CN102495336A - 一种分布式单相接地故障测距系统及其测距方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式单相接地故障测距系统，用于实现两座变电站之间的高压输电线路上的故障测距，包括至少三组安装在高压输电线路的预设检测点处的故障电流检测装置组、一远程无线通信模块和远程监控主站，远程监控主站通过远程无线通信模块分别与所述的故障电流检测装置组连接的，并通过远程无线通信模块接收故障电流检测装置组采集的故障电流，远程监控主站根据预设检测点的位置数据以及高压输电线路的长度数据，比较分析后计算出最终的故障地点；以及其测距方法，利用工频故障电流信息和故障电流行波能量信息来判断故障区间，然后根据不同的故障区间选择不同的定位方程并确定故障点位置，从而消除了线路首末端故障时，即故障点靠近母线时的死区问题。

Description

一种分布式单相接地故障测距系统及其测距方法

技术领域

本发明涉及输电线路故障测距技术领域，特别是一种基于故障电流信息综合分析的分布式单相接地故障测距系统及其测距方法。

背景技术

输电线路发生故障不但会降低系统供电的可靠性，还会严重影响系统运行的稳定性，造成重大损失。在国内外都曾出现多次因输电线路故障导致电网瓦解事故的案例。根据各种故障的统计，单相接地故障的次数几乎占所有故障类型的90％，因此研究单相接地故障的测距方法，快速、可靠、准确地进行故障定位，及时发现和处理绝缘隐患，可大大提高电网的可靠性和愈合能力。

输电线路发生故障时，其故障电流包含工频故障电流和故障行波电流信息，下面对这些故障电流的特性进行分析：

1、工频故障电流特性

当线路发生接地故障时，其故障模型可表示为图1所示。分别为系统两侧综合电势，

分别为系统两侧综合阻抗，假定输电线路在F点发生故障，其故障过渡阻抗为Z_f，故障电流为

输电线路在M、N端的电压和电流分别为

和

线路M端到故障点F的阻抗为Z_mf，N端到故障点F的阻抗为Z_nf。

对图1中对M、N端分别列电压方程有：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U_m}=Z_{\mathrm{mf}}\stackrel{\·}{I_m}+Z_f\stackrel{\·}{I_f}\\ \stackrel{\·}{U_n}=Z_{\mathrm{nf}}\stackrel{\·}{I_n}+Z_f\stackrel{\·}{I_f}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中若忽略并联导纳对输电线路等值阻抗的影响，可近似认为在线路MF段的电流为

线路NF段的电流为

即A、B两点检测到的故障电流相等，C、D两点检测到的故障电流相等。而

和

由

和Z_mf、Z_nf决定；分别由M和N端的系统综合电势

和等值阻抗

决定；Z_mf、Z_nf分别由M、N端到故障点F间的输电线路等值阻抗决定，并且系统综合电势、等值阻抗和故障点到线路两端的等值阻抗是互不相关的，故当输电线路发生故障时，故障点两侧的故障电流是不相等的，即

对于环形网络线路，故障后故障点两侧分别属于不同电流支路，且各个支路负荷和线路长度无相关性，因此上述结论同样成立。

对于开式网络线路，故障点靠近负载端故障电流为零，而靠近电源端，故障电流由电源、故障电阻等决定，但不等于零，所以上述结论依然成立。

2、故障行波电流特性

输电线路某点F发生故障时，可以利用叠加原理进行分析。图2(a)可由图2(b)来等效，而图2(b)又可视为正常负荷分量图2(c)和故障分量图2(d)两者的叠加。故障分量相当于在系统电势为零时，在故障点叠加与该点正常负荷状态下大小相等方向相反的电压，在这一电压的作用下，将产生由故障点向线路两端传播的行波。

若设输电线路是均匀线路，其单位长度电阻、电感、电容和电导分别为r₀、L₀、C₀和g₀，在输电线路上取dx段，等值电路可如图3所示。

根据图3可得到在分布参数线路上电压U和电流I与线路位置x的对应关系式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}d\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{I}(r_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)\mathrm{dx}\\ d\stackrel{\·}{I}=\stackrel{\·}{U}(g_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)\mathrm{dx}\end{array}\right.---\left(2\right)$

求解式(2)可得到电压行波U和电流行波I的表达式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}U=k_1{e}^{-\mathrm{\γx}}+k_2{e}^{\mathrm{\γx}}\\ I=k_1{e}^{-\mathrm{\γx}}/Z_c+k_2{e}^{\mathrm{\γx}}/Z_c\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中γ为传播常数，可表示为

k₁，k₂分别为积分常数，由边界条件确定，Z_c为线路波阻抗，可表示为再对比传输线波动方程的D.Alembert解：

$\left\{\begin{array}{c}u=u_f(x-\mathrm{vt})+u_b(x+\mathrm{vt})\\ i=\frac{u_f(x-\mathrm{vt})}{Z}-\frac{u_b(x+\mathrm{vt})}{Z}=i_f(x-\mathrm{vt})+i_b(x+\mathrm{vt})\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，v为行波传播速度，Z为波阻抗，u_f(x-vt)为沿x正方向传播的电压前向行波，u_b(x+vt)为沿x负方向传播的电压反向行波，i_f为沿x正方向传播的电流前向行波，i_b为沿x负方向传播的电流反向行波，u和i分别为电压电流行波。

比较式(3)和式(4)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_f(x-\mathrm{vt})=k_1{e}^{-\mathrm{\γx}}\\ u_b(x+\mathrm{vt})=k_2{e}^{\mathrm{\γx}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由式(3)-(5)可知行波随着传输距离x的增加呈指数衰减关系。且当x＝t＝0时，即行波在产生的时刻，前向行波与反向行波大小相等。

当行波遇到特性阻抗不连续点时，会发生反射和折射如图4所示，其中，λ₁表示入射波，λ₂表示反射波，λ₃表示折射波；则电流行波折射系数α为：

$a=\frac{2Z_1}{Z_1+Z_2}---\left(6\right)$

反射系数β为：

$\mathrm{\β}=\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}---\left(7\right)$

式(6)、(7)中的Z₁、Z₂分别为故障点F左右两端线路的特性阻抗。

根据上述故障电流的分析信息，可以确定故障点的位置。具体来说，现有的故障测距方法主要有故障分析法和行波法两类。故障分析法是在输电线路发生故障时，根据系统有关参数和测距点的电压、电流列出测距方程，然后对其进行分析和计算，最后求出故障点到测距点的距离；而基于工频量的故障分析法由于故障信息的局限性很难再取得突破性的研究。行波法主要是根据行波理论，利用故障行波到达检测点的时间差来确定故障点位置；但是由于行波波速不确定、互感器带宽限制导致行波波头变缓等因素的影响，故障测距装置测距精度一直无法提高。现有技术中提出在输电线路上安装两组故障测距装置，利用罗氏线圈来采集故障电流，并利用故障电流行波的折返射信息，综合判断输电线路故障点位置，来解决行波波速不确定和互感器带宽限制的问题，但当故障发生在线路首末

区间时，会出现定位死区。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种分布式单相接地故障测距系统及其测距方法，以提高测距精度，并在解决行波测距时，互感器带宽限制及波速不确定的问题的基础上，避免故障点靠近母线时的死区问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种分布式单相接地故障测距系统，其特点在于，该系统包括：至少三组安装在高压输电线路的预设检测点处的故障电流检测装置组、一远程无线通信模块和远程监控主站；

所述的远程监控主站通过远程无线通信模块分别与所述的故障电流检测装置组连接的，并通过远程无线通信模块接收故障电流检测装置组采集的故障电流，远程监控主站根据预设检测点的位置数据以及高压输电线路的长度数据，比较分析后计算出最终的故障地点。

所述的故障电流检测装置组包括三个分别设置在高压输电线路的三根相线上的检测装置。

当故障电流检测装置组的数量为三组时，其中一组故障电流检测装置组安装在所述高压输电线路的中间位置。

一种利用分布式单相接地故障测距系统的测距方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，设两个变电站之间的高压输电线路上有K个预设检测点，将K个故障电流检测装置组Y₁至Y_k分别安装在每个检测点处，其中K≥3；

步骤二，设所述变电站与相邻的检测点之间的高压输电线路为故障外区段，设所述位于首末的检测点之间的高压输电线路为故障内区段，所述远程监控主站根据所述故障电流检测装置组采集的各检测点故障电流确定故障发生在故障内区段或故障外区段的故障区间；

步骤三，

当故障发生在故障内区段时：设故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间，且取n＝1、2时，定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，检测点Y_n距高压输电线路首端的距离为L_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}=2L_{Y1}/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2L_x/v\end{array}\right.(L_{Y1}<L_x<L_{Y2}<L/2)$ 和 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2(L-L_x)/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3}=2(L-L_{Y3})/v\end{array}\right.(L/2\&le;L_{Y2}<L_x<L_{Y3})$

式中，v为故障电流行波波速，L为高压输电线路的总长度，

根据故障定位方程式，计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x；

当故障发生在故障外区段时：定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，检测点Y_n距高压输电线路首端的距离为L_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_x=\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2})v}{4}(L_x<L_{Y1})\\ L_x=L-\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3})v}{4}(L_{Y3}<L_x)\end{array}\right.$

式中，v为故障电流行波波速，L为高压输电线路的总长度；

根据故障定位方程式，计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x。

在上述的分布式单相接地故障测距方法中，所述步骤二包括：

所述远程监控主站建立各检测点故障电流的零序分量的欧氏距离矩阵A_(i，j)，

$A_{(i,j)}=\left(\begin{array}{ccccccc}{d}_{11}& d_{12}& ...& d_{1j}& d_{1(j+1)}& ...& d_{1k}\\ d_{21}& d_{22}& ...& d_{2j}& d_{2(j+1)}& ...& d_{2k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{i1}& d_{i2}& ...& d_{\mathrm{ij}}& d_{i(j+1)}& ...& d_{\mathrm{ik}}\\ d_{(i+1)1}& d_{(i+1)2}& ...& d_{(i+1)j}& d_{(i+1)(j+1)}& ...& d_{(i+1)k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{k1}& d_{k2}& ...& d_{\mathrm{kj}}& d_{k(j+1)}& ...& d_{\mathrm{kk}}\end{array}\right);$

定义故障点同侧的故障电流的零序分量之间的偏离度为d_ij，故障点两侧的故障电流的零序分量之间的偏离度为d_pq，根据欧氏距离矩阵A_(i，j)判断不等式组d_pq＞K₁d_ij是否完全成立，其中，1≤i，j≤n或n≤i，j≤k，且p＞n＞q或p＜n＜q，K₁为偏离安全系数，取大于1的实数；若完全成立，则确定故障发生在故障内区段，并得到对应的故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间，若不完全成立，则根据所述故障电流检测装置组检测到的故障电流行波的能量大小，确定故障发生在故障外区段的故障区间，其中，检测点距离故障点越近，故障电流行波的能量越大。

所述的故障电流行波波速v通过所述故障电流检测装置组测定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是通过在输电线路上安装多组故障电流检测装置组(每组三个检测装置，分别安装在三相输电线路上)，综合利用工频故障电流信息和故障电流行波能量信息来判断故障区间，然后根据不同的故障区间选择不同的定位方程，最后只需根据对应电流检测点的前两个波头的时间差即可确定故障点位置，从而消除了线路首末端故障时，即故障点靠近母线时的死区问题。本发明中的定位方程选择依据明确，经仿真实验表明此方法正确可靠，具备较好的应用前景。

附图说明

图1是输电线路故障模型图；

图2(a)-(d)是故障行波的叠加法分析示意图；

图3是均匀单导线单元等值电路图；

图4是当行波遇到特性阻抗不连续点时的波形图；

图5是本发明分布式单相接地故障测距系统的结构框图；

图6是本发明分布式单相接地故障测距系统的检测示意图；

图7是在非金属接地故障情况下故障电流行波的网格图；

图8是本发明实施例中故障电流检测装置组的安装位置示意图；

图9是本发明设置在高压输电线路相线上的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图5，图5是本发明分布式单相接地故障测距系统的结构框图，如图所示，一种分布式单相接地故障测距系统，包括：至少三组安装在高压输电线路的预设检测点处的故障电流检测装置组、一远程无线通信模块1和远程监控主站2。

所述的远程监控主站2通过远程无线通信模块1分别与所述的故障电流检测装置组连接的，并通过远程无线通信模块1接收故障电流检测装置组采集的故障电流，远程监控主站根据预设检测点的位置数据以及高压输电线路的长度数据，比较分析后计算出最终的故障地点。

设高压输电线路上有K个检测点，则故障电流检测装置组的数量为K，记安装在检测点处的故障电流检测装置组为Y₁-Y_k，且每组故障电流检测装置组包括三个分别设置在高压输电线路的三根相线上的检测装置。检测装置的结构如图9所示。CT取电线圈经DC/DC稳压后给整个系统供电，电流检测与阀值设定模块实时监测输电线路上的电流值，根据输电线路上电流值的大小动态设定启动高速采样模块的阀值，并且用输电线路上电流的微分值作为判断启动高速采样的输入值，当输入值高于设定阀值时即认为有故障行波，同时启动高速采样模块。罗氏线圈因不含铁磁性材料，无磁滞效应，无磁饱和现象，因而测量范围可从数安培到数百千安的电流；并且和被测电流之间没有直接的电路联系。因此采用高频罗氏线圈作为行波检测传感器，其带宽高达2MHz，可不失真的传输高频故障行波信号。罗氏线圈的输出信号经信号调理后送至高速AD转换器采样。

基于上述系统结构，下面对本发明的一种分布式单相接地故障测距方法及其原理进行详细介绍。本发明的测距方法包括：

步骤S1，设变电站与相邻的检测点之间的高压输电线路为故障外区段，设位于首末的检测点之间的高压输电线路为故障内区段，远程监控主站根据故障电流检测装置组采集的各检测点故障电流确定故障发生在故障内区段或故障外区段的故障区间；

具体来说，如图6所示，K个检测点将整个输电线路分成(K+1)段，记变电站M到检测点Y₁和Y_k到变电站N这两段线路为检测外区段，检测点Y₁到Y_k之间为检测内区段。

若在检测内区段F点发生故障时，由上述对工频故障电流特性的分析结论可知，在故障点F上游的检测点Y₁、Y₂…Y_n处检测到的故障电流相同，同样在故障点F的下游的检测点Y_n+1、Y_n+2…Y_k处检测到的故障电流相同，而在故障点F两侧的检测点检测到的故障电流不同。利用上述结论可根据各检测点故障电流的异同判断故障区间。

然而，若将各个检测点三相电流数据分别作比较，运算量大，且各个检测点将原始电流数据上传到远程监控主站，所需带宽和时间都较大。而故障电流零序分量可有效反应各个点接地电流的情况，并且可将数据传输数据量缩减为原来的1/3，因此可用各组监测点故障电流的零序分量来判断故障区间。

若记各检测装置检测到的工频故障时电流零序分量为I_fYn，n＝1，2...k，由上述分析可知各检测点故障电流零序分量的对应关系可表示为：

I_fY1＝I_fY2＝…I_fYn≠I_fYn+1＝I_fYn+2＝…I_fYk(8)

而实际采集到的故障电流，由于线路分布电容和噪声的影响，式(8)不可能严格成立，因此需用改进方法来判断出故障区间，即

定义L维欧式空间两点x_(i)和y_(i)(i＝1，2，…L)的偏离度d(x，y)如式(9)所示：

$d(x,y)=\sqrt{{(x_1-y_1)}^2+{(x_2-y_2)}^2+...{(x_L-y_L)}^2}/L---\left(9\right)$

式(9)中的偏离度d(x，y)是衡量两个信号相似程度的指标，偏离度越小说明两个信号越相似，因此可用偏离度来判断故障区间。

设每组检测装置采集的数据长度为H，则I_fYn可认为是H维欧式空间向量，I_fYi和I_fYj的偏离度记为d_(i，j)(1≤i，j≤k)，I_fYn之间的偏离度矩阵，即欧氏距离矩阵A_(i，j)，即可表示为如式(10)所示：

$A_{(i,j)}=\left(\begin{array}{ccccccc}{d}_{11}& d_{12}& ...& d_{1j}& d_{1(j+1)}& ...& d_{1k}\\ d_{21}& d_{22}& ...& d_{2j}& d_{2(j+1)}& ...& d_{2k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{i1}& d_{i2}& ...& d_{\mathrm{ij}}& d_{i(j+1)}& ...& d_{\mathrm{ik}}\\ d_{(i+1)1}& d_{(i+1)2}& ...& d_{(i+1)j}& d_{(i+1)(j+1)}& ...& d_{(i+1)k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{k1}& d_{k2}& ...& d_{\mathrm{kj}}& d_{k(j+1)}& ...& d_{\mathrm{kk}}\end{array}\right)---\left(10\right)$

若故障发生在检测点Y_n(1≤n≤(k-1))和检测点Y_n+1之间，记故障点同侧的I_fYn之间的偏离度记为d_ij，故障点两侧I_fYn之间的偏离度记为d_pq由式(8)-(10)可知d_ij小于d_pq，即，可用不等式组表示为如式(11)所示：d_pq＞K₁d_ij((1≤i，j≤n或n≤i，j≤k)且(p＞n＞q或p＜n＜q))(11)

式(11)中K₁为偏离安全系数，取大于1的实数。

因此若式(11)完全成立，则确定故障发生在故障内区段，并利用式(11)可求出对应的故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间。

当故障发生在变电站到第一个检测装置之间或最后一个检测装置到下游变电站之间时，式(11)中的不等式组不可能全部成立，即若上述条件不成立，则可认为故障发生在故障外区段。

当故障发生在外区段时，利用工频故障电流将无法判断故障区间，因此还需对检测外区段故障区间作出判断。

由上述对故障行波电流特性的分析可知，故障行波电流的前向行波和反向行波大小相等，方向相反，且在有损输电线路上传播时，呈指数衰减关系，而故障电流行波包含频率成分丰富且各个频率的衰减系数各不相同，但从总体上来看其能量被输电线路的电阻和电导消耗掉。因此距离故障点越近其检测到行波电流的能量越大。

若设检测点Y_i检测到的行波电流s(t)的能量定义为：

$E_i={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{\left|s\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}---\left(12\right),$

同时定义检测点Y_i距离故障点F的距离为G_i，则有：

E_i＞E_j(G_i＜G_j)          (13)。

因此，根据式(13)即可判断检测外区段故障的故障区间。

当输电线路发生故障后，故障电流行波将沿输电线路向两端传播，当其遇到特性阻抗不连续点时，会发生折反射，这样输电线路上检测到的行波是故障电流行波及其折反射波的电流行波时间序列。

输电线路发生故障后，在不同的检测位置检测到的电流行波时间序列是不一样的。记前向行波经反射和折射后依次到达检测点的时间为t_f1、t_f2…t_fN，记反向行波经反射或者折射后依次到达检测点的时间为t_b1、t_b2…t_bN。各个行波到达检测点的时间与第一个行波到达检测点的时间差值依次记为Δt_f1、Δt_f2…Δt_fN，Δt_b1、Δt_b2……Δt_bN。设输电线路首端为M，末端为N，输电线路总长度为L，检测点的位置为Y_i(i＝1，2，……)，检测点Y_i距线路首端M的距离记为L_Yi。故障点的位置为X，且在Y_i和Y_i+1之间。故障点X距首端M的距离记为L_x，则在非金属接地故障情况下故障电流行波网格图如图7所示。同时各个检测点检测到的行波序列与首个行波到达的时间差科分别表示为如式(14)、(15)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{t}_{b1}=0\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{b2}=2L_{\mathrm{Yi}}/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{b3}=2L_x/v\\ ......\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{f1}=2(L-L_x)/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{f2}=2(L-L_{\mathrm{Yi}})/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{f3}=2L/v\\ ......\end{array}\right.---\left(14\right),$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{t}_{f1}=0\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{f2}=2(L-L_{\mathrm{Yi}+1})/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{f3}=2(L-L_x)/v\\ ......\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{b1}=2L_x/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{b2}=4L_x/v\\ \mathrm{\&Delta;}{t}_{b3}=2(L-L_{\mathrm{Yi}+1}+L_x)/v\\ ......\end{array}\right.---\left(15\right)$

由式(14)、(15)可知，两式中任意两个独立的方程即可确定故障位置。

本发明综合各检测点检测的前两个行波波头到达的时间差，来完成故障定位，从而避免复杂的行波序列到达顺序的判定。

当故障发生在检测点Y_n和Y_n+1之间时，由式(14)、(15)可知，只需选择合适检测点的位置，就可确定Y_k ^(k≤n)点中Δt_f1和Δt_b2的先后顺序和Y_m ^(m≥n)中Δt_f2和Δt_b1的先后顺序，从而实现故障定位功能，用不等式表示为如式(16)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_x+L_{\mathrm{Ym}}<L\\ L_x+L_{\mathrm{Yk}}<L\\ L_{\mathrm{Yk}}<L_x<L_{\mathrm{Ym}}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{L}_x+L_{\mathrm{Ym}}>L\\ L_x+L_{\mathrm{Yk}}>L\\ L_{\mathrm{Yk}}<L_x<L_{\mathrm{Ym}}\end{array}\right.---\left(16\right),$

将式(16)简化后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{Yk}}<L_x<L_{\mathrm{Ym}}<L/2\\ L/2<L_{\mathrm{Yk}}<L_x<L_{\mathrm{Ym}}\end{array}\right.$ 或         (17)。

由式(17)可知，高压输电线路以L/2为界被分成上下两个半段，当有故障发生在两个检测点之间，且这两个检测点同时位于上半段或者下半段时，可确定前两个行波到达时间差对应的方程。因此用3组故障电流检测装置组即可完成故障电流的检测，其中一组安装在高压输电线路的中间位置处，另外两组分别位于输电线路两侧(可以选择离线路两端20km左右的位置)，如图8所示。

基于上述分析，当故障发生在故障内区段时：设故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间，且取n＝1、2时，定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，检测点Y_n距高压输电线路首端的距离为L_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}=2L_{Y1}/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2L_x/v\end{array}\right.(L_{Y1}<L_x<L_{Y2}<L/2)---\left(18\right),$ 以及

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2(L-L_x)/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3}=2(L-L_{Y3})/v\end{array}\right.(L/2\&le;L_{Y2}<L_x<L_{Y3})---\left(19\right)$

式(18)、(19)中，v为故障电流行波波速，可通过所述故障电流检测装置组在线测定。计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，即实现故障发生在故障内区段的故障定位功能。

当故障发生在故障外区段时：故障检测装置Y_n都位于故障点的同一侧，式(14)和式(15)只有一个成立，在此条件下的定位方程可表示为如式(20)、(21)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}=2L_x/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2L_x/v\end{array}\right.(L_x<L_{Y1})---\left(20\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2(L-L_x)/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3}=2(L-L_x)/v\end{array}\right.(L_{Y3}<L_x)---\left(21\right)$

由于式(20)、(21)为病态方程，因此，可用其检测到故障位置的平均值来作为故障位置，定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_x=\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2})v}{4}(L_x<L_{Y1})\\ L_x=L-\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3})v}{4}(L_{Y3}<L_x)\end{array}\right.---\left(24\right)$

式(24)中，v为故障电流行波波速。

计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，即实现故障发生在故障外区段的故障定位功能。

综上所述，本发明为解决行波测距时，互感器带宽限制及波速不确定的问题，在分析输电线路故障电流特性的基础上，利用不同检测点故障电流零序分量之间的偏离度和故障电流行波的第一个波头能量综合判断故障区间，分析检测点在不同的安装位置时其检测到故障行波及其反射、折射波的对应关系，并提出分布式单相接地故障测距系统故障所需检测点的数量及安装位置的要求，最终根据故障区间，选择对应的测距方程，从而得到故障点位置；且经仿真实验表明此分布式故障测距方法测距精度较高，具有较好的应用价值。

以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式单相接地故障测距系统，其特征在于，该系统包括：至少三组安装在高压输电线路的预设检测点处的故障电流检测装置组、一远程无线通信模块(1)和远程监控主站(2)；

所述的远程监控主站(2)通过远程无线通信模块(1)分别与所述的故障电流检测装置组连接的，并通过远程无线通信模块接收故障电流检测装置组采集的故障电流，远程监控主站根据预设检测点的位置数据以及高压输电线路的长度数据，比较分析后计算出最终的故障地点。

2.根据权利要求1所述的分布式单相接地故障测距系统，其特征在于，所述的故障电流检测装置组包括三个分别设置在高压输电线路的三根相线上的检测装置。

3.根据权利要求1所述的分布式单相接地故障测距系统，其特征在于，当故障电流检测装置组的数量为三组时，其中一组故障电流检测装置组安装在所述高压输电线路的中间位置。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的分布式单相接地故障测距系统的测距方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，设两个变电站之间的高压输电线路上有K个预设检测点，将K个故障电流检测装置组Y₁至Y_k分别安装在每个检测点处，其中K≥3；

步骤二，设所述变电站与相邻的检测点之间的高压输电线路为故障外区段，设所述位于首末的检测点之间的高压输电线路为故障内区段，所述远程监控主站根据所述故障电流检测装置组采集的各检测点故障电流确定故障发生在故障内区段或故障外区段的故障区间；

步骤三，

当故障发生在故障内区段时：设故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间，且取n＝1、2时，定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，检测点Y_n距高压输电线路首端的距离为L_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}=2L_{Y1}/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2L_x/v\end{array}\right.(L_{Y1}<L_x<L_{Y2}<L/2)$ 和 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}=2(L-L_x)/v\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3}=2(L-L_{Y3})/v\end{array}\right.(L/2\&le;L_{Y2}<L_x<L_{Y3})$

式中，v为故障电流行波波速，L为高压输电线路的总长度，

根据故障定位方程式，计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x；

当故障发生在故障外区段时：定义检测点Y_n处的故障电流检测装置组检测得到的前两个故障电流行波时间差为ΔT_Yn，且取n＝1、2、3，检测点Y_n距高压输电线路首端的距离为L_Yn，且取n＝1、2、3，故障点距高压输电线路首端的距离为L_x，并建立故障定位方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_x=\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y1}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2})v}{4}(L_x<L_{Y1})\\ L_x=L-\frac{(\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y2}+\mathrm{\&Delta;}{T}_{Y3})v}{4}(L_{Y3}<L_x)\end{array}\right.$

式中，v为故障电流行波波速，L为高压输电线路的总长度；

根据故障定位方程式，计算得到故障点距高压输电线路首端的距离为L_x。

5.根据权利要求4所述的分布式单相接地故障测距方法，其特征在于，所述步骤二包括：

所述远程监控主站建立各检测点故障电流的零序分量的欧氏距离矩阵A_(i，j)，

$A_{(i,j)}=\left(\begin{array}{ccccccc}{d}_{11}& d_{12}& ...& d_{1j}& d_{1(j+1)}& ...& d_{1k}\\ d_{21}& d_{22}& ...& d_{2j}& d_{2(j+1)}& ...& d_{2k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{i1}& d_{i2}& ...& d_{\mathrm{ij}}& d_{i(j+1)}& ...& d_{\mathrm{ik}}\\ d_{(i+1)1}& d_{(i+1)2}& ...& d_{(i+1)j}& d_{(i+1)(j+1)}& ...& d_{(i+1)k}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ d_{k1}& d_{k2}& ...& d_{\mathrm{kj}}& d_{k(j+1)}& ...& d_{\mathrm{kk}}\end{array}\right);$

定义故障点同侧的故障电流的零序分量之间的偏离度为d_ij，故障点两侧的故障电流的零序分量之间的偏离度为d_pq，根据欧氏距离矩阵A_(i，j)判断不等式组d_pq＞K₁d_ij是否完全成立，其中，1≤i，j≤n或n≤i，j≤k，且p＞n＞q或p＜n＜q，K₁为偏离安全系数，取大于1的实数；若完全成立，则确定故障发生在故障内区段，并得到对应的故障区间为检测点Y_n至Y_n+1之间，若不完全成立，则根据所述故障电流检测装置组检测到的故障电流行波的能量大小，确定故障发生在故障外区段的故障区间，其中，检测点距离故障点越近，故障电流行波的能量越大。

6.根据权利要求4所述的分布式单相接地故障测距方法，其特征在于，所述的故障电流行波波速v通过所述故障电流检测装置组测定。

Images