CN110531216A - 一种架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空线与电缆混合输电线路的故障区段判别方法，属于电力系统输电线故障区段判别的技术领域，包括步骤：1、采集并缓存混合输电线路首端M和末端N的电压和电流；2、提取故障发生时刻t _f 前后连接点J处故障相电流的数据值，经滤波处理；3、比较故障前后连接点J处电流的相位，得到连接点处电流相位在故障前后的变化范围；4、确定混合输电线路功率传送方向；5、根据∆Φ _J的取值范围和混合输电线路在故障前的功率传输方向判断故障发生区段。本发明的技术效果是：减少了信号采集量，无需建立故障区段判别函数，减小了计算量，测量和运算简单，判断简便，一方面缩短故障判别的时间，另一方面提高了故障判别的准确性。

Description

一种架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法

技术领域

本发明属于电力系统输电线故障区段判别的技术领域。

背景技术

随着城市的发展，城市环境美化要求越来越高，城区电网架空输电线路逐渐被高压电缆取代。由于高压电缆的制造成本较高，所以城市郊区和野外的输电线路仍以架空线为主，因此，架空线与电缆混合的线路在城市主城区与郊区结合地带成为一种常见的输电方式。由于电缆运行环境、制造工艺等缺陷，接地故障时有发生。当架空线与电缆混合的线路发生接地故障时，快速准确地判别故障区段，加快恢复供电、减少经济损失，具有十分重要的意义。

高压架空线与电缆混合输电线路的故障区段判别方法，根据原理的不同主要可分为行波法和故障分析法两类。行波法具有速度快、基本不受过渡电阻影响等优点，但装置成本较高且存在行波波头不易捕捉等缺点。相比之下，故障分析法的成本低、工程实用性更强。

现有的故障分析法分两步进行：首先采集线路的电压电流等电气量，然后基于电压电流关系建立复杂的故障区段判别函数。该方法计算量较大，耗时长，且计算精度受电气量采集的准确性影响很大，不利于快速准确地判别故障区段。

发明内容

针对现有故障分析法存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种架空线与电缆混合输电线路的故障区段判别方法，它能减少信号采集量，减小计算量，缩短故障判别的时间，还能提高故障判别的准确性。

本申请的有关说明：架空线与电缆混合输电线路(简称混合输电线路)首端为M端、末端为N端；架空线与电缆的连接点为J点；M端与J点之间的线路为L₁、J点与N端之间的线路为L₂。

下面以双侧电源供电系统发生单相(不妨设A相)接地故障为例，阐述混合线路故障区段判别方法的基本原理。假设正常运行时功率从M侧向N侧传输，且两侧等效电源电动势分别为和J点安装的电流测量装置以M侧到N侧为正方向，则正常运行时J点A相电流表达式为

式中Z_M1、Z_N1为系统正序阻抗；Z_MN1为混合线路正序阻抗；分别为两侧等效电源的A相电动势；滞后的相角为功率因数角

当L₂区段发生A相接地故障时，流经J点的故障相电流由M侧电源供电，方向从M侧流向N侧，与J点安装的测量装置的正方向相同。根据文献“电力系统故障分析[M]，刘万顺，黄少锋，徐玉琴.”北京：中国电力出版社，2009.”的记载：

式中Z_FLi、Z_FRi(下标第一个字母F表示故障点；第二个字母L和R分别表示左和右；第三个字母i＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序，下同)分别为故障点到M和N侧的序阻抗，且Z_FL1+Z_FR1＝Z_M1+Z_N1+Z_MN1；Z_Σi为短路点的等值序阻抗，且Z_Σi＝Z_FLiZ_FRi/(Z_FLi+Z_FRi)；C_mi为M侧的各序电流分布系数，C_mi＝Z_FRi/(Z_FLi+Z_FRi)。由该式可得从M端到故障点的故障相阻抗为

式中：k＝E_NA/E_MA；C_m＝(C_m1+C_m2+C_m0)/3；Z_120Σ＝Z_Σ1+Z_Σ2+Z_Σ0。

设Z_K2的阻抗角为因为此时由M侧电源供电，且输电线路呈感性，所以滞后于的角度为且

设和相量的初相分别为Φ_E、Φ_{J_old}、Φ_{J_new}，则故障前后流经J点的故障相电流的相位变化值为

当L₁区段发生A相接地故障时，流经J点的故障相电流由N侧电源供电，方向从N侧流向M侧。参照上述L₂区段故障时的推导过程，可得L₁区段故障时从N端到故障点的故障相阻抗为

设Z_K1的阻抗角为即滞后的角度为且

L₁区段发生A相接地故障时，流经J点的A相电流的方向与该处安装的测量装置的正方向相反，所以该装置测到的故障后的A相电流实际应为而故障前流经J点的A相电流方向与该处安装的测量装置的正方向相同，所以故障前测到的电流仍为设和相量的初相分别为Φ_E、Φ_{J_old}、Φ_{J_new}，因为滞后的角度为δ，所以的初相为Φ_E-δ，则故障前后流经J点的故障相电流的相位变化值为

可以发现，当故障发生在不同区段时，J点故障相电流在故障前后的相位变化值将不同，由此可作为判别故障区段的依据。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、采集并缓存混合输电线路首端M的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)的数据值，末端N的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)的数据值，i_Mi(t)和i_Ni(t)以母线流向线路为正；还采集并缓存连接点J的电流i_Ji(t)的数据值，i_Ji(t)从M端流向N端为正方向，其中下标i表示a、b、c三相；

步骤2、故障发生后，从数据存储区提取故障发生时刻t_f前后连接点J处故障相电流的数据值，滤除其中的直流分量和谐波分量；

步骤3、利用全波傅氏算法分别计算故障前第k(1≤k≤3且为整数)个工频周期内的J点电流相位初始值Φ_{J_old}和故障后第l(1≤l≤5且为整数)个工频周期内的J点电流相位初始值Φ_{J_new}，进而得到连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值：

ΔΦ_J＝Φ_{J_new}-Φ_{J_old}

其中，ΔΦ_J的取值范围为(-180°，180°]；

步骤4、根据故障前M端的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)计算M侧等效电源的功率因素角以及混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝u_Ma·i_Ma+u_Mb·i_Mb+u_Mc·i_Mc

或者根据故障前N端的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)计算架空线与电缆混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝－(u_Na·i_Na+u_Nb·i_Nb+u_Nc·i_Nc)

再根据传输功率P_MN的值判断故障前混合输电线路中的功率传送方向：若P_MN大于零，故障前功率由M端传输到N端，否则，故障前功率则由N端传输到M端；

步骤5、根据ΔΦ_J的取值范围和混合输电线路在故障前的功率传输方向判断故障发生区段。

特别地，上述步骤3中，连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值ΔΦ_J落在两个互不重合的角度区间：角度区间1为和角度区间2为其中δ为两侧等效电源的功角差，为M侧等效电源故障前的功率因素角。

特别地，上述步骤5中，所述故障发生区段判断是：若混合输电线路故障前，功率传输方向为由M端到N端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在架空线L₁；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在电缆L₂；

若混合输电线路故障前，功率传输方向为由N端到M端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在电缆L₂；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在架空线L₁。

对于多分段混合线路，定义多分段混合线路从首端M到末端N的连接点依次为J1、J2、…Jx、…Jn，下标n为连接点总数，将上述步骤依次应用到每个连接点J_x，并判别故障发生在连接点J_x上游(M端到J_x点)区段还是下游(J_x点到N端)区段，最后遍历所有连接点的故障区段判别结果，如果相邻两个连接点J_x和J_x+1的故障区段判别结果不一致，则故障就发生在连接点J_x和J_x+1之间线路区段。

本发明的技术效果是：

本发明仅需测量混合线路连接点J_x处的三相电流，无需测量该处电压，与现有技术相比，减少了信号采集量，无需建立故障区段判别函数，减小了计算量，测量和运算简单，判断简便，一方面缩短故障判别的时间，另一方面提高了故障判别的准确性。本发明使用的测量装置简便，降低了成本，具有较高的工程使用价值。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为单连接点混合输电线路故障区段定位系统图；

图2为L₂区段发生A相接地故障的相量关系图

图3为L₁区段发生A相接地故障的相量关系图

图4为本发明方法的流程图；

图5为连接点处故障相电流在故障前后的相位变化值ΔΦ_J的角度区间。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，故障区段定位系统包括：混合输电线路M端三相电压和电流测取单元U01，用于测量和缓存M端的三相电压u_Mi(t)、电流i_Mi(t)的数据值；混合输电线路N端三相电压和电流测取单元U05，用于测量和缓存N端的三相电压u_Ni(t)、电流i_Ni(t)的数据值；线路连接点J处三相电流测取与处理单元U03，用于测量和缓存J处的三相电流i_Ji(t)的数据值，同时对i_Ji(t)进行滤波、相位计算等处理；M端综合处理单元U02和N端综合处理单元U04，用于综合判断故障区段；U03单元与U02单元和U04单元之间分别存在通信通道传送信息。

下面以双侧电源供电系统发生单相(不妨设A相)接地故障为例，阐述混合线路故障区段判别方法的基本原理。假设正常运行时功率从M侧向N侧传输，且两侧等效电源电动势分别为和J点安装的电流测量装置以M侧到N侧为正方向，则正常运行时J点A相电流为且滞后的角度为

当L₂区段发生A相接地故障时，流经J点的故障相电流由M侧电源提供，方向从M侧流向N侧，与J点安装的测量装置的正方向相同，则从M端到故障点的故障阻抗为

设Z_K2的阻抗角为因为此时由M侧电源提供，且输电线路呈感性，所以滞后于的角度为且

图2为L₂区段发生A相接地故障的相量关系图，其中和相量的初相分别为Φ_E、Φ_{J_old}、Φ_{J_new}，则故障前后流经J点的故障相电流的相位变化值为：

因为故ΔΦ_J有一个变化区间

当L₁区段发生A相接地故障时，流经J点的故障相电流由N侧电源供电，方向从N侧流向M侧,L₁区段故障时从N端到故障点的故障相阻抗为

设Z_K1的阻抗角为即滞后的角度为且

L₁区段发生A相接地故障时，流经J点的A相电流的方向与该处安装的测量装置的正方向相反，所以该装置测到的故障后的A相电流实际应为而故障前流经J点的A相电流方向与该处安装的测量装置的正方向相同，所以故障前测到的电流仍为

图3为L₁区段发生A相接地故障的相量关系图，其中设和相量的初相分别为Φ_E、Φ_{J_old}、Φ_{J_new}，因为滞后的角度为δ，所以的初相为Φ_E-δ，则故障前后流经J点的故障相电流的相位变化值为：

因为故ΔΦ_J有另一个变化区间

当故障发生在不同区段时，J点故障相电流在故障前后相位的变化值将不同，由此可作为判别故障区段的依据。

如图4所示，本发明的具体步骤如下：

步骤1、U01单元采集并缓存混合输电线路首端M的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)的数据值，U05单元采集并缓存末端N的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)的数据值，i_Mi(t)和i_Ni(t)以母线流向线路为正；U03单元采集并缓存连接点J的电流i_Ji(t)的数据值，i_Ji(t)从M端流向N端为正方向，其中下标i表示a、b、c三相；

步骤2、将J点电流在前后两个周期的采样值相减，如果差值超出阈值，则发生故障；

步骤3、故障发生后，U03单元从寄存器提取连接点J处故障相电流在故障发生时刻t_f前后的数据值，并利用数字滤波算法处理故障后的电流，滤除其中的直流分量和谐波分量。

步骤4、U03单元利用全波傅氏算法分别计算故障时刻t_f前第k(1≤k≤3且为整数)个工频周期(即[t_f-kT，t_f-(k-1)T]时间段)内的J点电流相位初始值Φ_{J_old}和故障时刻t_f后第l(1≤l≤5且为整数)个工频周期(即[t_f+(l-1)T，t_f+lT]时间段)内的J点电流相位初始值Φ_{J_new}，进而得到连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值：

ΔΦ_J＝Φ_{J_new}-Φ_{J_old}

如图5所示，连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值ΔΦ_J的会落在两个互不重合的角度区间，其中ΔΦ_J角度区间1的范围是而ΔΦ_J角度区间2的范围是

步骤5、U02单元根据故障前M端的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)计算M侧等效电源的功率因素角以及架混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝u_Ma·i_Ma+u_Mb·i_Mb+u_Mc·i_Mc

或者U04单元根据故障前N端的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)计算架空线与电缆混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝－(u_Na·i_Na+u_Nb·i_Nb+u_Nc·i_Nc)

再根据传输功率P_MN的值判断故障前混合输电线路中的功率传送方向：若P_MN大于零，故障前功率由M端传输到N端，否则，故障前功率则由N端传输到M端。

步骤6、首末两端的综合处理单元U02和U04根据ΔΦ_J的计算值和混合输电线路在故障前功率传输方向综合判断故障发生区段。

故障发生区段的具体判断为：若混合输电线路故障前，功率传输方向为由M端到N端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在架空线L₁；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在电缆L₂；

若混合输电线路故障前，功率传输方向为由N端到M端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在电缆L₂；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在架空线L₁。

在PSCAD仿真软件中搭建如图1所示系统模型，系统电压等级220kV，电缆30km，架空线70km。各电力元件的阻抗参数(其中，电缆和架空线参数为每千米线路对应的阻抗参数)如下：

设A相发生单相接地故障且过渡电阻R_f＝20Ω，逐次改变两侧电源相位差δ和故障发生位置，并按所提方法计算连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值ΔΦ_J，并据此判断故障发生的区段。仿真结果如下表所示：

表中故障位置为故障点到M侧母线的距离。由仿真结果可知，混合输电线路不同位置发生单相接地故障时，本文提出的方法能够正确判别故障区段，验证了该方法的有效性。

本方法发明采集混合输电线路连接点处电流，通过滤波处理并比较故障前后连接点处电流的相位，得到连接点处电流相位在故障前后的变化范围；再将该信息传回混合输电线路线路两侧的综合处理单元，结合混合输电线路功率传送方向确定故障区段。与现有方法相比，本发明提供的架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法信号采集量少，工程实现成本低，同时也能适用多分段混合线路故障区段判别，能作为架空线与电缆混合线路重合闸的参考判据。

Claims (4)

1.一种架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、采集并缓存混合输电线路首端M的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)的数据值，末端N的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)的数据值，i_Mi(t)和i_Ni(t)以母线流向线路为正；还采集并缓存连接点J的电流i_Ji(t)的数据值，i_Ji(t)从M端流向N端为正方向，其中下标i表示a、b、c三相；

步骤2、故障发生后，从数据存储区提取故障发生时刻t_f前后连接点J处故障相电流的数据值，滤除其中的直流分量和谐波分量；

步骤3、利用全波傅氏算法分别计算故障前第k(1≤k≤3且为整数)个工频周期内的J点电流相位初始值Φ_{J_old}和故障后第l(1≤l≤5且为整数)个工频周期内的J点电流相位初始值Φ_{J_new}，进而得到连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值：

ΔΦ_J＝Φ_{J_new}-Φ_{J_old}

其中，ΔΦ_J的取值范围为(-180°，180°]；

步骤4、根据故障前M端的电压和电流u_Mi(t)、i_Mi(t)计算M侧等效电源的功率因素角以及混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝u_Ma·i_Ma+u_Mb·i_Mb+u_Mc·i_Mc

或者根据故障前N端的电压和电流u_Ni(t)、i_Ni(t)计算架空线与电缆混合输电线路故障前的传输功率为：

P_MN＝－(u_Na·i_Na+u_Nb·i_Nb+u_Nc·i_Nc)

再根据传输功率P_MN的值判断故障前混合输电线路中的功率传送方向：若P_MN大于零，故障前功率由M端传输到N端，否则，故障前功率则由N端传输到M端；

步骤5、根据ΔΦ_J的取值范围和混合输电线路在故障前的功率传输方向判断故障发生区段。

2.根据权利要求1所述的架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法，其特征是：所述步骤3中，连接点J处故障相电流在故障发生前后的相位变化值ΔΦ_J落在两个互不重合的角度区间：角度区间1为和角度区间2为其中δ为两侧等效电源的功角差，为M侧等效电源故障前的功率因素角。

3.根据权利要求2所述的架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法，其特征是，在步骤5中，所述故障发生区段判断是：若混合输电线路故障前，功率传输方向为由M端到N端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在架空线L₁；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在电缆L₂；

若混合输电线路故障前，功率传输方向为由N端到M端，且ΔΦ_J落在角度区间1，则故障发生在电缆L₂；反之，若ΔΦ_J落在角度区间2，则故障发生在架空线L₁。

4.根据权利要求3所述的架空线与电缆混合输电线路故障区段判别方法，其特征是：对于多分段混合线路，定义多分段混合线路从首端M到末端N的连接点依次为J₁、J₂、…Jx、…Jn，下标n为连接点总数，将单连接点J故障发生区段判断步骤依次应用到每个连接点Jx，并判别故障发生在连接点Jx上游区段还是下游区段，最后遍历所有连接点的故障区段判别结果，如果相邻两个连接点Jx和Jx+1的故障区段判别结果不一致，则故障就发生在连接点Jx和Jx+1之间线路区段。