CN103293439B - 基于分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。本发明采用分布参数模型，选取故障距离初始值为l_x，以步长Δl逐次增加，依次计算输电线路上的每一点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)直至输电线路全长，选取分布参数测量阻抗幅值z(l_x)最小对应的点距输电线路保护安装处的距离为故障距离。本发明方法利用单相接地故障点对应的分布参数测量阻抗幅值达到最小原理实现输电线路单相接地故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端故障测距精度的影响，尤其是输电线路单相高阻接地故障时本发明方法能准确测量故障距离，具有很高的故障测距精度。<!--1-->

Description

基于分布参数测量阻抗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分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。

背景技术

从故障测距所用电气量来划分，故障测距方法可分为两大类：双端故障测距和单端故障测距。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，它需要通过通讯通道获取对端电气量，因此对通讯通道的依赖性强，实际使用中还易受双端采样值同步性的影响。单端故障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，单端故障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，提供一种测距精度不受分布电容电流、过渡电阻和负荷电流影响的基于分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法。

基于分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法，其特征在于，包括如下依序步骤：

（1）保护装置测量输电线路保护安装处的故障相电压、故障相电流、故障相负序电流和零序电流；其中，φ=A相、B相、C相；

（2）保护装置选取故障距离初始值为l_x，计算距离输电线路保护安装处l_x点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)：

$z\left(l_x\right)=\left|\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)}{({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)\sin (\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&theta;})}\sin \mathrm{\&alpha;}\right|$

其中，l_set为输电线路保护整定范围；Z_c1、Z_c0分别为输电线路正序波阻抗、零序波阻抗；β=Arg(Z_c1th(γ₁l_set))； $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}})$ ；Z₀为输电线路保护安装处的系统零序等值阻抗；th(.)为双曲正切函数；γ₁、γ₀分别为输电线路正序传播系数、零序传播系数； $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}}{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)})$ ；c为双曲余弦函数；sh(.)为双曲正弦函数；

（3）故障距离以步长Δl逐次增加，返回步骤（2），依次计算输电线路上的每一点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)直至输电线路全长，选取输电线路上分布参数测量阻抗幅值z(l_x)最小对应的点距输电线路保护安装处的距离为故障距离。

本发明与现有技术相比较，具有以下积极成果：

本发明方法物理模型采用分布参数模型，具有天然的抗分布电容电流影响的能力，适用于超/特高压输电线路。本发明方法利用单相接地故障点对应的分布参数测量阻抗幅值达到最小原理实现输电线路单相接地故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端故障测距精度的影响，尤其是输电线路单相高阻接地故障时本发明方法能准确测量故障距离，具有很高的故障测距精度。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为应用本发明的线路输电系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细表述。

图1为应用本发明的线路输电系统示意图。图1中CVT为电压互感器、CT为电流互感器。保护装置对输电线路保护安装处的电压互感器CVT的电压和电流互感器CT的电流波形进行采样得到电压、电流瞬时值，然后保护装置对其采集得到的电压、电流瞬时值利用傅里叶算法计算输电线路保护安装处的故障相电压、故障相电流、故障相负序电流和零序电流；其中，φ=A相、B相、C相。

保护装置选取故障距离初始值为l_x，计算距离输电线路保护安装处l_x点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)：

$z\left(l_x\right)=\left|\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)}{({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)\sin (\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&theta;})}\sin \mathrm{\&alpha;}\right|---\left(1\right)$

其中，l_set为输电线路保护整定范围；Z_c1、Z_c0分别为输电线路正序波阻抗、零序波阻抗；β=Arg(Z_c1th(γ₁l_set))； $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}})$ ；Z₀为输电线路保护安装处的系统零序等值阻抗；t为双曲正切函数；γ₁、γ₀分别为输电线路正序传播系数、零序传播系数； $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}}{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)})$ ；ch(.)为双曲余弦函数；sh(.)为双曲正弦函数；φ=A相、B相、C相。

故障距离以步长Δl逐次增加，反复利用式（1），依次计算输电线路上的每一点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)直至输电线路全长，选取分布参数测量阻抗幅值z(l_x)最小对应的点距输电线路保护安装处的距离为故障距离

本发明方法物理模型采用分布参数模型，具有天然的抗分布电容电流影响的能力，适用于超/特高压输电线路。本发明方法利用单相接地故障点对应的分布参数测量阻抗幅值达到最小原理实现输电线路单相接地故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端故障测距精度的影响，尤其是输电线路单相高阻接地故障时本发明方法能准确测量故障距离，具有很高的故障测距精度。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。

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.基于分布参数测量阻抗幅值特性线路单相接地故障单端测距方法，其特征在于，包括如下依序步骤：

（1）保护装置测量输电线路保护安装处的故障相电压、故障相电流、故障相负序电流和零序电流；其中，φ=A相、B相、C相；

（2）保护装置选取故障距离初始值为l_x，计算距离输电线路保护安装处l_x点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)：

$z\left(l_x\right)=\left|\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)}{({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)\sin (\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&theta;})}\sin \mathrm{\&alpha;}\right|$

其中，l_set为输电线路保护整定范围；Z_c1、Z_c0分别为输电线路正序波阻抗、零序波阻抗；β=Arg(Z_c1th(γ₁l_set)))； $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_{\mathrm{set}}\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}})$ ；Z₀为输电线路保护安装处的系统零序等值阻抗；th(.)为双曲正切函数；γ₁、γ₀分别为输电线路正序传播系数、零序传播系数； $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{Arg}(\frac{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}}{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-Z_{c1}\mathrm{th}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_0{l}_x\right)-Z_0\mathrm{ch}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}{Z_{c1}\mathrm{sh}\left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_x\right)}-1){\stackrel{.}{I}}_0)})$ ；ch(.)为双曲余弦函数；sh(.)为双曲正弦函数；

（3）故障距离以步长Δl逐次增加，返回步骤（2），依次计算输电线路上的每一点到单相接地故障点的分布参数测量阻抗幅值z(l_x)直至输电线路全长，选取输电线路上分布参数测量阻抗幅值z(l_x)最小对应的点距输电线路保护安装处的距离为故障距离。