高压输电线路故障测距的算法研究_陈丹霏

Ｒesearch on Failure Distancemeasuring Algorithm of High Voltag Transmission Line
CHEN Danfei1 ， FANG Xuan2 （ 1． College of Electrical and New Energy， Sanxia University， Yichang 443000 ， China； 2． Jinhua Jinhua 321000 ， China） Ｒegulating Centre of Power Supply Company， Abstract： HV and EHV transmission line fault timely and accurately find the point of failure， not only can quickly repair the wiring， insulation found hidden and ensure reliable power supply， but also to ensure the security， stability and economic operation of the power system has a very important significance. For highvoltage transmission line fault in the existing problems， the paperbased iterative failure analysis carried out indepth study and discussion， the derivation of the singleended ranging analysis results can not simultaneously eliminate the effects of the transition resistance and contralateral system impedance. The doubleended ranging from theory to solve the singleended ranging principle of error and improve the range accuracy.
要： 高压和超高压输电线路故障测距能及时 、 准确的找到故障点， 不仅能快速修复线路， 发现绝缘隐患和保证 可靠供电， 而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的意义 。针对目前高压输电线路故障 摘 测距中存在的问题， 基于迭代故障分析法展开了深入的研究和探讨 ， 从推导过程分析得出单端测距无法同时消除 。 过渡电阻和对侧系统阻抗的影响 而双端测距从理论上解决了单端测距的原理性误差 ， 提高了测距精度。 关键词： 高压输电线路； 故障测距； 迭代； 仿真 中图分类号： TM72 文献标识码： B
ˑ I mg］
·
（ 6）
M 端电压、 上式除 C M 外， 线路单位阻抗 Z 已知， I m、 I mg 均可实时的测量或求出， 电流 U m 、 其测距结果 x 不受过渡电阻的影响。 电流分布系数 C M 一般为复数， 可令 C M = C m e j γm （ 7） 式（ 7 ） 中的角度 γ m 由故障点两侧的综合阻抗角 决定， 其值 接 近 于 零， 一 般 不 超 过 10ʎ 。 这 一 特 征 表 故障支路电流 I f 与线路 m 端故障分量电流 I mg 之 明， 间以电流分布系数 C M 相联系， 后者与负荷电流和过 渡电阻无关。为简化计算， 可以认为故障点电流 I f 与 线路 m 端故障分量电流 I 于是得到测距结果为 x= I m［ U m ˑ I mg］ I m［ Z ˑI
《电气开关》 （ 2015． No． 1 ）
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文章编号： 1004 － 289X（ 2015 ） 01 － 0027 － 03
高压输电线路故障测距的算法研究
1 2 陈丹霏 ， 方璇
（ 1. 三峡大学电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443000； 2. 金华供电公司调控中心， 浙江 金华 321000）
· m · · · mg · · · ·
同相位， 或 C M 为一实数，
4
结论
本文在前人大量研究的基础上， 对几种故障测距
ˑ I mg］
·
（ 8）
方法进行了利弊分析。同时介绍了故障测距原理以及 迭代算法， 并通过实际算例进行可行性分析 。
· · m · · · · f
同相位的情况。 ΔZ2 为 I f 超前 I m ，
。
3
3. 1
迭代法故障测距
测距原理 假定输电线为均匀线， 在不同故障类型条件下计
ΔZ3 为 I f 滞后 I m 。由此可知， 产生测距误差的根本原 因是有过渡电阻 Ｒ f 存在， 故障点电流及两端电流之间 的关系决定了误差大小和性质。由于误差可能在相当 大的范围内变化， 因此必须采取有效的方法减小测距 误差， 才能满足精确测距的要求。
· · · m ·
ˑ Ｒ f 可知， 测
·
而且受故障电流 I f 与测 距误差不仅与 Ｒ f 大小有关， 量点电流 I 的向量比的影响。 为了定性说明测量误 在图 2 中给出了 3 种不同性质 差与上述因素的关系，
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的误差 ΔZ 。 在图 2 中， ΔZ1 相当于单端电源或故障点电流 I 与测量点电流 I
mh
、 I mg 分别为 m 端的负荷电流和故障分
式中： Z 为线路单位长度的阻抗；
量； I f 为故障点的电流； C M 为 m 端的电流分布系数，
《电气开关》 （ 2015． No． 1 ）
29 3. 2 迭代算法 由于电流分布系数是由故障点两侧综合阻抗决定， 其中也包括由两端到系统的阻抗， 因此电流分布系数的 （ 4）
。 长期以来， 为寻求精
专家们进行了大量的研究并 确有效的故障测距方法， 提出了多种故障测距原理和方法。 在 AIEE Committee 1955 年的报告中， 给出 1955 年前有关故障测距的文 献就多达 120 篇
［2 ］
。 随着新技术的发展， 故障测距算
28 法。目前， 行波测距中的 A 型和 D 型已经广泛应用于 我国超高压线路。 行波测距法精度高， 而且适应性很强， 不易受过渡 电阻、 系统运行方式变化等的影响。但在实际应用中， 行波法仍存在着一些问题： （ 1 ） 反射波的识别与标定； （ 2 ） 故障点离测距装置安装点较近时， 无法测距， 存在 测距死区等。 2. 2 故障分析法 是输电线路发生故障时， 系统在已 知运行方式和线路参数的条件下， 利用故障录波器记 故障分析法 录的故障数据建立电压、 电流之间的回路方程， 通过计 算分析得出故障距离。 故障分析法简单易行， 可借助 现有的故障录波器达到测距的目的 。按照线路模型来 分， 可分为集中参数模型法和分布参数模型法 ； 按照电 气量来分， 可分为单端量法和双端量法。 2. 3 智能化测距法 近年来有不少专家通过引入相关学科的学术成果 来研究测距问题， 这些智能理论包括优化方法、 红外线 技术、 神经网络技术、 卡尔曼滤波技术、 模式识别技术 等。但这些智能化测距方法多处于研究阶段， 离实际 应用尚有一定距离
［1 ］
法的研究不断深入， 已成为国内外学者研究的热点之一。
2
故障测距算法分类
经过长期发展， 现有的故障测距算法从原理上可
大致分为三类： 行波法、 故障分析法和智能测距法。 2. 1 行波法 行波法
［3 － 5 ］
是根据行波传输理论实现的测距方
法。早期行波法是利用电子计数器来测量行波的到达 时刻和传播时间， 随着时代的发展， 相关领域技术包括 现代微电子技术、 现代通信 全球定位系统（ GPS） 技术、 技术和现代数字信号处理技术等的应用 ， 以及小波变 换的应用大大的推动了现代行波测距技术的进步 。已 B 型、 C 型、 D 型、 E 型、 F型 提出的行波测距法有 A 型、 6 种。其中 A、 C、 E、 F 型属于单端量法； B 、 D 属双端量
· mg
CM =
Z Ｒ + Z ˑ （ l － x） 。 ZS + ZＲ + Z ˑ l I mg CM
· mg ·
将式（ 3 ） 代入式（ 1 ） ， 可得 Um = I
· · m
ˑ Z ˑ x + Ｒf ˑ
幅角和用它算出的准确测距结果也只能用迭代法求得。 C JM 为实数， 在取 r m = 0 条件下， 此时式（ 9 ） 中等式 右边分子分母中 C JM 可直接消除； 当 r m ≠0 时， 仍利用 x 迭代过程如下： 式（ 9 ） 求解准确的测距结果， ①假设 r m = 0 ， 由式（ 9 ） 求出 x（ 1 ） 。 ②将 x（ 1 ） 回代入式（ 10 ） 可得到 C1M （ 2 ） ， 再将 C1M （ 2 ） 代入式（ 9 ） 求得 x（ 2 ） 。如果 | x（ 2 ） － x（ 1 ） | ＜ ε， 则 有 x = x（ 2 ） 。 ③将 x（ 2 ） 回代入式 （ 10 ） 可得到 C1M （ 3 ） ， 同上步 骤求出 x（ 3 ） ， 直到 | x（ b） － x（ n － 1 ） | ＜ ε 为止， 此时迭 代所得故障距离 x = x（ n） 。 运用此迭代原理编制程序， 可实现故障测距。 3. 3 实例仿真 通过一系列实际算例仿真研究发现， 测量结果误 差随着过渡电阻增大而呈现增大趋势， 此种算法最小 误差范围可控制在 300m 内。 对于一定范 误差可达， 围内的过渡电阻， 此算法可以有效地进行故障定位 ， 并 保证其可行性。
Key words： high-voltage transmission lines， fault location， iterative simulation 1 引言
电力行业是国家经济建设的基础， 在国民经济建 设中占有极其重要的地位。输电线路的继电保护水平 保护电网设备及提 对于维护电力系统安全稳定运行， 高经济效益有着重要的意义。 电力系统在运行过程当中会出现故障和一些异常 使一部分线路甚至整段线路不能正常工 的运行状态， 作。高压输电线路的准确故障测距是保证电力系统安 全稳定运行的有效途径之一
算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离 成正比。首先以图 1 所示的单相系统说明阻抗测距的 基本原理。
图2 图1 单相线路内部故障
测距误差
根据叠加原理， 图 3 所示的故障系统可分解为正 常运行情况和故障附加状态。 由图 3 可得故障点与 m 端电流的故障分量之间 （ 1） 存在以下关系 I （ 2）
· · mg
设 m 端为测量端， 由图 1 可知 Um = I
· · m
ˑ Z ˑ x + I f ˑ Ｒf If = Z ˑ x + · ˑ Ｒ f = Z ˑ x + ΔZ Im
·
·
那么测量阻抗可表示为 Zm = Um I
· m ·
=I
· m ·
－I
· mh ·
= CM ˑ I
· f
（ 3）
式中： I
［7 ］ ［6 ］
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x 为测量端到 m 故障点 F 点的距离； U m、 I m 分别为 m 端测量到的电压、 电流； Ｒ f 为故障点的过渡电阻； ΔZ 为测量误差， ΔZ = I f / I
· · · m · ·
ˑ Ｒf ；
I f 为故障点的短路电流。 分析公式（ 2 ） 可知： ①当 Ｒ f = 0 时 ， 测量误差 ΔZ = 0 ， 即有 Z m = Z ˑ x， 测距结果准确； ②当 Ｒ f ≠0 时， ΔZ ≠0 ， 测距结果有误差。 I n = 0， Zm = Z ˑ x + Ｒf ， 在单端电源条件下， ΔZ = Ｒf ， 测距误差具有纯电阻性质。 在两侧电源条件下， 由 ΔZ = I f / I
将式（ 4 ） 两端分别乘以 I Um ˑ I
· · mg
=I
· m
ˑI
· mg
的共轭复数 I Ｒf ˑZ ˑx + ˑ | I mg | 2 CM
， 可得 （ 5）
对上式两端取虚部， 经整理可得 x= I m［ C M ˑ U m ˑ I mg］ I m［ CM ˑ Z ˑ I
· · · m · ·