CN104849625A - 含有环形网络的电网系统的故障点定位方法及电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算含有环形网络的电网系统中的故障点的方法以及一种具有故障点定位功能的电网系统。该方法包括以下步骤：确定故障线路L_(k-1)k；检测故障线路L_(k-1)k两端的暂态电压du_(k-1)和du_k；计算与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_lf；步骤四、计算与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_qf；步骤五、计算该故障线路L_(k-1)k上的故障点距离母线M_k的长度l。电网系统包括多台发电机组、多条母线、多条输电线路以及故障录波单元。通过本发明的系统和方法能够实现短路故障点的精确定位，同时结果不受系统运行方式和过渡电阻的影响。

Description

含有环形网络的电网系统的故障点定位方法及电网系统

技术领域

本发明涉及电力领域，具体涉及一种含有环形网络的电网系统的故障点定位方法及电网系统。

背景技术

目前，现有的传统高压输电线路故障定位方法大致可分为行波定位和基于电气量定位两大类。行波法是当高压输电线路发生故障时，故障点处产生的暂态行波沿线路向周围传播的过程中会出现一定的时间延时来定位故障的。基于电气量定位是指在不考虑线路对地电容和电导情况下，利用测量的电压、电流量求出故障回路中的阻抗值，从而计算出故障点与某测点的距离来实现故障定位。其中，该方法又可以细分为单端法和双端法两种。

行波法定位速度快，精度高，不受过渡电阻、线路类型及系统运行方式的影响；但是，它显著的缺点是定位结果不可靠，且存在硬件造价高等问题。

基于电气量定位方法主要是针对辐射形线路的故障点定位，并不考虑电网的实际结构。由于高压电网中的输电线路多数是以环形网络方式运行的，因此利用单端或双端信息定位短路故障点的方法难以适应环形网络结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有环形网络的电网系统故的故障点定位方法以及一种具有故障点定位功能的电网系统，以解决故障点定位不可靠的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种含有环形网络的电网系统故的故障点定位方法，所述电网系统包括多台发电机组、多条母线以及多条输电线路，其中部分母线通过部分输电线路连接形成环形网络，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定故障线路L_(k-1)k，其中，所述故障线路L_(k-1)k的一端连接到母线M_k，所述故障线路L_(k-1)k的另一端连接到母线M_k-1；

步骤二、检测故障线路L_(k-1)k两端的暂态电压du_(k-1)和du_k，其中，du_(k-1)为靠近母线M_k-1一端的电压，du_k为靠近母线M_k一端的电压；

步骤三、计算与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_lf，k_lf＝∑k_il；

步骤四、计算与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_qf，k_qf＝∑k_iq；

步骤五、计算所述故障线路L_(k-1)k上的故障点距离母线M_k的长度l，式中，L_k(k-1)为输电线路L_(k-1)k的长度。

较佳地，所述电压变化率通过以下公式计算：以输电线路L_mn为例，式中，式中，du_m和du_n分别为输电线路L_mn两端的暂态电压，l_mn为输电线路L_mn的长度，R₀为输电线路L_mn的单位长度的电阻，di为流经输电线路L_mn的暂态电流量，L₀为输电线路L_mn的单位长度的电感，dt为时间。

较佳地，所述电网包括6条母线M₁～M₆，6条输电线路L₁₂、L₂₃、L₃₄、L₃₅、L₅₆和L₂₅，母线M₂、M₃和M₅通过输电线路L₂₃、L₂₅和L₃₅连接形成三角形环形网络，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定故障线路，以输电线路L₂₃为故障线路为例，其中，母线M₂和母线M₃分别连接在输电线路L₂₃的两端；

步骤二、检测故障线路L₂₃两端的暂态电压du₃、du₄，其中，du₃为靠近母线M₂一端的暂态电压，du₄为靠近母线M₃一端的暂态电压；

步骤三、计算与母线M₂连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_3f，其中K_3f＝K₂₁+K₂₅；

步骤三、计算母线M₃连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_4f，其中，K_4f＝K₃₄+K₃₅；

步骤四、通过以下公式计算所述故障线路L₂₃上的故障点f距离母线M₂的距离l， $l=\frac{{\mathrm{du}}_4-{\mathrm{du}}_3+(k_{34}+k_{35})L_{23}}{k_{21}+k_{25}+k_{34}+k_{35}}.$

根据本发明的另一方面，还提供了一种电网系统，具有故障点定位功能，所述电网系统包括多台发电机组、多条母线、多条输电线路以及故障录波单元，其中每一台发电机组连接到一条母线或每两台发电机组连接到一条母线，部分母线通过部分输电线路连接形成环形电网；所述故障录波单元包括故障录波器、测量装置以及通讯线；其中所述测量装置设置于每一条所述输电线路的两端；所述通讯线的一端连接所述测量装置，所述通讯线的另一端连接所述故障录波器；以及所述故障录波器设置成执行如权利要求1所述的步骤二～步骤五。

较佳地，所述故障录波器包括MMI模块，所述MMI模块用来存储所有测量单元检测的暂态电压和暂态电流。

较佳地，所述故障录波器还包括录波CPU模块，所述录波CPU模块以32位嵌入式微处理器系统及工业级总线为核心，并包括DSP部分和CPU部分。

较佳地，所述故障录波器包括MMI模块，所述MMI模块采用嵌入式32位处理器，并具有Windows的图形化界面，用来完成稳态录波、故障录波及实时监控功能。

较佳地，所述通讯线为RS485。

较佳地，所述电网系统包括6条母线，6条输电线路，其中3条母线通过3条输电线路连接形成三角形环形网络。

本发明的系统和方法能够实现短路故障点的精确定位，同时结果不受系统运行方式和过渡电阻的影响，广泛适用于35kV～500kV的高压输电线路。

附图说明

图1是具有故障点定位功能的多机电网系统示意图；

图2是具有故障点定位功能的两机电网系统示意图；

图3是故障录波单元的连接示意图；以及

图4是故障录波器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

术语说明

暂态分量：系统网络结构变化时，网络中电感、电容等储能元件而产生的电气量；它随指数规律衰减，过渡过程结束后不再存在。

故障选相：当输电线路发生故障时，保护装置除能够测量出故障距离外，还能选出故障的相别，即故障选相。

电流互感器(CT)：它是由闭合的铁心和绕组组成，它的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。

电压互感器(PT)：它是带铁心的变压器，它的作用是将交流高电压转化成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。

发电机组(G)：是将其它形式的能转化为电能的电气设备。

变压器(T)：利用电磁感应原理，将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能的装置。

母线(M)：在发电厂和变电所的各级电压配电装置中，指将发电机、变压器与各种电气设备连接起来的导线，起到汇集和分配电能的作用。

输电线路(L)：指用绝缘子以及相应金具将导线及架空地线悬空架设在杆塔上，连接发电厂和变电站，以实现输送电能为目的的电力设施。主要由导线、架空线路、绝缘子、金具、杆塔等组成。

图1为具有故障点定位功能的电网系统示意图。如图1所示，具有故障点定位功能的电网系统(下文简称电网系统)包括发电机组G₁、G₂……、G_K1、G_k2、……G_n，变压器T₁、T₂、……T_k1、T_k2、……T_n，母线M₁、M₂、……M_i、……M_k-1、M_k、……、M_n，输电线路L₁₂、L_2i、L_ik、L_(k-1)k、……L_1n，其中，虚线的位置表示可能存在多条母线和多条输电线路。

发电机组G₁与变压器T₁电连接，发电机组G₂与变压器T₂电连接，……，发电机组G_k-1与变压器T_k-1电连接，发电机组G_k1与变压器T_k1电连接，发电机组G_n与变压器T_n电连接，变压器T₁～T_n分别连接到一条母线上，母线M₁～M_n通过输电线路连接形成n边形环形网络。n边形环形网络上的每一条母线分别与连接到变压器上的母线通过输电线路电连接。在每一条输电线路的两端设置测点(图未示)，每一个测点设置一个测量单元，下文将详细描述。

如图2所示，具有故障点定位功能的电网系统还包括故障录波单元，故障录波单元包括故障录波器、通讯线以及测量装置，测量装置由电流互感器(CT)和电压互感器(PT)等组合而成，并分别用于检测各个测点的暂态电压和暂态电流，其中电流互感器(CT)用来采集暂态电流，电压互感器(PT)用来采集暂态电压，并通过通讯线将该暂态电压和暂态电流传送给故障录波器，在本实施例中，通讯线为RS485或光纤。

本发明解决的是在确定了故障线路的情况下如何确定故障点在故障线路上的具体位置的问题。

因此，如图1所示，根据本发明的一个方面，以输电线路L_(k-1)k发生短路故障为例来说明本发明的故障点定位方法。

与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率为k_lf，与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率为k_qf，其中

k_lf＝∑k_il  (1)

k_qf＝∑k_iq  (2)

根据故障点处电压相等的原则，有

du_k+k_lfl＝du_(k-1)+k_qf(L_k(k-1)-l)  (3)

式中l是故障点距离母线M_k的距离。

通过式(1)～式(3)可得：

故障线路L_(k-1)k中故障点的距离l的具体表达式

$l=\frac{{\mathrm{du}}_{(k-1)}-{\mathrm{du}}_k+k_{\mathrm{qf}}{L}_{k(k-1)}}{k_{\mathrm{lf}}+k_{\mathrm{qf}}}---\left(4\right)$

利用式(4)即可以实现多边形环形网络中故障点的精确定位。

下面参考图2对本发明的方法的具体步骤进行说明。

步骤一、确定故障线路L_(k-1)k，其中，所述故障线路L_(k-1)k的一端连接到母线M_k，所述故障线路L_(k-1)k的另一端连接到母线M_k-1；

步骤二、检测故障线路L_(k-1)k两端的暂态电压du_(k-1)和du_k，其中，du_(k-1)为靠近母线M_k-1一端的电压，du_k为靠近母线M_k一端的电压；

步骤三、计算与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_lf，k_lf＝∑k_il；

步骤四、计算与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_qf，k_qf＝∑k_iq；

步骤五、计算所述故障线路L_(k-1)k上的故障点距离母线M_k的输电线路L_(k-1)k的长度l，式中，l_k(k-1)为输电线路L_(k-1)k的长度。

其中，电压变化率通过以下公式计算：

以输电线路L_mn为例，式中，du_m和du_n分别为输电线路L_mn两端的暂态电压。

在本发明中，步骤二～步骤五通过设置在故障录波器中的电路来执行。

因此，根据本发明的另一个方面，还公开了一种具有故障点定位功能的电网系统，包括多台发电机组、多条母线以及多条输电线路，其中部分母线通过部分输电线路连接形成环网；该故障录波单元包括故障录波器、测量装置以及通讯线；其中该测量装置设置于每一条输电线路的两端；该通讯线的一端连接该测量装置，该通讯线的另一端连接该故障录波器；以及该故障录波器设置有检测故障线路L(k-1)k两端的暂态电压du_(k-1)和du_k的电路，其中，du_(k-1)为靠近母线M_k-1一端的电压，du_k为靠近母线M_k一端的电压；设置有计算与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_lf的电路；设置有计算与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_qf的电路；设置有计算该故障线路L_(k-1)k上的故障点距离母线M_k的长度l的电路。

下面结合图3说明本发明的方法在含有三角形环形网络的电网系统中的应用。

如图3所示，包含三角形环形网络的电网系统(下文简称电网系统)包括两台发电机组G₁、G₂，两台变压器T1、T2，6条母线M₁～M₆，6条输电线路L₁₂、L₂₃、L₃₄、L₂₅、L₃₅、L₅₆，以及故障录波单元(如图4所示)。

其中，在每一条输电线线路的两端都设置测点，6条输电线路一共设置12个测点C₁～C₁₂，具体为测点C₁和测点C₂分别位于输电线路L₁₂的两端，即靠近母线M₁的一端设置测点C₁，靠近母线M₂的一端设置测点C₂，测点C₃和测点C₄分别设置于输电线路L₂₃的两端，即靠近母线M₂的一端设置测点C₃，靠近母线M₃的一端设置测点C₄，测点C₅和测点C₆分别设置于输电线路L₃₄的两端，即靠近母线M₃的一端设置测点C₅，靠近母线M₄的一端设置测点C₆，测点C₇和测点C₈分别设置于输电线路L₂₅的两端，即靠近母线M₂的一端设置测点C₇，靠近母线M₅的一端设置测点C₈，测点C₉和测点C₁₀分别设置于输电线路L₃₅的两端，即靠近母线M₃的一端设置测点C₉，靠近母线M₅的一端设置测点C₁₀，测点C₁₁和测点C₁₂分别设置于输电线路L₅₆的两端，即靠近母线M₅的一端设置测点C₁₁，靠近母线M₆的一端设置测点C₁₂。

如图4所示，故障录波单元包括故障录波器、通讯线以及12个测量装置，其中，12个测量装置由电流互感器(CT)和电压互感器(PT)等组合而成，分别用于检测12个测点C₁～C₁₂的暂态电压和暂态电流，电流互感器(CT)用来采集暂态电流，电压互感器(PT)用来采集暂态电压，并通过通讯线与将该电压和电流传送给故障录波器。在本实施例中，该通讯线为RS485或光纤。

发电机组G₁的输出端连接到变压器T₁的输入端，变压器T₁的输出端连接到母线M₁，母线M₁通过输电线路与母线M₂电连通，母线M₂与母线M₃电联通，发电机组G₂的输出端与变压器T₂的输入端电连通，变压器T₂的输出端连接到母线M₄，母线M₄与母线M₃通过输电线路L₃₄电连通。母线M₂与母线M₅通过输电线路L₂₅电连通，母线M₅与母线M₃通过输电线路L₃₅电连通，母线M₆与母线M₅通过输电线路L₅₆电连通，从而母线M₂、母线M₃以及母线M₅通过输电线路L₂₃、L₂₅以及L₃₅构成三角形环形网络。

假设输电线路L₂₃发生短路故障，测点C_i的暂态电压峰值为du_i，l为故障点到母线M₂的距离(i是常数)。

为了方便说明故障定位的具体过程，定义变量k是输电线路暂态电压量的电压变化率，表达式如式(1)所示。

$k_{\mathrm{mn}}=\frac{{\mathrm{du}}_m-{\mathrm{du}}_n}{l_{\mathrm{mn}}}=R_0\mathrm{di}+L_0\frac{d\left(\mathrm{di}\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中R₀、L₀——单位长度输电线路的电阻、电感；di——输电线路L_mn上流经的电流。

从式(1)中可以看出，变量k与输电线路上流经的电流有关，与线路的长度无关。当同一类型线路的基尔霍夫电流定律(KCL)同样适合于在本发明定义的变量k。对于母线M₂、M₃分别列些KCL方程，进一步得到线路L_pq中故障点左侧线路、右侧线路的变量k_3f、k_4f分别为

k_3f＝k₂₁+k₂₅(2)

k₄f＝k₃₄+k₃₅(3)

根据故障点处电压相等的原则，得出

du₃+k_3fl＝du₄+k_4f(L₂₃-l)(4)

通过式(2)―式(4)可以得出计算故障线路L₂₃中短路故障点的距离l表达式：

$l=\frac{{\mathrm{du}}_4-{\mathrm{du}}_3+(k_{34}+k_{35})L_{23}}{k_{21}+k_{25}+k_{34}+k_{35}}.$

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种含有环形网络的电网系统的故障点定位方法，其特征在于，所述电网系统包括多台发电机组、多条母线以及多条输电线路，其中部分母线通过部分输电线路连接形成环形网络，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定故障线路L_(k-1)k，其中，所述故障线路L_(k-1)k的一端连接到母线M_k，所述故障线路L_(k-1)k的另一端连接到母线M_k-1；

步骤二、检测故障线路L_(k-1)k两端的暂态电压du_(k-1)和du_k，其中，du_(k-1)为故障线路L_(k-1)k上靠近母线M_k-1一端的电压，du_k为故障线路L_(k-1)k上靠近母线M_k一端的电压；

步骤三、计算与母线M_k连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_lf，k_lf＝∑k_il；

步骤四、计算与母线M_k-1连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_qf，k_qf＝∑k_iq；

步骤五、计算所述故障线路L_(k-1)k上的故障点距离母线M_k的长度l，式中，L_k(k-1)为输电线路L_(k-1)k的长度。

2.根据权利要求1所述的故障点定位方法，其特征在于，所述电压变化率K通过以下公式计算：

以输电线路L_mn为例， $k_{\mathrm{mn}}=\frac{{\mathrm{du}}_m-{\mathrm{du}}_n}{l_{\mathrm{mn}}}=R_0\mathrm{di}+L_0\frac{d\left(\mathrm{di}\right)}{\mathrm{dt}};$

式中，

du_m和du_n分别为输电线路L_mn两端的暂态电压，

l_mn为输电线路L_mn的长度，

R₀为输电线路L_mn的单位长度的电阻，

di为流经输电线路L_mn的暂态电流量，

L₀为输电线路L_mn的单位长度的电感，

dt为时间。

3.根据权利要求1所述的故障点定位方法，其特征在于，所述电网包括6条母线M₁～M₆，6条输电线路L₁₂、L₂₃、L₃₄、L₃₅、L₅₆和L₂₅，母线M₂、M₃和M₅通过输电线路L₂₃、L₂₅和L₃₅连接形成三角形环形网络，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定故障线路，以输电线路L₂₃为故障线路为例，其中，母线M₂和母线M₃分别连接在输电线路L₂₃的两端；

步骤二、检测故障线路L₂₃两端的暂态电压du₃、du₄，其中，du₃为靠近母线M₂一端的暂态电压，du₄为靠近母线M₃一端的暂态电压；

步骤三、计算与母线M₂连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_3f，其中K_3f＝K₂₁+K₂₅；

步骤四、计算母线M₃连接的所有非故障线路的电压变化率之和K_4f，其中，K_4f＝K₃₄+K₃₅；

步骤五、通过以下公式计算所述故障线路L₂₃上的故障点f距离母线M₂的距离l， $l=\frac{{\mathrm{du}}_4-{\mathrm{du}}_3+(k_{34}+k_{35})L_{23}}{k_{21}+k_{25}+k_{34}+k_{35}}.$

4.一种电网系统，具有故障点定位功能，其特征在于：

所述电网系统包括多台发电机组、多条母线、多条输电线路以及故障录波单元，其中每一台发电机组连接到一条母线或每两台发电机组连接到一条母线，部分母线通过部分输电线路连接形成环形电网；

所述故障录波单元包括故障录波器、测量装置以及通讯线；其中

所述测量装置设置于每一条所述输电线路的两端；

所述通讯线的一端连接所述测量装置，所述通讯线的另一端连接所述故障录波器；以及

所述故障录波器设置成执行如权利要求1所述的步骤三～步骤五。

5.根据权利要求4所述的电网系统，其特征在于，所述故障录波器包括MMI模块，所述MMI模块用来存储所有测量单元检测的暂态电压和暂态电流。

6.根据权利要求4所述的电网系统，其特征在于，所述故障录波器还包括录波CPU模块，所述录波CPU模块以32位嵌入式微处理器系统及工业级总线为核心，并包括DSP部分和CPU部分。

7.根据权利要求4所述的电网系统，其特征在于，所述故障录波器包括MMI模块，所述MMI模块采用嵌入式32位处理器，并具有Windows的图形化界面，用来完成稳态录波、故障录波及实时监控功能。

8.根据权利要求4所述的电网系统，其特征在于，所述通讯线为RS485。

9.根据权利要求4所述的电网系统，其特征在于，所述电网系统包括6条母线，6条输电线路，其中3条母线通过3条输电线路连接形成三角形环形网络。