CN1916651A - 用于确定相接地故障的位置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于确定电网的电线(30)中的相接地故障的位置的方法和系统，所述电线包括两个或更多区段(30a，30b，30c)。该系统被配置为：在测量点处确定故障环路的电抗；将电线(30)的故障区段确定为这样的区段，即如果所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与所述测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和大于或等于所确定的故障环路的电抗，则对于所有这样的所讨论区段来说，所述故障区段被确定为最靠近该测量点的所讨论区段；以及根据所述电抗值计算该测量点与故障点之间的距离。

Description

用于确定相接地故障的位置的方法和系统

技术领域

本发明涉及对电网中的接地故障进行定位。

背景技术

配电网的馈电线典型地由多种不同类型的架空线和/或电缆区段组成。这就意味着在电力方面来说，馈电线具有非同质性。

根据导体类型和构造的不同，导体参数(电阻、电感和电容)会有很大的不同。特别是架空线与电缆的参数是彼此不同的。典型地，电缆上的正序阻抗角远小于架空线上的正序阻抗角。此外，不同类型的架空线也各不相同。对于电缆而言也是相同的情况。

本质上，基于阻抗的故障定位算法的结果是到达故障的电长度，也就是说，其结果具有(环路)阻抗的形式。图1示出了位于电线(馈电线)的F点处的相接地(phase-to-earth)故障的故障环路模型。对于相接地故障来说，故障环路阻抗为：

Z _Loop＝d·( Z ₁+ Z _N)+R_F                              (1)

其中，

d＝每单位值(0...1)的故障位置

Z ₁＝线路的正序阻抗＝R₁+j·X₁

R₁＝线路的正序电阻

X₁＝线路的正序电抗

Z _N＝线路的接地返回路径阻抗＝( Z ₀- Z ₁)/3＝R_N+j·X_N

R_N＝线路的接地返回路径电阻＝(R₀-R₁)/3

X_N＝线路的接地返回路径电抗＝(X₀-X₁)/3

Z ₀＝线路的零序阻抗＝R₀+j·X₀

R₀＝线路的零序电阻

X₀＝线路的零序电抗

R_F＝故障电阻。对于相接地环路来说，其典型地包括电弧电阻和塔基(tower footing)电阻。

在非同质性线路的情况下，各单独线路区段的阻抗是不同的，而线路阻抗等于各区段的阻抗之和：

Z ₁＝ Z _1A+ Z _1B+ Z _1C+...

Z _N＝ Z _NA+ Z _NB+ Z _NC+...

其中，

Z _1A＝A区段的正序阻抗

Z _1B＝B区段的正序阻抗

Z _1C＝C区段的正序阻抗

Z _NA＝A区段的接地返回路径阻抗

Z _NB＝B区段的接地返回路径阻抗

Z _NC＝C区段的接地返回路径阻抗

结果，到故障的电距离(欧姆值)不能被直接转换成物理距离，比如英里、千米或每单位值。然而，尽管配电线在大多数情况下是非同质性的，但是应用在保护继电器中的阻抗算法通常不将此考虑在内，这就有可能在故障位置估计中产生相当大的误差。

文献US 6,483,435揭示了一种用于配电网的故障定位的方法和装置。在所揭示的解决方案中，馈电线的非同质性被考虑在内。然而，由于例如馈电线上的各个单独负载被考虑在内，因此该方法的计算量相当大。

文献“A review of impedance-based fault locating experience”(Edmund O.Schweitzer，14^th annual Iowa-Nebraska system protection seminar，1990年10月16日，Omaha，Nebraska)揭示了一种对非同质性线路上的接地故障进行定位的计算程序。这种解决方案的计算量也很大，因此难以在保护继电器中实施。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法和执行该方法的设备，以用来克服或者至少是减轻上述问题。本发明的该目的通过独立权利要求1、5和10所述的方法、系统以及计算机程序产品来实现。各从属权利要求揭示本发明的各优选实施例。

本发明基于这样的思想：首先确定电线的故障区段，然后基于故障环路的电抗以及预先确定的各线路区段的正序电抗和接地返回路径电抗来确定到故障的距离。

本发明的方法和系统的优点在于：在不显著增加所需计算量的情况下就可以在非同质性线路上精确地确定对于相接地故障的位置的估计。

附图说明

下面结合附图并借助各优选实施例对本发明进行具体描述。其中：

图1是电线上的相接地故障的故障环路的等效电路；

图2是示出其中可以使用本发明的电网的图示；

图3是示出其中可以使用本发明的电网的图示；以及

图4A、4B和4C是示出各种架空线的构造的图示。

具体实施方式

本发明的方法和系统的用途不局限于任何特定的系统，它们可被用在各种三相电系统中以便确定电网的三相电线中的相接地故障的位置。例如，所述电线可以是馈电线。所述电网可以是输电网或配电网或者其中的组件。此外，本发明的用途不局限于采用50或60Hz基频的系统并且不局限于任何特定的电压电平。

图2是示出其中可以使用本发明的电网的图示。图中只示出了理解本发明所必需的组件。该示例网络可以是馈通了包括变压器10和母线20的变电站(substation)的中压(例如20kV)配电网。图中还示出了电线引出口(outlet)，即包括30a、30b和30c三个区段的馈电线30。图中还示出了位于电线30的开头的保护继电器单元40。需要注意的是，该网络中可以有任意数目的馈电线或其它网络元件。还可能有几个馈电变电站。此外，本发明可以用于没有变压器10的开关站(switching station)。虽然该网络是三相网络，但是为了清楚起见，在图中没有示出各相。

本发明的功能可以通过其中具有适当软件的计算机或者相应的数字信号处理设备(比如通用数字信号处理器(DSP))来实现。利用专用集成电路或者相应的组件和装置也可以实现本发明。本发明可以在现有的系统元件(例如各种保护继电器)中实现，或者通过使用分离的元件或装置来实现。如果本发明的功能通过软件实现，则所述软件可以是包括计算机程序代码的计算机程序产品，当在计算机上运行所述计算机程序代码时，其使得该计算机或相应的信号处理器执行本发明的功能，正如下面将描述的那样。这样的计算机程序代码可以被存储在计算机可读介质中(例如适当的存储器装置，比如闪存或盘存储器)，可以从所述计算机可读介质中将所述计算机程序代码加载到执行该程序代码的一个或多个单元。另外，实现本发明的所述计算机程序代码可以通过例如适当的数据网络被加载到执行该程序代码的一个或多个单元中，并且其可以替换或者更新可能已经存在的程序代码。在图2的示例系统中，本发明的功能优选地被设置在继电器单元40中。也可能在单元40中仅仅执行某些测量，然后将结果传输至其他位置处的其它单元(图中未示出)以进行进一步处理。

下面用到的电流值和电压值优选地是通过适当的测量安排得到的，所述测量安排例如包括连接到电力系统的各相的电流和电压变换器(图中未示出)。在大多数现有的保护系统中，这些值很容易得到，因此本发明的实现方式不一定需要任何单独的测量安排。这些值是如何获得的与本发明的基本思想没有关系，其取决于所要监控的特定电力系统。可以用例如与电线30相关联的保护继电器40来检测三相电线30上的相接地故障，并且识别相应的故障相。如何检测相接地故障以及如何识别相应的故障相的特定方式与本发明的基本思想无关。

根据本发明的一个实施例，一旦在电线(馈电线)30上检测出相接地故障并且识别出相应的故障相，考虑到馈电线30的非同质性，该相接地故障的位置可以优选地按照下面的步骤确定。首先，在测量点处确定由该相接地故障形成的故障环路的电抗。在图2所示的示例系统中，该测量点可以是位于电线30的开头的继电器单元40。然后，确定电线30上的故障区段30a、30b或30c，也就是发生接地故障的区段。根据本发明的一个实施例，电线30的故障区段被确定为这样的区段：如果所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与所讨论区段和测量点之间的各区段(如果存在的活)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和大于或等于所确定的故障环路电抗，则对于所有这样的所讨论区段来说，电线30的故障区段被确定为最靠近测量点的那个所讨论区段30a、30b或30c。换句话说，如果下列条件成立，则该故障区段被确定为电线30的区段30a、30b或30c：

所讨论区段的正序电抗和接地返回路径电抗+测量点与所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗和接地返回路径电抗≥所确定的故障环路的电抗；以及

如果使上述等式成立的电线30的区段数目多于一个，则满足上述等式的各区段中距离测量点最近的一个被确定为故障区段。

最后，可以根据下面的公式计算测量点与故障点之间的距离D：

D＝D_p+((X_Loop-X_P)/X_F)·D_F，其中

X_Loop＝故障环路的电抗

X_P＝测量点与电线的故障区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

X_F＝电线的故障区段的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

D_P＝测量点与电线的故障区段之间的各区段(如果存在的话)的总长度

D_F＝电线的故障区段的长度。

根据本发明的一个实施例，例如根据下面的公式来确定接地故障环路的电抗。然而，应当注意的是，确定故障环路的电抗的具体方式与本发明的基本思想无关。

X_Loop＝dpu·(X₁+X_N)，其中

$\mathrm{dpu}=\frac{\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}{\mathrm{Im}({\underset{\‾}{Z}}_1\·{\underset{\‾}{I}}_X)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{Z}}_1{\·\underset{\‾}{I}}_X\right)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{Z}}_N{\·\underset{\‾}{I}}_N\right)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)+\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{Z}}_N{\·\underset{\‾}{I}}_N\right)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}$

dpu＝每单位的故障距离

U _X＝线路的故障相的相电压相量(phasor)

Z ₁＝正序线路阻抗(Ω)＝R₁+j·X₁

R₁＝正序线路电阻(Ω)

X₁＝正序线路电抗(Ω)

X_N＝线路的接地返回路径电抗＝(X₀-X₁)/3

I _X＝线路的故障相的相电流相量

Z _N＝线路的接地返回路径阻抗(Ω)＝( Z ₀- Z ₁)/3

Z ₀＝零序线路阻抗(Ω)＝R₀+j·X₀

R₀＝零序线路电阻(Ω)

X₀＝零序线路电抗(Ω)

I _N＝线路的接地返回路径电流相量(＝ I _L1+ I _L2+ I _L3，其中 I _L1、 I _L2和 I _L3是线路的三相的电流相量)。

根据本发明的一个实施例，电线30的故障区段30a、30b或30c是按照如下步骤确定的：逐步地、逐区段地从最靠近测量点的区段开始，将所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和与所确定的故障环路的电抗相比较，直到所述总和超出或等于所确定的故障环路的电抗。下面针对图2所示的电线30描述该逐步比较程序的例子，其中电线30包括30a、30b和30c三个区段。然而，该方法是通用的，并且适用于任意数目的线路区段。长度D的单位可以是例如千米或英里。这些区段的正序电抗[欧姆]分别是X_1A、X_1B和X_1C。这些区段的接地返回路径电抗[欧姆]分别是X_NA、X_NB和X_NC。这些区段的长度分别是D_A、D_B和D_C。一旦检测出相接地故障并且识别出故障相，所述程序优选地按照如下步骤进行：

步骤0：确定X_Loop，即由该相接地故障形成的故障环路的电抗(等式1中的Z_Loop的虚部)

步骤1：如果X_Loop≤(X_1A+X_NA)，则故障距离D为：

D＝(X_Loop/(X_1A+X_NA))·D_A。否则，继续到步骤2。

步骤2：如果X_Loop≤((X_1A+X_NA)+(X_1B+X_NB))，故障距离D为：

D＝D_A+((X_Loop-(X_1A+X_NA))/(X_1B+X_NB))·D_B。否则，继续到步骤3。

步骤3：故障距离D为：

D＝D_A+D_B+((X_Loop-(X_1A+X_NA)-(X_1B+X_NB))/(X_1C+X_NC))·D_C

根据本发明的一个实施例，当电线包括并联支路并且电线的故障区段被确定为位于这样一个并联支路的区段上时，为其中的每一个并联支路确定替换的故障区段以及测量点与故障点之间的距离。图3示出了电线31的例子，它包括三个区段31a、31b和31c。线路31在区段31a后面分开支路，支路31b和31c相互并联。这样，区段31a、31b和31c也可以被配置为31a+31b和31a+31c。在这种情况下，如果故障点位于分支点的后面，也就是说位于区段31b或31c上，则优选地计算两个替换的故障位置；一个位于区段31b上，另一个位于区段31c上。换句话说，如果使用上述的逐步程序，则优选地分别对结构31a+31b和31a+31c进行计算，除非故障位置被确定为在区段31a上，如此则不必继续进一步的计算。当替换故障位置被确定后，随后可以使用关于系统的其他信息来确定对实际故障位置的选择。虽然图3为了清楚起见示出了只具有两条支路31b和31c的简单的线路结构，但是本发明的上述实施例可以被应用到更复杂的线路结构中，其中可以存在大量的支路并且这些支路本身还可以具有子支路。

在上述计算中，假设各区段的正序电抗和接地返回路径电抗是已知的。精确的故障定位需要对于线路电抗的精确的设置值。各线路区段的正序电抗值通常是已知的，或者可以通过数据表容易地得到。由于架空线的数据表值只对特定的塔结构有效，因此可能需要保护系统的用户或操作者根据实际的安装结构对数据表电抗值进行调整，以便最小化由于不精确的设置而造成的故障定位误差。图4A、4B和4C示出了多种架空线结构。在这些图中，三相电力系统的三相被表示为L1、L2和L3。可以根据例如下面的适用于三相铜或铝架空线的等式来计算正序电抗：

$X_1\≈f_n\·2\mathrm{\π}\·{10}^{-4}\·(2\·\ln \frac{a_{\mathrm{en}}}{r}+0.5)$ [ohm/km]

其中，

f_n＝基频，例如50或60Hz

a_xy＝X相与Y相之间的距离[m]

r＝单个导体的半径[m]

ln＝自然对数

相应的零序电抗值取决于实际的安装条件和结构。然而，利用下面的适用于没有地线的三相架空线的等式进行相当简单的计算，就可以获得足够的精度：

R₀[50Hz]≈R₁+0.14804[Ω/km]

R₀[60Hz]≈R₁+0.17765[Ω/km]

$X_0\≈f_n\·4\mathrm{\π}\·{10}^{-4}\·(3\·\ln \frac{W}{r_{\mathrm{en}}}+0.25)$ [Ω/km]

其中

R₁＝导体的AC电阻 [Ω/km]

f_n＝基频         [Hz]

ρ_earth＝地电阻率[Ω，m]

r＝单个导体的半径[m]

a_xy＝相X与相Y之间的距离[m]

利用上述的正序电抗和零序电抗可以计算出接地返回路径电抗。然而，应当注意的是，如何确定正序电抗与接地返回路径电抗与本发明的基本思想无关。

随着技术的发展，本发明的思想可以以各种方式实现，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。本发明及其实施例在权利要求书的范围内可以有所变化，而不局限于上面所列举的例子。

Claims (10)

1、一种用于确定电网的三相电线中的相接地故障的位置的方法，其中所述电线包括两个或更多区段，每个区段具有预定的正序电抗和接地返回路径电抗，该方法包括：

检测该电线上的相接地故障；

识别该电线的故障相；以及

在测量点处确定由该相接地故障形成的故障环路的电抗，

其特征在于，该方法进一步包括：

将该电线的故障区段确定为这样的区段：如果所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与所述测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和大于或等于所确定的故障环路的电抗，则对于所有这样的所讨论区段来说，所述故障区段被确定为最靠近该测量点的所讨论区段；以及

根据下面的公式计算该测量点与故障点之间的距离D：

D＝D_p+((X_Loop-X_P)/X_F)·D_F，其中

X_Loop＝该故障环路的电抗

X_P＝该测量点与电线的该故障区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

X_F＝电线的该故障区段的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

D_P＝该测量点与电线的该故障区段之间的各区段(如果存在的话)的总长度

D_F＝电线的该故障区段的长度。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述故障环路的电抗由下面的公式确定：

X_Loop＝dpu·(X₁+X_N)，其中

$\mathrm{dpu}=\frac{\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}{\mathrm{Im}({\underset{\‾}{Z}}_1\·{\underset{\‾}{I}}_X)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}({\underset{\‾}{Z}}_1\·{\underset{\‾}{I}}_X)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}({\underset{\‾}{Z}}_N\·{\underset{\‾}{I}}_N)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)+\mathrm{Im}({\underset{\‾}{Z}}_N\·{\underset{\‾}{I}}_N)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}$

其中

U _X＝线路的故障相的相电压相量

Z ₁＝正序线路阻抗

R₁＝正序线路电阻

X₁＝正序线路电抗

X_N＝线路的接地返回路径电抗

I _X＝线路的故障相的相电流相量

Z _N＝线路的接地返回路径阻抗

Z ₀＝零序线路阻抗

R₀＝零序线路电阻

X₀＝零序线路电抗

I _N＝接地返回路径电流相量。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述电线的所述故障区段是按照如下步骤确定的：逐步地、逐区段地从最靠近所述测量点的区段开始，将所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与该测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和与所确定的故障环路的电抗相比较，直到所述总和超出或等于所确定的故障环路的电抗。

4、根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于，当所述电线包括并联支路并且该电线的所述故障区段被确定为位于这样的支路的区段上时，为其中的每一个并联支路确定替换的故障区段以及所述测量点与故障点之间的距离。

5、一种用于确定电网的三相电线中的相接地故障的位置的系统，所述电线(30；31)包括两个或更多区段(30a，30b，30c；31a，31b，31c)，每个区段都具有预定的正序电抗和接地返回路径电抗，该系统被配置为：

检测该电线(30；31)上的相接地故障；

识别该电线的故障相；以及

在测量点处确定由该相接地故障形成的故障环路的电抗，

其特征在于，该系统被进一步配置为：

将该电线(30；31)的故障区段确定为这样的区段(30a，30b，30c；31a，31b，31c)：如果所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与所述测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和大于或等于所确定的故障环路的电抗，则对于所有这样的所讨论区段来说，所述故障区段被确定为最靠近该测量点的所讨论区段；以及

根据下面的公式计算该测量点与故障点之间的距离D：

D＝D_p+((X_Loop-X_P)/X_F)·D_F，其中

X_Loop＝该故障环路的电抗

X_P＝该测量点与电线的该故障区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

X_F＝电线的该故障区段的正序电抗和接地返回路径电抗的总和

D_P＝该测量点与电线的该故障区段之间的各区段(如果存在的话)的总长度

D_F＝电线的该故障区段的长度。

6、根据权利要求5的系统，其特征在于，该系统被配置成根据下面的公式确定所述故障环路的电抗：

X_Loop＝dpu·(X₁+X_N)，其中

$\mathrm{dpu}=\frac{\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{U}}_X\right)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}{\mathrm{Im}({\underset{\‾}{Z}}_1\·{\underset{\‾}{I}}_X)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}({\underset{\‾}{Z}}_1\·{\underset{\‾}{I}}_X)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)-\mathrm{Re}({\underset{\‾}{Z}}_N\·{\underset{\‾}{I}}_N)\·\mathrm{Im}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)+\mathrm{Im}({\underset{\‾}{Z}}_N\·{\underset{\‾}{I}}_N)\·\mathrm{Re}\left({\underset{\‾}{I}}_X\right)}$

其中

U _X＝线路的故障相的相电压相量

Z ₁＝正序线路阻抗

R₁＝正序线路电阻

X₁＝正序线路电抗

X_N＝线路的接地返回路径电抗

I _X＝线路的故障相的相电流相量

Z _N＝线路的接地返回路径阻抗

Z ₀＝零序线路阻抗

R₀＝零序线路电阻

X₀＝零序线路电抗

I _N＝接地返回路径电流相量。

7、根据权利要求5或6的系统，其特征在于，该系统被配置成按照下列步骤确定所述电线(30；31)的故障区段：逐步地、逐区段地从最靠近所述测量点的区段开始，将所讨论区段的正序电抗及接地返回路径电抗与该测量点和所讨论区段之间的各区段(如果存在的话)的正序电抗及接地返回路径电抗的总和与所确定的故障环路的电抗相比较，直到所述总和超出或等于所确定的故障环路的电抗。

8、根据权利要求5、6或7的系统，其特征在于，当所述电线(31)包括并联支路(31b；31c)并且该系统已经确定该电线的所述故障区段位于这样的支路的区段上时，该系统被配置来为其中的每一个并联支路确定替换的故障区段以及所述测量点与故障点之间的距离。

9、根据权利要求5至8中的任意一个的系统，其特征在于，该系统包括保护继电器(40)。

10、一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，在计算机中执行所述程序代码使得该计算机实施根据权利要求1至4中的任意一个的方法的各步骤。

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