第四正序电压和第四正序电流；

其中，从所述混合输电线路端点m计算的k点的第三正序电流和第三正序电压为：

从所述混合输电线路端点n计算的k点的第四正序电流和第四正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.;$

选取根据无故障点区域mk的端点m计算出的连接点的第三正序电流I_mk1和第三正序电压U_mk1作为计算故障距离的所述连接点的正序电压和正序电流。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，

所述故障点的第一正序电压U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

所述故障点的第二正序电压U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)；

其中，故障点f所在区域的两端点分别为连接点k和端点n，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为故障点f所在区域线路的长度，x是故障点f到端点n的故障距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述故障距离 $x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

7.一种架空和电缆混合输电线路故障定位装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于分别获取所述混合输电线路两端点的正序电压和正序电流；

第一计算单元，用于计算用来计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流；；

第二计算单元，用于分别利用故障点所在线路区域的两端点的正序电压和正序电流计算所述故障点的第一正序电压和第二正序电压，其中，所述故障点所在线路区域的一端为所述连接点；另一端为所述故障点所在线路区域中所述混合输电线路端点；

第三计算单元，用于通过令所述第一正序电压和所述第二正序电压相等，计算故障距离。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取单元包括：

测量子单元，用于通过线路保护装置测量所述混合输电线路两端点m和n的同步采样的电压U_m和U_n以及电流I_m和I_n；

计算子单元，用于根据U_m和U_n以及I_m和I_n计算线路两端点m和n的正序电压U_m1和U_n1以及正序电流I_m1，I_n1，其中各个参数的下标1表示该参数对应的正序分量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元，包括：

确定子单元，用于确定故障点所在的线路区域；

第一计算子单元，用于根据无故障点线路区域中所述混合输电线路端点的正序电压和正序电流计算用于计算故障距离的所述混合输电线路中架空线和电缆连接点的正序电压和正序电流，

所述连接点的正序电流 $I_{\mathrm{mk}1}=I_{m1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right)-\frac{U_{m1}}{Z_{\mathrm{cm}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{m1}{l}_{\mathrm{mk}}\right);$

所述连接点的正序电压U_mk1＝U_m1ch(γ_m1l_mk)-Z_cm1I_m1sh(γ_m1l_mk)；

其中，端点m为无故障点线路区域中所述混合输电线路端点，mk为所述混合输电线路中的无故障点线路区域；sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，l_mf为端点m到连接点k的距离。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元，包括：

第二计算子单元，用于分别从所述混合输电线路两端点计算所述混合输电线路连接点的第三正序电压和第三正序电流以及第四正序电压和第四正序电流，其中，从所述混合输电线路端点m计算的k点的第三正序电流和第三正序电压为：

从所述混合输电线路端点n计算的k点的第四正序电流和第四正序电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{nk}1}=I_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-\frac{U_{n1}}{Z_{\mathrm{cn}1}}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\\ U_{\mathrm{nk}1}=U_{n1}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)-Z_{\mathrm{cn}1}{I}_{n1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}\right)\end{array}\right.;$

选取子单元，用于选取根据无故障点区域mk的端点m计算出的连接点的第三正序电流I_mk1和第四正序电压U_mk1作为计算故障距离的所述连接点的正序电压和正序电流。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第一正序电压U_f1＝U_mk1ch(γ_n1(l_nk-x))-Z_cn1I_mk1sh(γ_n1(l_nk-x))；

所述第二计算单元计算得到的所述故障点的第二正序电压U′_f1＝U_n1ch(γ_n1x)-Z_cn1I_n1sh(γ_n1x)；

其中，故障点f所在区域的两端点分别为连接点k和端点n，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，l_nk为故障点f所在区域线路的长度，x是故障点f到端点n的故障距离。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述故障距离 $x=\frac{1}{2{\mathrm{\γ}}_{n1}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}+U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}-U_{\mathrm{mk}1})e^{{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}{(I_{n1}{Z}_{\mathrm{cn}}-U_{n1})+(I_{\mathrm{mk}1}{Z}_{\mathrm{cn}1}+U_{\mathrm{mk}1})e^{-{\mathrm{\γ}}_{n1}{l}_{\mathrm{nk}}}}.$

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