CN102147443B - 基于自适应电流的单端测距方法 - Google Patents

Abstract

基于自适应电流的单端测距方法，包括引入并联电抗器上的电流和分布电容上的电流，对原有的故障电流进行校正的步骤。本发明的有益效果在于，可以实现超高压长线带并联电抗器的单端测距，并保证测量的精确性。

Description

基于自适应电流的单端测距方法

技术领域

本发明涉及一种用阻抗原理的单端测距方法，特别是超高压长线带并联电抗器的单端测距。 

背景技术

单端测距是线路保护的重要组成部分，特别是在线路比较复杂的环境，线路一旦发生故障，如果不能准确定位，会极大增大巡线人员的工作量。现在线路保护装置中用得比较多有单端测距和双端测距，双端测距需要用到双端信息，只能用在纵联差动线路保护中，而对于光纤通讯条件不成熟的地区用得最多的还是单端测距，阻抗法是一种原理简单，发展得也比较成熟的单端测距方法。除此之外，近年来基于行波的单端测距方法也在快速地发展。 

作为一种新型的测距方法，行波测距有其明显的优势，它能很好地解决单相高阻接地故障时的测距精度问题。但它也存在以下的问题： 

1.根据故障点产生的行波在检测端与故障点之间往返一次的时间和行波某一模分量的波速来确定故障距离。

1)母线接线方式的多样性。行波测距要求在本侧母线有足够的反射，母线上有或没有变压器、有或没有其它线路都将形成行波到达母线后的反射不确定性。 

2)故障起始角、故障位置和短路类型的随机性。若在电压接近峰值发生短路，则产生较强的暂态行波电压；若在电压接近零值发生短路则暂态行波电压很小；若在电流过零点发生短路故障则没有暂态过程，直接过渡到新的稳态，这将使这种测距方法失效。 

3)线路纵向一次参数的频变特性和CT、PT等元件的非线性，使得故障暂态行波信号分析和处理相当复杂。 

4）线路电压等级越高，故障时谐波分量也越大，受到谐波频率的影响不利于确定故障波的波速。 

2.根据故障点的行波分别向两侧母线传播的时间并借助专用通道的通信联系来实现测距。 

这种方法需要用到两侧时间，等同于阻抗法的双端测距，它也受到通道的限制。 

阻抗法的关键在于过渡电阻的影响，由于无法知道对侧系统阻抗的大小，过渡电阻上的零序电流无法得知，在单相接地故障经过渡电阻时就无法准确测距。 

但在实际系统中，大部分的故障还是金属性短路故障。在低压短线路上发生金属性故障，现在的阻抗法单端测距原理都能很精确地测距，一般测距误差小于2.5%。但是在超高压长线上发生金属性故障，由于并联电抗器和分布电容的影响，阻抗法的单端测距精度就远远不够了。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有的阻抗法单端测距在超高压长线发生金属性故障时测距精度不够的缺陷，并且当线路用不同方式的并联电抗器补偿时，都能获得足够精度的测距结果。 

传统的测距方法是直接用到保护装置测量到的电压、电流。这在低电压等级的线路单端测距中问题不明显。但是在高电压等级的线路中，线路的分布电容不能忽略，为了补偿分布电容的影响又引入并联电抗器，这两个影响因数直接导致装置测量到的电流量不能正确反映线路上的故障电流。 

基于以上传统测距方法的缺陷，本发明采用的技术解决方案如下：在原有的线路参数基础上引入单端并联电抗器参数和线路总的容抗参数。 

具体实施方案如下：先用传统的单端测距方法测量出大概的测距结果，然后引入并联电抗器上的电流和分布电容上的电流，对原有的故障电流校正，得到线路上正确的故障电流，算出校正后的测距结果。 

下面主要分析并联电抗器和分布电容对故障电流的影响： 

一．现场线路参数的测试方法。

(1) 正序阻抗测量：线路首端末端与系统断开，将线路末端三相短接，用仪器在送端加三相正序电压（量程500V，50A）。 

(2) 零序阻抗测量：线路首端末端与系统断开，将线路首端短接，线路末端三相短接接地，在首端加A相电压，保证电流在20A以上。 

从上面的测量方法可知，现场测量到的正序阻抗中包含了正序容抗，零序阻抗中包含了零序容抗，其结果是：现场测量的正序阻抗和零序阻抗比真实值偏大。 

通过如下步骤来计算偏大误差为： 

实际正序阻抗Z₁为：Z₁=X₁*l ，其中X₁线路上单位长度上的正序阻抗；

测距正序阻抗Z_rel为： 

 ，其中，U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压；X_C1为线路全长的正序容抗（电容电流影响在下面介绍）；

正序阻抗误差计算公式为：。

实际零序阻抗为：Z₀=X₀*l，其中，X₀为线路上单位长度上的零序阻抗； 

测距零序阻抗Z_rel为：  ，其中U_f0 为故障时保护装置测量到的故障零序电压，X_C0为线路全长的零序容抗（电容电流影响在下面介绍）；

零序阻抗误差计算公式为：

。

上式中：X₁、X₀为线路上单位长度上的正序阻抗和零序阻抗； X_C1、X_C0为线路全长的正序容抗和零序容抗； l为故障点到保护安装处的距离；U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压；U_f0 为故障时保护装置测量到的故障零序电压。 

二．金属性故障时，电容电流对测距的影响。 

假设金属性故障时线路上的故障电压呈线性分布， 

将线路分成n个LC模型，第一个电容上的电流I_c1作用于整条故障线路，第i个电容上的电容电流Ici作用于(n-i)个LC模型上，第i个电容上的电压为

，整条线路上的电容电流

计算出总的电容电流0.3333*u_f/X_c。

上式中：X_c为线路全长的综合容抗值，包含正序容抗的影响和零序容抗的影响；U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压。 

三．金属性故障时，并联电抗器对测距的影响。 

并联电抗器作为集中参数，在线路故障时，直接用

就能得到并联电抗器上的电流。 

1）实际现场测量的正序阻抗考虑了分布电容的影响，考虑并联电抗器补偿后，三相金属性故障时，对单端测距的影响为： 

整定正序阻抗为：Z₁=X₁*l

测距阻抗为： 

误差为：

 [0029] 上式中：X_l1为线路上正序并联电抗器值；其它参数同上。

2） 如果能获得准确的线路正序阻抗和零序阻抗，也需要用到上面步骤二中的措施对线路的分布电容电流补偿。 

本发明的有益效果在于，可以实现超高压长线带并联电抗器的单端测距，并保证测量的精确性。 

附图说明

图1为系统M侧和N侧故障电压Um、Un与故障电流Im、In，并联电抗器电流Ilm、Iln，容抗上电流Icm、Icn之间的向量关系。 

图2为金属性故障电容电流对故障电流影响效果图。 

图3为不同补偿度并联电抗器对单端测距产生的误差。 

图4为本发明故障电流自动适应并联电抗器电流和分布电容电流的逻辑框图。其中，X_l为线路上并联电抗器参数；X_c为线路全长的综合容抗参数；U_f、I_f为故障时保护装置测量到的故障电压和故障电流；I_f ^‘为校正后的故障电流。 

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。按附图4的流程框图具体步骤说明如下： 

1) 用传统的单端测距算法计算出故障点位置k = Result1。

2) 记录下步骤(1)中计算测距结果的故障电压和故障电流。 

3) 计算出故障期间容抗和并联电抗器上的电流，得到校正后的故障电流，由于此时的测距结果偏差，导致容抗上的电流有偏差，此故障电流也不能准确反映线路上的故障电流。 

4) 利用校正过的故障电流，代入测距算法计算出新的测距结果Result2,将新的测距结果反馈于步骤(3)，经过三次校正后得到精确地线路故障电流 ，代入测距算法得到精确地测距结果。 

 并联电抗器和分布电容对故障电流的影响检测步骤如下。 

一．现场线路参数的测试方法。 

(1) 正序阻抗测量：线路首端末端与系统断开，将线路末端三相短接，用仪器在送端加三相正序电压（量程500V，50A）。 

(2) 零序阻抗测量：线路首端末端与系统断开，将线路首端短接，线路末端三相短接接地，在首端加A相电压，保证电流在20A以上。 

从上面的测量方法可知，现场测量到的正序阻抗中包含了正序容抗，零序阻抗中包含了零序容抗，其结果是：现场测量的正序阻抗和零序阻抗比真实值偏大。 

通过如下步骤来计算偏大误差为： 

实际正序阻抗Z₁为：Z₁=X₁*l ，其中X₁线路上单位长度上的正序阻抗；

测距正序阻抗Z_rel为： 

 ，其中，U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压；X_C1为线路全长的正序容抗（电容电流影响在下面介绍）；

正序阻抗误差计算公式为：

。

实际零序阻抗为：Z₀=X₀*l，其中，X₀为线路上单位长度上的零序阻抗； 

测距零序阻抗Z_rel为： 

 ，其中U_f0 为故障时保护装置测量到的故障零序电压，X_C0为线路全长的零序容抗（电容电流影响在下面介绍）；

零序阻抗误差计算公式为：

。

上式中：X₁、X₀为线路上单位长度上的正序阻抗和零序阻抗； X_C1、X_C0为线路全长的正序容抗和零序容抗； l为故障点到保护安装处的距离；U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压；U_f0 为故障时保护装置测量到的故障零序电压。 

二．金属性故障时，电容电流对测距的影响。 

假设金属性故障时线路上的故障电压呈线性分布，如图2所示： 

将线路分成n个LC模型，第一个电容上的电流I_c1作用于整条故障线路，第i个电容上的电容电流Ici作用于(n-i)个LC模型上，第i个电容上的电压为

，整条线路上的电容电流

计算出总的电容电流为0.3333*u_f/X_c。

上式中：X_c为线路全长的综合容抗值，包含正序容抗的影响和零序容抗的影响；U_f 为故障时保护装置测量到的故障相电压。 

三．金属性故障时，并联电抗器对测距的影响。 

并联电抗器作为集中参数，在线路故障时，直接用就能得到并联电抗器上的电流。 

1）实际现场测量的正序阻抗考虑了分布电容的影响，考虑并联电抗器补偿后，三相金属性故障时，对单端测距的影响为： 

整定正序阻抗为：Z₁=X₁*l

测距阻抗为： 

误差为：

以500kV，300km典型线路参数为例，获得不同并联电抗器补偿度下测量阻抗误差，如图3所示。

上式中：X_l1为线路上正序并联电抗器值；其它参数同上。 

2） 如果能获得准确的线路正序阻抗和零序阻抗，也需要用到上面步骤二中的措施对线路的分布电容电流补偿。 

 建立500kV，400Km  RTDS模型，系统模型二次值为：(单位Ω) 

正序阻抗：Z₁ = 3.136 + j44.816 

零序阻抗：Z₀ = 29.248+j137.68 

并联电抗器正序：X_l1 = 623.29（∏型补偿参数）

并联电抗器零序：Xl₀ = 400（∏型补偿参数）

并联电抗器正序：X_l1 = 623.29（T型补偿参数）

并联电抗器零序：X_l0 = 400（T型补偿参数）

正序容抗：X_c1= 235.7

零序容抗：X_c0=346

并联电抗器采用典型的欠补偿方式，分别模拟双端线路不用电抗器补偿、T型补偿、∏型补偿时，比较一般的阻抗单端测距和本发明阻抗单端测距的差异。

表1 不补偿系统测距结果 

表2  ∏型补偿(75%欠补偿)系统测距结果

表3  M侧T型补偿(75%欠补偿)系统测距结果

 以上是采用本发明所述方法的实验结果，表明本发明可以精确的获得测距结果。

Claims (2)

1.基于自适应电流的单端测距方法，其特征在于，包括引入并联电抗器上的电流和分布电容上的电流，对原有的故障电流进行校正的步骤；其中，所述分布电容上的电流通过以下步骤获得：

假设金属性故障时线路上的故障电压呈线性分布，

将线路分成n个LC模型，第一个电容上的电流I_c1作用于整条故障线路，第i个电容上的电容电流Ici作用于(n-i)个LC模型上，第i个电容上的电压为整条线路上的电容电流

$\mathrm{iC}=\frac{\mathrm{Uf}}{\mathrm{nXc}}+\frac{\frac{(n-1)}{n}\mathrm{Uf}}{\mathrm{nXc}}*\frac{(n-1)}{n}+\·\·\·+\frac{\frac{(n-i)}{n}\mathrm{Uf}}{\mathrm{nXc}}*\frac{(n-i)}{n}+\·\·\·+0=\frac{\mathrm{Uf}}{\mathrm{Xc}}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}\frac{i^2}{i^3}=\frac{\mathrm{Uf}}{\mathrm{Xc}}*\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}$

$\underset{n\→\∝}{\lim }\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}=0.333333$

计算出总的分布电容电流为0.3333*u_f/X_c，其中，X_c为线路全长的综合容抗值，包含正序容抗的影响和零序容抗的影响；U_f为故障时保护装置测量到的故障相电压。

2.根据权利要求1所述的基于自适应电流的单端测距方法，其特征在于，并联电抗器上的电流对测距的影响为：

整定正序阻抗Z₁为：Z₁=X₁*l

测距正序阻抗Z_rel为： $Z_{\mathrm{rel}}=\frac{u_f}{\frac{u_f}{Z_1}-\frac{u_f}{X_{11}}}$

误差为：

其中，X_l1为线路上正序并联电抗器值，U_f为故障时保护装置测量到的故障相电压，l为故障点到保护安装处的距离。

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