CN111542980A - 多端子电力传输线路中的故障位置的无参数识别 - Google Patents
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Abstract
识别电力传输线路(402)中的故障位置包括：在所述电力传输线路(402)中已经发生故障之后，从每个端子获得同步的干扰记录。基于所述干扰记录计算故障前电压相量和故障前电流相量以及故障期间电流相量和故障期间电压相量。基于同时求解假定故障部分的多个故障前目标函数和故障期间目标函数，计算传播常数、浪涌阻抗和故障位置参数的值。将所确定的值与预定义标准进行比较，以确定故障部分、所述故障位置以及每个部分的线路参数，从而实施对故障位置的无参数识别。
Description
技术领域
本主题总体上涉及电力传输线路中的故障位置的识别，并且尤其涉及多端子电力传输线路中的故障位置的识别。
背景技术
诸如两端子电力传输线路、三端子电力传输线路等的电力传输线路用于大功率传送，即，用于在负载与一个或多个电源之间供电。随着可再生能源与电网的集成度越来越高，三端子线路/抽头式线路的使用越来越普遍。使用三端子线路/抽头式线路节省与建设变电站和在抽头点/连结点处安装测量变压器相关联的成本。例如，在太阳能电厂和海上风电场情况下使用三端子线路/抽头式线路，其中，通过连接到主传输线路的短线路将电力排送到主电网。
为了可靠地供电并保护传输线路免受热负荷，快速恢复中断非常重要。为此，需要在多端子线路/抽头式线路中准确识别故障位置(故障位置识别)，以使得维护人员可以迅速到达故障点并快速维修。对于两端子线路，有许多故障位置识别技术可用，但是对于三端子线路/抽头式线路，准确的故障位置识别具有挑战性，因为对于每单位阻抗(X/R比)、馈电、和充电电流，所述线路的每个部分具有不同的长度。对于以线路参数为输入的故障定位器，故障位置估计的准确性受输入参数误差的影响。此外，基于阻抗的故障位置识别方法的准确性还取决于相互耦接、线路和源阻抗角度的不均匀性、源与线路阻抗比、故障电阻和故障回路信息等，这使得故障位置识别对于多端子线路/抽头式线路变得复杂。
附图说明
参考以下描述和附图，将更好地理解本主题的特征、方面和优点。在不同附图中，使用相同的附图标记指示相似或相同的特征和部件。
图1图示了无故障的三端子电力传输线路的示例配置。
图2图示了用于计算无故障的三端子电力传输线路中的线路参数的电流相量和电压相量。
图3图示了根据本主题的实施方式的用于使用牛顿拉斐逊(Newton Raphson)近似从电压函数和电流函数确定线路参数的方法。
图4图示了根据本主题的实施方式的用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的装置。
图5A至图5C图示了根据本主题的实施方式的用于计算在不同部分中存在故障的三端子电力传输线路中的线路参数和故障位置的电流相量和电压相量。
图6图示了根据本主题的实施方式的用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的方法。
图7图示了根据本主题的实施方式的用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的方法。
具体实施方式
本主题涉及用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的系统和方法。
多端子电力传输线路(诸如两端子电力传输线路、三端子电力传输线路等)从多个电源向负载供电。用于识别多端子线路中的故障位置的传统方法仅使用在所有端子处的选定的负序量。尽管通过这种方法减少了继电器之间的通信需求，但是所述解决方案并非对所有故障情况都有效。这些方法还需要了解所有端子处的源阻抗大小和角度，这可能并不总是实际可获得的。用于三端子线路的另一种传统故障位置识别方法使用在这些端子处测得的电压和电流的对称分量。该方法的一个限制在于它需要故障回路作为输入。而且，由于它使用零序量来定位故障，因此对于双回线路，必须考虑相互耦接。这也将导致所述解决方案在第二电路断开和接地的情况下失败，因为没有故障的线路将不会提供零序电流测量值。正确选择故障位置识别子例程取决于故障电阻，这可能并不可靠。
传统故障位置识别方法的准确性取决于对诸如每单位长度的电阻、电感和电容等线路参数的正确估计。这些线路参数难以正确估计，并且这种估计取决于许多实际状况，诸如负荷、天气、老化、材料特性等。有一些线路参数估计方法需要三个独立的观测值/数据组，这些观测值/数据组在故障的情况下可能不可获得。
在一个示例中，三端子传输线路的参数估计可以使用来自所有端子的同步的测量值。特别地，可以使用来自线路的所有端子的电压数据和电流数据的三个观测值。可以使用智能电子装置(IED)数据获得这种数据。IED可以以规则的时间间隔记录该数据，并可以对所述数据进行分析以确定线路参数。
图1图示了无故障的三端子电力传输线路100的示例配置以及控制系统102。控制系统102可以被实施为可以是但不限于服务器、工作站、台式计算机、膝上型计算机和应用程序的任何计算装置。在一个示例中，控制系统102可以在云网络环境中实施。
电力传输线路100可以用于传输电力。所传输的电力可以处于高电压(诸如在千伏范围内)，并且可以是长距离(诸如数十或数百公里)的。电力传输线路100包括第一端子104，电力传输线路100在所述第一端子处从第一电源106接收电力。在一个示例中，第一电源106可以是发电机，然而，在其他示例中，可以使用其他电源。还将理解的是，虽然以下描述是参考连接在不同端子处的电源来提供的，但是在其他实施方式中，变电站或负载可以连接在一个或多个端子处，并且所有这种实施方式也旨在涵盖在本文中。
第一端子104也可以被称为第一总线104。电力传输线路100还包括第二端子108，电力传输线路100在所述第二端子处从第二电源110接收电力。第二端子108也可以被称为第二总线108。电力传输线路100进一步包括第三端子112，电力传输线路100在所述第三端子处从第三电源114接收电力。将理解的是，在每个端子处将存在各种其他部件，诸如变压器、电力系统设备等，为简洁起见未示出或描述所述部件。
每个端子还可以与相应的智能电子装置(IED)相关联。例如，第一端子104可以与第一IED 116相关联，第二端子108可以与第二IED 118相关联，并且第三端子112可以与第三IED 120相关联。如将理解的是，IED可以用于记录在其被部署的端子(或位置)处的电压和电流，并控制该处的电力系统设备，诸如断路器、隔离开关、变压器等。在电力传输系统的上下文中，IED的部件和工作对本领域技术人员而言是容易理解的，并且因此不再详细描述。
进一步地，如图1所示，在电力传输线路中在三个端子104、108、112之间可以存在结点122。因此，电力传输线路在第一端子104与结点122之间的部分可以被称为第一部分，电力传输线路在第二端子108与结点122之间的部分可以被称为第二部分，并且电力传输线路在第三端子112与结点122之间的部分可以被称为第三部分。
在电力传输线路100的操作期间，线路参数(诸如每单位长度的电感和电容)可以随着环境状况(如温度、线路的老化等)的变化而变化。为了获得准确的线路参数，对线路参数的在线估计是非常期望的，并且特别有利于故障定位应用和保护应用。在一个示例中，可以使用来自所有端子的电压和电流的同步的测量值来完成三端子传输线路的参数估计。例如，IED装置116、118和120中的每一个都可以获得同步的电压测量值和电流测量值，并将所述测量值提供给控制系统102。测量值的同步可以基于IED时钟之间的同步，或者可以在控制系统处执行。然后，控制系统102可以计算线路参数，如下文参考图2和图3所讨论的。
图2图示了用于计算无故障的三端子电力传输线路中的线路参数的电流相量和电压相量。总线M、总线N和总线P对应于传输线路的三个端子，这三个端子的截面长度为IMJ、INJ和IPJ。为了确定线路参数，可以从所有端子接收经时间同步的电压数据和电流数据的三个观测值。然后，可以确定电流相量和电压相量，并且可以获得正序电压和电流。
线路中来自总线M的正序电压和电流可以表示为
来自总线N的正序电压和电流可以表示为
来自总线P的正序电压和电流可以表示为
进一步地，通过将三端子电力传输线路视为分布式两端口网络模型，可以为电力传输线路制定电压函数和电流函数。
考虑图2所示的三端子线路，可以在两端口网络P1的定义中使用来自端M的正序电压和电流来获得结点J处的电压
其中，
是线路部分MJ的正序ABCD参数，所述正序参数定义为：
其中，lMJ——线路部分MJ的长度
ZcM——部分MJ的正序特性阻抗
γM——部分MJ的正序传播常数
将
和
的定义代入(1)中，则得到
类似地，可以使用线路部分NJ的两端口网络定义、通过使用N端数据来获得结点电压：
其中，
lNJ——线路部分NJ的长度
ZcN——部分NJ的正序特性阻抗
γN——部分NJ的正序传播常数
类似地，可以使用线路部分PJ的两端口网络定义、通过使用P端数据来获得结点电压：
其中，
lPJ——线路部分PJ的长度
ZcP——部分PJ的正序特性阻抗
γP——部分PJ的正序传播常数
对于无故障状况，使用任一端数据计算出的结点J的电压必须相等。因此，如果线路中没有故障，
根据总线M数据计算出的节点J的电压
——根据总线N数据计算出的节点J的电压
因此，使用(2)和(3)，可定义：
类似地，
根据总线M数据计算出的节点J的电压
——根据总线P数据计算出的节点J的电压
因此，使用(2)和(4)，可定义：
三端子电力传输线路可以是均匀的或不均匀的。在均匀电力传输线路的情况下，认为电力传输线路的所有三个部分中的线路参数都相同。对于不均匀的三端子线路，认为主线路的两个部分是相同的，而认为T形部分(即另一线路的从抽头/结点到端子的部分)的参数是不同的。
以下通过考虑不均匀线路来对线路参数的计算进行讨论，并且然后将所述计算扩展用于计算均匀线路的线路参数。
在本示例中，认为端子P经由结点J处的抽头连接到主线路M-N。因此，主线路的与MJ和NJ相对应的两个部分是相同的，而与PJ相对应的部分则与MJ或NJ不相同。对于这种不均匀线路，γM＝γN并且ZcM＝ZcN。在γM＝γN并且ZcM＝ZcN的情况下，使用(5)和(6)来获得线路所有端子上的电压和电流的3个观测值，则得到：
其中，下标M,i表示在总线M处的第i个数据组，等等。
这些等式的形式为：
其中，x＝(γM，γP，ZcM，ZcP)。
可以将正序电压和电流数据代入上述等式(7)至(12)，并且可以对所述等式进行求解以确定电力传输线路的每个部分中的线路参数，即，电阻、电感和电容。
由于上述一组等式的形式为F(x)＝0，因此在一个示例中，它们可以使用牛顿拉斐逊(NR)法求解。然而，将理解的是，也可以使用求解等式的任何其他数值分析技术，并且本主题不限于通过牛顿拉斐逊法进行求解。为了使用牛顿拉斐逊法求解等式，F(x)的雅可比矩阵被定义为：
ΔF(x)＝JΔx (14)
其中，雅可比J是：
对于n个等式和m个变量，雅可比矩阵具有n行和m列。J中的第一个元素是
元素J11可以使用有限差分获得。考虑在γM中的小扰动δ，微分项J11可以被计算为：
因此，
使用类似的基于有限差分的方法，可以计算矩阵J中的所有元素以形成(14)中定义的雅可比矩阵。NR法使用对变量x的初始猜测，并使用函数关于使用等式(14)至(20)求解的变量的偏导数来计算雅可比矩阵。在每次迭代中，NR求解器都会尝试从F(x)的实际解中减去ΔF(x)(x的猜测值的函数值误差)。因此，x的值是通过迭代地求解直到Δx→0为止而获得的。
图3图示了根据本主题的实施方式的用于使用牛顿拉斐逊近似从电压函数和电流函数确定线路参数的方法300。
在框302处，取初始猜测x’。通常，传输线路每米长度的电阻在2mΩ至10mΩ的范围内，传输线路每米长度的电感在8mH至15mH的范围内，并且传输线路每米长度的电容在8nF至30nF的范围内。因此，作为近似，可以针对所有线路部分使用R＝3mΩ、L＝10mH和C＝10nF来计算x′从而开始NR法迭代。如将理解的是，所述方法也可以在迭代次数或时间要求没有任何显著改变的情况下适用于其他猜测值。然而，因为变量ZcM和ZcN在分母中具有C，因此所述项对于值C＝0的情况变得不是决定性的。因此，在C＝0的情况下，无法求解这些等式，并且所述方法不能用于初始猜测值为0的情况。
在框304处，将x设置为猜测x’，即，x＝x′。
在框306处，基于x的设定值计算等式(7)至(13)并使用等式(18)来估计J的元素。进一步地，x的设定值的误差Δx被计算为：
Δx＝J-1ΔF(x) (19)
在框308处，确定误差是否小于阈值以确保Δx→0。在一个示例中，可以检查是否满足
在框310处，当误差不小于阈值时，新猜测x’被计算为
x′＝x+Δx (20)
方法300然后返回到框304，其中，将x设置为新猜测，并且迭代地重复所述过程，直到误差小于阈值为止。
在框312处，当误差小于阈值时，方法300提供x的最终值作为输出。
如上文所讨论的，参考等式(13)，
x＝(γM，γP，ZcM，ZcP)
进一步地，已知特性阻抗Zc和线路传播常数γ被定义为：
其中，w是使用系统频率f定义为w＝2πf的系统角频率。
对(21)和(22)进行重排，可以获得线路参数(电阻R、电感L和电容C)为：
因此，使用以上确定的x的值和等式(22)至(24)，可以计算线路参数R、L和C。
在均匀线路的情况下，T形部分的参数与主线路部分的参数相同，即，γM＝γN＝γP并且ZcM＝ZcN＝ZcP。因此，通过仅求解主线路部分的参数就可以获得所述线路的参数。因此，使用(5)来获得来自线路的所有端子的电压和电流的3个观测值，则得到：
其中，下标M,i表示在总线M处的第i个数据组，等等。
因此，在均匀线路的情况下，等式的形式为：
上述一组等式的形式也为F(x)＝0，并且可以使用牛顿拉斐逊(NR)法通过使用等式(14)至(20)对其进行求解，如上文针对不均匀线路所讨论的那样。然后可以根据γ和Zc通过使用关系式(23)、(24)和(25)来获得线路参数(电阻R、电感L和电容C)，如上文所讨论的。
在一个示例中，可以使用定义为以下式的函数norm(F)来验证估计的参数的质量：
估计的参数可以用于计算norm(F)。理想地，在参数和相量没有误差的情况下，norm(F)的值必须为零。但是由于某个相量的不准确性和所确定的线路参数(R、L、C和长度)的不准确性，函数可能具有更高的值。然而，norm(F)＜20指示估计的参数接近实际值(误差小于5％)，并因此可以被认为是准确的。
由于上文讨论的用于线路参数估计的等式使用了电压和电流的三个观测值，因此重要的是，所记录的数据组会得出三组等式。当这三个观测值的功率或电流变化超过了额定值的0.1％时，发现上文讨论的参数估计结果是良好的(输出参数误差低)，从而得出三个不同的等式。然而，对于较小的功率/电流变化(小于0.1％)，发现输出值的误差高，因为获得的这三组等式差别不足。在一个示例中，数据组之一也可以是在空载的情况下记录的。
在故障的情况下，可能无法获得三个数据组。因此，使用干扰记录器(DR)数据的方法可以用于制定等式，以估计线路参数和故障位置，如下文所讨论的。
本主题涉及用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的系统和方法。本主题的系统和方法可以用于使用干扰记录器数据(故障前信息和故障期间信息)来准确地识别多端子电力传输线路中具有故障的部分。所述系统和方法提供了用于多端子电力传输线路的设置无故障部分和故障位置识别方法。因此，不需要线路参数信息作为用于故障部分识别/故障位置确定的输入。如将在下文讨论的，故障部分识别基于浪涌阻抗或特性阻抗的实部和虚部。
参考以下描述、所附权利要求以及附图，将更好地解释主题的上述和其他特征、方面和优点。尽管已经使用三端子电力传输线路的示例提供了以下描述，但是将理解的是，本主题可以针对诸如多端子电力传输线路/抽头式电力传输线路等任何电力传输系统(包括针对两端子线路)来实施。
图4图示了根据本主题的实施方式的用于识别电力传输线路402中的故障位置的装置400。装置400可以被实施为可以是、但不限于服务器、工作站、台式计算机、膝上型计算机和应用程序的任何计算装置。在一个示例中，装置400可以在云网络环境中实施。在一个示例中，装置400可以是诸如控制系统102等控制系统的部分，或者可以被单独地实施。
电力传输线路402可以用于传输电力。所传输的电力可以处于高电压(诸如在千伏范围内)，并且可以是长距离(诸如数十或数百公里)的。电力传输线路402包括第一端子404，电力传输线路402在所述第一端子处从第一电源406接收电力。第一端子404也可以被称为第一总线404。电力传输线路402还包括第二端子408，电力传输线路402在所述第二端子处从第二电源410接收电力。第二端子408也可以被称为第二总线408。电力传输线路402进一步包括第三端子412，电力传输线路402在所述第三端子处从第三电源414接收电力。
第一电源406、第二电源410和第三电源414可以是例如发电机。然而，在其他示例中，可以使用其他电源。还将理解的是，虽然以下描述是参考连接在不同端子处的电源来提供的，但是在其他实施方式中，变电站或负载可以连接在一个或多个端子处，并且所有这种实施方式也旨在被涵盖在本文中。
每个端子还可以与相应的干扰记录器或IED相关联。例如，第一端子404可以与第一干扰记录器416相关联，第二端子408可以与第二干扰记录器418相关联，并且第三端子412可以与第三干扰记录器420相关联。
如将理解的是，干扰记录器是时序数据记录设备，用于记录在其被部署的端子处的瞬时电压和电流。通常，干扰数据或干扰记录是响应于某一事件(诸如在电力传输线路中发生故障的情况下)而生成的。在一些实施方式中，干扰记录器可以是IED。干扰记录器的部件和工作对本领域技术人员而言将是理解的，并且为简洁起见，将不再详细描述。
进一步地，如图4所示，在电力传输线路中在三个端子404、408和412之间可以存在结点422。因此，电力传输线路在第一端子404与结点422之间的部分可以被称为第一部分，电力传输线路在第二端子408与结点422之间的部分可以被称为第二部分，并且电力传输线路在第三端子412与结点422之间的部分可以被称为第三部分。
有时，电力传输线路402上可能会发生电气故障或干扰(通常称为故障)。例如，故障可能发生在电力传输线路402中的任何一个部分中。所述故障可以是例如相接地故障或相间故障。为了有助于识别出具有故障的部分，装置400可以利用处理器424、相量计算模块426和故障位置识别模块428。
相量计算模块426和故障位置识别模块428可以以硬件、软件或这两者的组合来实施。在相量计算模块426和故障位置识别模块428部分地或全部地以软件实施的情况下，处理器424可以获取并执行与所述模块相对应的指令。尽管没有进行描述，但将理解的是，装置400可以包括其他硬件部件和软件部件，诸如存储器、输入/输出接口、网络接口以及可以帮助其运行的各种程序和应用程序。
装置400例如通过有线连接或无线连接或这两者的组合通信地链接到干扰记录器416、418和420。在一个示例中，装置400与干扰记录器416、418和420通过因特网彼此通信。
在操作中，相量计算模块426可以在电力传输线路中已经发生故障之后，从端子404、408和412的干扰记录器416、418和420获得同步的干扰记录，并且计算故障前端子电压相量和故障前端子电流相量以及故障期间端子电压相量和故障期间端子电流相量。
故障位置识别模块428可以使用第一部分、第二部分和第三部分中的假定故障部分来计算每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、和故障位置参数的值。在一个示例中，所述计算基于利用计算出的故障前电压相量和故障前电流相量、故障期间电流相量和故障期间电压相量、和每个部分的线路长度同时求解假定故障部分的多个故障前目标函数和故障期间目标函数。例如，故障前目标函数和故障期间目标函数可以已基于使从端子中的两个端子确定的结点电压相等、在结点处的电荷守恒以及使从一个端子和结点确定的故障位置电压相等来制定。在一个示例中，故障前目标函数和故障期间目标函数可以存储在装置400的存储器中。
在一个示例中，故障前目标函数和故障期间目标函数中的每一个对应于变量组的函数，所述函数等于零，并且所述变量组包括每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及故障位置参数。在一个示例中，为了求解故障前函数和故障期间函数，故障位置识别模块428被配置成应用数值分析技术(诸如牛顿拉斐逊法)，以确定每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及故障位置参数。
故障前目标函数和故障期间目标函数的制定以及对目标函数的求解将在稍后参考图5A至图5C中所示的示例进行详细讨论。
故障位置识别模块428可以将针对假定故障部分确定的传播常数、浪涌阻抗、和故障位置参数的值与所述部分的预定义标准进行比较，并基于所述比较来确定故障部分、故障位置以及第一部分、第二部分和第三部分中的每一个的线路参数。
在一个示例中，用于确定特定假定部分是否为故障部分的预定义标准包括：(a)故障位置参数的值介于零到一之间；(b)每个部分的传播常数的平方的实部小于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的实部大于零；以及(c)每个部分的传播常数的平方的虚部大于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的虚部小于零。
以下参考图5A至图5C进一步描述识别故障位置的方法，所述图示出了在三端子电力传输线路/抽头式电力传输线路上的故障位置识别。然而，将理解的是，尽管进行了本领域技术人员将理解的修改，但是可以执行类似的计算来识别任何多端子电力传输线路中的故障位置。在讨论中，目标函数也可以互换地称为等式。
对于故障前状况，使用任一端数据计算出的结点J的电压必须相等。因此，如上文所讨论的，参考图2，通过将三端子电力传输线路视为分布式两端口模型，可以将使用正序电压或负序电压的故障前目标函数制定为：
在此，已经基于从M和N端计算出的电压制定了F1，已经基于从M和P端计算出的电压制定了F2，并且已经基于从M和P端计算出的电压制定了F3。进一步地，在等式31至33中，
γM＝部分MJ的传播常数
γN＝部分NJ的传播常数
γP＝部分PJ的传播常数
ZcM＝部分MJ的特性阻抗
ZcN＝部分NJ的特性阻抗
ZcP＝部分PJ的特性阻抗
同样根据基尔霍夫电流定律(KCL)，针对在结点222处的电荷守恒，对于故障前状况，流出结点的总电流应该等于流入结点的总电流。因此，电流的故障前目标函数可以制定为
通过假定故障位置位于任何一个部分中，可以制定针对故障期间状况的目标函数。这将参考图5A至图5C来进行描述。
图5A至图5C图示了根据本主题的实施方式的用于计算在不同部分中存在故障的三端子电力传输线路中的线路参数和故障位置的电流相量和电压相量。
如图5A所示，考虑部分MJ中距总线M距离dIMJ并且因此距连结点J距离(1-d)IMJ处的故障。在此，d对应于故障位置参数，并且在一个示例中，其是部分MJ从故障点所在的端子M起的长度的分数。将理解的是，故障位置参数也可以以不同的方式(诸如针对例如距端子M的距离)定义。如下所示，故障期间目标函数可以使用两组同步的读数来制定：
在此，
等式F5，MJ和F6，MJ基于使用两端口模型从无故障的端(即从N端子和P端子)计算得出的在结点J处的电压。
针对从结点J流出并流入故障部分MJ的电流(即，
和
)的等式是基于在结点J处适用的基尔霍夫电流定律来确定的。
等式F7，MJ和F8，MJ基于使用两端口模型从端M和J计算得出的在故障位置处的电压。
其中，如上所示的故障期间等式中的上标i指示第i个数据组。
如图5B所示，考虑部分NJ中距总线N距离dINJ并且因此距连结点J距离(1-d)INJ处的故障。在此，d对应于故障位置参数，并且在一个示例中，其是部分NJ从故障点所在的端子N起的长度的分数。将理解的是，故障位置参数也可以以不同的方式定义。故障期间目标函数可以以类似于针对图5A讨论的方式使用两组同步的读数来制定。针对部分NJ中的故障的故障期间目标函数如下所示：
在此，
等式F5，NJ和F6，NJ基于使用两端口模型从无故障的端(即从M端子和P端子)计算得出的在结点J处的电压。
针对从结点J流出并流入故障部分NJ的电流(即，
)的等式是基于在结点J处适用的基尔霍夫电流定律来确定的。
等式F7，NJ和F8，NJ基于使用两端口模型从端N和J计算得出的在故障位置处的电压。
其中，如上所示的故障期间等式中的上标i指示第i个数据组。
如图5C所示，考虑部分PJ中距总线N距离dIPJ并且因此距连结点J距离(1-d)IPJ处的故障。在此，d对应于故障位置参数，并且在一个示例中，其是部分PJ从故障点所在的端子P起的长度的分数。将理解的是，故障位置参数也可以以不同的方式定义。故障期间目标函数可以以类似于针对图5A讨论的方式使用两组经同步的读数来制定。针对部分PJ中的故障的故障期间目标函数如下所示：
在此，
等式F5，PJ和F6，PJ基于使用两端口模型从无故障的端(即从M端子和N端子)计算得出的在结点J处的电压。
针对从结点J流出并流入故障部分PJ的电流(即，
和
)的等式是基于在结点J处适用的基尔霍夫电流定律来确定的。
等式F7，PJ和F8，PJ基于使用两端口模型从端P和J计算得出的在故障位置处的电压。
其中，如上所示的故障期间等式中的上标i指示第i个数据组。
因此，通过考虑线路的不同部分中的故障，形成了故障期间目标函数。然后，针对假定故障部分的一组等式同时估计线路参数和故障位置，其中，所述一组等式包括对应于假定故障部分的故障前目标函数F1至F4和故障期间目标函数F5至F8。可见，特定的等式组中的等式F1至F8的形式为F(x)＝0，并且因此，可以使用数值分析技术(例如，使用如上所讨论的NR法)来同时求解以确定浪涌阻抗、传播常数和故障位置参数d。
进一步地，如先前所讨论的，可以根据某部分中的浪涌阻抗和传播常数来确定该部分的线路参数，即，电阻、电导和电感。在一个示例中，所述部分中的两个部分的线路参数是相等的。在另一个示例中，所有三个部分的线路参数均是相等的。
基于预定义标准选择正确的线路参数和故障位置。已知的是，对于每单位串联阻抗为z＝R+jωL且每单位分流导纳为y＝jωC(其中，R、L和C指示相应元件的电阻、电感和电容)的传输线路，所述线路的特性阻抗被定义为：
因此，
并且，所述线路的传播常数被定义为：
因此，
γ2＝-ω2LC+jωRC.
R、L和C是传输线路的正值，ZC和γ应该满足以下特性——
a、real(γ2)＜0，并且real(Zc 2)＞0
b.imag(γ2)＞0，并且imag(Zc 2)＜0
因此，当同时求解针对特定部分的故障前等式和故障期间等式时，如果该特定部分是故障部分，则每个部分的所得传播常数和浪涌阻抗、以及故障位置参数应该满足以下预定义标准：
(1)故障位置参数的值应该在0到1之间，即，0<d<1；
(2)传播常数的平方的实部应该小于零，并且浪涌阻抗的平方的实部应该大于零；以及
(3)传播常数的平方的虚部应该大于零，并且浪涌阻抗的平方的虚部应该小于零。
因此，在包括对于假定故障部分的故障前目标函数和故障期间目标函数的等式组进行求解时满足预定义标准的该假定故障部分被识别为故障部分。因此，如上文所讨论的，然后可以根据故障位置参数、传播常数和浪涌阻抗来确定故障位置和线路参数。
图6图示了根据本主题的实施方式的用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的方法。描述方法600的顺序不旨在被解释为限制，并且可以以任何顺序组合任意数量的所描述的方法框以实施方法600或替代性方法。此外，方法600可以由一个或多个处理器或者一个或多个计算装置通过任何合适的硬件、非暂态机器可读指令或它们的组合来实施。
可以理解，方法600的步骤可以由编程的计算装置执行，并且可以基于存储在非暂态计算机可读介质中的指令来执行。尽管方法600可以在各种系统中实施，但是为了便于解释，方法600是关于装置400和图4以及图5A至图5C进行描述的。进一步地，尽管方法600可以针对任何多端子电力传输线路实施，但是出于讨论目的，方法600是针对具有连接在一个或多个结点处的三个或更多个端子的电力传输线路进行描述的，其中，至少第一端子、第二端子、和第三端子连接在结点处，其中，第一部分连接所述第一端子和所述结点，第二部分连接所述第二端子和所述结点，并且第三部分连接所述第三端子和所述结点。
在步骤602处，在电力传输线路中已经发生故障之后，从第一端子、第二端子和第三端子中的每个获得经同步的干扰记录。
在步骤604处，基于干扰记录为第一端子、第二端子和第三端子中的每个计算故障前电压相量和故障前电流相量以及故障期间电流相量和故障期间电压相量。
在步骤606处，使用第一部分、第二部分和第三部分中的假定故障部分来计算每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、和故障位置参数的值。所述计算基于利用计算出的故障前电压相量和故障前电流相量、故障期间电流相量和故障期间电压相量、和每个部分的线路长度同时求解假定故障部分的多个故障前目标函数和故障期间目标函数。
如上文所讨论的，故障前目标函数和故障期间目标函数可以基于使从端子中的两个端子确定的结点电压相等、在结点处的电荷守恒以及使从一个端子和结点确定的故障位置电压相等来制定。例如，所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数中的每个可以对应于变量组的函数，所述函数等于零，其中，所述变量组包括每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及故障位置参数。
例如，对于三端子电力传输线路，故障前目标函数包括如上文参考图4和图5A至图5C所讨论的函数F1至F4，并且故障期间函数可以对应于如上文参考图5A至图5C所讨论的函数F5至F8。因此，故障前目标函数包括基于对第一端子、第二端子和第三端子中的每对端子在结点处的电压的计算的一组函数、以及基于在所述结点处的电荷守恒的函数。进一步地，某部分的故障期间目标函数包括第一组函数和第二组函数，所述第一组函数基于对除了所述部分的端子之外的每对端子在结点处的电压的计算，并且所述第二组函数基于对所述结点和所述部分的端子在故障点处的电压的计算。
在一个示例中，为了同时求解故障前目标函数和故障期间目标函数，可以应用数值分析技术(诸如牛顿拉斐逊法)来确定每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及故障位置参数。
在步骤608处，对于假定为故障部分的特定部分，将针对第一部分、第二部分和第三部分中的每个确定的值与预定义标准进行比较。在一个示例中，所述预定义标准包括：(a)故障位置参数的值介于零到一之间；(b)每个部分的传播常数的平方的实部小于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的实部大于零；以及(c)每个部分的传播常数的平方的虚部大于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的虚部小于零。
在步骤610处，基于所述比较，确定故障部分、故障位置以及第一部分、第二部分和第三部分中的每个的线路参数。所述线路参数可以包括每个部分的电阻、电导和电感。在一个示例中，所述部分中的两个部分的线路参数可以是相等的。
在一个示例中，可以迭代地执行步骤606至步骤610，直到识别出故障部分，例如，如图7所图示的。图7图示了根据本主题的实施方式的用于识别多端子电力传输线路中的故障位置的方法700。类似于方法600，方法700也可以由编程的计算装置执行，并且可以基于存储在非暂态计算机可读介质中的指令来执行。为了便于解释，方法700是关于装置400和图4以及图5A至图5C针对具有连接在一个或多个结点处的三个或更多个端子的电力传输线路进行描述的。然而，方法700也可以扩展到其他实施方式。
如图所示，在步骤702处，从端子M、N和P获得干扰记录器数据(DR)。在步骤704处，如上文所讨论的，制定故障前目标函数F1至F4。进一步地，如图所示，执行对应于分支706、708、710的步骤。例如，首先，可以假定故障处于部分MJ中，并且可以遵循分支706。因此，可以使用如上文参考图5A所讨论的故障期间目标函数F5至F8来确定故障位置。可以使用数值技术来求解等式F1至F8，以确定故障位置参数(d)以及每个部分的传播常数和浪涌阻抗，并且可以将所述值与预定义标准进行比较。在满足预定义标准的情况下，可以将部分MJ确定为故障部分，并且相应地，可以确定故障位置和线路参数。
然而，如果不满足预定义标准，则可以将下一个部分假定为故障部分。例如，当不满足预定义标准时，可以通过假定部分NJ为故障部分来执行分支708下的步骤。因此，可以使用如上文参考图5B所讨论的以部分NJ作为假定故障部分的等式F5至F8来确定故障位置。进一步地，可以使用数值技术来求解等式F1至F8，以确定故障位置参数(d)以及每个部分的传播常数和浪涌阻抗，并且可以将所述值与预定义标准进行比较。在满足预定义标准的情况下，可以将部分NJ确定为故障部分，并且相应地，可以确定故障位置和线路参数。
然而，如果仍不满足预定义标准，则可以将下一个部分假定为故障部分。例如，当仍不满足预定义标准时，可以通过假定部分PJ为故障部分来执行分支710下的步骤。因此，可以使用如上文参考图5C所讨论的以部分PJ作为假定故障部分的等式F5至F8来确定故障位置。进一步地，可以使用数值技术来求解等式F1至F8，以确定故障位置参数(d)以及每个部分的传播常数和浪涌阻抗，并且可以将所述值与预定义标准进行比较。在满足预定义标准的情况下，可以将部分PJ确定为故障部分，并且相应地，可以确定故障位置和线路参数。
因此，方法600和700提供了无设置故障位置识别，即，可以在预先不知道线路参数的情况下识别故障位置。
尽管已经参考具体实施方式描述了本主题，但是该描述并不旨在被解释为限制性的意义。在参照本主题的描述的情况下，所公开的实施方式的各种修改以及本主题的替代实施方式对本领域技术人员将变得显而易见。进一步地，尽管已经参考三端子电力传输线路的特定配置解释了本主题，但是应当理解，本主题可以用于任何电力传输系统，诸如多端子电力传输线路、两端子传输线路、混合电力传输线路等。
Claims (10)
1.一种用于识别电力传输线路(402)中的故障位置的方法，所述电力传输线路(402)具有在一个或多个结点处连接的三个或更多个端子，其中，至少第一端子(404)、第二端子(408)、和第三端子(412)在结点(422)处连接，其中，第一部分连接所述第一端子(404)和所述结点(422)，第二部分连接所述第二端子(408)和所述结点(422)，并且第三部分连接所述第三端子(412)和所述结点(422)，所述方法包括：
在所述电力传输线路(402)中已经发生故障之后，从所述第一端子、所述第二端子和所述第三端子(404，408，412)中的每个获得同步的干扰记录；
基于所述干扰记录，为所述第一端子、所述第二端子和所述第三端子(404，408，412)中的每个计算故障前电压相量和故障前电流相量以及故障期间电压相量和故障期间电流相量；
使用来自所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分(404，408，412)中的假定故障部分来计算每个部分的传播常数的值、每个部分的浪涌阻抗的值、和故障位置参数的值，其中，所述计算基于利用计算出的故障前电压相量和故障前电流相量、故障期间电压相量和故障期间电流相量、和每个部分的长度来同时求解对于所述假定故障部分的多个故障前目标函数和故障期间目标函数，并且其中，所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数基于从所述端子中的两个端子确定的结点电压相等、在所述结点处的电荷守恒以及从一个端子和所述结点确定的故障位置电压相等来制定；
将对于所述传播常数、所述浪涌阻抗和所述故障位置参数所确定的值与预定义标准进行比较；以及
基于所述比较，确定故障部分、所述故障位置以及所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的每个的线路参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当针对所述假定故障部分从所述故障前目标函数和故障期间目标函数确定的值满足所述预定义标准时，将所述假定故障部分确定为所述故障部分，所述预定义标准包括：
a.所述故障位置参数的值介于零与一之间；
b.每个部分的传播常数的平方的实部小于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的实部大于零；以及
c.每个部分的传播常数的平方的虚部大于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的虚部小于零。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述部分中的两个部分具有相同的线路参数。
4.如权利要求1所述的方法，其中，
所述故障前目标函数包括基于对所述第一端子、所述第二端子和所述第三端子(404，408，412)中的每对端子在所述结点(422)处的电压的计算的一组函数、以及基于在所述结点处的电荷守恒的函数；并且
用于所述假定故障部分的所述故障期间目标函数包括第一组函数和第二组函数，所述第一组函数基于对除了所述假定故障部分的端子之外的每对端子在所述结点(422)处的电压的计算，并且所述第二组函数基于对所述结点(422)和所述假定故障部分的端子在故障点处的电压的计算。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数中的每个对应于变量组的函数，所述函数等于零，其中，所述变量组包括每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及所述故障位置参数。
6.如权利要求1所述的方法，其中，同时求解所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数包括应用数值分析技术来确定每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及所述故障位置参数。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述线路参数包括每个部分的电阻、电导和电感，并且其中，所述故障期间电压相量和故障期间电流相量包括至少两个数据组。
8.一种用于识别电力传输线路(402)中的故障位置的装置(400)，所述电力传输线路(402)具有在一个或多个结点处连接的三个或更多个端子，其中，至少第一端子(404)、第二端子(408)、和第三端子(412)在结点(422)处连接，其中，第一部分连接所述第一端子(404)和所述结点(422)，第二部分连接所述第二端子(408)和所述结点(422)，并且第三部分连接所述第三端子(412)和所述结点(422)，所述装置(400)包括：
处理器(424)；以及
相量计算模块(426)，所述相量计算模块被配置成在所述电力传输线路(402)中已经发生故障之后，从所述多个端子(404，408，412)中的每个获得同步的干扰记录，并且计算故障前端子电压相量和故障前端子电流相量以及故障期间端子电压相量和故障期间端子电流相量；以及
故障位置识别模块(428)，所述故障位置识别模块被配置成：
使用来自所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的假定故障部分来计算每个部分的传播常数的值、每个部分的浪涌阻抗的值、和故障位置参数的值，其中，所述计算基于利用计算出的故障前电压相量和故障前电流相量、故障期间电流相量和故障期间电压相量、和每个部分的线路长度来同时求解用于所述假定故障部分的多个故障前目标函数和故障期间目标函数，并且其中，所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数基于从所述端子中的两个端子确定的结点电压相等、在所述结点处的电荷守恒以及从一个端子和所述结点确定的故障位置电压相等而制定；
将对于所述传播常数、所述浪涌阻抗和所述故障位置参数所确定的值与预定义标准进行比较；并且
基于所述比较，确定故障部分、所述故障位置以及所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的每个的参数。
9.如权利要求8所述的装置(400)，其中，所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数中的每个对应于变量组的函数，所述函数等于零，其中，所述变量组包括每个部分的传播常数、每个部分的浪涌阻抗、以及所述故障位置参数，并且其中，为了同时求解所述故障前函数和所述故障期间函数，所述故障位置识别模块(428)被配置成应用数值分析技术来确定所述每个部分的传播常数、所述每个部分的浪涌阻抗、以及所述故障位置参数。
10.如权利要求8所述的装置(400)，其中，当针对所述假定故障部分从所述故障前目标函数和所述故障期间目标函数确定的值满足所述预定义标准时，将所述假定故障部分确定为所述故障部分，所述预定义标准包括：
a.所述故障位置参数的值介于零与一之间；
b.每个部分的传播常数的平方的实部小于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的实部大于零；以及
c.每个部分的传播常数的平方的虚部大于零，并且每个部分的浪涌阻抗的平方的虚部小于零。
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