CN106124927B - 含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法 - Google Patents
含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,包括:对每一个子算法采用六序分量法解耦,根据从两侧分别推得的故障点处电压相等、串补装置两侧电流满足基尔霍夫电流定律的特点,消去传输方程中的近故障一侧的串补电压和串补两侧电流;利用故障处过渡电阻的纯电阻性,构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数;双端数据同时输入M侧子算法及N侧子算法中进行计算,无需判别故障区间,直接实现故障精确定位。本申请的该方法适用于所有故障类型,无需同步采样,不依赖串补装置的模型,不受MOV非线性的影响,无需预知故障点相对于串补的位置,测距原理简单,只需对故障距离进行一维搜索,不存在伪根判别问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气技术领域,具体涉及含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法。
背景技术
装设串联电容补偿装置(串补)的超高压及特高压线路输电距离长,且常与大型发电厂和负荷中心连接,故障若不能及时修复可能导致严重损失;串补电容器普遍采用具有非线性伏安特性的金属氧化物可变电阻(metal oxide varistor,MOV)进行过电压保护,由于非线性MOV的存在,使得常规的故障测距方法不再适用于双回线串补系统。因此迫切需要对带串补同杆并架双回线继电保护与故障测距的适应性展开研究。
随着电力通信技术的发展,利用两端信息测距的算法有所发展,这类测距算法主要有两种,一种是利用本端电压电流和对端电流工频量,另一种是利用两侧电压电流工频量,其中对两侧采样数据没有同步要求的测距算法将更具应用前景。
国内外已有许多学者对串联补偿输电线路的故障定位进行了研究,对双回线鲜有研究。
发明内容
为解决现有技术存在的不足,本发明公开了含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,本发明所公开的算法适用于所有故障类型。
为实现上述目的,本发明的具体方案如下:
含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,包括以下步骤:
建立带串补双回线分布参数模型,该模型包括M侧母线及N侧母线;
按照故障点相对于串补的位置分为第一子算法及第二子算法,其中第一子算法对应于串补左侧故障,第二子算法对应于串补右侧故障;
对每一个子算法采用六序分量法解耦,根据从两侧分别推得的故障点处电压相等、串补装置两侧电流满足基尔霍夫电流定律的特点,消去传输方程中的近故障一侧的串补电压和串补两侧电流;
利用故障处过渡电阻的纯电阻性,构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数;
双端数据同时输入第一子算法及第二子算法中进行计算,无需判别故障区间,直接实现故障精确定位。
进一步的,利用六序分量法将双回线的电流电压分解为六序分量。
进一步的,线路的相阻抗、导纳矩阵经过矩阵M变换为相应的六序阻抗、导纳矩阵,具体变换关系如下:
其中,M为转换矩阵,Z、Y分别是线路的相阻抗、导纳矩阵,Zs Ys为经过矩阵M变换后六序阻抗、导纳矩阵。
进一步的,在构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数时,根据故障点处过渡电阻的纯电阻性质,将故障点处相电压和相电流的关系,将故障点处相电压、电流分别表示为六序分量形式,消去接地电阻,可得故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程即故障定位函数。
进一步的,故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程f(x)为:
其中,为故障点处六序电压量及对应的电流量,上标“*”表示复数取共轭。
进一步的,故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程即故障定位函数适用于同杆并架双回线所有短路故障类型。
进一步的,构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数之后还需要利用故障前数据计算双端不同步角,利用串补元件两侧电流相等求解双端不同步角,实现测距的同步化。
进一步的,对于第一子算法,故障发生在M-SC1段,由M侧电压电流推得故障点f处的序电压、电流,由N端电流可得SC2处序电流,根据基尔霍夫电流定律,串补左、右两侧电流相等,由SC1段处电流推得故障点f处右侧各序电压、电流,利用从两侧母线推算得到的f点电压相等这一关系,消去中间量SC1处序电压,最终得到故障点f处序电流。
进一步的,将故障点f处序电流及故障点f处的序电压带入故障定位函数得到关于故障距离x的非线性方程,采用二分法在区间[0,lc]内搜索即可得到测距结果。
进一步的,对于第二子算法,故障发生在SC2-N端,将故障点f处注入电流及故障点f处的序电压带入故障定位函数得到关于故障距离x的非线性方程,解相应的x即为故障距离,该子算法搜索范围为[lc,l],l为线路长度,lc为串补安装位置到M端的距离。
在串联补偿线路故障测距中,由于非线性MOV的存在,串补两端的电压较难获得,对电压的估计会导致测距误差。为解决此问题,本文提出了一种基于分布参数模型的串补双回线故障定位算法。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用六序分量法解耦,利用从两侧推得的故障点处故障电压相等消去串补两端电压。
(2)本发明在消去串补两端电压的基础上,利用故障处过渡电阻的纯阻性的特点,构造了适用于串补双回线的故障定位函数。
(3)本发明的上述法存在如下优点:不依赖串补模型,不受MOV非线性特性的影响,从而避开了MOV导通后串补电容上电压难以获得的问题;无需判别故障类型,测距原理简单;不存在伪根判别问题。
(4)本发明可精确定位含串补双回线线路全长范围内包括跨线故障在内的所有类型故障,受故障位置、负荷电流和过渡电阻等因素的影响较小。
附图说明
图1带串补双回线示意图;
图2同杆并架双回线故障处短路模型图;
图3(a)故障发生在串补左侧时的序分量网络图;
图3(b)故障发生在串补右侧时的序分量网络图;
图4(a1)子算法1距M端100km时故障定位函数特性曲线;
图4(a2)子算法2距M端100km时故障定位函数特性曲线;
图4(b1)子算法1距M端150km时故障定位函数特性曲线;
图4(b2)子算法2距M端150km时故障定位函数特性曲线;
图4(c1)子算法1距M端200km时故障定位函数特性曲线;
图4(c2)子算法2距M端200km时故障定位函数特性曲线;
图5故障测距误差沿线变化规律。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明进行详细说明:
下面就申请所用到的带串补双回线分布参数模型及其相序变换做如下说明:
同杆双回线存在相间耦合和线间耦合,双回线上安装串联补偿设备时,线路仍可以采用六序分量法解耦。考虑到串补线路一般较长,本文采用分布参数线路模型。图1中,SC为串补装置,金属氧化物可变电阻MOV为其主保护;M、N为系统两侧母线,ZM、ZN分别为两侧系统阻抗;和分别为M、N两侧保护所测量到的电压和Ⅰ、Ⅱ回线电流;l为线路长度。SC1处为M端的串补左侧,SC2处为N端的串补右侧。
利用六序分量法将双回线的电流电压分解为六序分量,M为转换矩阵,且
其中,a=ej120。
线路的相阻抗、导纳矩阵经过矩阵M变换为相应的六序阻抗、导纳矩阵,具体变换关系如下:
其中,Z、Y分别是线路的相阻抗、导纳矩阵,Zs Ys为过矩阵M变换后六序阻抗、导纳矩阵。
本申请中的串联补偿双回线故障测距基本原理具体如下:
关于双回线通用测距方程:图2为双回线短路故障的一般形式,R1A、R1B、R1C、R2A、R2B、R2C分别为故障点处六相过渡电阻,对于非故障相,电阻值为无穷大;RG为故障点处接地电阻,对于非接地故障,RG值为无穷大。设故障点距线路M端距离为x。
故障点处相电压和相电流的关系为
Uf=ZfIf (1)
式(1)中,Uf、If均为x的函数。其中,
为故障点处六序相电压及对应的电流。
Zf为:
根据故障点处过渡电阻的纯电阻性质,由式(1)可以推出:
式中:上标“*”表示复数取共轭。
将故障点处相电压、电流分别表示为六序分量形式:
If=MIfs,Uf=MUfs
(3)
式中:
为故障点处六序电压及对应的电流。
将式(3)代入式(2),消去接地电阻RG,可得故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程f(x)为:
式(4)适用于同杆并架双回线所有短路故障类型。
关于计算双端不同步角:利用故障前数据计算双端不同步角,δ可以采用正序分量利用任一回线的双端数据代入如下公式得到。
分别为SC1和SC2处正序电流,为两端正序电压电流,γ1、Zc1为正序传播系数与波阻抗。
利用串补元件两侧电流相等求解双端不同步角,实现测距的同步化。
关于串联补偿双回线故障测距算法:故障发生在串补两侧时,带串补双回线解耦后的序分量网络如图3(a)-图3(b)所示。图3(a)-图3(b)中,SC1、SC2为串补两侧,f为短路故障点;l为线路长度,lc为串补安装位置到M端的距离,x为故障点到M端的距离; 为M、N两端序电压,为故障点处序电压;为M、N两端序电流,为故障点处序电流,为故障处两侧序电流,分别为串补左、右侧序电流。
(1)子算法1:假设故障发生在M端—串补SC1段
电压电流参考方向如图3(a)所示。由M侧电压电流推得故障点f处的序电压、电流如下:
式中,Zcs为序线路波阻抗,γs为序线路传播系数,Zs Ys为过矩阵M变换后六序阻抗、导纳矩阵。
由N端电流可得SC2处序电流为:
根据基尔霍夫电流定律,串补左、右两侧满足:
由SC1推得f点处右侧各序电压、电流为
式中:为f点各序基频电压和由串补流向f点的右侧电流。
利用从两侧母线推算得到的f点电压相等这一关系,即将式(5)和式(9)联立可得的表达式:
将式(11)、(14)带入式(13)中,消去中间量得到只含M、N双端量的将和式(9)继续代入式(15),得到f处序电流:
通用故障测距方程为式(4),在两侧保护处电流和线路参数已知的情况下,仅为故障距离x的函数,该方程的解即为故障点。其中故障点处序电压按式(8)选用故障点处序电流表达式为式(15),将式(8)、(15)代入式(4)中,得到关于故障距离x的非线性方程,采用二分法在区间[0,lc]内搜索即可得到测距结果。
(2)子算法2:假设故障发生在串补SC2—N端
电压电流参考方向如图3(b)所示。其中,f点处序电压及f点右侧序电流基于N端量由传输方程求得:
f点左侧序电流为
式(18)中的串补右侧电压量采用与子算法1相同方法获得:
其中,
f点处序电流由式(17)和(18)联合表示为
测距方程(4)中f点处序电压按式(16)选用故障点注入电流由式(19)求得。解相应的x即为故障距离,该子算法搜索范围为[lc,l]。
本文算法表明:串补左侧故障时,子算法1有唯一解,而子算法2无解;串补右侧故障时子算法1无解,子算法2有唯一解;在串补安装处故障时,采用任一子算法均可得正确解。
故将双端数据同时输入子算法1和子算法2中进行计算时,无需判别故障区间,可以直接实现故障精确定位,且所得故障距离并不存在判别伪根的问题。
为了更好的证明本申请所能达到的效果,本申请做以下仿真验证:
本申请中首先验证了故障测距算法无需判别伪根的结论,然后给出了不同故障位置、过渡电阻、负荷电流下的仿真结果。两部分均采用PSCAD搭建如图1所示的串联补偿双回线分布参数模型。
图1双端电源系统电压等级为500kV,线路长度为300km;串补位于线路中点150km处,补偿度为40%[11],串补电容为C=98μF;两端电源相角差δ=10°,M、N侧电源幅值分别为1.05倍标幺值和标幺值。
M、N两侧系统参数为:ZM1=ZM2=j63.0Ω,ZM0=j70.0Ω;ZN1=ZN2=j40.0Ω,ZN0=j60.0Ω。
单回线正(负)序参数为:R1=0.0347Ω/km;L1=1.2813mH/km;C1=0.009121μF/km。
单回线零序参数为:R0=0.2983Ω/km;L0=3.7757mH/km;C0=0.006610μF/km。
双回线零序互阻抗参数为:Z0m=0.2636Ω/km;L0m=2.4944mH/km;C0m=0.002512μF/km。
算法验证
设置Ⅰ回线距M端100、150、200km发生各种单线故障,分别对应串补左侧、串补处、串补右侧故障,图4(a1)-图4(c2)描绘了子算法1和子算法2在不同情况下的故障定位函数特性曲线。
其中,图4(a1)子算法1距M端100km时故障定位函数特性曲线;图4(a2)子算法2距M端100km时故障定位函数特性曲线;图4(b1)子算法1距M端150km时故障定位函数特性曲线;图4(b2)子算法2距M端150km时故障定位函数特性曲线;图4(c1)子算法1距M端200km时故障定位函数特性曲线;图4(c2)子算法2距M端200km时故障定位函数特性曲线。
以串补左侧故障为例,子算法2的故障定位函数在搜索范围内一直为负,而子算法1有唯一零点,如图4(a1)、图4(b1)及图4(c1)所示。
本文算法表明:串补左侧故障时,子算法1有唯一解,而子算法2无解;串补右侧故障时子算法1无解,子算法2有唯一解;在串补安装处故障时,采用任一子算法均可得正确解。
故将双端数据同时输入子算法1和子算法2中进行计算时,无需判别故障区间,可以直接实现故障精确定位,且所得故障距离并不存在判别伪根的问题。
仿真计算:
表1所示为含串补双回线沿线发生不同故障时的测距结果,其中IAG故障指双回线中Ⅰ回线A相经过渡电阻接地。其中,相对测距误差的计算式为
表1不同故障类型测距结果
表1表明本文算法适用于双回线所有故障类型,且精度较高。
表2给出了过渡电阻和故障位置对IAG故障测距结果的影响情况,测距误差均不超过0.4%。其中,过渡电阻为50Ω时,误差沿线变化规律如图5所示。
表2故障电阻和故障位置对IAG故障测距结果的影响
本申请所提出的算法实质上为以串补安装位置为分界点的分段算法,且每段算法采用双端量。故在子算法中,故障发生在线路一端和串补安装处时,误差较小,而发生在每段中间附近时,误差较大,沿线误差曲线整体呈“驼峰”状。
表3给出了过渡电阻为50Ω时负荷电流和故障位置对IABC故障测距结果的影响情况。对表1-3的仿真结果分析可见,本申请方法不受故障位置、负荷电流和故障电阻等因素的影响,测距精度高,可靠性好。
表3故障位置和负荷电流对IABC故障测距结果的影响
本申请的该方法适用于所有故障类型,无需同步采样,不依赖串补装置的模型,不受MOV非线性的影响,无需预知故障点相对于串补的位置,测距原理简单,只需对故障距离进行一维搜索,不存在伪根判别问题。理论上不受故障类型、负荷电流和过渡电阻的影响。仿真结果表明,故障定位精度较高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,包括以下步骤:
建立带串补双回线分布参数模型,该模型包括M侧母线及N侧母线;
按照故障点相对于串补的位置分为第一子算法及第二子算法,其中第一子算法对应于串补左侧故障,第二子算法对应于串补右侧故障;
对每一个子算法采用六序分量法解耦,根据从两侧分别推得的故障点处电压相等、串补装置两侧电流满足基尔霍夫电流定律的特点,消去传输方程中的近故障一侧的串补电压和串补两侧电流;
利用故障处过渡电阻的纯电阻性,构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数;
双端数据同时输入第一子算法及第二子算法中进行计算,无需判别故障区间,直接实现故障精确定位;
在构造同杆并架双回线含串补时的故障定位函数时,根据故障点处过渡电阻的纯电阻性质,根据故障点处相电压和相电流的关系,将故障点处相电压、电流分别表示为六序分量形式,消去接地电阻,可得故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程即故障定位函数;
构造出同杆并架双回线含串补时的故障定位函数之后还需要利用故障前数据计算双端不同步角,利用串补元件两侧电流相等求解双端不同步角,实现测距的同步化。
2.如权利要求1所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,利用六序分量法将双回线的电流电压分解为六序分量。
3.如权利要求2所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,线路的相阻抗、导纳矩阵经过矩阵M变换为相应的六序阻抗、导纳矩阵,具体变换关系如下:
其中,M为转换矩阵,Z、Y分别是线路的相阻抗、导纳矩阵,Zs,Ys为经过矩阵M变换后六序阻抗、导纳矩阵。
4.如权利要求1所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程f(x)为:
其中,分别为故障点处六序电压量及对应的电流量,上标“*”表示复数取共轭。
5.如权利要求1或4所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,故障点处用六序电压、电流分量表示的故障测距方程即故障定位函数适用于同杆并架双回线所有短路故障类型。
6.如权利要求1所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,对于第一子算法,故障发生在M-SC1段,由M侧电压电流推得故障点f处的序电压、电流,由N端电流可得SC2处序电流,根据基尔霍夫电流定律,串补左、右两侧电流相等,由SC1段处电流推得故障点f处右侧各序电压、电流,利用从两侧母线推算得到的f点电压相等这一关系,消去中间量SC1处序电压,最终得到故障点f处序电流,SC1处为M端的串补左侧,SC2处为N端的串补右侧。
7.如权利要求6所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,将故障点f处序电流及故障点f处的序电压带入故障定位函数得到关于故障距离x的非线性方程,采用二分法在区间[0,lc]内搜索即可得到测距结果,lc为串补安装位置到M端的距离。
8.如权利要求1所述的含串联补偿的同杆并架双回线非同步故障测距方法,其特征是,对于第二子算法,故障发生在SC2-N端,将故障点f处注入电流及故障点f处的序电压带入故障定位函数得到关于故障距离x的非线性方程,解相应的x即为故障距离,该子算法搜索范围为[lc,l],l为线路长度,lc为串补安装位置到M端的距离,SC2处为N端的串补右侧。
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