CN105445622B - 一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法 - Google Patents

一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法。采用的技术方案是：获取零序电压正弦曲线。将最大一相电压做窗口滑动，将各项电压正弦曲线叠加处理得到的零序电压与真实零序电压正弦曲线进行比较，得到一个最小的相角，此相角即为电压最大相的相位偏移量相角。同理，可求得发生故障时获取到电流最小相的相位偏移量相角。根据电压最大相的相位偏移量相角和电流最小相的相位偏移量相角以及线路的每公里电阻率，可算出零序阻抗并求得线路阻抗。最后利用线路阻抗、零序阻抗、线路的每公里电阻率、线路的每公里阻抗率，通过阻抗测距法，便可求得故障位置。经过改良后的阻抗测距法通过实际验证，较好的解决了原有的阻抗测距法精度不高的问题。

Description

一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法
技术领域
本发明涉及一种在电力35KV输电线路上查找故障点的方法，是基于预测相移技术改良的一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法。
背景技术
目前常用的输电线路故障定位技术有一类是阻抗测距法。阻抗法是一种单端故障测距方法，它与阻抗继电器的基本原理相同，是根据故障时测量到的电压、电流量而计算出故障回路的阻抗。单端阻抗方法由于造价低，不受通信条件的限制，在实际应用中得到广泛运用，其优点是比较简单可靠，缺点是测距精度不高。基于阻抗法的改良方法能提高测距精度，其理论依据是无故障时固定的120度相角，到有故障时的相间非120度相角是故障造成的。相角偏离120度的程度是线路上由故障引入的额外的容抗和感抗带来的。因此，找到了相角，便于进一步计算故障引入的容抗感抗，也便于计算线路上故障发生时的总的电抗，从而最终得出故障距离。
发明内容
为了克服现有的阻抗测距法精度不高的不足，本专利提供一种改良后的阻抗测距法，经过实际应用验证，此方法的测距精度达到一定的准确度。
本发明的目的在于利用现有的保护装置上记录的故障时刻的电流、电压对故障点进行定位。具体内容如下：
正常情况下输电线路的三相电压和零序电压参见图1。
利用获取到的故障发生时三相电压有效值还原的波形叠加后得到一条零序电压波形参见图2。
利用发生故障时获取到的最大的一相电压做滑动窗口，电压相位按步长从到之间滑动。
将每次滑动后所得电压值与其余两相未做滑动的电压值做一个周期内波形相加后得到零序电压，再将零序电压除以波形的取样频率，可得到预测零序电压。
最后，得到预测零序电压与实际零序电压之间的均方误差，也就是一个周期内波形相减再取绝对值，求积分，这个积分最小时的相位，就是额外的有故障引入的相位，此相位角即为电压最大相的相位偏移量相角。
同理，可求得发生故障时获取到电流最小相的相位偏移量相角。
根据电压最大相的相位偏移量相角和电流最小相的相位偏移量相角以及线路的每公里电阻率，可算出零序阻抗Z0。
根据单相接地、两相接地、两相强短、两相弱短、三相强短、三相弱短、相间强放、相间弱放等故障类型，利用线路故障时的电压除以线路故障时的电流求得故障时的线路阻抗Z。
用求得的线路阻抗Z、零序阻抗Z0以及线路参数中的已知的线路的每公里电阻率ρ、线路的每公里阻抗率Z％，根据线路故障距离公式便能精确求得导致保护跳开的故障发生位置。
具体是采用以下技术方案完成：
一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，其特征在于，包括:
一个电流电压预处理的步骤:通过输电线路保护跳开时的读数来作为线路发生故障时的数据，将三相的电压和电流进行升序排序，并对电流电压数据做归一化处理；
一个故障类型判断的步骤:根据故障点的三相电压和电流数据进行故障类型判断,判断类型包括:单相接地故障类型、两相接地故障类型、两相强短故障类型、两相弱短故障类型、三相强短故障类型、三相弱短故障类型、相间强放故障类型以及相间弱放故障类型；
一个预测相移获取的步骤：
首先，通过输电线路保护跳开时的读数来作为线路发生故障时的数据，利用发生故障时获取到的最大的一相电压做滑动窗口，电压相位按步长从到之间滑动。
将每次滑动后所得电压值与其余两相未做滑动的电压值做一个周期内波形相加后得到零序电压，再将零序电压除以波形的取样频率，可得到预测零序电压。
最后，得到预测零序电压与实际零序电压之间的均方误差，也就是一个周期内波形相减再取绝对值，求积分，这个积分最小时的相位，就是额外的有故障引入的相位，此相位角即为电压最大相的相位偏移量相角
重复本步骤能够得到发生故障时获取到电流最小相的相位偏移量相角
一个获取故障定位的步骤：包括：
首先，得到的相角则为发生故障后的电压最大相、电流最小相的偏移相位角；
然后，计算相移带来的额外的电抗率Z0；相角漂移由电阻和电容的阻抗造成，因此通过相移和阻抗可以反推容抗和阻抗之和，该和Z0就是额外的零序阻抗；线路固有的电容电感由于三相对称，不影响该相角；
已知电压最大相的相位偏移量Δu和电流最小相的相位偏移量Δi以及线路的每公里电阻率r，根据式一算出零序阻抗Z0；
式一
然后，根据不同的故障类型，利用线路故障时的电压除以线路故障时的电流求得故障时的线路阻抗；
最后，用求得的线路阻抗Z、零序阻抗Z0以及线路参数中的已知的线路的每公里电阻率ρ、线路的每公里阻抗率Z％，根据式二便能精确求得导致线路故障距离d；
式二。
在上述的一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，所述电流电压排序的步骤中，归一化处理时，电流按CT＝80做归一化处理，电压按照PT＝350做归一化处理。
在上述的一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，各类故障类型的判据如下：
判据3a、单相接地判据:找出两个最大的电压值,如果它们大于等于60伏,且最小的小于等于4伏；
判据3b、两相接地判据:如果电压最大一相大于等于80伏,大于等于30伏,电压最大那相的电流小于等于4A；
判据3c、两相强短判据:最小的电流小于等于1.5A,最大的两相都大于等于8A,且最大两相电流均在1A～1.25A之间；
判据3d、两相弱短判据:最小的电流小于等于1A,最大的两相都小于等于4A,且最大两相电流均在1A～2.5A之间；
判据3e、三相强短判据:三相的电流均在1A～1.25A之间,最小的电流大于等于16A,零序电压小于等于25伏；
判据3f、三相弱短判据:三相的电流均在1A～2.5A之间,最小的电流小于等于13A,零序电压小于等于10伏；
判据3g、相间强放判据:三相的电流均在1A～1.25A之间,零序电压大于等于10伏且小于等于20伏；
判据3h、相间弱放判据:三相的电流均在1A～3.5A之间,零序电压小于等于2伏。
在上述的一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，针对不同情况，线路参数中的已知的每公里阻抗的计算方法是：
情况4a、单相接地：用故障线算电阻，取电压最小的那相；
根据电压变比pt，电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；
Z＝pt×U÷I÷ct 式三
通过线路的每公里电阻率ρ，零序阻抗Z0，线路的每公里阻抗率Z％，根据式四算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式四
情况4b、两相接地：用故障线算电阻，通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式五算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式五
情况4c、两相强短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据式六算出线路阻抗Z；
式六
再根据式七算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式七
情况4d、两相弱短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据式六算出线路阻抗Z；再根据式八算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式八
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加500欧姆经验值；
情况4e、三相强短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式四算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4f、三相弱短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式九算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式九
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加9欧姆经验值；
情况4g、相间强放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式十算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
式十
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加1.5欧姆经验值；
情况4h、相间弱放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式十算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加1.5欧姆经验值。
因此，本发明具有如下优点：经过改良后的阻抗测距法通过实际验证，较好的解决了原有的阻抗测距法精度不高的问题。
附图说明
图1为正常电压波形示意图。
图2为有相角的故障时电压波形示意图。
图3为本发明两相接地电压最大相滑动示意图。
图4为本发明故障类型判定流程示意图。
图5为本发明预测相移流程示意图。
图6为本发明故障定位流程示意图。
图7为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。具体包括：
1)将三相的电压和电流进行升序排序预处理，用于故障类型判定，参见图4。
2)电流按CT＝80做归一化处理，电压按照PT＝350做归一化处理，参见图4。
3)参见图4，根据故障点的三相电压和电流数据进行故障类型判定，35千伏等效值为21.0458千伏，350变比后为60.1伏，此为重要判据。其中各类故障类型的判据如下：
3a)单相接地判据:找出两个最大的电压值，如果它们大于等于60伏，且最小的小于等于4伏；
3b)两相接地短路判据:如果电压最大一相大于等于80伏，大于等于30伏，电压最大那相的电流小于等于4A；
3c)两相强短判据:最小的电流小于等于1.5A，最大的两相都大于等于8A，且最大两相电流均在1A～1.25A之间；
3d)两相弱短判据:最小的电流小于等于1A，最大的两相都小于等于4A，且最大两相电流均在1A～2.5A之间；
3e)三相强短判据:三相的电流均在1A～1.25A之间，最小的电流大于等于16A，零序电压小于等于25伏；
3f)三相弱短判据:三相的电流均在1A～2.5A之间，最小的电流小于等于13A，零序电压小于等于10伏；
3g)相间强放判据:三相的电流均在1A～1.25A之间，零序电压大于等于10伏且小于等于20伏；
3h)相间弱放判据:三相的电流均在1A～3.5A之间，零序电压小于等于2伏。
4)电压最大的那相电压波形滑动窗口匹配，以两相接地为例，参见图3。可看出让电压最大相滑动等效于故障相滑动，从而得到预测相移，参见图5。
35kV电压电流的角频率ω是50×2×π，波形的取样精度t是从0到1/50秒(50Hz)中每隔0.001秒取一个值，A、B、C三相相角分别是0、波形的每次滑动距离s是从到中每隔取一个值。
通过故障数据中的电压最大的那相电压U、电压电流的角频率ω、波形的取样精度t、三相相角以及波形的滑动距离s，根据(1)式算出波形每次滑动后的取样点的电压最大的那相电压Ui。
根据(2)式算出波形每次滑动后的取样点的零序电压U0
U0＝UA+UB+UC (2)
根据(3)式算出预测的零序电压
注：m是波形的取样精度t的取样频率。
通过波形滑动，找出最接近真实零序电压U0的预测零序电压进一步求得电压最大相的相位偏移量Δu。
5)电流最小的那相电压波形继续滑动匹配，得到预测相移，参见图5。
通过故障数据中的电流最小的那相电压U、电压电流的角频率ω、波形的取样精度t、三相相角上一步计算得到的相位的偏移量Δu以及波形的每次滑动距离s，根据(4)式算出波形每次滑动后的取样点的电流最小的那相电压Ui。
根据(2)式算出波形每次滑动后的取样点的零序电压U0
根据(3)式算出预测的零序电压
通过波形滑动，找出最接近真实零序电压U0的预测的零序电压进一步求得电流最小相的相位偏移量Δi。
6)参见图5，计算由相移带来的额外的电抗率Z0。相角漂移由电阻和电容的阻抗造成，因此通过相移和阻抗可以反推容抗和阻抗之和，该和Z0就是额外的零序阻抗。线路固有的电容电感由于三相对称，不影响该相角。
已知电压最大相的相位偏移量Δu和电流最小相的相位偏移量Δi以及线路的每公里电阻率r，根据(5)式算出零序阻抗Z0。
7)参见图6，根据故障类型选线，并计算线路阻抗Z，以及线路上每公里的平均阻抗Zav。
7a)单相接地：用故障线算电阻，取电压最小的那相。
根据电压变比pt，电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。
Z＝pt×U÷I÷ct (6)
通过线路的每公里电阻率ρ，零序阻抗Z0，线路的每公里阻抗率Z％，根据(7)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
7b)两相接地：用故障线算电阻，通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。再根据(8)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
7c)两相强短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相。通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据(9)式算出线路阻抗Z。
再根据(10)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
7d)两相弱短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相。通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据(9)式算出线路阻抗Z。再根据(11)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加500欧姆经验值。
7e)三相强短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻。通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。再根据(7)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
7f)三相弱短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻。通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。再根据(12)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加9欧姆经验值。
7g)相间强放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻。通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。再根据(13)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加1.5欧姆经验值。
7h)相间弱放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻。通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据(6)式算出线路阻抗Z。再根据(13)式算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加1.5欧姆经验值。
8)计算故障距离和故障所在杆塔逻辑编号
通过线路阻抗Z和线路上每公里的平均阻抗Zav，根据(14)式算出线路故障距离即起始杆塔到故障的距离d。
d＝Z÷Zav (14)
通过线路故障距离d和杆塔间平均距离dav，根据(15)式算出故障所在杆塔逻辑编号n。
n＝round(d÷dav) (15)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，其特征在于，包括:
一个电流电压预处理的步骤:通过输电线路保护跳开时的读数来作为线路发生故障时的数据，将三相的电压和电流进行升序排序，并对电流电压数据做归一化处理；
一个故障类型判断的步骤:根据故障点的三相电压和电流数据进行故障类型判断,判断类型包括:单相接地故障类型、两相接地故障类型、两相强短故障类型、两相弱短故障类型、三相强短故障类型、三相弱短故障类型、相间强放故障类型以及相间弱放故障类型；
一个预测相移获取的步骤：
首先，通过输电线路保护跳开时的读数来作为线路发生故障时的数据，利用发生故障时获取到的最大的一相电压做滑动窗口，电压相位按步长从到之间滑动；
将每次滑动后所得电压值与其余两相未做滑动的电压值做一个周期内波形相加后得到零序电压，再将零序电压除以波形的取样频率，可得到预测零序电压；
最后，得到预测零序电压与实际零序电压之间的均方误差，也就是一个周期内波形相减再取绝对值，求积分，这个积分最小时的相位，就是额外的有故障引入的相位，此相位角即为电压最大相的相位偏移量相角
重复本步骤能够得到发生故障时获取到电流最小相的相位偏移量相角
一个获取故障定位的步骤：包括：
首先，得到的相角则为发生故障后的电压最大相、电流最小相的相位偏移量相角
然后，计算相移带来的额外的电抗率即零序阻抗Z0；相角漂移由电阻和电容的阻抗造成，因此通过相移和阻抗可以反推容抗和阻抗之和，该和Z0就是额外的电抗率即零序阻抗；线路固有的电容电感由于三相对称，不影响该相角；
已知电压最大相的相位偏移量Δu和电流最小相的相位偏移量Δi以及线路的每公里电阻率ρ，根据式一算出零序阻抗Z0；
然后，根据不同的故障类型，利用线路故障时的电压除以线路故障时的电流求得故障时的线路阻抗；
最后，用求得的线路阻抗Z、零序阻抗Z0以及线路参数中的已知的线路的每公里电阻率ρ、线路的每公里阻抗率Z％，根据式二便能精确求得导致线路故障距离d；
2.根据权利要求1所述的一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，其特征在于，针对不同情况，线路参数中的已知的每公里阻抗的计算方法是：
情况4a、单相接地：用故障线算电阻，取电压最小的那相；
根据电压变比pt，电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；
Z＝pt×U÷I÷ct 式三
通过线路的每公里电阻率ρ，零序阻抗Z0，线路的每公里阻抗率Z％，根据式四算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4b、两相接地：用故障线算电阻，通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式五算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4c、两相强短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路电压除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据式六算出线路阻抗Z；
再根据式七算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4d、两相弱短：故障线路是正常相电压的倍，用故障线路电压除以故障相电流算电阻，取两个电流最大的相中的电流大的那相；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最小的那相电压U和电流最大的那相电流I，根据式六算出线路阻抗Z；再根据式八算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4e、三相强短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式四算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4f、三相弱短：用三条故障线中电压最小的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电压最小的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式九算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
情况4g、相间强放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式十算出线路上每公里的平均阻抗Zav；
因为电阻率巨变，所以需在标准公式上加1.5欧姆经验值；
情况4h、相间弱放：用三条故障线中电流最大的那条算电阻；通过电压变比pt、电流变比ct、电流最大的那相电压U和电流I，根据式三算出线路阻抗Z；再根据式十算出线路上每公里的平均阻抗Zav。
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