CN102200563A - 一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法 - Google Patents

一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法 Download PDF

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本发明公开了一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。包括：测量变电站保护安装处故障相电压
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、故障相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、故障相负序电流
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、零序电流
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，作为输入量。从被保护线路始端开始，以步长
Figure DEST_PATH_IMAGE010
逐次增加，依次计算故障相线路上每一点的定位函数幅值，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，取定位函数幅值最小的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离。本发明方法不受分布电容的影响，不受负荷电流的影响，不受过渡电阻的影响，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

一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法
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基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。
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，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。在所有线路故障中，单相接地短路占80%以上，因此，采用分布参数模型研究一种适用于线路单相接地故障的单端测距算法具有较强的工程实际意义。
从测距所用电气量来划分，故障测距的方法可分为两大类：双端测距和单端测距。双端故障测距法是利用输电线路两端电气量确定输电线路故障位置的方法，它需要通过通道获取对端电气量，因此对通道的依赖性强，实际使用中还易受双端采样值同步性的影响。单端测距法是仅利用输电线路一端的电压电流数据确定输电线路故障位置的一种方法，由于它仅需要一端数据，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，单端测距方法主要分为两类，一类为行波法，另一类为阻抗法。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、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，目前未获得实质性的应用。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, 但受到故障的过渡电阻、线路不完全对称等因素的影响。由于高压输电线路沿线存在较大的分布电容电流，当高压输电线路发生中高阻短路故障时，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。因此，采用集中参数建模的单端阻抗法不能直接应用于高压输电线路的故障测距。
采用分布参数模型研究高压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。林湘宁、黄小波等人发表的《基于分布参数模型的比相式单相故障单端测距算法》采用分布参数建模，根据故障点处的残压与故障电流同相位特征进行故障定位。该方法改善了分布电容对单端阻抗法故障测距的影响，但在高阻接地故障时测距误差达到-2.38%，误差绝对值大于1.5%，不能满足现场的应用要求。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之处，而提供一种采用分布参数模型，不受分布电容的影响；利用定位函数的幅值特性进行测距，克服了过渡电阻的影响；在算法设计中考虑了故障处电压的影响，削弱了负荷电流对单端测距精度的影响；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，具有很强实用性的一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。
本发明一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法，包括以下步骤：
1) 测量线路在变电站保护安装处故障相电压相量                                                、故障相电流相量
Figure 748817DEST_PATH_IMAGE002
、故障相负序电流
Figure 528554DEST_PATH_IMAGE003
、零序电流
Figure 986080DEST_PATH_IMAGE004
，作为输入量；其中φ为故障相：A相、B相、或C相；
2) 故障距离取为初值l fault ，计算故障相线路上的故障点电压：
故障相线路上的故障点电压
Figure 862770DEST_PATH_IMAGE005
，
其中：，
Figure 578364DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 839581DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 570777DEST_PATH_IMAGE009
为故障相故障点处的负序电流，
Figure 626457DEST_PATH_IMAGE010
为线路正序阻抗角：
Figure 941639DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 740968DEST_PATH_IMAGE012
为被保护线路范围，；
3) 计算距保护安装点l fault 处的操作电压：
距保护安装点l fault 处的操作电压
Figure 818831DEST_PATH_IMAGE014
，
其中，为线路正序传播系数：
Figure 961679DEST_PATH_IMAGE016
，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 605149DEST_PATH_IMAGE017
为线路正序波阻抗：
Figure 2633DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 793871DEST_PATH_IMAGE019
为距保护安装点l fault 处零序补偿系数：
Figure 433538DEST_PATH_IMAGE020
，Z 0 为保护安装侧的系统零序等值阻抗；
Figure 993832DEST_PATH_IMAGE021
为线路零序波阻抗：
Figure 827796DEST_PATH_IMAGE022
，R 0、L 0、G 0、C 0分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；
4) 计算距保护安装点l fault 处的定位函数幅值：
距保护安装点l fault 处的定位函数，
定位函数幅值
Figure 723257DEST_PATH_IMAGE024
；
5) 故障距离初始值l fault 以步长
Figure 639522DEST_PATH_IMAGE025
逐次增加，返回步骤2），依次计算每一点的定位函数幅值，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，取定位函数幅值最小的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离。
综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：
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；本发明方法利用定位函数的幅值特性进行测距，取被保护线路全长的定位函数幅值最小的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离，其克服了过渡电阻的影响；本发明方法在算法设计中考虑了故障处电压的影响，削弱了负荷电流对单端测距精度的影响；本发明方法采用单端电气量，不受对端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是为本发明的基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法的原理示意图。
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。
实施例1
应用本发明的500kV超高压输电系统模型如图1所示，系统为典型的双端供电系统，两侧母线分别为m和n，输电线路长度为300km。线路m、n两侧等效电源相角差为δ，线路m、n两侧电源幅值分别为1.05倍的标么值和标么值。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：Z m1=4.2643+85.1453 i 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+159.6474 i W
n系统零序系统等值阻抗：Z n0=2.0+37.4697i W
本发明提出的线路单相接地故障单端测距方法的实施例的具体步骤如下：
保护安装在m侧，在A相线路上设定各种接地故障类型；
（1）测量m侧线路保护安装处故障相电压相量、故障相电流相量
Figure 144639DEST_PATH_IMAGE027
、故障相负序电流
Figure 627573DEST_PATH_IMAGE028
、零序电流
Figure 660994DEST_PATH_IMAGE004
，作为输入量；
（2）故障距离取为初值l fault ，计算A相线路上的故障点电压：
A相线路上的故障点电压
Figure 836761DEST_PATH_IMAGE029
，
其中：
Figure 761992DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 48616DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 172430DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 20563DEST_PATH_IMAGE033
为故障相故障点处的负序电流，
Figure 495406DEST_PATH_IMAGE010
为线路正序阻抗角：
Figure 585722DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 829622DEST_PATH_IMAGE034
为被保护线路范围：
Figure 603584DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 565724DEST_PATH_IMAGE036
；
（3） 计算A相线路上距保护安装点l fault 处的操作电压：
A相线路上距保护安装点l fault 处的操作电压
Figure 194151DEST_PATH_IMAGE037
，
其中，
Figure 558137DEST_PATH_IMAGE015
为线路正序传播系数：，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 931928DEST_PATH_IMAGE017
为线路正序波阻抗：；
Figure 254642DEST_PATH_IMAGE019
为距保护安装点l fault 处零序补偿系数：，Z m0 为保护安装处m侧的系统零序等值阻抗；
为线路零序波阻抗：
Figure 519511DEST_PATH_IMAGE022
，R 0、L 0、G 0、C 0分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；
（4） 计算A相线路上距保护安装点l fault 处的定位函数幅值：
A相线路上距保护安装点l fault 处的定位函数
Figure 592509DEST_PATH_IMAGE039
，
A相线路上距保护安装点l fault 处的定位函数幅值；
（5） 故障距离初始值l fault 以步长
Figure 718914DEST_PATH_IMAGE025
逐次增加，返回步骤（3），依次计算A相线路上每一点的定位函数幅值。搜索被保护线路全长，取A相线路上定位函数幅值最小的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离（如图2）。
本发明基于图1所示的系统进行了大量的数字仿真，仿真结果如下：
表1所示为故障位置和过渡电阻对A相接地故障测距的影响情况，仿真采用故障位置为5~290km、过渡电阻为0~300Ω的各种不同组合，测距结果详见表1。
表1 故障位置和过渡电阻对A相接地故障测距的影响
Figure 994300DEST_PATH_IMAGE041
由表1可以看出，在故障位置和过渡电阻的各种不同组合情况下，测距精度都很高。极端情况在290km发生经300Ω过渡电阻的A相接地故障，相对误差仅为0.933%。因此，本发明的单端故障测距方法受故障位置和过渡电阻的影响很小。
表2所示为负荷电流和故障位置对A相接地故障测距的影响情况。其中，δ为mn两侧系统电源的相角差，仿真采用系统mn两侧电源相角差δ为10°~60°、故障位置为15~290km的各种不同组合，测距结果详见表2。
表2 负荷电流和故障位置对A相接地故障测距的影响
Figure 921805DEST_PATH_IMAGE042
由表2可以看出，在负荷电流和故障位置的各种不同组合情况下，测距精度都很高。极端情况δ=60°在290km发生A相接地故障，相对误差仅为0.08%。因此，本发明的单端故障测距方法基本不受负荷电流和故障位置的影响。
表3所示为负荷电流和过渡电阻对51km处A相接地故障测距的影响情况，其中，δ为mn两侧系统电源的相角差。仿真采用系统mn两侧电源相角差δ为10°~60°、过渡电阻为15~300Ω的各种不同组合，测距结果详见表3。
表3 负荷电流和过渡电阻对51km处A相接地故障测距的影响
Figure 122979DEST_PATH_IMAGE043
由表3可以看出，在负荷电流和过渡电阻的各种不同组合情况下，测距精度都满足工程实际要求。极端情况在δ=10°经300Ω过渡电阻发生A相接地故障，相对误差仅为1.48%，小于1.5%，满足工程要求。因此，本发明受负荷电流和过渡电阻的影响很小。
表1~3共同表明本发明方法很好地克服了分布电容和高阻接地对测距精度的影响，在负荷电流、故障位置、过渡电阻等参数的各种组合下，仿真实例的测距精度都很高，具有良好的工程实用性。
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本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法，包括以下步骤：
（1） 测量线路在变电站保护安装处故障相电压相量                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、故障相电流相量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、故障相负序电流
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、零序电流
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，作为输入量；其中φ为故障相：A相、B相、或C相；
（2）故障距离取为初值l fault ，计算故障相线路上的故障点电压：
故障相线路上的故障点电压
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为故障相故障点处的负序电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为线路正序阻抗角：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为被保护线路范围，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
（3） 计算距保护安装点l fault 处的操作电压：
距保护安装点l fault 处的操作电压，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为线路正序传播系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，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 DEST_PATH_IMAGE034
为线路正序波阻抗：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为距保护安装点l fault 处零序补偿系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，Z 0 为保护安装侧的系统零序等值阻抗；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为线路零序波阻抗：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，R 0、L 0、G 0、C 0分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；
（4） 计算距保护安装点l fault 处的定位函数幅值：
距保护安装点l fault 处的定位函数
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，
定位函数幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；
（5） 故障距离初始值l fault 以步长逐次增加，返回步骤（2），依次计算每一点的定位函数幅值，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，取定位函数幅值最小的点为故障点，该点至线路保护安装处的距离为故障距离。
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