CN102175954B - 一种线路相间故障单端测距方法 - Google Patents

一种线路相间故障单端测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线路相间故障单端测距方法:测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、故障相间电流相量
Figure 176689DEST_PATH_IMAGE002
、故障相间负序电流相量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，作为输入量；利用保护测量到的电气量计算故障处电压相量
Figure 769475DEST_PATH_IMAGE004
；从被保护线路始端开始，以步长
Figure DEST_PATH_IMAGE005
逐次增加，依次计算线路上每一点的匹配误差数据
Figure 538586DEST_PATH_IMAGE006
，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。取匹配误差数据
Figure 290641DEST_PATH_IMAGE006
值最小所对应的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离。本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，不受系统运行方式的影响，不存在解方程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线路相间故障单端测距方法。
背景技术
高压/超高压/特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，准确的故障定位可大量节省寻线所花费的人力、物力和财力、加速供电恢复、减少经济损失、提高运行的可靠性。准确、快速地确定故障位置是提高电网安全运行的重要措施，对于电力系统安全可靠运行有重要的意义。
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。双端测距法利用输电线路两端电气量确定输电线路故障位置，需要通过通道获取对端电气量，对通道的依赖性强，实际使用中还易受双端采样值同步性的影响，考虑到同步技术实现的复杂性和所需添加硬件设备成本高，因此单端测距法更具实用性。单端测距法仅利用输电线路的一端电压电流数据来确定输电线路故障位置，由于该方法仅需要一端数据，无须通讯和数据同步设备，运行费用低且算法稳定，因此在中低压线路中获得了广泛地应用。
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。相关理论分析证明，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。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提出一种线路相间故障单端测距方法。该方法在算法设计中考虑了故障点处电压的影响，从而削弱负荷电流对本发明方法的影响。该方法利用故障点处匹配误差达到最小这一原理实现线路相间故障的单端测距，克服了故障电阻对本发明方法的影响。
一种线路相间故障单端测距方法，包括以下步骤：
1)测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量                                                
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE001
、故障相间电流相量
Figure 70122DEST_PATH_IMAGE002
、故障相间负序电流相量
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE003
，作为输入量；其中，
Figure 198353DEST_PATH_IMAGE004
=AB，BC，CA，分别表示AB或BC或CA相间；
2)计算故障处电压相量
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE005
：                       
；
其中，为线路正序阻抗角；
Figure 645700DEST_PATH_IMAGE008
为线路正序波阻抗：
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE009
，R 1、L 1、G 1、C 1分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；
Figure 13228DEST_PATH_IMAGE010
为线路正序传播系数：；
Figure 566438DEST_PATH_IMAGE012
领先于
Figure 779244DEST_PATH_IMAGE003
的角度
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE013
；
领先于
Figure 7149DEST_PATH_IMAGE003
的角度；
3) 故障距离取为初始值l fault ，计算故障相线路上距保护安装处l fault 的故障相间动作电压相量
Figure 71093DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE017
4) 计算距保护安装点l fault 处的匹配误差
Figure 523809DEST_PATH_IMAGE018
数据：
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE019
；
5) 故障距离初始值l fault 以步长
Figure 897152DEST_PATH_IMAGE020
逐次增加，返回步骤3），依次计算每一点的匹配误差
Figure 2011100561040100002DEST_PATH_IMAGE021
数据，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；
6) 选取匹配误差
Figure 980384DEST_PATH_IMAGE021
中值最小所对应的点为故障点，该点至线路安装处的距离为故障距离。
综上所述，本发明的优点在于：
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；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；本发明方法在算法设计中考虑故障处电压的影响，削弱了负荷电流的影响，提高了单端测距精度；本发明方法利用故障点处匹配误差达到最小这一原理实现线路相间故障的单端测距，克服了故障电阻的影响；本发明方法不需要对侧信息，不受系统运行方式的影响；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，具有很强的实用性。
附图说明
图1为应用本发明的超高压线路输电系统示意图。
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。
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。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
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倍的标么值和1倍的标么值。线路参数采用京津唐500kV输电线路参数：
线路正序参数：R 1=0.02083W/km，L 1=0.8948mH/km，C 1 =0.0129mF/km，G 1=0s/km
线路零序参数：R 0 =0.1148W/km，L 0 =2.2886mH/km，C 0 =0.00523mF /km，G 0=0s/km
m系统正序系统等值阻抗：Zm1=4.2643+85.1453 i W
m系统零序系统等值阻抗：Zm0=0.6+29.0911i W
n系统正序系统等值阻抗：Zn1=7.9956+159.6474 i W
n系统零序系统等值阻抗：Zn0=2.0+37.4697i W
本发明提出的一种线路相间故障单端测距方法的实施例的具体步骤如下：
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) 测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量
Figure 868705DEST_PATH_IMAGE022
、故障相间电流相量
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、故障相间负序电流相量
Figure 125112DEST_PATH_IMAGE024
，作为输入量；
3) 计算故障处电压相量
Figure DEST_PATH_IMAGE025
：
Figure 352962DEST_PATH_IMAGE026
其中：线路正序阻抗角
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，线路正序波阻抗
Figure 669412DEST_PATH_IMAGE028
，
R 1、L 1、G 1、C分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值，
Figure 982713DEST_PATH_IMAGE022
领先于
Figure 341013DEST_PATH_IMAGE024
的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 249801DEST_PATH_IMAGE023
领先于
Figure 238616DEST_PATH_IMAGE024
的角度
Figure 101530DEST_PATH_IMAGE030
 ；
4) 故障距离取为初值l fault ，计算故障相线路上距保护安装处l fault 的故障相间动作电压相量
Figure DEST_PATH_IMAGE031
：
5) 计算并保存距保护安装点l fault 处的匹配误差：
；
6) 故障距离初始值l fault 以步长
Figure 357172DEST_PATH_IMAGE020
逐次增加，返回步骤4），依次计算每一点的匹配误差，直至线路全长；
7) 选取所保存的匹配误差数据
Figure 769698DEST_PATH_IMAGE033
中值最小所对应的点为故障点，该点至线路安装处的距离为故障距离。
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和图3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，本发明方法受故障电阻和故障位置因素影响很小，最大相对测距误差为0.94%，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，本发明方法基本不受负荷电流和故障位置的影响，最大相对测距误差为0.10667%，小于工程应用要求的1.5%。
由图2和图3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，因此有很强的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种线路相间故障单端测距方法，包括以下步骤：
1)测量线路在变电站保护安装处故障相间电压相量                                                
Figure 2011100561040100001DEST_PATH_IMAGE001
、故障相间电流相量
Figure 74490DEST_PATH_IMAGE002
、故障相间负序电流相量，作为输入量；其中，
Figure 116264DEST_PATH_IMAGE004
=AB，BC，CA，分别表示AB或BC或CA相间；
2)计算故障处电压相量
Figure 2011100561040100001DEST_PATH_IMAGE005
：                       
Figure 20635DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 2011100561040100001DEST_PATH_IMAGE007
为线路正序阻抗角；
为线路正序波阻抗：
Figure 2011100561040100001DEST_PATH_IMAGE009
，R 1、L 1、G 1、C 1分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；
Figure 482414DEST_PATH_IMAGE010
为线路正序传播系数：
Figure 2011100561040100001DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 367193DEST_PATH_IMAGE012
领先于
Figure 821177DEST_PATH_IMAGE003
的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 135922DEST_PATH_IMAGE014
领先于
Figure 742484DEST_PATH_IMAGE003
的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE015
 ；
3) 故障距离取为初始值l fault ，计算故障相线路上距保护安装处l fault 的故障相间动作电压相量：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
4) 计算距保护安装处l fault 处的匹配误差
Figure 739445DEST_PATH_IMAGE018
数据：
；
5) 故障距离初始值l fault 以步长
Figure 601090DEST_PATH_IMAGE020
逐次增加，返回步骤3），依次计算每一点的匹配误差
Figure DEST_PATH_IMAGE021
数据，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；
6) 选取匹配误差
Figure 252039DEST_PATH_IMAGE021
中值最小所对应的点为故障点，该点至保护安装处的距离为故障距离。
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