CN112363009B - 一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法及系统，属于故障测距技术领域。本发明方法，包括：同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障类型；获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离。本发明获取本侧经低通滤波后的各电气量的幅值及相位，能够在同塔线路发生单线单相接地故障时快速、精确完成故障测距。

Description

一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法及系统

技术领域

本发明涉及故障测距技术领域，并且更具体地，涉及一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法及系统。

背景技术

故障测距指根据输电线路故障特征，利用电路原理、行波原理等物理规律获取故障点在线路上的位置，从而减轻人工巡线的耗时和工作量，实现快速查找、修复故障，最小化故障的经济损失和对电网稳定性的冲击。由于通信及采样技术限制，传统故障测距方法多采用基于单端电气量的阻抗法实现。当前，为解决输电容量、占地面积及建设成本之间的矛盾，同塔线路逐渐获得推广应用，且替代单回输电线路的趋势明显。但同塔线路各回线间零序互感、接地故障过渡电阻等因素均会对传统故障测距精度造成影响。

传统测距方法多基于R-L模型。忽略对地电容，将输电线路等效为电阻与电抗的串联(即等效R-L模型)可极大简化故障分析法对测距函数的构造，但超/特高压线路的分布电容往往较大，其分布参数特性将显著影响保护装置对线路阻抗参数的测量。但对分布电容进行频域特征分析可知，其主要产生高频分量，于是采用低通滤波器将高频分量滤除后，长距离高压线路也可简化为R-L模型。

输电线路故障中，单线接地故障数量占故障总数比例在80％以上。现有同塔线路单端故障测距方法以行波法及故障分析法为主，兼容保护装置的测距原理以故障分析法为多。行波法利用故障点产生的行波及其折射/反射特性实现故障测距精度很高且不受工频分量、过渡电阻或故障类型影响，但其波头特征易被高频噪声淹没，且对采样设备要求极高。故障分析法则利用工频电气量之间的数学关系，通过推导故障距离关于保护测量电压、电流的多元方程进行测距。其中，以解微分方程法、电流分布系数常数法等为代表的实用测距方法的测距精度可能受工频扰动的影响；而精确故障分析法如六序分量解耦法、参数识别法可实现精确故障测距，但这类方法多基于复杂迭代或矩阵解耦，测距速度难以保证。

发明内容

针对上述问题，本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法，包括：

同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障类型；

获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离。

可选的，预设时间为20ms。

可选的，测距参数值为序电流值。

可选的，同塔线路接地故障，包括：单线单相接地故障和单线双相接地故障。

本发明还提出了一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距系统，包括：

故障判断模块，同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障类型；

采集模块，获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

计算模块，根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

测距模块，根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离。

可选的，预设时间为20ms。

可选的，测距参数值为序电流值。

可选的，同塔线路接地故障，包括：单线单相接地故障和单线双相接地故障。

本发明获取本侧经低通滤波后的各电气量的幅值及相位，能够在同塔线路发生接地故障时快速、精确完成故障测距，且适用于参数对称、两侧共母线的同塔多回线路中发生的各类单线接地故障，测距速度高、精度好，且无需增设额外设备，兼容现有保护装置。

附图说明

图1为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法流程图；

图2为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法实施例同塔双回线接地故障零序拓扑；

图3为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法实施例两相短路接地时故障点拓扑；

图4为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法实施例同塔线路仿真模型拓扑；

图5为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法实施例不同序网下相位差趋势图；

图6为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法实施例不同方法测距结果随时间变化趋势图；

图7为本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法，如图1所示，包括：

同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障为单线单相接地故障或单线两相接地故障；

获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

根据测距参数值，确定单线单相接地故障或单线两相接地故障的故障距离。

预设时间为20ms。

测距参数值包括：单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流。

同塔线路接地故障为单线单相接地故障时，根据单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

同塔线路接地故障为单线双相接地故障时，根据单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

下面结合实施例对本发明进行进一步说明：

以同塔双回线路为例进行测距原理分析。

R-L模型下其发生单回线单相接地故障时的零序网络拓扑如图2所示，这里利用了电路中含公共端的耦合电感解耦方法(即T形解耦法)，图中a为故障距离占线路全长比例，Z₀、Z_0m、Z_0M、Z_0N分别为线路零序自阻抗、零序互感、M侧及N侧系统零序阻抗，为接地支路的故障电流，/> 分别为双回线电流，对图2中MNFM回路运用KVL定律，有如下关系：

消去N侧II回线零序电流则故障点电流与双回线M侧零序电流的关系为：

即在R-L模型下，故障支路零序电流的相位可通过M侧双回线零序电流精确求出，上述电流的相位均可通过全波傅式算法提取相关电气量的基波相量来获得。而单相接地故障边界条件如下：

其中，分别为故障点故障相电压及电流。由过渡电阻的纯电阻特性可知，/>的相位可通过/>得到，再列写传统带零序补偿的接地故障动作方程如下：

式中为M侧故障相电压及故障回线故障相电流，/>为一等效比较电压，K₀、K_m分别为本线路及响铃线路零序补偿系数，且可在已知两回线零序电流及相邻线路运行状态的情况下直接求出，/>和/>均已知，且在a取不同值时二者可唯一确定的相位，从而故障距离a有解，完成故障测距。

R-L模型下同塔双回线路发生单回线两相短路接地故障时，以BC两相短路接地为例，此时故障点结构，如图3所示，根据对称分量法，图3中如下关系成立：

上式结合传统相间短路接地的距离保护算法，可导出相间短路接地故障下基于相位关系的精确测距方程：

由序网定义可知，各序网MNFM回路结构类似，仅复合序网结构会产生重大改变，因此通过正、负序网络M侧电流也可推出故障点序电流相位，即：

从而可求得相位，此时故障距离a有解，完成故障测距。

故障发生后，根据保护装置内部选相结果判断发生的是单相接地故障还是两相接地故障，并获得故障回线及具体故障相，再取本侧各回线保护装置经低通滤波后的当前采样点前20ms(即一个周波)内所有采样点的三相电压、三相电流的数值，进行傅里叶变换，并获得其各自的幅值和相位；获取线路零序补偿系数及基本阻抗参数。

若发生的是单线单相接地故障，则根据对称分量法，利用本侧各回线三相电流得到本侧各回线零序电流。取任一非故障线路的本侧零序电流及故障线路的本侧零序电流/>通过下式求取故障点电压/>的相位θ：

根据传统带零序补偿的接地故障动作方程，可构造相位测距方程如下：

将的相位代入，并利用下式获得故障距离：

若发生的是单线两相接地故障，根据对称分量法，利用本侧各回线三相电流得到本侧各回线的正序、负序电流。取任一非故障线路的本侧正序、负序电流及故障线路的本侧正序、负序电流/>通过下式求取故障点电压/>的相位/>

中的/>为故障相。然后根据传统带零序补偿的接地故障动作方程，可构造相位测距方程如下：

将的相位代入，并利用下式获得故障距离：

通过PSCAD仿真波形证明本文方法的正确性，采用PSCAD建立了500kV/200km双端供电同塔双回输电线路，如图4所示。仿真模型采样频率24点/周波，两侧系统功角差40°，线路采用贝瑞隆模型等值且参数对称，模型工频阻抗参数见表1。

表1

首先验证M侧两回线电流与故障支路电流的相位关系。

令同塔线路II回线距M侧母线lkm处发生经不同过渡电阻接地的接地故障(500kV时接地过渡电阻最大可达300Ω，本文将弧光电阻包含在内)，验证各序网中下式在不同故障距离、过渡电阻及接地故障类型下是否成立：

式中下标k∈(0,1,2)，代表三个序网，E_kr为相位差。

首先记录II回线距M侧母线40km处经50Ω过渡电阻接地时，故障后100ms内E_kr的变化趋势，如图5所示，各序网相位差在故障约20ms后逐步稳定，其中零序网络相位差E_0r最大，但稳定后其峰值不超过0.16°，这对于序网工频分量来说是可以接受的，再记录不同故障条件下故障40ms后所有序网相位差中的最大值，形成表2，可见与/>的相位差在各故障条件下均相当接近，最大误差不超过0.4°。

表2

然后验证同塔线路发生单线接地故障时的测距性能，当II线距M侧母线40km处发生经100Ω电阻接地的AG故障时，本发明及传统距离保护测距算法的测距结果随时间变化趋势如图6所示，在约20ms时收敛至实际故障距离附近，与序网相位差随时间变化趋势类似。而传统距离保护测距算法无法适应较大的过渡电阻，测距结果出现严重偏差。

当前部分突变量保护可做到3ms左右出口，40ms内保护跳闸。而本方法采用全波傅式算法，需要在故障切除前收敛至实际故障距离附近，故需要对本方法测距收敛的速度及其变化趋势作定性分析。定义测距误差e的计算公式如下：

测距结果在连续5个采样点内e＜2％时为收敛，记录不同故障条件下测距结果收敛耗时情况如表3所示：

表3

由此可见，收敛速度不随过渡电阻或故障距离的增大而变化，可在故障后两个周波内收敛至实际故障距离附近，收敛速度较为稳定。

再分析测距精度，记录II线不同位置发生经不同过渡电阻接地故障时，故障后20ms～100ms内e的最大值，如表4所示，新测距方法对单线单相接地故障、两相短路接地故障均可实现准确测距，测距误差随故障距离和接地过渡电阻增大而略有上升，但均不超过2.3％，另外仿真了故障距离l＝190km时发生经300Ω接地的AG故障，测距误差为2.26％。相间短路接地故障测距方程由于消去了零序补偿系数、零序互感补偿系数及接地过渡电阻的影响，其测距结果较单相接地故障测距结果更为精确。

表4

本发明还提出了一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距系统200，包括：

故障判断模块201，确定同塔线路发生接地故障后，调用同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障为单线单相接地故障或单线两相接地故障；

采集模块202，获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

计算模块203，根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

测距模块204，根据测距参数值，确定单线单相接地故障或单线两相接地故障的故障距离。

其中，预设时间为20ms。

测距参数值包括：单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流。

同塔线路接地故障为单线单相接地故障时，根据单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

同塔线路接地故障为单线双相接地故障时，根据单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

本发明获取本侧经低通滤波后的各电气量的幅值及相位，能够在同塔线路发生单线单相接地故障时快速、精确完成故障测距，且适用于参数对称、两侧共母线的同塔多回线路中发生的各类单线接地故障，测距速度高、精度好，且无需增设额外设备，兼容现有保护装置。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距方法，所述方法包括：

同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障类型；

获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离；

所述根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离，包括：

同塔线路接地故障为单线单相接地故障时，根据单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离；

同塔线路接地故障为单线双相接地故障时，根据单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

2.根据权利要求1所述的方法，所述预设时间为20ms。

3.一种用于同塔线路接地故障的单端故障测距系统，所述系统包括：

故障判断模块，同塔线路发生接地故障后，根据同塔线路保护装置的内部选项结果，确定同塔线路接地故障类型；

采集模块，获取故障测各线路保护装置，经低通滤波后的当前采样点预设时间内三相电压和三相电流的数值；

计算模块，根据三相电压和三相电流的数值获取故障点的幅值和相位，根据故障点的幅值和相位，及采样点的三相电流，获取各线路故障点的测距参数值；

测距模块，根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离；

所述根据测距参数值及接地故障类型，确定单端故障距离，包括：

同塔线路接地故障为单线单相接地故障时，根据单线单相接地故障的故障测非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离；

同塔线路接地故障为单线双相接地故障时，根据单线双相接地故障的故障测非故障线路的正序电流和负序电流，单线双相接地故障的故障测故障线路的正序电流和负序电流，确定故障点电压的相位，根据故障点电压的相位确定故障距离。

4.根据权利要求3所述的系统，所述预设时间为20ms。