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一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法

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本发明提供了一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法，包括：(1)分别测量线路两侧M、N端点的三相电压、电流相量，运用对称分量法分别计算出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流；(2)根据负序电压，判断故障类型；(3)若为非对称故障，由双端电气量M侧和N侧的三相电压、电流相量分别计算沿线各点负序电压幅值，负序电压幅值相等的点即是故障点；(4)若为三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位，正序电压幅值变化量相等的点即是故障点。本发明针对架空线-电缆混联线路的参数特性，不要求双端电气量同步，不需要先进行故障区段判断，不存在伪根识别问题，故障位置搜索过程中可采用各种快速搜索算法。

著录项

公开/公告号CN105044551A

专利类型发明专利
公开/公告日2015-11-11

原文格式PDF
申请/专利权人中国电力科学研究院;国家电网公司;天津大学;国网福建省电力有限公司;
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申请/专利号CN201510316122.6
发明设计人李仲青;李博通;姜宪国;王兴国;李肖;刘凯波;唐志军;黄巍;林国栋;
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申请日2015-06-10
分类号G01R31/08(20060101);
代理机构11271 北京安博达知识产权代理有限公司;
代理人徐国文
地址 100192 北京市海淀区清河小营东路15号
入库时间 2023-12-18 11:57:15

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2018-03-20

授权

授权
2015-12-09

实质审查的生效 IPC(主分类):G01R31/08 申请日:20150610

实质审查的生效
2015-11-11

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护领域的方法，具体讲涉及一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法。

背景技术

随着我国城市建设发展和环境的需要，架空线-高压电缆混合线路以其特有的优势在输配电工程中的应用越来越广泛。当超高压输电线路发生故障时，尽可能快地精准定位故障并切除故障，减少故障给电力设备及系统带来的损失，提高电力系统运行的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。

对于超高压混联线路故障定位的研究，根据测距原理的不同，可分为行波法和故障分析法两类。

行波法是根据线路故障后行波传输理论实现测距的方法。考虑混联线路不同区段波速不同的特点，目前应用的行波测距算法主要有单端法、双端法及不同区段的波速归一法等，具有速度快，基本不受过渡电阻影响等优点。但当混合线路中存在多区段及多点补偿时，故障行波容易受到电缆-架空线接合处行波多次折反射的影响，存在波头不易捕捉，测距成功率较低等缺点。

故障分析法是根据系统有关参数和测距点的电压电流列出测距方程，对其进行分析计算，求出故障点到测距点之间的距离的一种方法。目前应用的混联线路故障分析测距算法主要有以下几种：(1)基于故障点电压幅值的故障点搜索算法等，其算法原理简单，但应用线路分布参数计算时存在计算量大和伪根识别问题。(2)建立基于故障点电压电流方程的测距函数，对故障位置进行求解，这种方法对于混合线路来说一般函数比较复杂，计算精度受电气量采集的准确度影响较大，存在测距结果鲁棒性不高的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法，该方法包括如下具体步骤：

测量得到线路两侧M、N端点三相电压、电流相量，运用对称分量法分别求出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流；

根据负序电压，判断故障类型是非对称故障还是三相对称故障；

针对非对称故障，由双端电气量M侧和N侧的三相电压、电流相量分别计算沿线各点负序电压幅值然后进行比较，实现故障定位；

针对三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位。

测量得到线路两侧M、N端点三相电压、电流相量，运用对称分量法分别求出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流包括：

线路保护装置测量所述线路两侧M、N端点三相电压、电流相量及

根据测量的电压相量、电流相量，运用对称分量法分别求出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流：其中各参数的下标1表示正序参数，下标2表示负序参数。

根据负序电压是否为零，判断故障类型是非对称故障还是三相对称故障包括：

则故障类型是三相对称故障；

$(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} \neq 0 \\ {\overset{\cdot}{U}}_{n 2} \neq 0 \end{matrix}),$ 则故障类型是非对称故障。

针对非对称故障，由双端电气量M侧和N侧的三相电压、电流相量分别计算沿线各点负序电压幅值然后进行比较，实现故障定位包括：

以M端点为测量点，由故障相的负序电压负序电流计算M点的负序前行波和负序反行波的幅值和相位；

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{m 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{m 2}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{m 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{m 2}$

其中，为参数均匀架空线路负序波阻抗；R₂为参数均匀架空线路负序电阻；L₂为参数均匀架空线路负序电感；G₂为参数均匀架空线路负序电导；C₂为参数均匀架空线路负序电容；ω＝2πf，f为交流电频率；i为虚部；

按设定步长Δx，以快速搜索算法计算故障线路中任一点x的负序行波幅值衰减和相位延迟A₂(x)；

$A_{2} (x) = e^{- γ_{2} x} = e^{- β_{2} x} ∠ ({- α}_{2} x)$

其中， $γ_{2} = \sqrt{(R_{2} + {iωL}_{2}) (G_{2} + {iωC}_{2})} = β_{2} + {iα}_{2}$ 为负序衰减常数；β₂为负序衰减常数的实部；α₂为负序衰减常数的虚部；A₂(x)的相位延迟与计算点距离x成正比,而其中的幅值衰减部分与故障点距离为指数关系，实际装置中难以直接计算，一般通过查表来实现，当搜索点很多时会占用较大存储空间；

为减少运算量和节省存储空间，将幅值衰减部分采用泰勒级数展开:

$| A_{2} (x) | = e^{- β_{2} x} = 1 - β_{2} x + 0.5 β_{2} x^{2} . . .$

其中，|A₂(x)|为负序行波幅值衰减的幅值；

其中β值非常小，在线路不是特别长的情况下上式采用线性等效即可达到很高的精度；

$| A_{2} (x) | = e^{- β_{2} x} \approx 1 - β_{2} x$

由于计算时并不知道故障点的位置，因此在故障位置之前的计算结果为混合线路中真实的沿线负序电压，故障位置之后的计算结果为虚假的沿线负序电压,由负序行波幅值衰减和相位延迟，计算沿线负序电压

${\overset{\cdot}{U}}_{xM 2} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 2} / A_{2} (x))$

由沿线负序电压计算沿线负序电压的幅值

$| {\overset{\cdot}{U}}_{xM 2} | = | \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 2} / A_{2} (x)) |$

当计算点到达电缆区域时，由于电缆参数与架空线参数不同，因此不能继续采用架空线首端电压计算。此时已计算得到的架空线-电缆连接点处的电压为始端电压并采用电缆参数继续进行电缆区段沿线各点负序电压幅值的计算；

以N端点为测量点,同理可得沿线负序电压的幅值

$| {\overset{\cdot}{U}}_{xN 2} | = | \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{n 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{n 2} / A_{2} (x)) |,$ 为N点的负序前行波，为N点负序反行波；

以N端点为测量点详细测量、计算过程如下：

由故障相的负序电压负序电流计算N点的负序前行波和负序反行波的幅值和相位；

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{n 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{n 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{n 2}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{n 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{n 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{n 2}$

其中， $Z_{C 2} = \sqrt{(R_{2} + i {ωL}_{2}) / (G_{2} + {iωC}_{2})}$ 为参数均匀架空线路负序波阻抗；R₂为参数均匀架空线路负序电阻；L₂为参数均匀架空线路负序电感；G₂为参数均匀架空线路负序电导；C₂为参数均匀架空线路负序电容；ω＝2πf，f为交流电频率；i为虚部；

${\overset{\cdot}{U}}_{xN 2} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{n 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{n 2} / A_{2} (x))$

由沿线负序电压计算沿线负序电压的幅值

$| {\overset{\cdot}{U}}_{xN 2} | = | \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{n 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{n 2} / A_{2} (x)) |$

混合线路中发生单相接地、两相相间或两相接地的不对称故障后，线路上会产生负序电压。由于故障前沿线负序电压为0，因此故障后负序电压幅值变化量即为当前的负序电压幅值；

比较幅值若相等，则x为故障距离，若不相等，按设定步长Δx变化x，继续计算沿线负序电压，至幅值相等终止计算，此时x为故障距离。

针对三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位包括：

以M端点为测量点，由故障相的正序电压正序电流计算M点的正序前行波和正序反行波的幅值和相位；

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 1} + Z_{C 1} {\overset{\cdot}{I}}_{m 1}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 1} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{m 1}$

其中， $Z_{C 1} = \sqrt{(R_{1} + i {ωL}_{1}) / (G_{1} + {iωC}_{1})}$ 为参数均匀架空线路正序波阻抗；R₁为参数均匀架空线路正序电阻；L₁为参数均匀架空线路正序电感；G₁为参数均匀架空线路正序电导；C₁为参数均匀架空线路正序电容；ω＝2πf，f为交流电频率；i为虚部；

按设定步长Δx，以快速搜索算法计算故障线路中任一点x的正序行波幅值衰减和相位延迟A₁(x)；

$A_{1} (x) = e^{- γ_{1} x} = e^{- β_{1} x} ∠ ({- α}_{1} x)$

其中， $γ_{1} = \sqrt{(R_{1} + {iωL}_{1}) (G_{1} + {iωC}_{1})} = β_{1} + {iα}_{1}$ 为正序衰减常数；β₁为正序衰减常数的实部；α₁为正序衰减常数的虚部；A₁(x)的相位延迟与计算点距离x成正比,而其中的幅值衰减部分与故障点距离为指数关系，实际装置中难以直接计算，一般通过查表来实现，当搜索点很多时会占用较大存储空间；

为减少运算量和节省存储空间，将幅值衰减部分采用泰勒级数展开:

$| A_{1} (x) | = e^{- β_{1} x} = 1 - β_{1} x + 0.5 β_{1} x^{2} . . .$

其中，|A₁(x)|为正序行波幅值衰减的幅值；

其中β值非常小，在线路不是特别长的情况下上式采用线性等效；

$| A_{1} (x) | = e^{- β_{1} x} \approx 1 - β_{1} x$

由正序行波幅值衰减和相位延迟，计算沿线正序电压

${\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 1} A_{1} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 1} / A_{1} (x))$

正序电压变化量采用故障后测量点电压相量减去故障前电压相量的方法获得，故障后和故障前相量时延相差整周波的倍数；

$Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t - RT)$

其中，t为测量时刻；T为一周波的时间；R为相差周波的倍数；

由正序电压变化量计算沿线正序电压变化量的幅值

$| Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} | = | {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t - RT) |$

当计算点到达电缆区域时，由于电缆参数与架空线参数不同，因此不能继续采用架空线首端电压计算。此时已计算得到的架空线-电缆连接点处的电压为始端电压并采用电缆参数继续进行电缆区段沿线各点正序电压幅值变化量的计算；

以N端点为测量点,同理可得沿线正序电压变化量幅值

$| Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} | = | {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t - RT) |,$ 为以N端点为测量点的沿线正序电压；

以N端点为测量点详细测量、计算过程如下：

由故障相的正序电压正序电流计算N点的正序前行波和正序反行波的幅值和相位；

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{n 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{n 1} + Z_{C 1} {\overset{\cdot}{I}}_{n 1}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{n 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{n 1} + Z_{C 1} {\overset{\cdot}{I}}_{n 1}$

由正序行波幅值衰减和相位延迟，计算沿线正序电压

${\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{n 1} A_{1} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{n 1} / A_{1} (x))$

正序电压变化量采用故障后测量点电压相量减去故障前电压相量的方法获得，故障后和故障前相量时延相差整周波的倍数；

$Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t - RT)$

其中，t为测量时刻；T为一周波的时间；R为相差周波的倍数；

由正序电压变化量计算沿线正序电压变化量的幅值

$| Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} | = | {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xN 1} (t - RT) |$

比较正序电压变化量幅值若相等，则x为故障距离，若不相等，按设定步长Δx变化x，继续计算沿线正序电压变化量，至变化量幅值相等终止计算，此时x 为故障距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对架空线-电缆混联线路的参数特性，采用频域参数进行计算，提出了基于沿线电压序量变化量比较分析的新型混合线路故障定位算法，基于混合线路的双端电气量，不要求双端电气量同步，不需要先进行故障区段判断，不存在伪根识别问题，故障位置搜索过程中可采用各种快速搜索算法，不受过渡电阻影响，在沿线电压计算中不需要查表，计算速度快。

附图说明

图1为本发明中典型两区段混合线路示意图；

图2为本发明中输电线路负序网络示意图；

图3为本发明中输电线路正序网络示意图；

图4为本发明中输电线路正序电压变化量网络示意图；

图5为本发明中混合线路故障定位算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供了基于沿线电压序量变化量比较分析的架空线-高压电缆混合线路故障定位方法。针对非对称故障，由双端电气量分别计算沿线各点负序电压幅值然后进行比较，负序电压幅值相等的点即是故障点；针对三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位，正序电压幅值变化量相等的点即是故障点。

图1为本发明的典型两区段混合线路示意图，混合线路由两部分组成，MJ段是架空线, 长度为l_m，JN段是高压电力电缆,长度为l_n，J是混合线连接点。线路保护装置测量图1线路两侧M、N端点三相电压、电流相量及F是线路发生故障点,可能在MJ段,可能在JN段,也可能在J点。

根据测量的电压相量、电流相量，运用对称分量法分别求出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流：

根据负序电压则故障类型是非对称故障； $(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} \neq 0 \\ {\overset{\cdot}{U}}_{n 2} \neq 0 \end{matrix}),$ 则故障类型是三相对称故障。

针对非对称故障，由双端电气量M侧和N侧的三相电压、电流相量分别计算沿线各点负序电压幅值然后进行比较，实现故障定位。

图2输电线路负序网络示意图，以M端点为测量点，由故障相的负序电压负序电流计算M点的负序前行波和负序反行波的幅值和相位：

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{m 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{m 2}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{m 2} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} + Z_{C 2} {\overset{\cdot}{I}}_{m 2}$

其中， $Z_{C 1} = \sqrt{(R_{2} + i {ωL}_{2}) / (G_{2} + {iωC}_{2})}$ 为参数均匀架空线路负序波阻抗；R₂为参数均匀架空线路负序电阻；L₂为参数均匀架空线路负序电感；G₂为参数均匀架空线路负序电导；C₂为参数均匀架空线路负序电容。

按设定步长Δx，以逐点搜索算法计算故障线路中任一点x的负序行波幅值衰减和相位延迟A₂(x)：

$A_{2} (x) = e^{- γ_{2} x} = e^{- β_{2} x} ∠ ({- α}_{2} x)$

为减少运算量和节省存储空间，将幅值衰减部分采用泰勒级数展开:

$| A_{2} (x) | = e^{- β_{2} x} = 1 - β_{2} x + 0.5 β_{2} x^{2} . . .$

其中，|A₂(x)|为负序行波幅值衰减的幅值；

其中β值非常小，在线路不是特别长的情况下上式采用线性等效；

$| A_{2} (x) | = e^{- β_{2} x} \approx 1 - β_{2} x$

由于计算时并不知道故障点的位置，因此在故障位置之前的计算结果为混合线路中真实的沿线负序电压，故障位置之后的计算结果为虚假的沿线负序电压。由负序行波幅值衰减和相位延迟，计算沿线负序电压

${\overset{\cdot}{U}}_{xM 2} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 2} / A_{2} (x))$

由沿线负序电压计算沿线负序电压的幅值

$| {\overset{\cdot}{U}}_{xM 2} | = | \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 2} A_{2} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 2} / A_{2} (x)) |$

当计算点到达电缆区域时，由于电缆参数与架空线参数不同，因此不能继续采用架空线首端电压计算。此时已计算得到的架空线-电缆连接点J处的电压为始端电压并采用电缆参数继续进行电缆区段沿线各点负序电压幅值的计算。

以N端点为测量点,同理可得沿线负序电压的幅值

混合线路中发生单相接地、两相相间或两相接地的不对称故障后，线路上会产生负序电压。由于故障前沿线负序电压为0，因此故障后负序电压变化量即为当前的负序电压。

比较幅值若相等，则x为故障距离，若不相等，按设定步长Δx变化x，继续计算沿线负序电压，至幅值相等终止计算，此时x为故障距离。

针对三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位。图3输电线路正序网络示意图，以M端点为测量点，由故障相的正序电压正序电流计算M 点的正序前行波和正序反行波的幅值和相位：

前行波为：

${\overset{\cdot}{F}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 1} + Z_{C 1} {\overset{\cdot}{I}}_{m 1}$

反行波为：

${\overset{\cdot}{B}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{m 1} + Z_{C 1} {\overset{\cdot}{I}}_{m 1}$

其中， $Z_{C 1} = \sqrt{(R_{1} + i {ωL}_{1}) / (G_{1} + {iωC}_{1})}$ 为参数均匀架空线路正序波阻抗；R₁为参数均匀架空线路正序电阻；L₁为参数均匀架空线路正序电感；G₁为参数均匀架空线路正序电导；C₁为参数均匀架空线路正序电容。

按设定步长Δx，以逐点搜索算法计算故障线路中任一点x的正序行波幅值衰减和相位延迟A₁(x)：

$A_{1} (x) = e^{- γ_{1} x} = e^{- β_{1} x} ∠ ({- α}_{1} x)$

其中， $γ_{1} = \sqrt{(R_{1} + {iωL}_{1}) (G_{1} + {iωC}_{1})} = β_{1} + {iα}_{1}$ 为正序衰减常数；β₁为正序衰减常数的实部；α₁为正序衰减常数的虚部；A₁(x)的相位延迟与计算点距离x成正比，而其中的幅值衰减部分与故障点距离为指数关系，实际装置中难以直接计算，一般通过查表来实现，当搜索点很多时会占用较大存储空间。

为减少运算量和节省存储空间，将幅值衰减部分采用泰勒级数展开:

$| A_{1} (x) | = e^{- β_{1} x} = 1 - β_{1} x + 0.5 β_{1} x^{2} . . .$

其中，|A₁(x)|为正序行波幅值衰减的幅值；

其中β值非常小，在线路不是特别长的情况下上式采用线性等效。

$| A_{1} (x) | = e^{- β_{1} x} \approx 1 - β_{1} x$

由于计算时并不知道故障点的位置，因此在故障位置之前的计算结果为混合线路中真实的沿线正序电压，故障位置之后的计算结果为虚假的沿线正序电压。由正序行波幅值衰减和相位延迟，计算沿线正序电压

${\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} = \frac{1}{2} ({\overset{\cdot}{F}}_{m 1} A_{1} (x) + {\overset{\cdot}{B}}_{m 1} / A_{1} (x))$

当计算点到达电缆区域时，由于电缆参数与架空线参数不同，因此不能继续采用架空线首端电压计算。此时已计算得到的架空线-电缆连接点J处的电压为始端电压并采用电缆参数继续进行电缆区段沿线各点正序电压幅值的计算。

图4为输电线路正序电压变化量网络示意图，正序电压变化量采用故障后测量点电压相量减去故障前电压相量的方法获得，故障后和故障前相量时延相差整周波的倍数：

$Δ {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t) - {\overset{\cdot}{U}}_{xM 1} (t - NT)$

其中，t为测量时刻；T为一周波的时间；N为相差周波的倍数；

由正序电压变化量计算沿线正序电压变化量的幅值

以N端点为测量点,同理可得沿线正序电压变化量

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制, 尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

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