利用相间故障位置因子相位特性实现线路相间故障单端测距方法

摘要

本发明公开了一种利用相间故障位置因子相位特性实现线路相间故障单端测距方法。本发明方法首先计算输电线路保护安装处到相间短路故障点的故障阻抗与输电线路保护安装处到输电线路保护整定范围处的线路阻抗之比值，得到输电线路相间故障位置因子b；然后选取故障距离初始值为l

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及一种利用相间故障位置因子相位特性实现线 路相间故障单端测距方法。

背景技术

根据电气量来源划分，故障测距方法主要分为双端测距方法和单端测距方法。双端测距方法利用输电 线路两端电气量进行故障定位，需要通过数据传输通道获取对端电气量，对数据传输通道依赖性强，实际 使用中还易受双端采样值同步性的影响。特高压交流输电线路往往是远距离输电线路，铺设测距所需的数 据传输通道需要附加投资大量资金，因此，单端测距方法比双端测距方法更具实用性。单端测距方法仅利 用输电线路一端电气量进行故障定位，无须通讯和数据同步设备，运行费用低且算法稳定，在高中低压输 电线路中获得广泛应用。

目前，单端测距方法主要分为行波法和阻抗法。行波法利用故障暂态行波的传送性质进行单端故障测 距，精度高，不受运行方式、过度电阻等影响，但对采样率要求很高，需要专门的录波装置，应用成本高。 阻抗法利用故障后的电压、电流量计算故障回路阻抗，根据线路长度与阻抗成正比的特性进行单端故障测 距，简单可靠,但测距精度受到过渡电阻和负荷电流等因素影响严重，尤其过渡电阻较大时，阻抗法测距 结果会严重偏离真实故障距离，甚至出现测距失败。由于特高压输电线路沿线存在较大的分布电容电流， 当特高压输电线路发生中高阻短路故障时，单端阻抗法测距结果会严重偏离真实故障距离，不能满足现场 的应用要求。因此，采用集中参数建模的单端阻抗法不能直接应用于特高压输电线路的单端故障测距。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用相间故障位置因子相位特性实现线路相间 故障单端测距方法。本发明方法首先计算输电线路保护安装处到相间短路故障点的故障阻抗与输电线路保 护安装处到输电线路保护整定范围处的线路阻抗之比值，得到输电线路相间故障位置因子b；然后选取故 障距离初始值为l_fault，以固定步长Δl递增依次计算输电线路上每一点处的 直至输电线路全长；利用输电线路相间短路故障点前后θ(l_fault)会由 (90°,270°)发生突变进入(-90°,90°)这一相位特性实现输电线路相间短路故障单端精确测距。 本发明方法采用长线方程精确描述输电线路的物理特性，具有天然的抗分布电容影响的能力。本发明方法 原理上消除了输电线路相间短路故障点电压、过渡电阻和负荷电流对输电线路相间短路故障单端测距精度 的影响，具有很高的测距精度，特别适用于特高压交流输电线路相间短路故障单端测距。

为完成上述目的，本发明采用如下技术方案：

利用相间故障位置因子相位特性实现线路相间故障单端测距方法，其特征在于，包括如下依序步骤：

(1)保护装置测量输电线路保护安装处的故障相间电压故障相间电流和故障相间负序电流 其中，φφ＝AB、BC、CA相；

(2)保护装置计算γ₁l_set的双曲余弦函数值ch(γ₁l_set)，计算γ₁l_set的双曲正切函数值th(γ₁l_set)；其中， l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电线路正序传播系数；

(3)保护装置计算输电线路相间故障位置因子b：

$b=\frac{\mathrm{Re}\left({\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)-\mathrm{Im}\left({\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)}{\mathrm{Re}\left(Z_{c1}\mathrm{th}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right){\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)-\mathrm{Im}\left(Z_{c1}\mathrm{th}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right){\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)}$

其中，φφ＝AB、BC、CA相；l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电 线路正序传播系数；Z_c1为输电线路正序波阻抗；为的实部；为 的虚部；为的实部；为的虚 部；为的实部；为的虚部；

(4)保护装置选取故障距离初始值为l_fault，以固定步长Δl递增，依次计算输电线路上每一点处的 直至输电线路全长；其中，固定步长Δl取0.001l；l为输电线路长 度；l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电线路正序传播系数；Z_c1为输电线 路正序波阻抗；故障距离初始值l_fault取0开始，以固定步长Δl递增直至输电线路全长l结束；

(5)保护装置选取输电线路上l_fault点处满足且 其相邻下一个l_fault+Δl点处满足则这 两个点的中间位置即为输电线路相间短路故障点；其中，th(γ₁l_fault)为γ₁l_fault的双曲正切函数值； th(γ₁(l_fault+Δl))为γ₁(l_fault+Δl)的双曲正切函数值。

本发明与现有技术相比较，具有下列积极成果：

本发明方法首先计算输电线路保护安装处到相间短路故障点的故障阻抗与输电线路保护安装处到输 电线路保护整定范围处的线路阻抗之比值，得到输电线路相间故障位置因子b；然后选取故障距离初始值 为l_fault，以固定步长Δl递增依次计算输电线路上每一点处的值，直至 输电线路全长；利用输电线路相间短路故障点前后θ(l_fault)会由(90°,270°)发生突变进入 (-90°,90°)这一相位特性实现输电线路相间短路故障单端精确测距。本发明方法采用长线方程精确 描述输电线路的物理特性，具有天然的抗分布电容影响的能力。本发明方法原理上消除了输电线路相间短 路故障点电压、过渡电阻和负荷电流对输电线路相间短路故障单端测距精度的影响，具有很高的测距精度， 特别适用于特高压交流输电线路相间短路故障单端测距。

附图说明

图1为应用本发明的线路输电系统示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细表述。

图1为应用本发明的线路输电系统示意图。图1中CVT为电压互感器、CT为电流互感器。保护装置 对输电线路保护安装处的电压互感器CVT的电压和电流互感器CT的电流波形进行采样得到电压、电流瞬 时值。

保护装置对采样得到的电压、电流瞬时值利用傅里叶算法计算输电线路保护安装处的故障相间电压 故障相间电流和故障相间负序电流其中，φφ＝AB、BC、CA相。

保护装置计算γ₁l_set的双曲余弦函数值ch(γ₁l_set)。

保护装置计算γ₁l_set的双曲正切函数值th(γ₁l_set)。

其中，l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电线路正序传播系数。

保护装置计算输电线路相间故障位置因子b：

$b=\frac{\mathrm{Re}\left({\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)-\mathrm{Im}\left({\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)}{\mathrm{Re}\left(Z_{c1}\mathrm{th}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right){\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)-\mathrm{Im}\left(Z_{c1}\mathrm{th}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right){\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }}\right)\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{\phi \phi }2}}{\mathrm{ch}\left({\gamma }_1{l}_{\mathrm{set}}\right)}\right)}$

其中，φφ＝AB、BC、CA相；l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电 线路正序传播系数；Z_c1为输电线路正序波阻抗；为的实部；为 的虚部；为的实部；为的虚 部；为的实部；为的虚部。

保护装置选取故障距离初始值为l_fault，以固定步长Δl递增，依次计算输电线路上每一点处的 直至输电线路全长；其中，固定步长Δl取0.001l；l为输电线路长 度；l_set为输电线路保护整定范围，取0.85倍输电线路长度；γ₁为输电线路正序传播系数；Z_c1为输电线 路正序波阻抗；故障距离初始值l_fault取0开始，以固定步长Δl递增直至输电线路全长l结束；th(γ₁l_fault) 为γ₁l_fault的双曲正切函数值。

输电线路相间短路故障点前后θ(l_fault)值会由(90°,270°)发生突变进入(-90°,90°)，根据这 一相位特性实现输电线路相间短路故障精确测距：

保护装置选取输电线路上l_fault点处满足且其相 邻下一个l_fault+Δl点处满足则这两个 点的中间位置即为输电线路相间短路故障点；其中，th(γ₁(l_fault+Δl))为γ₁(l_fault+Δl)的双曲正切函数值。

本发明方法采用长线方程精确描述输电线路的物理特性，具有天然的抗分布电容影响的能力。本发明 方法原理上消除了输电线路相间短路故障点电压、过渡电阻和负荷电流对输电线路相间短路故障单端测距 精度的影响，具有很高的测距精度，特别适用于特高压交流输电线路相间短路故障单端测距

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的 技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。