利用双曲正切函数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双曲正切函数相位特性实现线路相间故障单端测距方法。本发明方法首先采用分布参数建模，计算输电线路相间短路故障点处的双曲正切函数，然后根据双曲正切函数相角在输电线路相间短路故障点前后发生唯一一次由(-60°，-90°)范围内突变进入(60°，90°)范围内的相位特性实现输电线路相间短路故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端测距精度的影响，具有很高的测距精度。本发明方法物理模型采用分布参数模型，具有天然的抗分布电容电流影响的能力，适用于高压/超高压/特高压输电线路。本发明方法是一种搜索式的方法，不存在解方程法的伪根问题和迭代法的不收敛问题，具有很强的实用性。

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双曲正切函数相位特性实现线路相 间故障单端测距方法。

背景技术

从测距所用电气量来划分，故障测距的方法可分为两大类：双端测距和单端测距。双端故障测距法是 利用输电线路两端电气量确定输电线路故障位置的方法，它需要通过通道获取对端电气量，因此对通道的 依赖性强，实际使用中还易受双端采样值同步性的影响。单端测距法是仅利用输电线路一端的电压电流数 据确定输电线路故障位置的一种方法，由于它仅需要一端数据，无须通讯和数据同步设备，运行费用低且 算法稳定，因此在中低压线路中获得了广泛地应用。目前，单端测距方法主要分为两类，一类为行波法， 另一类为阻抗法。行波法利用故障暂态行波的传送性质进行测距，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，目前未获得实质性的应用。阻抗法利用故障后的电压、 电流量计算故障回路的阻抗，根据线路长度与阻抗成正比的特性进行故障测距，简单可靠,但受到故障的 过渡电阻、线路不完全对称等因素的影响。由于高压输电线路沿线存在较大的分布电容电流，当高压输电 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高压输电线路的故障测距。

采用分布参数模型研究高压输电线路单端故障测距逐渐引起了广大学者的关注。哈恒旭、张保会、吕 志来等人发表的《高压输电线路单端测距新原理探讨》采用分布参数建模，利用单端电压电流计算沿线电 压对距离导数的范数在线路上的分布进行故障点的定位。该方法涉及了大量的求导运算和积分运算，所需 运算量大，算法复杂不易实现。林湘宁、黄小波等人发表的《基于分布参数模型的比相式单相故障单端测 距算法》采用分布参数建模，根据故障点处的残压与故障电流同相位特征进行故障定位。该方法改善了分 布电容对单端阻抗法故障测距的影响，但在高阻接地故障时测距误差达到-2.38％，误差绝对值大于1.5％， 不能满足现场的应用要求。王宾、董新洲等人发表的《特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距》采用 分布参数建模，利用观测点处负序电流的相角估算故障点电压的相角，然后在故障点电压瞬时值过零点时 刻计算测量阻抗。该方法在中低阻短路故障时，由于沿线电压下降明显，利用观测点处负序电流相角估算 故障点电压相角存在的误差对测距结果影响不大；但在高阻短路故障时，由于线路沿线各点电压相差很小， 利用观测点处负序电流相角估算故障点电压相角存在的误差加上暂态过程的影响，该方法测距误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种测距精度不受过渡电阻、分布电容电流和负荷 电流影响的利用双曲正切函数相位特性实现线路相间故障单端测距方法。

为完成上述目的，本发明采用如下技术方案：

利用双曲正切函数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为故障相别，φφ＝AB、BC、CA相；

(2)保护装置计算输电线路相间短路故障点处的双曲正切函数th(γ₁l_f)：

$th\left({\gamma }_1{l}_f\right)=\frac{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi \phi }}{Z_{c1}}\right)-\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\phi \phi 2}}{Z_{c1}ch\left({\gamma }_1{l}_{set}\right)}\right)}{\mathrm{Re}\left((\cos \alpha +j\sin \alpha ){\stackrel{·}{I}}_{\phi \phi }\right)}(cos\alpha +jsin\alpha )$

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； 为的实部；为的实部；α＝Arg(th(γ₁l_set))；j为 复数算子；l_f为相间短路故障点距输电线路保护安装处的故障距离；ch(γ₁l_set)为γ1_lset的双曲余弦函数； th(γ₁l_f)为γ₁l_f的双曲正切函数；th(γ₁l_set)为γ₁l_set的双曲正切函数；

(3)选取故障距离初始值为l_x，以固定步长Δl递增，依次计算输电线路上每一点处的 th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f)的相角Arg(th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f))，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；th(γ₁l_x)为γ₁l_x的双曲正切函数；

(4)选取输电线路上某一l_x点处的Arg(th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f))落在(60°，90°)范围内且其相邻上一 个l_x-Δl点处的Arg(th(γ₁(l_x-Δl))-th(γ₁l_f))落在(-60°，-90°)范围内，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_x-Δl))为γ₁(l_x-Δl)的双曲正切函数。

本发明与现有技术相比较，具有下列积极成果：

本发明方法采用分布参数描述输电线路电压、电流传输的物理特性，具有天然的抗分布电容电流影响 的能力，适用于高压/超高压/特高压输电线路相间短路故障单端测距。本发明方法根据双曲正切函数相角 在输电线路相间短路故障点前后发生唯一一次由(-60°，-90°)突变进入(60°，90°)的相位特性实 现输电线路相间短路故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端测距精度的影响，具有很高的测 距精度。本发明方法是一种搜索式的方法，不存在解方程法的伪根问题和迭代法的不收敛问题，具有很强 的实用性。

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为故障相别，φφ＝AB、BC、CA相。

保护装置计算的实部

保护装置计算的实部

保护装置计算的实部

保护装置计算输电线路保护整定范围处的双曲正切函数th(γ₁l_set)的相角α＝Arg(th(γ₁l_set))。

保护装置计算输电线路相间短路故障点处的双曲正切函数th(γ₁l_f)：

$th\left({\gamma }_1{l}_f\right)=\frac{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi \phi }}{Z_{c1}}\right)-\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{·}{I}}_{\phi \phi 2}}{Z_{c1}ch\left({\gamma }_1{l}_{set}\right)}\right)}{\mathrm{Re}\left((\cos \alpha +j\sin \alpha ){\stackrel{·}{I}}_{\phi \phi }\right)}(cos\alpha +jsin\alpha )$

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； 为的实部；为的实部；α＝Arg(th(γ₁l_set))；j为 复数算子；l_f为相间短路故障点距输电线路保护安装处的故障距离；ch(γ₁l_set)为γ₁l_set的双曲余弦函数； th(γ₁l_f)为γ₁l_f的双曲正切函数；th(γ₁l_set)为γ₁l_set的双曲正切函数。

保护装置选取故障距离初始值为lx，以固定步长Δl递增，依次计算输电线路上每一点处的 th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f)的相角Arg(th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f))，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；th(γ₁l_x)为γ₁l_x的双曲正切函数。

选取输电线路上某一l_x点处的Arg(th(γ₁l_x)-th(γ₁l_f))落在(60°，90°)范围内且其相邻上一 个l_x-Δl点处的Arg(th(γ₁(l_x-Δl))-th(γ₁l_f))落在(-60°，-90°)范围内，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_x-Δl))为γ₁(l_x-Δl)的双曲正切函数。

本发明方法采用分布参数描述输电线路电压、电流传输的物理特性，具有天然的抗分布电容电流影响 的能力，适用于高压/超高压/特高压输电线路相间短路故障单端测距。本发明方法根据双曲正切函数相角 在输电线路相间短路故障点前后发生唯一一次由(-60°，-90°)突变进入(60°，90°)的相位特性实 现输电线路相间短路故障的单端测距，消除了过渡电阻和负荷电流对单端测距精度的影响，具有很高的测 距精度。本发明方法是一种搜索式的方法，不存在解方程法的伪根问题和迭代法的不收敛问题，具有很强 的实用性。

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。