專利名稱：抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法。
背景技術(shù)：
輸電線路擔(dān)負(fù)著傳送電能的重要任務(wù)，其故障直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。尤其，中國的電壓等級正在從超高壓(以500kV為代表)向特高壓(以1000kV為代表)發(fā)展，輸電線路容量進(jìn)一步增加，準(zhǔn)確的故障測距對于加速排除線路故障和盡快恢復(fù)供電，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。
故障測距方法從使用電氣量的角度，分為兩種單端法和雙端法。雙端法需要使用線路兩端的電氣信息，原理上可以實(shí)現(xiàn)精確故障定位，但是在實(shí)際應(yīng)用中，仍然受到兩端采樣頻率不同或相位偏移的影響。單端法不需要額外的設(shè)備，僅采用本地的電氣量進(jìn)行故障測距，不受通訊技術(shù)的限制，一直是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。
單端故障測距算法從原理的角度來講，分為兩類阻抗法和行波法。行波法通過測量行波波頭在觀測點(diǎn)和故障點(diǎn)之間來回往返的時(shí)間實(shí)現(xiàn)故障測距，但是單端行波法不能有效識別來自于故障點(diǎn)的反射行波和來自于其它波阻抗間斷點(diǎn)的反射行波，因此單端行波法未獲得實(shí)質(zhì)應(yīng)用。阻抗法根據(jù)故障后電壓、電流計(jì)算出觀測點(diǎn)至故障點(diǎn)間的線路阻抗值，由于忽略了輸電線路的分布電容、電導(dǎo)，線路阻抗值與故障距離呈正比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)故障定位；但是單端阻抗法不能完全消除故障過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響，精度較雙端法較差，很多學(xué)者針對該問題，提出了種類豐富的改進(jìn)方法，主要有工頻阻抗法(1)、解微分方程算法(2)、零序電流相位修正法(3)、故障電流相位修正法(4)、解二次方程方法(5)等。方法(1)、(2)均假設(shè)故障點(diǎn)電流與觀測點(diǎn)電流同相位，方法(3)、(4)、(5)均需要已知對側(cè)系統(tǒng)阻抗值，才能夠準(zhǔn)確故障定位，然而系統(tǒng)運(yùn)行方式多變，難以精確得到對端系統(tǒng)阻抗值，因此故障測距精度不是很高。但是單端阻抗故障測距算法，不需要對側(cè)的信息，對硬件要求低，易于實(shí)現(xiàn)；雖然測距精度不高，但是算法穩(wěn)定性很好，因此在現(xiàn)場中得到了廣泛地應(yīng)用。目前在現(xiàn)場中運(yùn)行的微機(jī)保護(hù)裝置基本上均采用單端阻抗法作為其故障測距元件，同時(shí)利用阻抗法測距的穩(wěn)定性，綜合使用單端阻抗法和行波法的組合法測距，也極大地提升了單端行波測距的性能。
單端阻抗故障測距方法在高壓(以220kV為代表)、超高壓線路上得到廣泛的應(yīng)用，其前提是認(rèn)為測量阻抗與故障距離呈正比例關(guān)系，即線路的分布電容可以忽略。這是由于高壓、超高壓線路長度一般小于400km，忽略分布電容的影響帶來的誤差不大，可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。而對于750kV以上電壓等級的超/特高壓長線路，線路的分布電容電流與線路傳輸自然功率的電流相比可達(dá)到76％以上，此時(shí)仍然忽略分布電容、以集中參數(shù)線路模型計(jì)算故障距離帶來的誤差不能被現(xiàn)場接受。
相關(guān)研究表明以分布參數(shù)線路模型建模，觀測點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的線路阻抗Zmea與故障距離呈雙曲正切關(guān)系，即Zmea=Zz1thγ·1l,]]>其中Zc1為正序波阻抗， 為正序傳播系數(shù)，它們均是單位長度線路電阻、電感、電容值的非線性函數(shù)。雙曲正切函數(shù)特性決定了其抗過渡電阻能力很差，過渡電阻帶來的附加測量阻抗將嚴(yán)重地影響故障測距的精度。傳統(tǒng)的阻抗法改進(jìn)方案如采用電抗分量進(jìn)行故障測距，部分地消除過渡電阻的影響，對于以分布參數(shù)線路模型建模的故障測距方法不再適用，主要是因?yàn)榫€路阻抗Zmea是單位長度線路電阻、電感、電容值的非線性函數(shù)，難以解耦；其他的方案如假設(shè)對端系統(tǒng)阻抗已知或者假設(shè)故障點(diǎn)電流與觀測點(diǎn)電流同相位，在750kV以上電壓等級的超/特高壓長線路上，帶來的誤差無法接受，因此傳統(tǒng)的單端阻抗故障測距方法難以直接應(yīng)用到超/特高壓長線路上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種新的抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法，該方法的物理模型采用分布參數(shù)建模，不受分布電容電流的影響；該方法利用故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)計(jì)算測量阻抗值，不受過渡電阻的影響；該方法是一種搜索式的方法，不存在解方程法的偽根問題和迭代法的不收斂問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明提出的一種抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法，包括以下步驟1、測量線路在變電站保護(hù)安裝處故障相電壓相量 故障相電流相量 零序電壓相量 零序電流相量 負(fù)序電流相量 作為輸入量；其中為故障相別A相、B相或C相；2)計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻為 其中α為線路保護(hù)安裝處負(fù)序電流的初始相角，ω為電力系統(tǒng)額定角頻率值；3)計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)安裝處測量電壓的實(shí)部實(shí)測值為測量電壓 其中Urelay為測量電壓幅值，θ為測量電壓初始相角；故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，測量電壓的實(shí)部實(shí)測值為Umea_meter＝Urelaycos(90°-α+θ)4)故障距離取為初始值lfault，計(jì)算保護(hù)安裝處測量電流測量電流 其中Irelay為測量電流幅值，β為測量電流初始相角；
P=Zc0Zc1(T·chγ·1lfault+shγ·0lfault-T·chγ·0lfaultshγ·1lfault)-1]]>P為基于線路分布參數(shù)的零序電流補(bǔ)償系數(shù)，其中Zc1為正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1),]]>R1、L1、G1、C1分別為單位長度線路的正序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；Zc0為零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0),]]>R0、L0、G0、C0分別為單位長度線路的零序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值； 為正序傳播系數(shù)γ·1=(R1+jωL1)(G1+jωC1);]]> 為零序傳播系數(shù)γ·0=(R0+jωL0)(G0+jωC0);]]>T為基于分布參數(shù)模型的系統(tǒng)等值零序阻抗T=U·0Zc0I·0;]]>5)根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計(jì)算線路阻抗值Zfault為Zfault=Zc1thγ·1lfault=Zrelay(cos(ωt+τ)+jsin(ωt+τ))]]>其中Zrelay為線路阻抗幅值，τ為線路阻抗角；6)根據(jù)故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)安裝處測量電流和線路阻抗值計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值為Umea_cal＝IrelayZrelaycos(90°-α+τ+β)7)計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值與實(shí)測值的誤差為Error＝|Umea_cal-Umea_meter|8)故障距離初始值lfault以步長ΔS逐次增加，返回步驟4)，依次計(jì)算每一點(diǎn)的誤差值，直至發(fā)跳閘信號的保護(hù)的整定范圍(整定范圍按照繼電保護(hù)國家標(biāo)準(zhǔn)的線路保護(hù)整定原則取值，例如I段接地距離保護(hù)發(fā)跳閘信號，其整定范圍為被保護(hù)線路全長的80％；線路全長為800km，則搜索過程以ΔS為步長逐次增加至640km)，如果無法得到保護(hù)跳閘信號，則搜索被保護(hù)線路全長，取誤差最小的點(diǎn)為故障點(diǎn)，該點(diǎn)至線路保護(hù)安裝處的距離為故障距離。
本發(fā)明的特點(diǎn)及技術(shù)效果本發(fā)明方法是基于輸電線路分布參數(shù)模型提出的，能夠精確地描述輸電線路的物理特性，具有天然的抗分布電容電流影響的能力；本發(fā)明方法利用故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)計(jì)算故障距離，不受過渡電阻的影響；本發(fā)明方法是一種搜索式的方法，不存在解方程法的偽根問題和迭代法的不收斂問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明方法適用于任何電壓等級的輸電線路，尤其對于750kV及以上的超/特高壓輸電長線路，應(yīng)用本發(fā)明方法的故障測距精度較其他的單端故障測距方法顯著提高，能夠滿足現(xiàn)場的要求。


圖1為應(yīng)用本發(fā)明方法的特高壓輸電系統(tǒng)示意圖。
圖2為基于圖1所示模型的應(yīng)用本發(fā)明方法的故障測距誤差特性和傳統(tǒng)工頻阻抗法故障測距誤差特性比較；其中(a)為應(yīng)用傳統(tǒng)工頻阻抗法故障測距誤差特性；(b)為應(yīng)用本發(fā)明方法的故障測距誤差特性；具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法實(shí)施例詳細(xì)說明如下應(yīng)用本發(fā)明的一種1000kV特高壓輸電系統(tǒng)型如圖1所示，系統(tǒng)為典型的雙端供電系統(tǒng)，兩側(cè)母線分別為M和N，線路長度為800km，線路參數(shù)值如表1所示。兩側(cè)系統(tǒng)阻抗參數(shù)如下所示，N側(cè)電源角度落后M側(cè)44度，M側(cè)和N側(cè)電勢分別為1.1062和1.1069倍額定電壓。應(yīng)用本發(fā)明方法的故障測距裝置安裝在M側(cè)，電壓、電流分別來自線路側(cè)電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)，電流的正方向?yàn)殡娏饔赡妇€流向線路的方向。
表11000kV特高壓輸電線路主要參數(shù)

兩側(cè)系統(tǒng)阻抗參數(shù)為M側(cè)正序系統(tǒng)阻抗ZM1＝4.2643+j85.14528ΩM側(cè)零序系統(tǒng)阻抗ZM0＝98.533+j260.79ΩN側(cè)正序系統(tǒng)阻抗ZN1＝7.9956+j159.6474ΩN側(cè)零序系統(tǒng)阻抗ZN0＝184.749+j488.981Ω本發(fā)明提出的線路單端故障測距方法適用于任何線路保護(hù)的故障測距模塊、故障錄波器的測距元件以及獨(dú)立的故障測距裝置。本實(shí)施例以應(yīng)用本發(fā)明的線路保護(hù)的故障測距模塊為例，以接地距離保護(hù)I段區(qū)內(nèi)故障為分析目標(biāo)，保護(hù)范圍整定為線路全長的80％，仿真故障為420km處A相經(jīng)105歐姆接地故障，實(shí)施例具體步驟如下
1)測量線路在變電站保護(hù)安裝處故障相電壓相量、相電流相量、零序電壓相量、零序電流相量、負(fù)序電流相量，作為輸入量，本實(shí)施例故障相為A相A相電壓U·a=-0.555+j·0.110MV]]>A相電流I·a=-2.799+j·1.244kA]]>零序電壓U·0=0.341-j·0.128MV]]>零序電流I·0=-0.004+j·1.307kA]]>負(fù)序電流I·2=-0.326+j·0.827kA]]>2)計(jì)算線路保護(hù)安裝處負(fù)序電流的初始相角α為 則故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻為 3)保護(hù)安裝處測量電壓為 則計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)測量電壓的實(shí)部實(shí)測值為Umea_meter＝Urelaycos(90°-α+θ)＝0.566cos(-21.53°+168.76°)＝-0.476MV4)故障距離取為初始值lfault＝1km，計(jì)算保護(hù)安裝處測量電流為正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1)=242.5-j·3.766Ω]]>零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0)=517.55-j·69.775Ω]]>正序傳播系數(shù)γ·1=(R1+jωL1)(G1+jωC1)=j·0.0011]]>零序傳播系數(shù)γ·0=(R0+jωL0)(G0+jωC0)=0.0002+j·0.0015]]>利用零序電流、電壓和零序波阻抗值，計(jì)算TT=U·0Zc0I·0=-0.121-j·0.520]]>將上述計(jì)算結(jié)果帶入P值計(jì)算公式，求取P值為P=Zc0Zc1(T·chγ·1lfault+shγ·0lfault-T·chγ·0lfaultshγ·1lfault)-1=1.901-j·0.700]]>
因此，得到測量電流

5)根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計(jì)算線路阻抗值Zfault為Zfault=Zc1thγ·1lfault=Zrelay(cos(ωt+τ)+jsin(ωt+τ))]]>

6、根據(jù)故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)安裝處測量電流和線路阻抗值計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值為Umea_cal＝IrelayZrelaycos(90°-α+τ+β)＝4.182×0.259×cos(-21.53°+116.87°+88.209°)＝-0.0011MV7)計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值與實(shí)測值的誤差為Error＝|Umea_cal-Umea_meter|＝|-0.0011+0.476|＝0.4749MV8)故障距離初始值lfault以步長1km逐次增加，返回步驟4，依次計(jì)算每一點(diǎn)的誤差值，直至I段接地距離保護(hù)的整定范圍640km，則誤差值如表2所示表2測量電壓的實(shí)部計(jì)算值與實(shí)測值的誤差


誤差最小的點(diǎn)為426km處，因此認(rèn)為故障點(diǎn)位于426km。計(jì)算故障測距相對誤差為426-420800×100%=0.75%]]>為了比較檢驗(yàn)應(yīng)用本發(fā)明方法和應(yīng)用傳統(tǒng)工頻阻抗法的故障測距誤差特性，本發(fā)明基于圖1所示的模型進(jìn)行了大量的數(shù)字仿真，故障點(diǎn)選擇從600km逐漸遞減到10km，步長為10km；故障過渡電阻從5歐姆開始，以50歐姆為步長，逐漸增加至155歐姆。仿真結(jié)果如圖2所示。
由圖2(a)可見，應(yīng)用傳統(tǒng)工頻阻抗法的故障測距誤差特性很差，即使在過渡電阻較小的情況下(5歐姆、55歐姆)，故障測距最大相對誤差也能達(dá)到30％；隨著過渡電阻值的進(jìn)一步增大，故障測距相對誤差達(dá)到50％以上，測距結(jié)果根本不具有可信性。
采用本發(fā)明方法的故障測距誤差特性如圖2(b)所示，在小過渡電阻的情況下，故障測距最大相對誤差不超過0.75％，實(shí)現(xiàn)精確測距；在大過渡電阻的情況下，故障測距的精度有所下降，但是最大相對誤差小于1.5％，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。
權(quán)利要求
1.一種抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法，包括以下步驟1)測量線路在變電站保護(hù)安裝處故障相電壓相量 故障相電流相量 零序電壓相量 零序電流相量 負(fù)序電流相量 作為輸入量；其中為故障相別A相、B相或C相；2)計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻為 其中α為線路保護(hù)安裝處負(fù)序電流的初始相角，ω為電力系統(tǒng)額定角頻率值；3)計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)安裝處測量電壓的實(shí)部實(shí)測值為測量電壓 其中Urelay為測量電壓幅值，θ為測量電壓初始相角；故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，測量電壓的實(shí)部實(shí)測值為Umea_meter＝Urelaycos(90°-α+θ)4)故障距離取為初始值lfault，計(jì)算保護(hù)安裝處測量電流測量電流 其中Irelay為測量電流幅值，β為測量電流初始相角；P=Zc0Zc1(T·chγ·1lfault+shγ·0lfault-T·chγ·0lfaultshγ·1lfault)-1]]>P為基于線路分布參數(shù)的零序電流補(bǔ)償系數(shù)，其中Zc1為正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1),]]>R1、L1、G1、C1分別為單位長度線路的正序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；Zc0為零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0),]]>R0、L0、G0、C0分別為單位長度線路的零序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值； 為正序傳播系數(shù)γ·1=(R1+jωL1)(G1+jωC1);]]> 為零序傳播系數(shù)γ·0=(R0+jωL0)(G0+jωC0);]]>T為基于分布參數(shù)模型的系統(tǒng)等值零序阻抗T=U·0Zc0I·0;]]>5)根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計(jì)算線路阻抗值Zfault為Zfault=Zc1thγ·1lfault=Zrelay(cos(ωt+τ)+jsin(ωt+τ))]]>其中Zrelay為線路阻抗幅值，τ為線路阻抗角；6)根據(jù)故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，保護(hù)安裝處測量電流和線路阻抗值計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值為Umea_cal＝IrelayZrelaycos(90°-α+τ+β)7)計(jì)算測量電壓的實(shí)部計(jì)算值與實(shí)測值的誤差為Error＝|Umea_cal-Umea_meter|8)故障距離初始值lfault以步長ΔS逐次增加，返回步驟4)，依次計(jì)算每一點(diǎn)的誤差值，直至發(fā)跳閘信號的保護(hù)的整定范圍，如果無法得到保護(hù)跳閘信號，則搜索被保護(hù)線路全長，取誤差最小的點(diǎn)為故障點(diǎn)，該點(diǎn)至線路保護(hù)安裝處的距離為故障距離。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及抗分布電容電流和過渡電阻影響的線路單端故障測距方法。包括測量變電站保護(hù)安裝處故障相電壓、相電流、零序電壓、零序電流及負(fù)序電流，作為輸入量；利用故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻，測量阻抗不受過渡電阻影響的特性，從被保護(hù)線路始端開始，計(jì)算故障點(diǎn)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的測量電壓實(shí)部計(jì)算值，與測量電壓實(shí)部實(shí)測值比較，計(jì)算誤差值；并且以ΔS為步長，依次計(jì)算至發(fā)跳閘信號的保護(hù)的整定范圍，如果無法得到保護(hù)跳閘信號，則搜索被保護(hù)線路全長，取誤差最小的點(diǎn)為故障點(diǎn)；本發(fā)明方法不受分布電容電流的影響，不受過渡電阻的影響，不存在解方程法的偽根問題和迭代法的不收斂問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號G01R31/08GK101067641SQ20071010021
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者董新洲, 王賓 申請人:清華大學(xué)