一种适用于三端T接输电线路的故障测距方法

摘要

本发明公开了一种适用于三端T接输电线路的故障测距方法，先进行三端输电线路运行状态判断，如果线路处于三端运行方式，则先识别出故障支路，根据T接点和故障支路端点的两端电气量计算出故障距离；如果线路处于两端运行方式或一侧支路处于热备用状态下的三端运行方式，先确定故障点是否处于开关断开支路，如果是，采用单端测距方法计算出T接点到故障点的距离，得出支路端点到故障点的故障距离；而如果故障点不在开关断开侧支路时，则分别在两端运行方式下或三端运行方式下，进行故障测距计算。本发明提供了三端输电线路运行方式转换前后的故障测距方法及在两端运行方式下或在有一侧支路处于热备用状态情况下的三端运行方式时的故障测距方法。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，涉及一种适用于三端T接输电线路的故障测距方法。

背景技术

在高压电网中，随着电力系统的发展、负荷密度的增长以及新建变电站征地的困难，常常出现高压重负荷三端T接输电线路。为了加速线路故障的切除以及减少因停电造成的经济损失，需要采用高精度的故障测距技术。然而，由于三端输电系统结构上的特殊性，用单端电气量的故障测距方法无法确定三端系统上的故障点位置，而两端系统的算法虽已比较成熟，但是也很难将两端系统的算法直接应用于三端系统。

对T形线路的故障测距，现有方法都是先判断出故障支路，再将三端线路等效成两端线路进行测距。其等效为两端的方法大都是分别由三端电气量计算得到的T节点电压进行比较，与另外两端不同者判定为故障支路，然后由非故障支路的电气量求出T节点的电压和注入故障支路的电流，将三端线路等效成两端线路进行测距。而转换为两端后，再利用相对成熟的两端电气量测距方法进行计算。也有通过分别假设故障发生在某一支路，由假定正常的2段支路端的电压、电流推算求得T节点电压和注入假定故障支路的电流，从而分别求得3个故障距离。然后再根据求得的3个故障距离有且仅有1个在0和对应支路总长度之间，该距离就是真实的故障距离，故障发生在对应支路上。

上述各种故障测距方法都是在三端输电线路都正常运行的情况下进行的测距计算，但是在实际工程应用中还会常常遇到三端运行方式的线路转换为两端运行方式时的情况。而对于此运行方式转换前后的故障测距切换方案，大多没有提出，并且在两端运行方式下以及在有一侧支路处于热备用状态情况下的三端运行方式时，断开开关侧的支路线路发生故障时，现有方法都无法进行正确的故障测距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是根据三端T接输电线路以及运行方式转换后的线路特点，提供一种适用于三端输电线路的综合故障测距解决方案，从而更加有效地满足三端输电线路各种运行方式下的故障测距要求，以利于能够快速准确地进行线路的故障定位。

为解决上述问题，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种适用于三端T接输电线路的综合故障测距方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、同步采样和相关信息传输：利用现有成熟的同步采样技术，对三端输电线路的本侧和其它各侧的相电流、相电压以预定的采样速率进行同步采样，将对侧的相电流和相电压采样值传输到本侧，并将对侧的开关位置状态、支路线路长度和支路线路参数、差动保护压板和方式运行压板传输到本侧；

B、同步向量计算：对上述同步采样结果进行处理，利用全周傅氏算法计算各侧各相电流向量和电压向量；

C、三端输电线路特殊运行状态判断：在被保护线路区内发生故障保护动作后，根据各侧开关状态和对侧三相电流的大小，确定对侧1或对侧2是否处于开关断开的特殊运行状态下，如果没有处于开关断开的特殊运行状态，则跳转到步骤F，否则顺序执行；

D、特殊运行状态下的故障支路判别：如果线路处于特殊运行状态下，则分别以本侧和未断开开关侧支路端点的电压、电流为基础，利用单端电气量的测距计算公式计算出故障距离，根据计算出的两个故障距离和各支路线路长度的长短判断出是否为开关断开侧支路故障，如果为开关断开侧支路故障，则顺序执行，否则转到步骤F；

E、特殊运行状态下，开关断开侧支路故障时的故障测距计算：根据同步后的各侧电流和电压计算出T接点的注入故障支路的电流和电压向量值，再以T接点的电压和注入故障支路电流作为单端电气量进行单端故障测距，得出T接点距离故障点的线路长度，之后转到步骤H；

F、三端运行状态下的故障测距计算：如果根据判断输电线路为三端运行方式时，则按照如下方法进行故障测距计算，否则直接转到步骤G，

(1)故障支路的判别：

①利用各端同步后的电压、电流向量值，分别计算出各端的正序电压和正序电流向量值，记为：

②分别沿MT、NT、ST三条支路线路分别计算出T点的正序电压，得到的电压表示为：其计算公式如下：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mt}1}={\stackrel{·}{U}}_{m1}-Z_{\mathrm{mt}1}·{\stackrel{·}{I}}_{m1},$${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nt}1}={\stackrel{·}{U}}_{n1}-Z_{\mathrm{nt}1}·{\stackrel{·}{I}}_{n1},$${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{st}1}={\stackrel{·}{U}}_{s1}-Z_{\mathrm{st}1}·{\stackrel{·}{I}}_{s1}$

其中：Z_mt1，Z_nt1，Z_st1分别为MT、NT、ST三条支路的全长正序阻抗值；

③计算上述三个T接点的正序电压量两两相减后的绝对值，得到的电压差表示为：ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst，其计算公式如下：

$\Delta U_{\mathrm{mnt}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{mt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{nt}1}|,$$\Delta U_{\mathrm{mst}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{mt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{st}1}|,$$\Delta U_{\mathrm{nst}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{nt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{st}1}|$

④利用三个电压差进行故障支路判别如下：

若MIN(ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst)＝ΔU_mnt，则支路ST为故障支路；

若MIN(ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst)＝ΔU_mst，则支路NT为故障支路；

若MIN(ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst)＝ΔU_nst，则支路MT为故障支路；

若ΔU_mnt≈ΔU_mst≈ΔU_nst，则故障点发生在T接点，即为T点故障；其中，函数MIN(x1，x2，..，xM)表示求取变量x1，x2，..，xM中的最小值；

⑤根据故障点所在的支路情况，计算出T点的注入故障支路的正序电流计算公式如下：

如支路ST为故障支路，则${\stackrel{·}{I}}_{t1}={\stackrel{·}{I}}_{m1}+{\stackrel{·}{I}}_{n1};$

如支路NT为故障支路，则${\stackrel{·}{I}}_{t1}={\stackrel{·}{I}}_{m1}+{\stackrel{·}{I}}_{s1};$

如支路MT为故障支路，则${\stackrel{·}{I}}_{t1}={\stackrel{·}{I}}_{n1}+{\stackrel{·}{I}}_{s1};$

(2)利用两端电气量的测距方法，以T接点和故障支路端点注入故障支路的正序电流和正序电压为基本电气量，计算出故障点距离故障支路端点的距离，完成后转步骤H，

G、线路两端运行情况下的正常线路的故障测距计算：如果线路为两端运行方式且故障点在两个运行端连接的支路上时，则直接以两个运行端之间的线路长度为全长，以两个运行端的正序电压和正序电流为基本电气量，利用两端测距计算方法进行故障测距计算；

H、结束故障测距计算并进行故障测距结果综合处理：根据上述各步骤中计算出的中间结果进行综合处理，使对外显示的结果为本侧到故障点的线路长度，并指明故障点所在的支路。

由于三端输电线路结构的特殊性，线路保护装置总是以光纤电流差动保护作为三端输电线路的主保护。而近年来，基于光纤差动的同步技术已经相对成熟和完善，对于发明中提及的同步采样技术不进行详细说明。

本发明采用的两端电气量测距计算公式为：

$D_{\mathrm{mf}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_m-{\stackrel{·}{U}}_n+{\stackrel{·}{I}}_n·Z·D_l}{({\stackrel{·}{I}}_m+{\stackrel{·}{I}}_n)Z}$

其中：D_mf为测距离结果，本侧正序电压，为对侧正序电压，本侧正序电流，对侧正序电流，Z为线路单位长度阻抗，D_l线路全长。两端电气量法完全不受过渡电阻影响，而且也与线路两端系统综合阻抗无关，即不受系统运行方式影响。

本发明采用的单端电气量测距计算公式为：

对单相故障：

其中：k_z为零序补偿系数，表示计算出的某一单位阻抗，为单相电压，为单相电流。

对相间故障：

表示计算出的相间阻抗，为相间电压，相间电流。

本发明的有益效果是：提供了一种适用于三端输电线路的综合故障测距解决方案，不仅提出了三端输电线路运行方式转换前后的故障测距解决方案，并且解决了在两端运行方式下以及在有一侧支路处于热备用状态情况下的三端运行方式时，断开开关侧的支路线路发生故障时，现有方法都无法进行正确故障测距的问题，避免了出现测距死区，从而可更加有效地满足三端输电线路各种运行方式下的故障测距要求，以利于能够快速准确地进行线路的故障定位。

附图说明：

图1为三端输电线路处于完全三端运行方式示意图；

图2为三端输电线路的特殊运行态示意图；

图3为本发明的故障测距方案流程图。

具体实施方式

本发明可利用能进行三端同步采样的微机保护装置实现，具体实施例如下：

1.在电力系统三端T接输电线路运行中，对三端输电线路的本侧和其它各侧的相电流和相电压以预定的恒定相同的采样速率进行同步采样(如图1或图2中的M侧、N侧和S侧)，将对侧的相电流和相电压采样值传输到本侧，并将可进行线路运行方式判断的对侧开关位置状态、对侧差动压板状态和方式运行压板状态传输到本侧。

2.利用全周傅氏算法计算各侧各相电流和电压向量值。

3.假设在如图1的线路L2的K1点发生故障时，其中K1点在L2的中点处，K2点在L3的中点处，N侧保护装置能够利用三侧的相电流、开关位置状态和各侧相关压板状态确认此时三端输电系统处于完全三端运行方式，

则按照如下步骤进行故障测距：

(1)利用各端同步后的电压、电流向量值，分别计算出各端的正序电压和正序电流向量值，记为：

(2)分别沿MT、NT、ST三条支路线路分别计算出T点的正序电压，得到的电压表示为：其计算公式如下：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mt}1}={\stackrel{·}{U}}_{m1}-Z_{\mathrm{mt}1}·{\stackrel{·}{I}}_{m1},$${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nt}1}={\stackrel{·}{U}}_{n1}-Z_{\mathrm{nt}1}·{\stackrel{·}{I}}_{n1},$${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{st}1}={\stackrel{·}{U}}_{s1}-Z_{\mathrm{st}1}·{\stackrel{·}{I}}_{s1}$

其中：Z_mt1，Z_nt1，Z_st1分别为MT、NT、ST三条支路的全长正序阻抗值。

(3)计算上述三个T接点的正序电压量两两相减后的绝对值，得到的电压差表示为：ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst，其计算公式如下：

$\Delta U_{\mathrm{mnt}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{mt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{nt}1}|,$$\Delta U_{\mathrm{mst}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{mt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{st}1}|,$$\Delta U_{\mathrm{nst}}=|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{nt}1}-{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{st}1}|$

(4)利用三个电压差进行故障支路判别：

MIN(ΔU_mnt，ΔU_mst，ΔU_nst)＝ΔU_mst，则支路NT(L2)为故障支路；其中，函数MIN(x1，x2，..，xM)表示求取变量x1，x2，..，xM中的最小值。

(5)计算出T点的注入故障支路NT的正序电流${\stackrel{·}{I}}_{t1}={\stackrel{·}{I}}_{m1}+{\stackrel{·}{I}}_{s1};$

(6)利用两端电气量的测距方法，计算出N端到故障点K1的距离：

$D_{\mathrm{mf}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{n1}-{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mt}1}+{\stackrel{·}{I}}_{t1}·Z_{\mathrm{nt}}·D_{l2}}{({\stackrel{·}{I}}_{t1}+{\stackrel{·}{I}}_{n1})Z_{\mathrm{nt}}}$

其中，Z_nt为支路NT的线路单位长度阻抗值，D_l2为支路NT(线路L2)的线路长度，D_mf为测距离结果。

(7)完成故障测距，输出测距结果。

4.图2为三端输电线路的特殊运行态示意图，即三端输电线路处于两端运行方式或一侧为热备用状态下的不完全三端运行方式。假设在如图2的线路L3的K2点发生故障时，其中K1点在L2的中点处，K2点在L3的中点处，N侧保护装置能够利用三侧的相电流、开关位置状态和各侧相关压板状态确认此时三端输电系统为特殊运行状态，即处于不完全三端运行方式或两端运行方式。则按照如下步骤进行故障测距：

(1)先进行特殊运行状态下的故障支路判别：分别利用M侧和N侧的电流和电压向量值利用如下单端电气量测距方法计算出故障阻抗的近似值Z_AM和Z_AN如下(以单相接地故障为例)：

$Z_{\mathrm{AM}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{MA}}}{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{MA}}+k_{z}3{\stackrel{·}{I}}_{M0}}$$Z_{\mathrm{AN}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{NA}}}{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{NA}}+k_{z}3{\stackrel{·}{I}}_{N0}}$

其中：k_z为零序补偿系数，为M侧和N侧的A相电压和电流，为M侧和N侧的零序电流。

由于故障点在K2，所以会有Z_AM＞Z_mt1，Z_ANN＞Z_nt1，则判断出故障支路在ST支路范围内。

(2)计算距离开关断开侧支路端点的故障距离：

计算T接点的A相同步电压为：${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mtA}}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mA}}-Z_{\mathrm{mt}1}·{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mA}}$

计算T接点的注入故障支路ST的A相同步电流为：${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{tA}}={\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mA}}+{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{nA}}$

计算T接点的注入故障支路ST的同步零序电流为：${\stackrel{·}{I}}_{t0}={\stackrel{·}{I}}_{m0}+{\stackrel{·}{I}}_{n0}$

计算出相对于T接点的测距阻抗为：$Z_{\mathrm{At}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mtA}}}{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{tA}}+k_{z}3{\stackrel{·}{I}}_{t0}}$

其中，为M侧A相电压，为M侧A相电流，为M侧零序电流，为N侧零序电流。

(3)将测距阻抗Z_At转换为故障点距离T接点的线路长度为：0.5D_l3。同时N侧输出测距结果为：故障距离为D_l2+0.5D_l3，故障点在支路ST上。

5.假设在如图2的线路L2的K1点发生故障时(假设为AN故障)，则在4中计算的Z_AN＜Z_nt1则判断为故障点在支路NT之间。

(1)如果此时判断出系统处于三端运行方式，则直接调用3中(6)的方法计算出对应的测距长度即可：

利用两端电气量的测距方法，计算出N端到故障点K1的距离：

$D_{\mathrm{nf}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{n1}-{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mt}1}+{\stackrel{·}{I}}_{t1}·Z_{\mathrm{nt}}·D_{l2}}{({\stackrel{·}{I}}_{t1}+{\stackrel{·}{I}}_{n1})Z_{\mathrm{nt}}}$

其中，Z_nt为支路NT的线路单位长度阻抗值，D_l2为支路NT(线路L2)的线路长度，D_nf为N端距离故障点的距离。

(2)如果此时判断出系统处于MN两端运行方式，则直接利用M和N侧的正序电压和正序电流，采样两端电气量测距方法进行故障测距计算：

$D_{\mathrm{nf}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{n1}-{\stackrel{·}{U}}_{m1}+{\stackrel{·}{I}}_{m1}·Z_{\mathrm{mn}}·(D_{l2}+D_{l1})}{({\stackrel{·}{I}}_{m1}+{\stackrel{·}{I}}_{n1})Z_{\mathrm{mn}}}$

其中，Z_mn为线路MN的线路单位长度阻抗值，D_l2为支路NT(线路L2)的线路长度，D_l1为支路MT(线路L1)的线路长度，D_nf为N端距离故障点的距离。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。