CN112255496A - 一种线缆混合直流线路的故障区段判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线缆混合直流线路的故障区段判定方法，包括下面步骤：对直流输电线路上发生故障后的两端采样电压和采样电流进行滤波，提取出直流分量电压和电流IM、IN；定义两个电压符号函数；求出分段节点的电压值UMC、UMT和UNC、UNT；计算P1和P2的值，并依照故障区段与P1和P2的对应关系进行故障区段的判定。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的控制与保护领域，特别涉及线缆混合直流线路的故障区段判定方法。
背景技术
架空线-电缆混合线路在直流输电系统中应用广泛，由于各段线路参数不同，故障定位需要先判定故障区段、再在故障区段内进行故障定位。目前线缆混合线路的故障区段判定和故障定位研究主要集中于交流线路，针对直流输电线路的研究比较少。文献[1]利用行波法对电网换相换流器高压直流输电系统(Line Commutated Converter Based HighVoltage Direct Current,LCC-HVDC)中的三段式线缆混合线路进行故障区段判定，通过测量故障初始行波到达线路两端的时间区分故障发生区段，但是该方法的区段判定结果受初始行波波头识别不准的影响。文献[2]利用当故障发生在线缆混合线路交接点附近时，固有频率主频值会发生突变的特性，通过比较固有频率主频值和突变频率值的大小进行故障区段的判定，但这种方法只适用于两段式线缆混合线路结构。文献[3]在文献[1]判断故障区段的方法上，针对电压源型换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter BasedHigh Voltage Direct Current,VSC-HVDC)提出用罗果夫斯基线圈进行波头到达时间的准确获取，虽然为行波法在线缆混合直流线路故障区段判定的应用提供了新思路，但是没有从根本上解决行波波头识别不准的问题。文献[4]利用人工神经网络的非线性函数逼近和拟合能力，结合不同区段线路故障时固有频率所呈现的特点，建立分层分布式神经网络模型实现故障区段判定，缺点是实际中难以获取大量故障样本，降低了故障区段判定的可靠性。因此，有必要研究新的线缆混合直流线路故障区段判定方法，以满足现代电力系统控制与保护的要求。
参考文献
[1]O.M.K.K.Nanayakkara,A.D.Rajapakse,and R.Wachal,“Location of DCLine Faults in Conventional HVDC Systems With Segments of Cables and OverheadLines Using Terminal Measurements,”IEEE Trans.Power Deliv.,vol.27,no.1,pp.279–288,Jan.2012.
[2]杨立红。直流输电线缆混合线路故障测距方法。华北电力大学，2014
[3]Hashim A.Al Hassan,Brandon M.Grainger,Thomas E.McDermott,andGregory F.Reed.Fault Location Identification of a Hybrid HVDC-VSC SystemContaining Cable and Overhead line Segments Using Transient Data
[4]杨明玉，杨立红。基于神经网络的柔性直流混合输电线路故障测距。电网技术，2001，25(7)：18-22.
发明内容
本发明提供一种线缆混合直流线路的故障区段判定新方法，在线缆混合直流线路发生故障时可以正确判断出故障发生的区段。技术方案如下：
一种线缆混合直流线路的故障区段判定方法，包括下面步骤：
步骤1：对直流输电线路上发生故障后的两端采样电压和采样电流进行Kaiser窗低通滤波，提取出直流分量电压UM、UN和直流分量电流IM、IN。
步骤2：定义两个电压符号函数如下
式中，设架空线和电缆的两个连接点为C点和T点，UMC、UNC为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压UM、UN和测量电流IM、IN，通过传输线方程推导出的C点电压；UMT、UNT为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压和测量电流、通过传输线方程推导出的T点电压；
步骤3：基于UM、UN、IM、IN和传输线方程求出分段节点的电压值UMC、UMT和UNC、UNT；
步骤4：计算P1和P2的值，并依照故障区段与P1和P2的对应关系进行故障区段的判定，方法如下：
进一步地，步骤3的计算公式如下：
式中，lMC和lNT为架空线MC和NT的长度，lCT为电缆CT的长度；γL是架空线路传输常数，对于直流分量而言，
其中，RL、LL、GL和CL分别为架空线路单位长度电阻、电感、电导和电容；ZL是架空线路特性阻抗，对于直流分量而言，
γC是电缆传输常数，对于直流分量而言，
其中，RC、LC、GC和CC分别为电缆单位长度电阻、电感、电导和电容；ZC是电缆特性阻抗，对于直流分量而言，
本发明的有益效果如下：
1.两个电压符号函数由线缆混合线路两端的直流电压和直流电流通过传输线方程计算得到。不同区段故障时，这两个函数具有不同的组合，能正确判定出故障区段。该判定方法具有原理清晰、计算简单、易于实现的优点。
2.本发明不受线路结构的影响，适用于两段式及多段式线缆混合直流线路结构。
附图说明
图1 MN线缆混合直流输电线路结构图
图2故障发生在架空线MC段
具体实施方式
因为直流输电线路上的直流分量满足传输线方程，所以基于首端的直流电压和直流电流通过传输线方程可推导出输电线路上任意一点的直流电压和直流电流。对于附图1中由架空线路MC、TN和电缆CT组成的三段式线缆混合直流线路MN，本发明定义了两个电压符号函数如下
式中，UMC、UNC为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压和测量电流、通过传输线方程推导出的C点电压；UMT、UNT为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压和测量电流、通过传输线方程推导出的T点电压。
当故障点F位于附图2的架空线MC段时，从N侧基于传输线方程计算得到的C点电压UNC等于从M侧基于传输线方程计算的实际电压U′MC，即
UNC＝U′MC (2)
U′MC的具体计算过程如下
式中，lMF和lCF为F点到M侧和连接点C的距离；γL是架空线路传输常数，对于直流分量而言，因频率为零，所以
其中，RL、LL、GL和CL分别为架空线路单位长度电阻、电感、电导和电容；ZL是架空线路特性阻抗，对于直流分量而言，
故障点处电流满足
IFC＝IMF-IF (4)
将式(4)带入式(3)并整理得
U′MC＝UM coshγLlMC-ZLIM sinhγLlMC+ZLIF sinhγLlCF (5)
考虑到基于M侧电压电流、在不考虑故障点存在情况下通过传输线方程求得的C点电压为
UMC＝UM coshγLlMC-ZLIM sinhγLlMC (6)
将式(6)带入式(5)得
U′MC＝UMC+ZLIF sinhγLlCF (7)
因此，
P1＝sgn(UMC-UNC)＝sgn(UMC-U′MC)＝sgn(-ZLIF sinhγLlCF)＝-1 (8)
同理，从N侧基于传输线方程计算得到的T点电压UNT等于由M侧基于传输线方程计算得到的实际电压U′MT，即
UNT＝U′MT (9)
U′MT的具体计算过程如下
式中，γC是电缆传输常数，对于直流分量而言，
其中，RC、LC、GC和CC分别为电缆单位长度电阻、电感、电导和电容；ZC是电缆特性阻抗，对于直流分量而言，
将式(4)、(7)带入到式(10)中并整理得
而基于M侧电压电流、在不考虑故障点存在情况下通过传输线方程求得的T点电压为
UMT＝UMC coshγClCT-ZCIMC sinhγClCT (12)
将式(12)带入式(11)得
U′MT＝UMT+IF(ZL sinhγLlCF coshγClCT+ZC coshγLlCF sinhγClCT) (13)
因此，
式(14)中，sinhγLlCF、coshγClCT、coshγLlCF和sinhγClCT均大于零，因此
P2＝-1 (15)
由上分析可知，当故障发生在架空线MC段时，P1＝-1、P2＝-1。
对于故障点F位于电缆CT段和架空线TN段的情况，P1和P2的分析过程与上述相似，在此不做赘述。附表1列出了P1和P2与故障区段的对应关系。
因此，根据定义的两个电压符号函数的不同特性，可以实现线缆混合直流输电线路故障区段的判定。具体判据如下：
表1故障区段与电压符号函数的对应关系
综上，本发明的线缆混合直流线路的故障区段判定新方法步骤如下：
步骤1：对直流输电线路上发生故障后的两端采样电压和采样电流进行Kaiser窗低通滤波，提取出直流分量电压UM、UN和直流分量电流IM、IN；
步骤2：基于UM、UN、IM、IN和传输线方程求出分段节点的电压值UMC、UMT和UNC、UNT，公式如下
步骤3：根据式(1)计算P1和P2的值，并依照附表1中故障区段与P1和P2的对应关系进行故障区段的判定。
Claims (3)
1.一种线缆混合直流线路的故障区段判定方法，包括下面步骤：
步骤1：对直流输电线路上发生故障后的两端采样电压和采样电流进行滤波，提取出直流分量电压UM、UN和直流分量电流IM、IN。
步骤2：定义两个电压符号函数如下
式中，设架空线和电缆的两个连接点为C点和T点，UMC、UNC为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压UM、UN和测量电流IM、IN，通过传输线方程推导出的C点电压；UMT、UNT为不考虑故障点存在情况下分别基于M侧和N侧的测量电压和测量电流、通过传输线方程推导出的T点电压；
步骤3：基于UM、UN、IM、IN和传输线方程求出分段节点的电压值UMC、UMT和UNC、UNT；
步骤4：计算P1和P2的值，并依照故障区段与P1和P2的对应关系进行故障区段的判定，方法如下：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2进行Kaiser窗低通滤波。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3的计算公式如下：
式中，lMC和lNT为架空线MC和NT的长度，lCT为电缆CT的长度；γL是架空线路传输常数，对于直流分量而言，
其中，RL、LL、GL和CL分别为架空线路单位长度电阻、电感、电导和电容；ZL是架空线路特性阻抗，对于直流分量而言，
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