CN102129014B - 一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法，步骤包括：提供测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量、电流相量、电流突变量作为输入量；根据输入量计算故障处电压相量

；从被保护线路始端开始，以步长

逐次增加，依次计算线路上每一点的

领先于

的角度

，直至发跳闸信号的整定范围或者被保护线路全长。取某一点处

落在[90°270°]区间上，且其相邻上一个点处

落在[-90°90°]区间上，这两点的中间位置即为故障点，该点至线路安装处的距离为故障距离。本发明方法不受分布电容的影响，不受负荷电流的影响，不受故障电阻的影响，不存在解方程法的伪根问题和迭代法的不收敛问题，具有很强的实用价值。

Description

一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法。

背景技术

高压输电线路是电网正常运行的大动脉，既担负着传送巨大功率的任务，又是各大电网联网运行的纽带，其运行可靠性影响着整个电网的供电可靠性，同时又是电力系统中发生故障最多的地方。当高压输电线路发生故障时，需要对故障点进行测距以准确的定位。

根据电气量来源划分，故障测距方法可分为双端测距和单端测距。其中单端测距法更具实用性。目前，单端测距法主要分为行波法和阻抗法。行波法利用故障暂态行波的传送性质进行测距，精度高，不受运行方式和过度电阻等影响，但对采样率要求很高，需要专门的录波装置，因此，目前未获得实质性应用。阻抗法利用故障后的电压、电流量计算故障回路的阻抗，根据线路长度与阻抗成正比的特性进行测距，简单可靠。然而，高压/超高压/特高压远距离输电线路沿线分布电容很大，对单端测距的影响不能忽略。考虑输电线路分布电容的影响，测量阻抗与故障距离呈双曲正切函数关系。双曲正切函数特性决定了传统阻抗法抗故障电阻能力差。同时，高压/超高压/特高压远距离输电线路输送的负荷较大，负荷电流对阻抗法单端测距影响也较大。因此，在高压/超高压/特高压远距离输电线路上，由于分布电容、负荷电流和故障电阻的影响，特别是高阻短路故障时，单端阻抗法测距结果会严重偏离真实故障距离，不能满足现场的应用要求。

采用分布参数模型研究高压/超高压/特高压远距离输电线路单端故障测距逐渐引起了广大学者的关注。哈恒旭、张保会、吕志来等人发表的《高压输电线路单端测距新原理探讨》采用分布参数建模，利用单端电压电流计算沿线电压对距离导数的范数在线路上的分布进行故障点的定位。该方法涉及了大量的求导运算和积分运算，所需运算量大，算法复杂不易实现。王宾、董新洲等人发表的《特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距》采用分布参数建模，利用观测点处负序电流的相角估算故障点电压的相角，然后在故障点电压瞬时值过零点时刻计算测量阻抗。该方法在中低阻短路故障时，由于沿线电压下降明显，利用观测点处负序电流相角估算故障点电压相角存在的误差对测距结果影响不大；但在高阻短路故障时，由于线路沿线各点电压相差很小，利用观测点处负序电流相角估算故障点电压相角存在的误差加上暂态过程的影响，该方法测距误差较大。

发明构成

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种不受分布电容、负荷电流和故障电阻影响的利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法。

本发明是通过以下途径来实现的：

一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法，其要点在于，包括如下依序步骤：

1）提供一种电力测量仪，测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量

故障相间电流相量故障相间电流突变量

作为输入量；其中，φφ=AB，BC，CA，分别表示AB，BC，CA相间；

2）提供一种数据分析处理器，其接收来自电力测量仪的测量数据，并根据如下公式计算计算故障处电压相量

其中，

为线路正序阻抗角，l为被保护线路范围；α为

领先于

的角度；β为领先于

的角度；

3）数据分析处理器设定一个初值l_fault作为故障距离，计算线路上距保护安装处l_fault的故障相间动作电压相量

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op},\mathrm{\φ\φ}}\left(l_{\mathrm{fault}}\right)={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\φ\φ}}-Z_{c1}\mathrm{th}{\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{fault}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\φ\φ}}$

其中，Z_c1为线路正序波阻抗：

R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

γ₁为线路正序传播系数： ${\mathrm{\γ}}_1=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)(G_1+{\mathrm{j\ωC}}_1)};$

4）根据以上测量和计算结果进一步计算故障相间电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

和故障相间动作电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

5）计算

领先于

的角度θ(l_fault)，数据分析处理器保存该故障距离点的计算数据θ(l_fault)；

6)设定一个步长增加量Δl，故障距离初始值l_fault以该步长Δl逐次增加，返回步骤3），依次计算每一点的领先于

的角度，直至发跳闸信号的整定范围，如果依然无法得到保护跳闸信号，则搜索被保护线路全长；

7）根据保存的各故障距离点数据，选取某一故障距离点处领先于

的角度落在[90°270°]区间上，且其相邻上一个点处的

领先于

的角度落在[-90°90°]区间上，这两点的中间位置即为故障点，该点至线路安装处的距离为实际故障距离。

综上所述，本发明方法物理模型采用分布参数模型，不受分布电容的影响，适用于任何电压等级，特别是高压/超高压/特高压输电线路；在算法设计中考虑的故障处电压的影响，削弱了负荷电流的影响，提高了单端测距精度；利用在故障点前后变化时，故障相间电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

领先于故障相间动作电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

的角度会发生一次由[-90°90°]区间进入[90°270°]区间内的性质进行单端测距，克服了故障电阻的影响；本发明方法是一种搜索式的方法，不存在解方程法的伪根问题和迭代法的不收敛问题，因此具有很强的实用性。

附图说明

图1所示为本发明最佳实施例所述超高压线路输电系统应用本发明的结构示意图；

图2所示为本发明实施例中故障电阻和故障位置对BC相间短路故障单端测距精度的影响情况；

图3所示为本发明实施例中负荷电流和故障位置对BC相间短路故障单端测距精度的影响情况；

图4所示为本发明实施例中负荷电流和故障电阻对距保护安装处235km处BC相间短路故障单端测距精度的影响情况。

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

具体实施例

参照附图1，超高压线路输电系统为典型的双端供电系统，两侧母线分别为m供电电源和n供电电源，输电线路长度为300km。线路m、n两侧等效电源相角差为θ，线路m、n两侧电源幅值分别为1.05倍标么值和1倍标么值。线路参数采用京津唐500kV输电线路参数：

线路正序参数：R₁=0.02083W/km，L₁=0.8948mH/km，C₁=0.0129mF/km，G₁=0s/km

线路零序参数：R₀=0.1148W/km，L₀=2.2886mH/km，C₀=0.00523mF/km，G₀=0s/km

m系统正序系统等值阻抗：Z_m1=4.2643+85.1453i W

m系统零序系统等值阻抗：Z_m0=0.6+29.0911i W

n系统正序系统等值阻抗：Z_n1=7.9956+159.6474i W

n系统零序系统等值阻抗：Z_n0=2.0+37.4697i W

以BC相间故障为例，本发明所述一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法，其包括如下依序步骤：

1）保护安装在m侧，在BC相线路上设定各种BC相间短路故障类型；

2）提供一种电力测量仪，测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量

故障相间电流相量

故障相间电流突变量

作为输入量；

3）提供一种数据分析处理器，其接收来自电力测量仪的测量数据，并根据如下公式计算计算故障处电压相量

其中：线路正序阻抗角

线路正序波阻抗

R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值，领先于

的角度

领先于

的角度

4）数据分析处理器设定一个初值l_fault作为故障距离，计算线路上距保护安装处l_fault的故障相间动作电压相量

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op},\mathrm{BC}}\left(l_{\mathrm{fault}}\right)={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}-Z_{c1}{\mathrm{th\γ}}_1{l}_{\mathrm{fault}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}$

其中，Z_c1为线路正序波阻抗：

R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

γ₁为线路正序传播系数： ${\mathrm{\γ}}_1=\sqrt{(R_1+{\mathrm{j\ωL}}_1)(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1)};$

5）根据以上测量和计算结果进一步计算故障相间电压相量

与故障处电压相量

的矢量差和故障相间动作电压相量

与故障处电压相量的矢量差

6）计算领先于的角度θ(l_fault)，数据分析处理器保存该故障距离点的计算数据θ(l_fault)；

7)故障距离初始值l_fault以步长Δl逐次增加，返回步骤4），依次计算每一点的

领先于

的角度，直至线路全长；

8）根据保存的各故障距离点数据，选取某一点处

领先于

的角度落在[90°，270°]区间上，且其相邻上一个点处的

领先于

的角度落在[-90°，90°]区间上，这两点的中间位置即为故障点，该点至线路安装处的距离为实际故障距离。

本发明基于图1所示的系统进行了大量的数字仿真，故障位置从295km处开始以5km为步长递减至5km，故障电阻从225欧开始以15欧为步长递减至0欧，mn两侧电源相角差θ取为5°、15°、25°、35°和45°。仿真结果如图2、图3和图4所示。

图2为故障电阻和故障位置对BC相间短路故障单端测距精度的影响情况。由图2可见，故障电阻和故障位置因素对本文方法测距精度的影响很小。当距保护安装处295km处发生BC相经300Ω短路故障时，本发明方法最大相对测距误差为0.93667%，小于工程应用要求的1.5%。

图3为负荷电流和故障位置对BC相间短路故障单端测距精度的影响情况。由图3可见，受负荷电流和故障位置因素影响，本发明方法最大相对测距误差为0.11%，小于工程应用要求的1.5%。

图4为负荷电流和故障电阻对距保护安装处235km处BC相间短路故障单端测距精度的影响情况。由图4可见，距保护安装处235km处发生BC相间短路故障时，由于负荷电流和故障电阻的影响，本文发明方法最大相对测距误差为0.09667%，小于工程应用要求的1.5%。

由图2、图3和图4数字仿真结果表明，本发明方法很好的克服了分布电容、负荷电流和故障电阻对单端测距精度的影响，具有很高的测距精度，因此具有很强的实用性。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种利用分布参数模型实现线路相间故障单端测距方法，包括以下依序步骤：

1)提供一种电力测量仪，测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量故障相间电流相量

故障相间电流突变量

作为输入量；其中，φφ＝AB，BC，CA，分别表示AB，BC，CA相间；

2)提供一种数据分析处理器，其接收来自电力测量仪的测量数据，并根据如下公式计算故障处电压相量

其中，

为线路正序阻抗角：

l为被保护线路范围；α为

领先于

的角度；β为

领先于的角度。

3)数据分析处理器设定一个初值l_fault作为故障距离，计算线路上距保护安装处l_fault的故障相间动作电压相量

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op},\mathrm{\φ\φ}}\left(l_{\mathrm{fault}}\right)={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\φ\φ}}-Z_{c1}\mathrm{th}{\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{fault}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\φ\φ}}$

其中，Z_c1为线路正序波阻抗；γ₁为线路正序传播系数。

4)根据以上测量和计算结果进一步计算故障相间电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

和故障相间动作电压相量

与故障处电压相量

的矢量差

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op}\·\mathrm{\φ\φ}}\left(l_{\mathrm{fault}}\right)-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{f\φ\φ}};$

5)计算领先于

的角度θ(l_fault)，数据分析处理器保存该故障距离点的计算数据θ(l_fault)；

6)设定一个步长增加量Δl，故障距离初始值l_fault以该步长Δl逐次增加，返回步骤3），依次计算每一点的

领先于

的角度，直至发跳闸信号的整定范围，如果无法得到保护跳闸信号，则搜索被保护线路全长；

7)根据保存的各故障距离点数据，选取某一故障距离点处

领先于

的角度落在[90°，270°]区间上，且其相邻上一个点处的

领先于

的角度落在[-90°，90°]区间上，这两点的中间位置即为故障点，该点至保护安装处的距离为实际故障距离。

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