CN114236288A - 一种基于输电线路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输电线路故障定位方法，所述输电线路MN具有始端M和末端N，其中故障点C位于始端M和末端N之间，当故障发生时，故障点C将会产生零序电流，通过分布安装在断路器侧的保护装置对线路一次设备进行监测，并通过保护装置内的保护定值对保护的动作条件进行设置，当线路电压电流满足保护动作逻辑，并达到保护定值所整定的动作值时，经延时向测控装置发送动作信息，测控装置对断路器进行分闸操作，同时根据保护动作信息，获取故障录波信息，进而对故障点进行定位测距；实现了配网线路在无故障录波测距功能的基础上快速定位故障点位置，缩短故障查找时间，大大提高了故障后电网恢复送电速度，节省了大量人力物力。

Description

一种基于输电线路故障定位方法

技术领域

本发明涉及高压输电线路故障定位技术领域，尤其涉及一种基于输电线路故障定位方法。

背景技术

输电线路负担着传送电能的重要任务，是电力系统的经济命脉，同时又是电力系统中发生故障最多的地方，并且受地形、人口分布特点等因素影响，线路长距离输电现象较多，因此，故障恢复时间直接威胁到电力系统的安全运行。

现有技术中针对35kV及以下系统无故障录波器，且线路保护仅配置三段式过流保护，不配置距离保护，保护装置无法实现故障测距功能，因此当线路发生故障时，只能依靠人工对线路进行全线查找，由于新疆阿勒泰市地广人稀，输电线路沿线经过的地域广阔，地理环境复杂，故障查找难度大，检修人员现场巡检费时费力，严重影响居民用电可靠性；另外，在输电线路分段上安装故障定位报警装置，通过无线传输技术，将故障信息传输至主控系统，主控系统根据故障报警装置分析故障位置进行故障定位，该方法虽然解决了线路故障定位问题，但是增加了设备成本；基于上述背景技术中存在的不足，我们提出一种基于输电线路故障定位方法，实现了配网线路在无故障录波测距功能的基础上快速定位故障点位置，缩短故障查找时间，大大提高了故障后电网恢复送电速度，节省了大量人力物力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中针对35kV及以下系统无故障录波器，线路保护不配置距离保护，保护装置无法实现故障测距功能，当线路发生故障时，只能依靠人工对线路进行全线查找，因新疆阿勒泰市地广人稀，输电线路沿线经过的地域广阔，地理环境复杂，故障查找难度大，检修人员现场巡检费时费力，严重影响居民用电可靠性的问题，公开了一种基于输电线路故障定位方法，实现了配网线路在无故障录波测距功能的基础上快速定位故障点位置，缩短故障查找时间，大大提高了故障后电网恢复送电速度，节省了大量人力物力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于输电线路故障定位方法，所述输电线路MN具有始端M和末端N，其中故障点C位于始端M和末端N之间，当故障发生时，故障点C将会产生零序电流，通过分布安装在断路器侧的保护装置对线路一次设备进行监测，并通过保护装置内的保护定值对保护的动作条件进行设置，当线路电压电流满足保护动作逻辑，并达到保护定值所整定的动作值时，经延时向测控装置发送动作信息，测控装置对断路器进行分闸操作，同时根据保护动作信息，获取故障录波信息，进而对故障点进行定位测距；该故障定位方法包括以下步骤：

步骤1：获取故障录波信息，根据故障录波信息获取故障量，所述故障量包括故障发生时线路两侧断路器的电压及电流信息；

步骤2：根据单端电气量法或双端电气量法对故障点进行测距，并对测距计算精度进行设置，计算精度比例；

根据所述步骤1中获取的故障量，通过所述保护装置检测故障发生时的故障信号，将提取的故障信号用于测距仿真，所述故障信号包括故障电压、故障电流以及故障类型；

反向推测故障类型，再通过模拟故障发生来计算故障位置，其中根据线路两侧零序电流随着线路不同地点的分布，计算出相应比值，所述相应比值为输电线路两侧零序电流的比值以及与线路上发生接地故障的距离之间的比例关系；

步骤3：通过故障仿真得到故障结果，并通过web发布到相应负责人，进行故障排查。

优选的，所述步骤2中故障位置判断的具体方法：

(1)、对于单处故障，根据所述保护装置的保护动作信息，获取所述步骤1中电流信息；

(2)、如果是主保护动作且开关未拒动，则直接定位主保护所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(3)、若为开关拒动且为失灵保护，则直接定位失灵断路器所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(4)、若判断不满足上述步骤(2)和(3)的情况时，则确定故障范围，将所有动作支路加入到一个集合中，再根据保护动作确定保护范围，将其与故障范围取交集，若存在交集且只有一个，则直接定位，若存在多个，则模拟故障，根据所述步骤1中电压电流信息与故障信息比较进行故障定位；若无交集，执行步骤(5)；

(5)、将所有动作保护按照正向进行搜索，获得一个闭合区域，从I段动作的支路中进行故障定位；

其中上述步骤(2)、(3)、(4)、(5)中故障定位的测距方法均采用所述步骤2中故障点的测距方法。

优选的，所述步骤2中选用单端电气量法进行线路故障测距所采用的公式如下：

根据叠加原理，将故障线路可视为正常负荷状态和故障附加状态的叠加得出：

进一步将式(2)改写为：

由于M端电流分布系数：

将式(3)带入式(1)中可得到：

进一步将式(5)两端分别乘以

的共轭复数

可得到：

对式(6)两端取虚部，经整理得出测距结果：

其中，

表示M端电压有效值相量，

表示M端电流有效值相量，Z表示线路阻抗，x表示故障点距离，

表示故障点附加电流，R_f表示故障点附加电阻，

表示M端的正常负荷状态电流，

表示M端的故障附加电流，Z_M和Z_N分别表示输电线路两电源端的阻抗，l表示线路总长度。

优选的，所述步骤2中选用双端电气量法，其中采用两端电压电流法所采用的计算公式如下：

根据上述式(1)和式(8)求得由M端到故障点的距离：

其中，

表示M端电压有效值相量，

表示N端电压有效值相量，

表示M端电流有效值相量，

表示N端电流有效值相量，l表示线路总长度，

表示故障点附加电流,R_f表示故障点附加电阻,Z表示线路阻抗,x表示故障点距离。

优选的，所述故障录波信息包括故障发生时的前两个周波、故障持续时的录波以及故障后的两个周波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种基于输电线路故障定位方法，通过对获取的故障录波信息文件进行解析，获取故障发生时线路两侧断路器的电压、电流，反向推测故障类型，再通过模拟故障发生来计算故障位置，实现了配网线路在无故障录波测距功能的基础上快速定位故障点位置，缩短故障查找时间，大大提高了故障后电网恢复送电速度，节省了大量人力物力；该方法计算速度快、收敛性能得到保证，故障定位准确率高。

附图说明

图1为本发明输电线路结构示意图；

图2为本发明的故障定位方法实施的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于输电线路故障定位方法，所述输电线路MN具有始端M和末端N，其中故障点C位于始端M和末端N之间，当故障发生时，故障点C将会产生零序电流，通过分布安装在断路器侧的保护装置对线路一次设备进行监测，并通过保护装置内的保护定值对保护的动作条件进行设置，当线路电压电流满足保护动作逻辑，并达到保护定值所整定的动作值时，经延时向测控装置发送动作信息，测控装置对断路器进行分闸操作，同时根据保护动作信息，获取故障录波信息，进而对故障点进行定位测距；该故障定位方法包括以下步骤：

步骤1：获取故障录波信息，根据故障录波信息获取故障量，所述故障量包括故障发生时线路两侧断路器的电压及电流信息；

步骤2：根据单端电气量法或双端电气量法对故障点进行测距，并对测距计算精度进行设置，计算精度比例；

根据所述步骤1中获取的故障量，通过所述保护装置检测故障发生时的故障信号，将提取的故障信号用于测距仿真，所述故障信号包括故障电压、故障电流以及故障类型；

反向推测故障类型，再通过模拟故障发生来计算故障位置，其中根据线路两侧零序电流随着线路不同地点的分布，计算出相应比值，所述相应比值为输电线路两侧零序电流的比值以及与线路上发生接地故障的距离之间的比例关系；

步骤3：通过故障仿真得到故障结果，并通过web发布到相应负责人，进行故障排查。

其中保护定值包括故障电流大小、方向及角度等参数。

其中故障录波信息包括故障发生时的前两个周波、故障持续时的录波以及故障后的两个周波。

本实施例的步骤2中故障位置判断的具体方法：

(1)、对于单处故障，根据保护装置的保护动作信息，获取步骤1中电流信息；

(2)、如果是主保护动作且开关未拒动，则直接定位主保护所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(3)、若为开关拒动且为失灵保护，则直接定位失灵断路器所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(4)、若判断不满足上述步骤(2)和(3)的情况时，则确定故障范围，将所有动作支路加入到一个集合中，再根据保护动作确定保护范围，将其与故障范围取交集，若存在交集且只有一个，则直接定位，若存在多个，则模拟故障，根据步骤1中电压电流信息与故障信息比较进行故障定位；若无交集，执行步骤(5)；

(5)、将所有动作保护按照正向进行搜索，获得一个闭合区域，从I段动作的支路中进行故障定位；

其中上述步骤(2)、(3)、(4)、(5)中故障定位的测距方法均采用步骤2中故障点的测距方法。

本实施例中程序实施的具体流程如图2所示：

步骤一：首先判断保护装置是否存在不同设备的主保护和其他保护共同存在的情况，若为“是”系统提示：不支持多处故障定位，程序结束，若为否，执行步骤二：

步骤二：根据故障信息，判断故障类型；

步骤三：获取保护动作信息，加入实际保护中，获取故障录波信息到支路电流及节电压中；

步骤四：判断保护装置是否有主保护动作且开关未拒动，如果有主保护动作且开关未拒动，直接定位于主保护所关联的设备，进一步判断是否是线路，如果是线路，调用计算中的故障测距功能完成双端测距或单端测距，否则程序结束；如果没有主保护动作且开关拒动，执行步骤五；

步骤五：判断开关是否拒动，如果开关拒动，执行步骤六，如果开关未拒动，执行步骤七；

步骤六：判断开关是否失灵保护动作，如果开关失灵保护动作，确定故障设备为失灵断路器所关联设备，进一步判断是否是变压器，若“是”程序结束，若“否”测距并得到故障点，程序结束；若开关没有失灵保护动作，执行步骤七；

步骤七：确定故障范围，将所有动作线路加入故障潜在范围中；

步骤八：计算各个动作的保护范围，并求取交集，将结果与故障潜在范围再一次求取交集得到故障范围；

步骤九：判断是否存在故障范围，如果存在故障范围，判断故障范围是否只包含一个设备，若“是”，判断是否是线路，如果是线路，故障测距得到故障点，程序结束，如果不是线路，确定为此设备即为故障位置，程序结束；若判断故障范围包含多个设备，在故障范围内设置故障，比较电压电流关系，确定故障点，程序结束；如果没有存在故障范围，执行步骤十；

步骤十：将所有动作保护沿正方向同时进行搜索，获得一个闭合区域；

步骤十一：判断是否存在I段动作的线路保护，如果存在I段动作的线路保护，判断为此I段所关联线路即为故障线路，进行测距得到故障点，程序结束，如果不存在I段动作的线路保护，执行步骤十二；

步骤十二：判断是否存在I段动作的指向内部的变压器保护，如果存在I段动作的指向内部的变压器保护，判断此变压器故障，程序结束，如果不存在I段动作的指向内部的变压器保护，执行步骤十三；

步骤十三：在可能存在的故障范围内进行故障设置，以线路的1％为步长，进行计算；

步骤十四：各支路计算各指标权重，以综合得分最高的故障点作为故障位置，程序结束。

本实施例中故障查找采用二分法，其具体思路如下：

(1)首先，从数组的中间元素开始搜索，如果该元素正好是目标元素，则搜索过程结束，否则执行下一步；

(2)如果目标元素大于或小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半区域查找，重复执行(1)的操作；

(3)程序通过在故障线路上不断进行故障模拟，通过二分法进行故障排查，最后定位故障发生位置。

本实施例中故障测距采用的基本原理是基于欧姆定律原理上，通过计算短路阻抗实现故障测距，根据公式“线路故障点阻抗＝故障点的短路阻抗-母线阻抗”，再利用求得的线路故障点阻抗与线路单位阻抗之比计算得出故障点位置，具体实施如下：

根据步骤2中选用单端电气量法的测距原理是对于单电源的辐射供电线路中根据单端的电压、电流以及必要的系统参数，以M端为例计算故障距离所采用的公式如下：

根据叠加原理，如图1所示将故障线路可视为正常负荷状态和故障附加状态的叠加，同理M端的电流也可以分解为正常负荷状态和故障附加状态的叠加如式2所示：

其中

和

分别为M端的正常负荷状态电流和故障附加电流；

进一步将式(2)改写为：

其中K_i为M端的电流分布系数；

其中，Z_M表示M端电源阻抗，Z_N表示N端电源阻抗，Z_l表示线路阻抗，l表示线路总长度，x表示故障点距离；

将式(3)带入式(1)中得到：

进一步将式(5)两端分别乘以

的共轭复数

可得到：

对式(6)两端取虚部，经整理可求出：

由式(7)可见，测距结果x不受过渡电阻影响，电流分布系数K_i一般为复数，为了简化算法，可取K_i为实数，于是可以得出测距结果为：

其中，

表示M端的电压有效值相量，

表示M端的电流有效值相量，Z表示线路阻抗，x表示故障点距离，

为M端的故障附加电流

的共轭复数。

根据步骤2中选用双端电气量法的故障测距原理是对于线路两侧均有电源的联络线，根据线路两端的电压、电流以及必要的系统参数，以M端和N端为例计算故障距离，根据所需对端电气量的不同，双端电气量法采用两端电压电流法(如图1所示)可得出电压方程：

根据上述式(1)和式(8)求得由M端到故障点的距离：

其中，

表示M端电压有效值相量，

表示N端电压有效值相量，

表示M端电流有效值相量，

表示N端电流有效值相量，l表示线路总长度，

表示故障点附加电流,R_f表示故障点附加电阻,Z表示线路阻抗,x表示故障点距离。

需要说明的是采用两端电压电流法时要求由线路一端向另一端或线路两端向调度中心传送故障后的电压和电流数据，以便于进行故障测距计算。

本实施例通过对获取的故障录波信息文件进行解析，获取故障发生时线路两侧断路器的电压、电流，反向推测故障类型，再通过模拟故障发生来计算故障位置，实现了配网线路在无故障录波测距功能的基础上快速定位故障点位置，缩短故障查找时间，大大提高了故障后电网恢复送电速度，节省了大量人力物力；该方法计算速度快、收敛性能得到保证，故障定位准确率高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于输电线路故障定位方法，其特征在于：所述输电线路MN具有始端M和末端N，其中故障点C位于始端M和末端N之间，当故障发生时，故障点C将会产生零序电流，通过分布安装在断路器侧的保护装置对线路一次设备进行监测，并通过保护装置内的保护定值对保护的动作条件进行设置，当线路电压电流满足保护动作逻辑，并达到保护定值所整定的动作值时，经延时向测控装置发送动作信息，测控装置对断路器进行分闸操作，同时根据保护动作信息，获取故障录波信息，进而对故障点进行定位测距；该故障定位方法包括以下步骤：

步骤1：获取故障录波信息，根据故障录波信息获取故障量，所述故障量包括故障发生时线路两侧断路器的电压及电流信息；

步骤2：根据单端电气量法或双端电气量法对故障点进行测距，并对测距计算精度进行设置，计算精度比例；

根据所述步骤1中获取的故障量，通过所述保护装置检测故障发生时的故障信号，将提取的故障信号用于测距仿真，所述故障信号包括故障电压、故障电流以及故障类型；

反向推测故障类型，再通过模拟故障发生来计算故障位置，其中根据线路两侧零序电流随着线路不同地点的分布，计算出相应比值，所述相应比值为输电线路两侧零序电流的比值以及与线路上发生接地故障的距离之间的比例关系；

步骤3：通过故障仿真得到故障结果，并通过web发布到相应负责人，进行故障排查。

2.根据权利要求1所述的一种基于输电线路故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中故障位置判断的具体方法：

(1)、对于单处故障，根据所述保护装置的保护动作信息，获取所述步骤1中电流信息；

(2)、如果是主保护动作且开关未拒动，则直接定位主保护所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(3)、若为开关拒动且为失灵保护，则直接定位失灵断路器所关联的设备，若保护设备为线路，则根据两侧的零序电流进行故障定位；

(4)、若判断不满足上述步骤(2)和(3)的情况时，则确定故障范围，将所有动作支路加入到一个集合中，再根据保护动作确定保护范围，将其与故障范围取交集，若存在交集且只有一个，则直接定位，若存在多个，则模拟故障，根据所述步骤1中电压电流信息与故障信息比较进行故障定位；若无交集，执行步骤(5)；

(5)、将所有动作保护按照正向进行搜索，获得一个闭合区域，从I段动作的支路中进行故障定位；

其中上述步骤(2)、(3)、(4)、(5)中故障定位的测距方法均采用所述步骤2中故障点的测距方法。

3.根据权利要求1所述的一种基于输电线路故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中选用单端电气量法进行线路故障测距所采用的公式如下：

根据叠加原理，将故障线路可视为正常负荷状态和故障附加状态的叠加得出：

进一步将式(2)改写为：

由于M端电流分布系数：

将式(3)带入式(1)中可得到：

进一步将式(5)两端分别乘以

的共轭复数

可得到：

对式(6)两端取虚部，经整理得出测距结果：

其中，

表示M端电压有效值相量，

表示M端电流有效值相量，Z表示线路阻抗，x表示故障点距离，

表示故障点附加电流，R_f表示故障点附加电阻，

表示M端的正常负荷状态电流，

表示M端的故障附加电流，Z_M和Z_N分别表示输电线路两电源端的阻抗，l表示线路总长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于输电线路故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中选用双端电气量法，其中采用两端电压电流法所采用的计算公式如下：

根据上述式(1)和式(8)求得由M端到故障点的距离：

其中，

表示M端电压有效值相量，

表示N端电压有效值相量，

表示M端电流有效值相量，

表示N端电流有效值相量，l表示线路总长度，

表示故障点附加电流,R_f表示故障点附加电阻,Z表示线路阻抗,x表示故障点距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于输电线路故障定位方法，其特征在于：所述故障录波信息包括故障发生时的前两个周波、故障持续时的录波以及故障后的两个周波。

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