CN104062547B - 一种t型输电网络的故障测距的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种T型输电网络的故障测距的方法及应用，T型输电网络有3条线路，分别记为L1、L2、L3；3个位于端部的能记录故障数据的节点，分别记为P1、P2、P3节点，以及1个故障数据无法记录的T节点，其中，线路采用简单的阻抗模型；当故障发生后，录波器会分别记录各端的故障波形，各录波器之间并未同步，具有一定的相位差；按以下步骤进行：故障起始点判断、对录波器采集的电气模拟量进行数字滤波、各正序分量计算、将T型输电网络简化为双端网络，并对各线路L1、L2、L3上的故障距离d1、d2、d3和修正系数k₁、k₂、k₃进行结果判定，得到正确的故障测距。并将T型输电网络的故障测距的方法应用到树形输电网络的多端故障测距。

Description

一种T型输电网络的故障测距的方法及应用

技术领域

本发明涉及一种T型输电网络的故障测距的方法及应用，属于电力系统故障测距技术领域。

背景技术

近年来，随着风力发电技术的迅速发展，大规模的风电并网接入使得风电场输电网络呈现出复杂的多分支树形结构。输电网络结构的复杂，导致电力系统事故发生的风险也随之提高，事故波及范围也相应增大，为了在故障发生后能尽快排除故障，恢复电力系统运行，需要快速、准确地进行故障测距。

根据数据来源划分，输电网络的故障测距原理总体上分为单端测距、双端测距和多端测距。其中，单端测距和多端测距这两种易受分支电路影响的测距原理会带来较大误差，而目前的多端测距受限于故障数据获取困难、数据需要同步、无专用软件等苛刻的前提条件，实际操作较为困难，目前也仅用于T接线这种仅有一个分支的简单网络。

因此，有必要寻找一种新型的多端故障测距方法，实现任意数量分支的树形结构输电网络的故障测距。

发明内容

针对目前各种测距方法难以在多分支树形结构输电网络中应用的问题，本发明提出了一种一种T型输电网络的故障测距的方法及应用，运用假设及递推的原理，将输电网络的多端故障测距简化为对输电线路的双端故障测距，从而可以利用成熟的双端故障测距方法。最后通过对测距结果的合理性判定，得出准确的故障测距结论。

下面先以如图1所示的T型输电网络为例介绍本发明所述的假设及递推原理、将输电网络的多端故障测距简化为对输电线路的双端故障测距的过程和测距结果的合理性判定方法。该T型输电网络有3条线路，分别记为L1、L2、L3；3个位于端部的能记录故障数据的节点，分别记为P1、P2、P3节点，以及1个故障数据无法记录的T节点，其中，线路采用简单的阻抗模型；当故障发生后，录波器会分别记录各端的故障波形，要注意的是各录波器之间并未同步，具有一定的相位差；

具体的步骤如下：

步骤一、故障起始点判断

为准确计算故障电压、电流，首先需要进行故障起始点的判断，其判据为：

||U(n)-U(n-N)|-|U(n-N)-U(n-2N)||≥ΔU (1)

||I(n)-I(n-N)|-|I(n-N)-I(n-2N)||≥ΔI (2)

其中，ΔU为电压扰动定值，ΔI为电流扰动定值，均取为0.1倍的额定值；n为当前采样点序号，N为每个工频周期内采样点的数量。

考虑到实际中采样存在误差，或者电压存在波动，在某些点采样错误，因此，需满足在半个周期内存在同条线路中连续的3个点均满足上述突变要求时，此时认为此条线路中第一采样点为故障起始点；

步骤二、数字滤波

在录波器中，首先要对一次设备的电气量模拟量进行采集，然后对这些采集的数据进行数字滤波，再对经过数字滤波的数字信号进行数学运算、逻辑运算，并进行分析判断，实现故障分析功能。

考虑到实际短路故障时，不仅有恒定的直流分量和各次谐波，还有衰减的直流分量，因此采用一阶差分全波傅立叶算法进行滤波；

步骤三、序分量选择

本发明所述的多端测距原理最终会简化为线路的双端测距，以利用成熟的双端测距算法。在双端测距算法中，事先不进行故障判相，且采用线路双端的序分量而不是相分量来进行计算，可选用正序、负序或零序分量。由于零序分量只在接地故障时才出现，三相短路时既无零序分量，也没有负序分量，而无论何种故障类型都存在正序分量，因此，本发明采用正序分量进行故障测距。

步骤四、网络简化

当故障发生在L1上，因为已知P1节点向L1看过去的向量，那么只需要知道从T节点向L1看过去的向量就可按照双端网络来进行故障分析了；

L2上没有故障，因此，由P2节点的电压、电流再结合L2的参数就可以推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(3\right)$

其中，为由P2、L2推出的T节点正序电压，为P2节点处的线路正序电压、正序电流，为L2的正序阻抗；

同理，由P3和L3也可推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(4\right)$

其中，为由P3、L3推出的T节点正序电压，为P3节点处的L3的电压、电流向量的正序分量，为L3的正序阻抗；

理论上讲，按两种路径推出的T节点的电压幅值应该一样，但是实际上受到录波准确度、线路模型准确度和线路参数准确度的影响，按两种方式推出的T节点的电压存在一定程度的幅值、相位差，因此，需要对结果进行修正；

目前，故障录波器的测量准确度均能达到0.5％的水平；线路采用分布参数模型，具有较高的准确度；线路的单位长度参数亦可准确估算。因此可以认为总的误差来源于对线路长度的评估，即需对每条线路乘以1个修正系数。

该修正系数的计算方法如下：

a)首先取T节点的正序电压幅值U_T为各推算正序电压幅值的平均值，即

U_T＝average(|U_T2|,|U_T3|) (5)

b)计算L2的修正系数k₂，使其满足

$U_T=|{\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2|---\left(6\right)$

c)同理，计算L3的修正系数k₃。

d)L1为所假设的故障线路，不参与修正，可以认为其修正系数k₁就为1。

令作为T节点的正序电压。如前所述，各录波器之间并未同步，因此，从T节点向L1看过去电流不能简单的将P2、P3处的电流相加，需要对各录波数据偏转一定的角度。

除了幅值相同之外，按两种路径推出来的T节点电压的相角也应相同。重新计算

${{\stackrel{*}{U}}^{\text{'}}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(7\right)$

${{\stackrel{*}{U}}^{\text{'}}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-k_3{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(8\right)$

其中，是考虑了修正系数之后T节点的推算电压。由于的相角为0，那么的相角即为P2、P3处正序电流向量应该偏转的角度，偏转之后的电流和即作为从T节点向L1看过去的正序电流。

可以看出，经过上述简化，1个T型网络的多端测距问题被简化为线路的双端测距问题。

步骤五、结果判定

由于事先并不知道故障发生在哪条线路上，因此分别假设故障发生L1、L2、L3上，并按照上述方法进行网络简化和测距，得到3组数据。每组数据中包含1个测距结果和1组线路修正系数，如下表所示。

表1测距数据表

表1中，d1、d2、d3为故障距离，假设故障线路对应修正系数为1。由于存在3组数据，因此需要对数据进行判定。

前面讲述过对线路长度进行修正的方法，而修正的时候是假设故障不在该线路上的情况下进行的，因此，长度修正的结果应该在1的附近。那么，当故障确实在该线路上(即与假设不符)时，计算出来的修正值会偏离1。因此，对每组数据，按下述公式计算可信度σ_j。

${\mathrm{\σ}}_j=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(k_i-1)}^2}---\left(9\right)$

其中，M为线路数量(本示例中M＝3)，σ_j为假设故障线路为L_j时的可信度，可信度的值越小，认为测距结果越合理，得到正确的故障测距。

利用所述的T型输电网络的故障测距的方法进行树形输电网络的多端故障测距应用，其特征在于：将实际的风电场输电网络呈现多分支树形结构分成若干个T型输电网络，再按照T型输电网络的故障测距的方法来假设及递推推算出该线路两端的数据，简化为双端测距。因此，本发明所述的多端故障测距方法是适用于具有任意数量分支的树形结构输电网络的。

本发明的特点：

1)采用故障电压、电流的正序分量进行故障测距，不需要事先判定故障类型。

2)在进行故障测距之前，不要求各端的故障录波数据同步，而是在假设及递推的过程中实现同步。

3)采用假设及递推的原理进行故障测距，无论树形结构输电网络的分支数量的多少，都不存在复杂的方程求解过程，故障测距流程简单、实用。

4)利用可信度进行分析结果判定，物理意义明确，可有效评估故障测距的准确度。

附图说明

图1为T型输电网络示意图。

图2为福大线一次接线图。

具体实施方式

下文结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种T型输电网络的故障测距的方法，T型输电网络有3条线路，分别记为L1、L2、L3；3个位于端部的能记录故障数据的节点，分别记为P1、P2、P3节点，以及1个故障数据无法记录的T节点，其中，线路采用简单的阻抗模型；当故障发生后，录波器会分别记录各端的故障波形，各录波器之间并未同步，具有一定的相位差；其特征在于按以下步骤进行：

步骤一、故障起始点判断

为准确计算故障电压、电流，首先需要进行故障起始点的判断，其判据为：

||U(n)-U(n-N)|-|U(n-N)-U(n-2N)||≥ΔU (1)

||I(n)-I(n-N)|-|I(n-N)-I(n-2N)||≥ΔI (2)

其中，ΔU为电压扰动定值，ΔI为电流扰动定值，均取为0.1倍的额定值；n为当前采样点序号，N为每个工频周期内采样点的数量。

考虑到实际中采样存在误差，或者电压存在波动，在某些点采样错误，需满足在半个周期内存在同条线路中连续的3个点均满足上述突变要求时，此时认为此条线路中第一采样点为故障起始点；

步骤二、数字滤波

在录波器中，首先要对一次设备的电气模拟量进行采集，然后对这些采集的数据进行一阶差分全波傅立叶算法滤波。

步骤三、序分量选择

采用正序分量进行故障测距。

步骤四、网络简化

当故障发生在L1上，因为已知P1节点向L1看过去的向量，那么只需要知道从T节点向L1看过去的向量就能按照双端网络来进行故障分析；

L2上没有故障，因此，由P2节点的电压、电流再结合L2的参数就能推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(3\right)$

其中，为由P2、L2推出的T节点正序电压，为P2节点处的线路正序电压、正序电流，为L2的正序阻抗；

同理，由P3和L3也能推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(4\right)$

其中，为由P3、L3推出的T节点正序电压，为P3节点处的L3的电压、电流向量的正序分量，为L3的正序阻抗；

理论上讲，按两种路径推出的T节点的电压幅值应该一样，但是实际上受到录波准确度、线路模型准确度和线路参数准确度的影响，按两种方式推出的T节点的电压存在一定程度的幅值、相位差，再对结果进行修正；

修正系数的计算方法如下：

a)首先取T节点的正序电压幅值U_T为二个推算正序电压幅值的平均值，即

U_T＝average(|U_T2|,|U_T3|) (5)

b)计算L2的修正系数k₂，使其满足

$U_T=|{\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2|---\left(6\right)$

c)同理，计算L3的修正系数k₃；

d)L1为所假设的故障线路，不参与修正，认为其修正系数k₁就为1；

令作为T节点的正序电压，如前所述，各录波器之间并未同步，因此，从T节点向L1看过去电流不能简单的将P2、P3处的电流相加，需要对各录波数据偏转一定的角度；

除幅值相同之外，按两种路径推出来的T节点电压的相角也应相同；重新计算

${{\stackrel{*}{U}}^{\text{'}}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(7\right)$

${{\stackrel{*}{U}}^{\text{'}}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-k_3{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(8\right)$

其中，是考虑修正系数之后T节点的推算电压，由于的相角为0，那么的相角即为P2、P3处正序电流向量应该偏转的角度，偏转之后的电流即作为从T节点向L1看过去的正序电流；

步骤五、结果判定

由于事先并不知道故障发生在哪条线路上，因此分别假设故障发生L1、L2、L3上，并重复上述步骤一、二、三、四进行网络简化和测距，得到3组数据，每组数据中包含1个测距结果，d1、d2、d3分别为L1、L2、L3的故障距离，k₁、k₂、k₃分别为L1、L2、L3的修正系数，假设故障线路对应修正系数为1，由于存在3组数据，因此需要对数据进行判定；

修正的时候是假设故障不在该线路上的情况下进行的，因此，长度修正的结果应该在1的附近；那么，当故障确实在该线路上，即与假设不符时，计算出来的修正值会偏离1；因此，对每组数据，按下述公式计算可信度σ_j；

${\mathrm{\σ}}_j=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(k_i-1)}^2}---\left(9\right)$

其中，M为线路数量，σ_j为假设故障线路为L_j时的可信度，可信度的值越小，认为测距结果越合理，得到正确的故障测距。

利用所述的T型输电网络的故障测距的方法进行树形输电网络的多端故障测距应用，其特征在于：将实际的风电场输电网络呈现多分支树形结构分成若干个T型输电网络，再按照T型输电网络的故障测距的方法来假设及递推推算出该线路两端的数据，简化为双端测距。

图2为吉林省电力调度控制中心管辖的福大线的一次接线图，包含5段线路：福大线1、福大线2、新艾里分线1、新艾里分线2、乐胜支线。福大线4个端部节点分别安装了故障录波装置，在故障发生时，记录故障数据，因此是已知故障数据的节点；福大线2个中间节点没有安装故障录波装置，因此是未知故障数据的节点。

下面以福大线1的故障为例介绍本发明的具体实施方式：

(1)按照发明内容所述方法分别对新艾里风电、乐胜风电、来福风电、大安变的故障录波数据进行故障起始点判断、数字滤波、正序分量计算，得到各端部节点的正序电压、电流。

(2)假设故障发生在福大线1上，按照发明内容所述方法，由乐胜风电和新艾里风电的正序电压、电流推算乐胜T接点的正序电压、电流，同时获得乐胜支线和新艾里风电2的修正系数；

(3)由来福风电和乐胜T接点的正序电压、电流推算新艾里T接点的正序电压、电流，同时获得福大线2和新艾里风电1的修正系数；

(4)将福大线1的修正系数置为1，结合其他各线路的修正系数计算福大线1故障的可信度σ₁；

(5)根据福大线1两端的正序电压、电流进行双端故障测距；

(6)依次假设故障发生在福大线2、新艾里分线1、新艾里分线2、乐胜支线，重复递推过程，得到福大线2、新艾里分线1、新艾里分线2、乐胜支线的可信度σ₂、σ₃、σ₄、σ₅，以及相应的故障测距结果；

(7)按照可信度由小到大的顺序进行排序，取可信度最小的故障测距结果为最终故障测距结果。

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 (3)

1.一种T型输电网络的故障测距的方法，T型输电网络有3条线路，分别记为L1、L2、L3；3个位于端部的能记录故障数据的节点，分别记为P1、P2、P3节点，以及1个故障数据无法记录的T节点，其中，线路采用简单的阻抗模型；当故障发生后，录波器会分别记录各端的故障波形，各录波器之间并未同步，具有一定的相位差；其特征在于按以下步骤进行：

步骤一、故障起始点判断

为准确计算故障电压、电流，首先需要进行故障起始点的判断，其判据为：

||U(n)-U(n-N)|-|U(n-N)-U(n-2N)||≥ΔU (1)

||I(n)-I(n-N)|-|I(n-N)-I(n-2N)||≥ΔI (2)

其中，ΔU为电压扰动定值，ΔI为电流扰动定值，均取为0.1倍的额定值；n为当前采样点序号，N为每个工频周期内采样点的数量；

考虑到实际中采样存在误差，或者电压存在波动，在某些点采样错误，需满足在半个周期内存在同条线路中连续的3个点均满足突变要求时，此时认为此条线路中第一采样点为故障起始点；

步骤二、数字滤波

在录波器中，首先要对一次设备的电气模拟量进行采集，然后对这些采集的数据进行数字滤波；

步骤三、序分量选择

采用正序分量进行故障测距；

步骤四、网络简化

当故障发生在L1上，因为已知P1节点向L1看过去的向量，那么只需要知道从T节点向L1看过去的向量就能按照双端网络来进行故障分析；

L2上没有故障，因此，由P2节点的电压、电流再结合L2的参数就能推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(3\right)$

其中，为由P2、L2推出的T节点正序电压，为P2节点处的线路正序电压、正序电流，为L2的正序阻抗；

同理，由P3和L3也能推出T节点的电压，即：

${\stackrel{*}{U}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(4\right)$

其中，为由P3、L3推出的T节点正序电压，为P3节点处的L3的电压、电流向量的正序分量，为L3的正序阻抗；

理论上讲，按两种路径推出的T节点的电压幅值应该一样，但是实际上受到录波准确度、线路模型准确度和线路参数准确度的影响，按两种方式推出的T节点的电压存在一定程度的幅值、相位差，再对结果进行修正；

修正系数的计算方法如下：

a)首先取T节点的正序电压幅值U_T为二个推算正序电压幅值的平均值，即

U_T＝average(|U_T2|,|U_T3|) (5)

b)计算L2的修正系数k₂，使其满足

$U_T=\left|{\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2\right|---\left(6\right)$

c)同理，计算L3的修正系数k₃；

d)L1为所假设的故障线路，不参与修正，认为其修正系数k1就为1；

令作为T节点的正序电压，如前所述，各录波器之间并未同步，因此，从T节点向L1看过去电流不能简单的将P2、P3处的电流相加，需要对各录波数据偏转一定的角度；

除幅值相同之外，按两种路径推出来的T节点电压的相角也应相同；重新计算

${{\stackrel{*}{U}}^{\′}}_{T2}={\stackrel{*}{U}}_2-k_2{\stackrel{*}{Z}}_2{\stackrel{*}{I}}_2---\left(7\right)$

${{\stackrel{*}{U}}^{\′}}_{T3}={\stackrel{*}{U}}_3-k_3{\stackrel{*}{Z}}_3{\stackrel{*}{I}}_3---\left(8\right)$

其中，是考虑修正系数之后T节点的推算电压，由于的相角为0，那么的相角即为P2、P3处正序电流向量应该偏转的角度，偏转之后的电流即作为从T节点向L1看过去的正序电流；

步骤五、结果判定

由于事先并不知道故障发生在哪条线路上，因此分别假设故障发生L1、L2、L3上，并重复上述步骤一、二、三、四进行网络简化和测距，得到3组数据，每组数据中包含1个测距结果，d1、d2、d3分别为L1、L2、L3的故障距离，k1、k2、k3分别为L1、L2、L3的修正系数，假设故障线路对应修正系数为1，由于存在3组数据，因此需要对数据进行判定；

修正的时候是假设故障不在该线路上的情况下进行的，因此，长度修正的结果应该在1的附近；那么，当故障确实在该线路上，即与假设不符时，计算出来的修正值会偏离1；因此，对每组数据，按下述公式计算可信度σ_j；

${\mathrm{\σ}}_j=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{(k_i-1)}^2}---\left(9\right)$

其中，M为线路数量，σ_j为假设故障线路为L_j时的可信度，可信度的值越小，认为测距结果越合理，得到正确的故障测距。

2.根据权利要求1所述的T型输电网络的故障测距的方法，其特征在于：所述步骤二对这些采集的数据进行一阶差分全波傅立叶算法滤波。

3.利用权利要求1或2所述的T型输电网络的故障测距的方法进行树形输电网络的多端故障测距应用，其特征在于：将实际的风电场输电网络呈现多分支树形结构分成若干个T型输电网络，再按照T型输电网络的故障测距的方法来假设及递推推算出该线路两端的数据，简化为双端测距。