CN101350521A - 一种针对非均匀零序互感同杆架空多回线路的故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对均匀和非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，该方法基于分布参数模型，两端同步采样电压和电流量。对于同杆并架以及同一输电走廊下的平行多回线路而言，多回线之间的正序和负序互感的影响可以忽略不计，当电力线路发生单线或跨线故障时，从故障点两侧各自计算的正序、负序电压以及正序和负序电压之和应相等，从而解出基于正序分量、负序分量或正负序分量的故障距离方程，当保护判断出线路发生内部故障时，根据所述故障距离方程就能够进行故障测距。线路之间互感的情况如何以及是否为均匀零序互感的同杆多回线，对于测距结果没有影响。该方法能够应用于各种拓扑结构的同杆多回线路的精确测距。

Description

一种针对非均匀零序互感同杆架空多回线路的故障测距方法

技术领域

本发明属于电力***继电保护技术领域，具体涉及到针对非均匀零序互感同杆架设多回线路的故障测距方法。

背景技术

随着电力事业的发展，输电线路电压等级和输送容量逐步提高，输电线路的精确测距技术也越来越为人们所重视，测距方法的研究已成为电力***热门的研究课题之一。准确、快速的故障测距能够帮助对故障进行事后分析，从而及时排除故障原因。

同杆多回线路在高压输配电工程中应用越来越广泛，它能很好地解决走廊宽度不够以及大功率输送的问题。对于同杆线路的故障定位来说，线路之间的零序互感和跨线故障是影响其准确性的两个主要因素。理论分析表明，单端测距法只需一侧信息，投资小，但主要影响因素有过渡电阻、线路分布电容、对侧***运行阻抗变化等，因此对一般结构的输电网络存在不可避免的原理性误差，当故障位于50％线路长度以远时，其测距精度无法保证。双端测距虽然对通道的依赖性较高、投资也较大，但能避免测距原理性误差，可以得到很高的测距精度。

由于同杆多回线包括同杆双回线存在线间互感，并且有发生跨线故障的可能，因此增加了多回线故障测距的复杂性。以往的双回线故障定位方法，无论是利用单端电气量的还是利用两端的电气量进行测距，都只是针对线路为一种均匀的同杆状态，要求双回线的两端都接于同一母线上，电压等级一样，线路全程必须也是同杆并架的。但在实际中，通常不是上述的理想的情况，线路只有中间某一部分处于同杆并架的状况，对于该种非均匀的同杆并架多回线路已有提出的故障测距方法已经不再适用。因此，针对更广泛意义上的同杆多回线的故障定位是十分必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于分布参数模型的利用两端同步数据的故障测距方法。该法与上述所列故障测距的区别在于，它利用同一回线同步采样的两端电气量进行故障定位，针对的是各种拓扑结构的非均匀零序互感同杆多回线(包括不同电压等级)。所用的模型表现了传输线路的分布参数特性，无需在考虑线路分布电容电流的影响。

本发明采用的技术方案如下：

一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，所述故障测距方法基于输电线路分布参数模型，利用同一回线同步采样的两端电气量进行故障定位，其特征为，所述故障测距方法包括如下步骤：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧(m，n)同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的正序电压和正序电流U_m1，U_n1，I_m1，I_n1；

基于输电线路分布参数模型，当在线路故障点(f)发生各种类型的单线或跨线故障时，根据均匀单回传输线路模型的均匀传输线的电压电流方程，从所述线路两侧(m，n)中的第一端(m)计算故障点(f)的正序电压Uf1，以及从所述线路两侧(m，n)中的第二端(n)计算故障点(f)的正序电压U′f1：

U_k1＝U_m1ch(γl_mk)-I_m1Z_csh(γl_mk)

U′_k1＝U_n1ch(γl_nk)-I_n1Z_csh(γl_nk)

其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，lmk为线路第一端(m)到故障点(f)的距离，lnk为线路第二端(n)到故障点(f)的距离。

根据从线路两侧所计算的故障点(f)的正序电压相等，即：

U_k1＝U′_k1

从而得到以下基于正序分量的故障距离即从线路第一端到故障点的距离方程为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_c+U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c-U_{m1})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n1}{Z}_c-U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c+U_{m1})e^{-\mathrm{\γl}}}$ 其中，l为线路全长。

参照上述故障测距方法，本发明还分别提出了基于负序分量的故障距离方程和基于正负序分量的故障测距方程，其方法分别如下：

一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，该方法包括如下内容：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的负序电压和负序电流U_m2，U_n2，I_m2，I_n2；

基于分布参数模型，当在故障点f(如图2)发生各种类型的单线或跨线故障时，f点两侧各自计算的负序电压应相等，即：

U_k2＝U′_k2

基于负序分量的故障距离为

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n2}{Z}_c+U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c-U_{m2})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n2}{Z}_c-U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c+U_{m2})e^{-\mathrm{\γl}}}$ 其中，l为线路全长。

一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，该方法包括如下内容：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的正负序电压和正负序电流U_m12，U_n12，I_m12，I_n12；

基于分布参数模型，当在故障点f(如图2)发生各种类型的单线或跨线故障时，f点两侧各自计算的正负序电压应相等，即：

U_k12＝U′_k12

基于正负序分量的故障距离为

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n12}{Z}_c+U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c-U_{m12})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n12}{Z}_c-U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c+U_{m12})e^{-\mathrm{\γl}}}$ 其中，l为线路全长。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的方法理论上不受负荷电流、故障类型、故障时的初始相位角、***阻抗及过渡电阻的影响；同时，该故障测距方法与零序互感电流以及是否为跨线故障无关。该故障测距方法能够应用于各种拓扑结构的同杆多回线路的精确测距，试验结果表明该算法具有非常高的精度。由于电流差动保护被广泛的运用于同杆并架多回线包括同杆并架双回线当中，很容易就能够得到被保护线路两端的同步数据，并利用光纤通道进行数据的传输，因此该法很方便就能够应用于在线测距。

附图说明

图1为均匀单回传输线电路模型；

图2为平行多回线路两端的电压和电流方向。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明公开的一种针对均匀和非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或同一输电走廊的多回线路(包括双回线路)的故障测距(定位)方法，该方法是基于分布参数模型，利用两端同步采样的电压和电流量的故障测距(定位)方法。图1所示为单回均匀传输线的电路模型，在这里R0表示单位长度的电阻(Ω/km)，L0表示单位长度的电感(H/km)，G0表示单位长度导线之间的电导(S/km)，C0表示单位长度导线之间的电导(F/km)。则均匀传输线的电压电流方程如下所示：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=R_{0}i+L_0\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=G_{0}u+C_0\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

由于一般研究的是传输线在始端电源角频率为ω的正弦时间函数时电路的稳态分析，上述方程又可改写为与频率相关的形式，如(3)式，这里的sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，1_nm为n端到m端的距离。

$\left[\begin{array}{c}{U}_m\\ I_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)\\ \mathrm{sh}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)/Z_c& -\mathrm{ch}\left({\mathrm{\γl}}_{\mathrm{nm}}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_n\\ I_n\end{array}\right]---\left(3\right)$

因为对于同杆并架以及同一输电走廊下的平行多回线路而言，多回线之间的正序和负序互感的影响可以忽略不计，并且与线路是否为均匀零序互感或者是否同一电压等级并架结构无关，因此上述电压与电流的方程对同杆并架以及同一输电走廊下的平行多回线路正序及负序分量均适用，如果仅仅以并架线路中某一单回线路的正序和负序分量部分作为研究对象，方程(1)、(2)、(3)，等依然成立。在本发明的叙述中，各个参数的下标“1”和“2”表示各自对应的正序和负序分量。图2标出了平行多回线路下的正序和负序电压电流的方向。

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的正负序电压和正负序电流U_m12，U_n12，I_m12，I_n12；

对于传输线上的任意一点k，m端和n端的正序和负序电压均能够代入传输线方程进行计算。从m端和n段指向故障点k计算正序和负序电压的算式为：

U_k12＝U_m12ch(γl_mk)-I_m12Z_csh(γl_mk)    (4)

U′_k12＝U_n12ch(γl_nk)-I_n12Z_csh(γl_nk)    (5)

当在故障点f(如图2)发生单线或跨线故障时，从f点两侧各自计算的正序和负序电压之和应相等，即：

U_k12＝U′_k12    (6)

由以上(4)(5)(6)式可以得到

U_n12ch(γ x)-I_n12Z_csh(γ x)

                                            (7)

＝U_m12ch(γ(l-x))-I_m12Z_csh(γ(l-x))

解出x为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n12}{Z}_c+U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c-U_{m12})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n12}{Z}_c-U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c+U_{m12})e^{-\mathrm{\γl}}}---\left(9\right)$

同理，对于传输线上的任意一点k，m端和n端的正序能够代入传输线方程进行计算。从m端和n段指向故障点k计算正序算式为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_c+U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c-U_{m1})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n1}{Z}_c-U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c+U_{m1})e^{-\mathrm{\γl}}}$

对于传输线上的任意一点k，m端和n端的负序能够代入传输线方程进行计算。从m端和n段指向故障点k计算负序算式为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n2}{Z}_c+U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c-U_{m2})e^{\mathrm{\γl}}}{(I_{n2}{Z}_c-U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c+U_{m2})e^{-\mathrm{\γl}}}$

从上述方程我们可以看到，在正常状态下关于x的唯一解是不存在的。当保护判断出线路发生内部故障时，根据上述各距离方程就能够被应用于进行故障测距。分析我们可以看到，利用本发明所提出的故障测距方法用到的两端的故障相正序负序电压电流分量很容易就能获得，至于线路之间互感的情况如何以及是否为均匀零序互感的同杆多回线，测距结果则不受影响。因此，该故障定位方法能够应用于各种拓扑结构的同杆多回线路的精确测距，并且该故障测距方法与地网无关，能去除双回线之间零序互感的影响，测距结果不受零序互感影响，不受负荷电流、***阻抗、故障时的初始相位角的影响。

Claims (9)

1、一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，所述故障测距方法基于输电线路分布参数模型，利用同一回线同步采样的两端电气量进行故障定位，其特征为，所述故障测距方法包括如下步骤：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧(m，n)同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的正序电压和正序电流U_m1，U_n1，I_m1，I_n1；

基于输电线路分布参数模型，当在线路故障点(f)发生各种类型的单线或跨线故障时，根据均匀单回传输线路模型的均匀传输线的电压电流方程，从所述线路两侧(m，n)中的第一端(m)计算故障点(f)的正序电压U_k1，以及从所述线路两侧(m，n)中的第二端(n)计算故障点(f)的正序电压U′_k1：

U_k1＝U_m1ch(γl_mk)-I_m1Z_csh(γl_mk)

U′_k1＝U_n1ch(γl_nk)-I_n1Z_csh(γl_nk)

其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Zc为输电线路的特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Zc和γ都是与频率相关的量，lmk为线路第一端(m)到故障点(f)的距离，lnk为线路第二端(n)到故障点(f)的距离；

根据从线路两侧所计算的故障点(f)的正序电压相等，即：

U_k1＝U′_k1从而得到以下基于正序分量的故障距离即从线路第一端到故障点的距离方程为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n1}{Z}_c+U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c-U_{m1})e^{\mathrm{\γ}1}}{(I_{n1}{Z}_c-U_{n1})+(I_{m1}{Z}_c+U_{m1})e^{-\mathrm{\γ}1}},$ 其中l为线路全长。

2、根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征为：所述方法适用于各种拓扑结构的同杆多回线路的各类单线或跨线故障的故障定位，并且该故障测距方法与地网无关，能去除双回线之间零序互感的影响，测距结果不受零序互感影响。

3、根据权利要求要求1或2所述的故障测距方法，其特征为：所述方法的测距结果不受负荷电流、***阻抗、故障时的初始相位角的影响。

4、一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，所述故障测距方法基于输电线路分布参数模型，利用同一回线同步采样的两端电气量进行故障定位，该方法包括如下步骤：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧(m，n)同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的负序电压和负序电流U_m2，U_n2，I_m2，I_n2；

基于输电线路分布参数模型，当在故障点(f)发生各种类型的单线或跨线故障时，根据以下均匀单回传输线路模型的均匀传输线的电压电流方程频率形式，从所述线路两侧(m，n)中的第一端(m)计算故障点(f)的负序电压U_k2，以及从所述线路两侧(m，n)中的第二端(n)计算故障点(f)的负序电压U′_k2：

U_k2＝U_m2ch(γl_mk)-I_m2Z_csh(γl_mk)

U′_k2＝U_n2ch(γl_nk)-I_n2Z_csh(γl_nk)

其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，lmk为线路第一端(m)到故障点(f)的距离，lnk为线路第二端(n)到故障点(f)的距离；

根据从线路两侧所计算的故障点(f)的负序电压相等，即：

U_k2＝U′_k2

从而得到基于负序分量的故障距离即从第二端至故障点的距离为：

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n2}{Z}_c+U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c-U_{m2})e^{\mathrm{\γ}1}}{(I_{n2}{Z}_c-U_{n2})+(I_{m2}{Z}_c+U_{m2})e^{-\mathrm{\γ}1}}$

其中，l为线路全长。

5、根据权利要求4所述的故障测距方法，其特征为：所述方法适用于各种拓扑结构的同杆多回线路的各类单线或跨线故障的故障定位，并且该故障测距方法与地网无关，能去除双回线之间零序互感的影响，测距结果不受零序互感影响。

6、根据权利要求要求4或5所述的故障测距方法，其特征为：所述方法的测距结果不受负荷电流、***阻抗、故障时的初始相位角的影响。

7、一种在电力***中非均匀零序互感以及不同电压等级同杆架设或者同一输电走廊的多回线路的故障测距方法，所述故障测距方法基于输电线路分布参数模型，利用同一回线同步采样的两端电气量进行故障定位，该方法包括如下步骤：

线路保护装置通过光纤通道得到线路两侧(m，n)同步采样的电压电流值，并计算线路两侧(m，n)的正负序电压的和以及正负序电流的和U_m12，U_n12，I_m12，I_n12；

基于输电线路分布参数模型，当在故障点(f)发生各种类型的单线或跨线故障时，根据以下均匀单回传输线路模型的均匀传输线的电压电流方程频率形式，从所述线路两侧(m，n)中的第一端(m)计算故障点(f)的正负序电压和Uk12，以及从所述线路两侧(m，n)中的第二端(n)计算故障点(f)的正负序电压和U′k12：

U_k12＝U_m12ch(γl_mk)-I_m12Z_csh(γl_mk)

U′_k12＝U_n12ch(γl_nk)-I_n12Z_csh(γl_nk)，

其中，sh(.)和ch(.)表示双曲线函数，Z_c为特性阻抗或波阻抗，γ为传播常数，Z_c和γ都是与频率相关的量，lmk为线路第一端(m)到故障点(f)的距离，lnk为线路第二端(n)到故障点(f)的距离；

根据从线路两侧所计算的故障点(f)的负序电压相等，即：

U_k12＝U′_k12

从而得到基于正负序分量的故障距离即从线路第二端至故障点的距离为

$x=\frac{1}{2\mathrm{\γ}}\ln \frac{(I_{n12}{Z}_c+U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c-U_{m12})e^{\mathrm{\γ}1}}{(I_{n12}{Z}_c-U_{n12})+(I_{m12}{Z}_c+U_{m12})e^{-\mathrm{\γ}1}}$

其中，l为线路全长。

8、根据权利要求7所述的故障测距方法，其特征为：所述方法适用于各种拓扑结构的同杆多回线路的各类单线或跨线故障的故障定位，并且该故障测距方法与地网无关，能去除双回线之间零序互感的影响，测距结果不受零序互感影响。

9、根据权利要求要求7或8所述的故障测距方法，其特征为：所述方法的测距结果不受负荷电流、***阻抗、故障时的初始相位角的影响。

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