CN103809079A - 一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统继电保护领域的一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法。本方法具体为：步骤1：采用如下公式计算电源和故障点之间的线路阻抗：步骤2：采用如下公式确定故障的具体位置：本发明方法在不需要知道短路点的故障电阻、暂态分量的波形和系统的阻抗，只需要知道线路的阻抗的情况下就可以进行计算，简单、快速、有效，很容易在实际电力系统中得到实现，并且不需要全球定位系统的同步服务，在当下发展迅速的直流输电系统中能很好地发挥其作用；这种方案在运行条件发生巨大变化时，仍然能适用于带有配电负载的线路，可以保持其高精确性。

Description

一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法。

背景技术

100多年前在电力应用之初，电力的生产与传输采用的都是直流（DC）。但是因为当时的技术条件，DC无法升压，这使得长距离输电的电压降问题无法解决。随着AC电机与变压器的应用，高压AC逐步取代了DC的地位，成为了电力传输与分配的主导。然而，在这100多年的应用中，AC的不足也逐渐的暴露出来。AC不适于电缆传输，长距离电缆的容升效应将使得空载末端电压高的无法接受；存在大量电能质量问题，使敏感型负荷无法正常运行，如三相不平衡、谐波、电压波动等问题；存在无功问题，需要大量额外设备提供无功电源，这样不仅增加了设备费用，无功电流的流动还增加的电能损耗。

而与AC相比，DC基本不存在上述问题。DC非常适于电缆传输，这对于当今的大城市配网供电是至关重要的；DC不需要三相传输，自然也就没有三相不平衡的问题；DC电流中只含有少量高层谐波，通过电容器滤除基本没有谐波问题。而DC电压波动的问题相对于AC更易解决，只需通过良好的控制和并联大量储能装置。DC没有无功问题，也消除了无功电流损耗。随着电力电子技术的不断发展，特别是全控型器件的商业化应用，高压直流的应用成为了现实。

与AC配网相比，DC配网不仅更适合新能源发电的接入，也更适合当前用电负荷的接入。城市配网负荷中最大一部分是电动机负荷，如空调冰箱等。根据国家节能减排的要求，电动机负荷开始加入变频环节，即先将AC整流成DC，然后再逆变成需要频率的AC。如果利用DC配网，将省去整流环节，提高了能源利用效率。还有越来越多的电脑设备、电动自行车、电动汽车等，本身就是直流设备，在DC配网中可以直接使用或只需DC/CD斩波器，而无需整流设备。

虽然直流配网具有如上所示的优势，然而目前关于直流电网的保护与测距技术并没有很好的适应电网的发展。直流输电网的测距技术以行波为主，线路中故障产生的电磁波向线路两端传播，通过测量行波多次到达测量端的时间差来判断故障距离。利用故障高频信号的行波测距法可以在输电线路中快速而又准确测得故障点的位置。然而应用在线路短、线路参数不统一、支路和节点多的配电网中，行波测距意味着极高的采样频率和采样精度，复杂的波头识别方法。目前来看，其在线测距不具备较好的实用性。

发明内容

针对上述现有直流配网测距技术存在的问题，本发明提出了一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法，其特征在于，本方法具体为：

步骤1：采用如下公式计算电源和故障点之间的线路阻抗：

$Z_x=\frac{V_2-V_1+I_2{Z}_t}{I_1+I_2}$

其中，V₁、I₁和V₂、I₂分别是测得的两个故障点的电压值和电流值；Z_t＝Z_x+Z_t-x，Z_t表示电源和负载之间线路的总阻抗，t表示线路的总长度，Z_x表示电源和故障点之间线路的阻抗，x表示测量点到故障点的距离，Z_t-x表示剩余线路的阻抗，t-x表示剩余线路的长度；

步骤2：采用如下公式确定故障的具体位置：

其中，Z₀为已知量，表示线路单位长度的阻抗值。

发明的有益效果：本发明方法在不需要知道短路点的故障电阻、暂态分量的波形和系统的阻抗，只需要知道线路的阻抗的情况下就可以进行计算，简单、快速、有效，很容易在实际电力系统中得到实现，并且不需要全球定位系统的同步服务，在当下发展迅速的直流输电系统中能很好地发挥其作用；这种方案在运行条件发生巨大变化时，仍然能适用于带有配电负荷的线路，可以保持其高精确性，可以做到将定位时间限制在4ms之内，定位精度精确到1m之内。

附图说明

图1是带有接地故障的示意电路图；

图2是本方法采用的非基频信号的戴维宁等值电路；

图3是实验系统电路图；

图4是SY型电缆的横剖面；

图5（a）是电源侧测量的故障电压和故障电流值；

图5（b）是负载侧测量的故障电压和故障电流值；

图5（c）是不同故障下测量线路电抗值与实际值比较结果。

具体实验方式

下面根据附图和具体实施例对本发明方法作进一步的说明。

本发明方法的基本原理可以通过一个带有故障的示意电路图来说明，如图1所示。其中V_DC表示系统的直流电压源，Z_s表示系统的内阻抗，Z_load表示负载阻抗，Z_t表示电源和负载之间线路的总阻抗，t表示线路的总长度，Z_x表示电源和故障点之间线路的阻抗，x表示测量点到故障点的距离，Z_t-x表示剩余线路的阻抗，t-x表示剩余线路的长度。

短路故障可以认为是由故障点的暂态电压源引起的电压和电流的暂态过程，其中包含频率范围很宽的信号。电源的戴维宁等值电路是一个简单电路，只有电源阻抗，线路阻抗和负载阻抗，非基频信号的戴维宁等值电路如图2所示。

在图2中，由故障暂态电压V_f提供非基频暂态电压分量，R_f表示故障电阻。设置两个测量点，分别位于电源端和负载端。在故障情况下每个测量点的电流和电压值都可以测到。借助图2中的电路，由基尔霍夫电流定律可以得出：

V₁+I₁Z_x＝V₂+I₂Z_t-x     （1）

其中，V₁、I₁和V₂、I₂分别是图2中两测量点测得的电压值、电流值。

线路的总阻抗Z_t＝Z_x+Z_t-x。

因此本发明方法的具体步骤为：

步骤1：采用如下公式计算电源和故障点之间的线路阻抗：

$Z_x=\frac{V_2-V_1+I_2{Z}_t}{I_1+I_2}---\left(2\right)$

步骤2：采用如下公式确定故障的具体位置（电源和故障点之间的距离）：

其中，Z₀表示线路单位长度的阻抗值，Z₀必须在故障位置被估算出来之前就知晓，即Z₀通过预先测量得知。

一般故障通常都会有一定的故障电阻，对传统故障定位而言，故障电阻会影响故障定位的精度，但由上述公式可知，本发明方法不受故障电阻的影响。

下面用如图3所示实验电路来对本发明方法进行验证。该实验电路由桥式DC电源，配电电缆，负载电阻组成。桥式DC电源可以提供的最高电流为40A，当故障时电流超过允许电流，DC电源自带的保护将跳闸，因此实验中的故障电流被控制在40A以内。正常情况下电缆故障电阻通常是一个较小的值，同时故障电流较大（几百安培甚至上千安培）。然而实验室条件无法达到那样的大电流，考虑到线路以及负载所能承受的最大电流，所以故障电流最终被控制在10A，以保证输出电流在实验仪器可以承受的范围之内。

配电电缆包括两条10m和一条1m的SY型电缆（与飞机中使用的输电电缆有相似的阻抗范围），将短路故障分别加载在距离测量点0m，10m，20m和21m处，即图3中的C1，C2，C3和C4处，以产生线路上不同位置处的短路故障，由分别位于线路首端和末端的C1和C4处的测量装置测得电压值和电流值。系统在配电线路末端接有6.8Ω的负载电阻。

本实验中使用的SY型电缆的横剖面如图4所示。电缆被切成不同的长度：1.2m，2m，5m和10m，将1000Hz和1500Hz下的正弦型电流6A和8A注入电缆，通过使用阻抗测量装置来校准电缆的阻抗。这种校准方法的结果差别很小，在7%以内。

由于不同电缆之间的互感存在差异，线路的相邻两相的相间电感（如图4中灰色和黑色电缆）要比不相邻两相的相间电感（如图4中灰色和蓝色电缆）小。但是，SY型电缆的电阻不会随着缆心位置的变化而改变。每米电缆的相邻两相电感值和不相邻的两相电感值大约是0.63μH和0.85μH，每米的电阻值约为7.16mΩ。通过比较不同长度电缆的结果，发现电缆的阻抗值会随着长度的增加而线性增加，所以本发明方法在电缆中的定位具有可行性。

故障测试包括相间故障和接地故障。无论供电电源是交流还是直流，通过本发明方法都能取得很高的准确度。本发明采用直流电压源，其中，将1Ω的故障电阻加在相间（棕色和黑色），为了限制故障电流在10A以内，采用了10V的直流电压，如图5（a）、5（b）所示分别为电源侧和负载侧测量的故障电压和故障电流值。如图5（c）所示为不同故障下测量线路电抗值与实际值比较结果，可以看出阻抗的计算值（实线）与校准值（虚线）在1m的误差范围相吻合。当故障电阻增加时，误差也会随之略微增加，但仍然保持在误差的允许范围内。

因此，本发明方法可以在不需要知道短路点的故障电阻、暂态分量的波形和系统的阻抗，只知道线路阻抗的情况下进行计算，并且允许故障电阻在较大的范围内变化（约从0到接近负荷电阻值）。所以本发明方法在工程上适用范围广泛，能够快速有效地在实际系统中实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种适用于直流配电网络的双端高频阻抗式故障测距方法，其特征在于，本方法具体为：

步骤1：采用如下公式计算电源和故障点之间的线路阻抗：

$Z_x=\frac{V_2-V_1+I_2{Z}_t}{I_1+I_2}$

其中，V₁、I₁和V₂、I₂分别是测得的两个故障点的电压值和电流值；Z_t＝Z_x+Z_t-x，Z_t表示电源和负载之间线路的总阻抗，t表示线路的总长度，Z_x表示电源和故障点之间线路的阻抗，x表示测量点到故障点的距离，Z_t-x表示剩余线路的阻抗，t-x表示剩余线路的长度；

步骤2：采用如下公式确定故障的具体位置：

其中，Z₀为已知量，表示线路单位长度的阻抗值。

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