CN102590694B

CN102590694B - 一种基于集中参数t模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法

Info

Publication number: CN102590694B
Application number: CN201210038396.XA
Authority: CN
Inventors: 束洪春; 梁琴琴; 董俊; 邬乾晋
Original assignee: Kunming Deshang Mining Technology Co ltd
Current assignee: Kunming Deshang Mining Technology Co ltd
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102590694A

Abstract

本发明涉及一种基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。当同杆双回输电线路发生故障时，在短时窗内，实测输电线路首、末两端M和N点的同向量α模电压u_M、u_N和电流i_M、i_N；然后分析同杆双回输电线路区内外同向量α模网络的特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，通过方程模拟计算输电线路末端N侧的电流；再计算末端N侧模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r，根据相关系数r识别同杆双回输电线路区内外故障。本发明利用测后模拟的时域算法进行区内外故障识别，具有可快速准确识别线路区内外故障、不受过渡电阻影响、灵敏度高、可靠性好等优点。

Description

一种基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

目前，同杆双回线路中广泛采用的保护有基于工频量和基于行波波头的区内外保护，但基于工频量的区内外保护为了得到所需的工频分量，还需要滤波算法，这自然需要很长的数据窗；基于行波波头的区内外保护行波信号的不易捕捉性和不可重复性限制了行波保护的可靠性。由于基于模型的时域保护原理具有从暂态到稳态的故障全过程数据都适用、无需经过时频域的转换、直接用采样点就可以进行保护算法，且所需数据窗极短等优点，将成为未来的一个发展趋势。

通过对同杆双回输电线路（集中参数T模型）区内外同向量α模网络的分析发现：当同杆双回输电线路发生区外故障时，在短数据窗内，线路两侧同向量α模电压电流量满足根据基尔霍夫电流定理列出的方程：；当发生区内故障时，同向量α模电压电流不满足方程。藉此，提出着眼于电流响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，通过实测线路首、末端的同向量α模电压和电流，分析交流输电线路（集中参数T模型）区内外同向量α模网络特性，计算末端模拟电流波形与实测电流波形的相关系数，实现对同杆双回输电线路区内外故障的快速、可靠的判断识别。

本发明的技术方案是：当同杆双回输电线路发生故障时，在短时窗内，实测输电线路首、末两端M和N点的同向量α模电压u _M 、u _N和电流i _M 、i _N，然后分析同杆双回输电线路（集中参数T模型）区内外同向量α模量网络特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，模拟计算线路末端N侧电流，再计算出末端N侧模拟电流波形与实测电流i _N波形的相关系数r，根据相关系数r识别同杆双回交流输电线路区内外故障。

本基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法的具体步骤是：

（1）同杆双回输电线路发生故障后，在短时窗内，实测同杆双回输电线路两端M和N点的同向量α模电压u _M、u _N和电流i _M、i _N ，然后根据实测得到的首端M侧同向量α模电压u _M、电流i _M，以及同向量α模电阻值R ₁、电感值L ₁、电容值C ₁，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，模拟计算出线路末端N侧电流；

（2）根据如下相关系数公式，计算线路末端N侧模拟电流波形与实测电流i _N波形的相关系数r：

；

式中，N ₁为测量数据窗长度，k表示第1,2,3……N ₁个采样点；r的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关；

（3）根据计算出的相关系数r，判断识别同杆双回输电线路的区内外故障；时，为区内故障；时，为区外故障。

本发明中，测量同杆双回输电线路两端电压电流时，短时窗的长度（数据采样时间长度）为2ms，采样频率为20kHz。

本发明的原理是：

1、同杆双回输电线路区内外故障特征的短窗描述

（1）同杆双回交流输电线路区外故障

同杆双回输电线路经相模变换后得到的同向量α模网如图2所示。当发生线路区外故障时，根据基尔霍夫电流定理，可将量测端M、N的电压电流同向量α模量的关系分别可表示为：

；

式中，R ₁为同向量α模电阻值，L ₁为同向量α模电感值，C ₁为同向量α模电容值。

观察上述方程式，在采样频率为20kHz、时窗长度为2ms的短时窗内，可将上述方程式改写为：

；

同杆双回输电线路发生区外故障时，运用线路两侧的实测电流i _M、i _N，由基尔霍夫电流定理列出的方程模拟计算出N侧电流，该模拟所得的电流波形与实测电流波形相正相关。

（2）同杆双回交流输电线路区内故障

当线路发生区内故障时，由于N端对故障点的助增的影响，用M端电气量计算故障点到N端的电流分布是虚假的，即N侧用u _M、i _M模拟计算的电流：

；

同杆双回输电线路发生区内故障时，同向量α模电压电流不满足基尔霍夫电流定理列出的方程。

2、利用测后模拟进行区内外故障识别的相关系数

利用相关系数来刻画模拟电流和实测电流的相关程度，构造同杆双回交流输电线路区内外故障的识别判据。

信号f(t)和g(t)的互相关函数的严格定义如下：

；

式中，T是平均时间，t是时间，τ为时差，表征其中一个信号在时间上移动（超前或滞后）τ时间。互相关函数表征两个信号的乘积的时间平均。

如果f(t)和g(t)是周期为T ₀的周期信号，则上式可以表示为：

；

将相关函数离散化，并排除信号幅度的影响，对相关运算做归一化。对于离散实测电流信号i(n)和模拟电流，相关函数可以表示为：

；

式中，N ₁为数据长度，j表征两个信号相差的采样点数，=0,1,2…n。当j取零时，上式可以表示为：

；

由此，可将模拟电流值与实测电流值的相关系数r表示为：

；

式中，N ₁为数据长度，k表示第1,2,3……N ₁个采样点。r的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关。

3、基于测后模拟的区内、区外故障的甄别

假设发生区内故障，采用线路实测同向量α模电压电流值u _M， i _M，由基尔霍夫电流定理方程模拟计算电流与实测电流i _N相比较；若假设为真，实测电流波形和模拟电流波形正相关；而当假设为假时，实测电流波形和模拟电流波形差异较大，且表现为负相关。即：若，则为区内故障；若，则为区外故障。

本发明通过对同杆双回交流输电线路（集中参数T模型）区内外同向量α模量附加网络的分析，根据基尔霍夫电流定理列出的方程，于短时窗内模拟计算出线路的N侧电流，并比较模拟侧电流与实测电流i _N波形的相似程度，判断线路M、N侧的同向量α模电压、电流是否满足方程，着眼于电流响应的测后模拟时域方法，实现对同杆双回输电线路区内外故障的判断识别。与现有技术相比，具有如下优点：

（1）利用测后模拟的时域算法进行区内外故障识别，在高阻故障时仍有很高的可靠性；

（2）采用测后模拟的区内外故障识别的时域方法，综合利用了每一频率分量的相位关系和幅值信息，克服了单一信息检测故障的缺陷；

（3）采用测后模拟的区内外故障识别算法实质是边界元件算法，传递信息仅为相关系数之极性。动作可靠性和灵敏性明显优于现有的差动保护。

附图说明

图1为本发明同杆双回输电系统结构示意图；图中，E_M、E_N为两端电源，k₁、k₂分别为反向区外故障和区内距M端为60km处发生IAG故障；

图2为本发明同杆双回输电线路经相模变换后得到的同向量α模网示意图；

图3为本发明同杆双回输电线路反向区外发生单相接地故障（图1中k₁点处）、过渡电阻为100Ω时，末端N侧实测电流i _N与模拟电流波形图；

图4为本发明同杆双回线路区内距M端200km处发生IAG故障（图1中k₂点处）、过渡电阻为100Ω时，末端N侧实测电流i _N与模拟电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。

实施例1：本方法应用于500kV交流同杆双回输电线路（输电系统结构如图1所示），采用频变线路模型，线路全长为300km。经相模变换后，同杆双回线同向量α模网如图2所示。

正方向区外距M端100km处发生单相接地故障（如图1中k₁点处），过渡电阻为100Ω。

当同杆双回输电线路发生故障时，在短时窗内，实测输电线路首、末两端M和N点的同向量α模电压u _M、u _N和电流i _M、i _N，然后分析同杆双回输电线路（集中参数T模型）区内外同向量α模量网络特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，模拟计算线路末端N侧电流，再计算出末端N侧模拟电流波形与实测电流i _N波形的相关系数r，根据相关系数r识别同杆双回交流输电线路区内外故障。具体方法和步骤是：

（1）同杆双回输电线路发生故障后，保护元件启动，取采样频率为20kHz、短时窗2ms，实测同杆双回输电线路两端M点和N点的同向量α模电压u _M、u _N和电流i _M、i _N(采样频率为20kHz)；然后根据同杆双回输电线路两端M点和N点的同向量α模实测电压u _M、u _N和电流i _M、i _N，以及同向量α模电阻值R ₁、电感值L ₁和电容值C ₁，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，通过该方程式计算得到末端N侧模拟电流波形（末端N侧实测电流i _N与模拟电流波形如图3所示）；

（2）再根据如下相关系数公式，计算线路末端N侧模拟电流波形与实测电流i _N波形的相关系数r：

；

式中，测量数据长度N ₁=40，k表示第1,2,3……N ₁个采样点；

（3）根据计算，得到N侧实测电流与模拟电流的相关系数为=0.778>0，据此判断为区外故障。

实施例2：本方法应用于500kV交流同杆双回输电线路（输电系统结构如图1所示），采用频变线路模型，线路全长为300km。经相模变换后，同杆双回线同向量α模网如图2所示。

同杆双回线路区内距M端200km处发生IAG故障（如图1中k₂点处），过渡电阻为100Ω。

取采样频率为20kHz、短时窗2ms，测量数据长度N ₁=40。按实施例1相同的方法，实测同杆双回输电线路两端M和N的同向量α模电压u _M 、u _N和电流i _M 、i _N，通过方程式，模拟计算得到线路末端N侧电流（末端N侧实测电流i _N与模拟电流波形如图4所示）。

计算模拟电流波形及其与实测电流i _N波形的相关系数，得到=-0.8172<0。由于相关系数r为负，据此判断为区内故障。

Claims

1.一种基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，其特征在于：当同杆双回输电线路发生故障时，在短时窗内，实测输电线路首、末两端M和N点的同向量α模电压u _M、u _N和电流i _M、i _N；然后分析同杆双回输电线路区内外同向量α模网络的特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，式中，R ₁为α模电阻值、L ₁为电感值、C ₁为电容值，模拟计算线路末端N侧的电流；再计算出末端N侧模拟电流波形与实测电流i _N波形的相关系数r，根据相关系数r识别同杆双回输电线路区内外故障。

2.根据权利要求1所述的基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，其特征在于测后模拟方法的具体步骤是：

（1）同杆双回输电线路发生故障后，在短时窗内，实测线路首、末两端M点和N点的同向量α模电压u _M、u _N和电流i _M、i _N ，然后根据实测得到的首端M侧同向量α模电压和电流u _M、i _M，以及同向量α模电阻值R ₁、电感值L ₁、电容值C ₁，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程，模拟计算线路末端N侧电流；

；

式中，N ₁为测量数据窗长度，k表示第1,2,3……N ₁个采样点；

（3）根据计算出的相关系数r，识别同杆双回输电线路的区内外故障；时，为区内故障；时，为区外故障。

3.根据权利要求1或2所述的基于集中参数T模型的同杆双回输电线路区内外故障测后模拟识别方法，其特征在于：测量同杆双回输电线路两端电压电流时，短时窗的长度为2ms，采样频率为20kHz。