本發(fā)明屬于線路繼電保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單端電氣量的不受過渡電阻影響的故障測距方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，大規(guī)模互聯(lián)使電網(wǎng)地域覆蓋面積變廣，區(qū)域間耦合性增強(qiáng)，電網(wǎng)故障發(fā)生后會(huì)加速故障的蔓延，導(dǎo)致災(zāi)難性的大面積停電，所以，電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行已成為整個(gè)系統(tǒng)面臨的首要問題。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電能的輸送距離也越來越遠(yuǎn)，輸電線路電壓等級也越來越高。遠(yuǎn)距離輸電及大量輸電線路的建設(shè)及使用帶來的問題之一就是輸電線路故障次數(shù)越來越多。為了在故障發(fā)生后盡快恢復(fù)供電，則迫切需要迅速查找到故障點(diǎn)，所以需要尋求一種有效的故障定位方法即快速的故障測距技術(shù)。

現(xiàn)行的故障測距方法主要分為四類：基于故障分析的單端測距法、基于故障分析的雙端側(cè)距法、基于行波的單端測距法、基于行波的雙端測距法。雖然雙端測距法可充分利用系統(tǒng)雙側(cè)電壓電流信息，能獲得更準(zhǔn)確的測距結(jié)果，但需要更多的數(shù)據(jù)傳輸；單端測距法可利用電氣量信息較少，在構(gòu)造測距方法時(shí)易受故障點(diǎn)過渡電阻影響，使測距結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此需要尋求一種基于單端電氣量的并可克服過渡電阻影響的測距方法，以實(shí)現(xiàn)故障位置的快速、準(zhǔn)確定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種基于單端電氣量的不受過渡電阻影響的故障測距方法，該算法能夠精確計(jì)算出雙電源乃至多電源供電系統(tǒng)中經(jīng)過渡電阻發(fā)生各類短路故障時(shí)的故障距離。

該方法主要結(jié)合電壓電流相量圖對故障后系統(tǒng)電壓電流進(jìn)行相量分析，結(jié)合解析幾何添加輔助線構(gòu)造相似三角形，利用三角形相似的基本性質(zhì)創(chuàng)建關(guān)于故障距離的方程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障距離的求解。

本發(fā)明的方法具體包括建立故障側(cè)據(jù)方法分析模型進(jìn)行故障分析，故障位置f發(fā)生故障后線路首端m側(cè)保護(hù)安裝處測量電壓表達(dá)式：

式中分別為線路首端保護(hù)安裝處測量電壓、測量電流，為故障點(diǎn)電壓；z為從保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路正序阻抗；單相接地短路時(shí)，其中z1、z0分別為線路正序、零序阻抗；相間短路時(shí)，其中z、zset分別為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的線路正序阻抗和距離保護(hù)整定阻。其特征在于，還包括如下步驟：

步驟1：首先根據(jù)所述故障測距方法分析模型，以故障后故障支路電流為參考相量繪制故障后系統(tǒng)保護(hù)安裝處測量電流測量電壓故障點(diǎn)電壓故障支路電流保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)間線路電圧相量圖；

步驟2:在所述相量圖中添加輔助線構(gòu)造相似三角形；

步驟3：利用幾何知識(shí)求解步驟2中所構(gòu)造的兩個(gè)相似三角形的各邊角；

步驟4：利用三角形相似基本原理構(gòu)造求解故障距離百分比p的公式；

步驟5：將故障后第一周波內(nèi)采樣數(shù)據(jù)基波分量帶入步驟4所述的公式中求解故障距離百分比p。

步驟2進(jìn)一步包括：在所述相量圖中添加輔助線：以o為原點(diǎn)，故障點(diǎn)電壓用od表示，保護(hù)安裝處測量電壓相量用om表示，故障點(diǎn)間線路電壓用dm表示，過原點(diǎn)o做故障后保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路電壓的垂線oc，與dm交于點(diǎn)c；過保護(hù)安裝處測量電壓相量末端m做故障點(diǎn)電壓的垂線ma，與od交于點(diǎn)a；過原點(diǎn)o延長與交于點(diǎn)b；則δocd～δmad。

步驟3進(jìn)一步包括：利用幾何知識(shí)求解兩個(gè)相似三角形δocd、δmad的各邊角，具體為：故障后線路電圧的垂線段oc：在三角形δocm中，om即保護(hù)安裝處測量電壓為已知量，所以由正弦定理可知：oc＝omgsin∠moc，因?yàn)楣收暇€路正序阻抗角為δmob的外角，所以其等于不相鄰的兩個(gè)內(nèi)角和，即而∠mob為保護(hù)安裝處測量電流和測量電壓之間的夾角，所以則：

故障后故障點(diǎn)電壓由電路基本知識(shí)可知故障點(diǎn)電壓等于保護(hù)安裝處測量電壓與故障后保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)間線路電壓之差即：

其中p為故障距離百分比即保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)之間線路正序阻抗與線路全長正序阻抗的比值：其中zl為線路全長的正序阻抗；

故障點(diǎn)電壓的垂線ma：在三角形δmoa中由正弦定理可知ma＝omgsin∠moa，其中其為保護(hù)安裝處測量電壓與故障點(diǎn)電壓的相角差，所以：

故障后線路電壓由電路知識(shí)可知

步驟4進(jìn)一步包括：步驟401：利用三角形相似的相關(guān)知識(shí)可知相似三角形中各對應(yīng)邊比值相等，因此：將式中各量表達(dá)式帶入可得：

步驟402：利用步驟401中的方程構(gòu)造求解故障距離百分比p的公式f(p)：

f(p)中僅有一個(gè)未知量，即故障距離百分比p，令f(p)＝0，通過逐步搜索法進(jìn)行求解。

步驟5進(jìn)一步包括以全周傅氏算法求取故障后第一周波內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的基波分量，在第一周波內(nèi)均勻選取20個(gè)點(diǎn)的基波值帶入所述步驟402的公式進(jìn)行求解并求取故障測距均值pm，pm即為所求故障距離百分比。

通過采用本文發(fā)明的基于單端電氣量的不受過渡電阻影響的故障測距方法，能夠得到的有益效果為：該方案可完全克服過渡電阻對距離保護(hù)的影響且適用于各種縱向短路故障；僅與保護(hù)安裝處測量電壓、測量電流、線路阻抗及阻抗角有關(guān)，不涉及故障點(diǎn)電壓及對端系統(tǒng)注入故障點(diǎn)的電流信息，僅利用保護(hù)安裝處的單端電氣量信息即實(shí)現(xiàn)故障位置的精確定位，不需要其他輔助信息和對時(shí)處理，不但原理、算法簡單可靠，便于實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的普適性，工程實(shí)用價(jià)值高。本發(fā)明推導(dǎo)利用了線路rl集中參數(shù)模型，沒有考慮分布電容的影響，在應(yīng)用于長線路時(shí)可根據(jù)輸電線路引入插值法的bergeron模型來計(jì)算靠近故障點(diǎn)的分段點(diǎn)的電流和電壓，在分段點(diǎn)處再利用該方案進(jìn)行求解即可。故障測距不受系統(tǒng)運(yùn)行及電網(wǎng)接線方式的影響，可廣泛應(yīng)用于高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中。

附圖說明

圖1為故障測距方法分析模型；

圖2為故障后系統(tǒng)電壓電流相量圖；

圖3為過渡電阻值(rg)＝30ω時(shí)故障距離計(jì)算結(jié)果；

圖4為過渡電阻值(rg)＝60ω時(shí)故障距離計(jì)算結(jié)果；

圖5為過渡電阻值(rg)＝100ω時(shí)故障距離計(jì)算結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

用于故障測距方法的雙電源系統(tǒng)如附圖1所示，圖中分別為兩端系統(tǒng)等值電勢，zr、zs分別為兩端系統(tǒng)等值阻抗。根據(jù)圖1所示故障測距方法分析模型進(jìn)行故障分析，假設(shè)在圖1中f點(diǎn)處發(fā)生縱向短路故障，p為距離保護(hù)整定范圍末端，得出如圖中所示位置故障后線路首端m側(cè)保護(hù)安裝處測量電壓表達(dá)式：

式中分別為線路首端(保護(hù)安裝處測量電壓、測量電流，為故障點(diǎn)電壓；z為從保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路正序阻抗；

單相接地短路時(shí)，其中z1、z0分別為線路正序、零序阻抗；相間短路時(shí)，其中z、zset分別為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的線路正序阻抗和距離保護(hù)整定阻抗。

步驟1：根據(jù)故障測距方法分析模型，以故障分支電流為參考相量繪制故障后系統(tǒng)保護(hù)安裝處測量電流測量電壓故障點(diǎn)電壓故障支路電流保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)間線路電圧相量圖；延長與交于點(diǎn)b；

步驟2：在上述相量圖中添加輔助線構(gòu)造相似三角形：過原點(diǎn)o做故障后保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路電壓的垂線oc、過保護(hù)安裝處測量電壓相量末端做故障點(diǎn)電壓的垂線ma，如圖2所示；則以故障點(diǎn)電壓線路電壓的垂線oc及相量末端至與其垂線oc交點(diǎn)之間線段cd為邊的三角形δocd和以故障點(diǎn)電壓的垂線ma、故障后線路電壓及故障點(diǎn)電壓相量末端至垂線ma與交點(diǎn)之間的線段ad為邊的三角形δmad相似：

首先，∠adc為δocd和δmad的公共角；其次，∠mad＝∠ocd＝90°，又因?yàn)槿切蝺?nèi)角和都為180°，所以，δocd和δmad各內(nèi)角均相等，根據(jù)“相似三角形對應(yīng)角相等”這一相似判據(jù)可知δocd:δmad；

步驟3：利用幾何知識(shí)求解兩個(gè)相似三角形各邊角：

故障后線路電圧的垂線段oc：在三角形δocm中，om即保護(hù)安裝處測量電壓為已知量，所以由正弦定理可知：oc＝omgsin∠moc，因?yàn)楣收暇€路正序阻抗角為δmob的外角，所以其等于不相鄰的兩個(gè)內(nèi)角和，即而∠mob為保護(hù)安裝處測量電流和測量電壓之間夾角，所以所以：

故障后故障點(diǎn)電壓由電路基本知識(shí)可知故障點(diǎn)電壓等于保護(hù)安裝處測量電壓與故障線路電壓之差即：

故障點(diǎn)電壓的垂線ma：在三角形δmoa中，根據(jù)正弦定理可知ma＝omgsin∠moa，其中即保護(hù)安裝處測量電壓與故障點(diǎn)電壓的相角差，所以：

故障后線路電壓由電路知識(shí)可知其中zl為整條線路正序阻抗，p為故障距離百分比即保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路阻抗與總線路阻抗的比值：z為從保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)間線路正序阻抗；

步驟4包括步驟401：利用三角形相似的相關(guān)知識(shí)可知相似三角形中各對應(yīng)邊比值相等，因此：將式中各量表達(dá)式帶入可得：

步驟402：利用三角形相似基本原理構(gòu)造求解故障距離百分比p的公式f(p)：

f(p)中僅一個(gè)未知量即故障距離百分比p，令f(p)＝0求解即可。由于f(p)＝0為非線性方程，因此可通過逐步搜索法進(jìn)行求解。

步驟5：以全周傅氏算法求取故障后保護(hù)安裝處測量電壓、測量電流的基波分量，按照步驟4中所示公式對故障距離百分比進(jìn)行求解：

以全周傅氏算法求取故障后第一周波內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的基波分量，在第一周波內(nèi)均勻選取20個(gè)點(diǎn)的基波值帶入步驟4所示公式進(jìn)行求解并求解故障測距均值pm；

在圖1所示22kv雙電源供電系統(tǒng)中線路長度為100km。由經(jīng)驗(yàn)可知220kv系統(tǒng)故障后系統(tǒng)最大可能過渡電阻為100ω，因此分別取系統(tǒng)經(jīng)30ω、60ω、100ω三個(gè)過渡電阻值在保護(hù)范圍末端附近發(fā)生單相接地短路故障為例進(jìn)行分析，故障發(fā)生在系統(tǒng)運(yùn)行1s后。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果都以故障初始時(shí)刻即1s為計(jì)時(shí)零點(diǎn)并取第一個(gè)周波內(nèi)采樣數(shù)據(jù)用matlab經(jīng)全周傅氏算法濾波后計(jì)算所得。仿真結(jié)果如圖3‐圖5所示。

由仿真結(jié)果分析可知，新方案受故障暫態(tài)影響較小，可快速求得正確測距結(jié)果，測距均值均接近實(shí)際故障距離，誤差小于3％，測距波動(dòng)性較小，測距標(biāo)準(zhǔn)差為10^-4左右。因此該方案滿足系統(tǒng)對測距方案實(shí)用性、可靠性、準(zhǔn)確性的要求。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。