基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法

摘要

本发明涉及一种基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法，其特征在于，首先利用保护安装处的电力互感器采集混合线路系统两端的三相电气数据，并用对称分量法求出正序分量；然后由混合线路系统两端的正序电气分量构造故障区域识别函数，根据故障区域识别函数在线路连接点的相位特征判断故障区域；最后利用故障距离解析表达式在故障线路段上计算故障距离。

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基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法。

背景技术

由于城市土地资源紧张，以及受周围建筑物影响，城市输电线路逐步由以往占地较多的明线架空方式改为埋地的电缆方式。高压电力电缆与架空线路相比占用空间少，不易受环境影响，运行更加安全稳定。就电气参数特性而言，电缆线路对地分布电容更大且单位长度电感更小，其线路波阻抗较架空线小得多，故障发生后波过程更加明显。由于电缆线路造价昂贵且施工难度较大，我国多采用架空线-电缆混合线路输电。混合输电线路的架空线路段发生的多为瞬时性故障，电缆实际运行时发生故障概率比架空线小的多，但随着电缆绝缘介质老化其绝缘性能随之下降，容易引发永久性接地故障。由于架空线和电缆的故障原因以及由此导致的故障性质大不相同，在故障发生后快速划分故障区域并准确定位故障，对于提高重合闸的重合成功率，减轻巡线负担和加快恢复供电，具有十分重要的意义。

根据测距原理的不同，混合线路故障测距算法主要可以分为行波法和故障分析法两类。行波法具有测距速度快，不受过渡电阻影响等优点，但容易受架空线和电缆线路接合处行波多次折反射的影响，存在波头识别问题，且需要投入专门设备，技术较为复杂。故障分析法对设备要求低，投资小，工程实用型强。

现已提出的混合线路故障分析测距方法多采用基于故障点电压幅值的故障点搜索算法，其原理简单，但利用线路分布参数进行搜索计算时存在计算量大和伪根识别问题，采用搜索计算进行故障定位的算法其测距精度也将受到门槛值的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法。技术方案如下：

一种基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法，其特征在于，首先利用保护安装处的电力互感器采集混合线路系统两端的三相电气数据，并用对称分量法求出正序分量；然后由混合线路系统两端的正序电气分量构造故障区域识别函数，根据故障区域识别函数在线路连接点的相位特征判断故障区域；最后利用故障距离解析表达式在故障线路段上计算故障距离，步骤如下：

(1)利用保护安装处的电力互感器采集故障发生后混合线路系统两端的三相电压和三相电流数据，并用对称分量法求出其正序电气分量：为线路m端的正序电压和正序电流分量；为线路n端的正序电压和正序电流分量；

(2)以m端的正序电气量为已知条件推算靠近m端的线路连接点c的正序电压和正序电流以n端的正序电气量为已知条件推算靠近线路n端的线路连接点t的正序电压和正序电流计算式如下：

其中，l_mc为首端架空线路长度，l_nt为末端架空线路长度，γ₁为架空线路的传输常数，Z_c1为架空线路的特性阻抗；

(3)利用(2)中求出的t节点电气量和推算c节点的正序电压和正序电流计算式如下：

其中，l_ct为中间电缆线路长度，γ₂为电缆线路的传输常数，Z_c2为电缆线路的特性阻抗；

(4)构造故障区域识别函数其中arg(·)为相位函数，0≤x≤l_ct，x代表中间电缆线路上的点到c点的距离；

(5)计算f(0)和f(l_ct)，并以此判断故障发生的线路段：

1)若f(0)<0且f(l_ct)<0，则故障发生在首端架空线；

2)若f(0)≥0且f(l_ct)≤0，则故障发生在中间电缆；

3)若f(0)>0且f(l_ct)>0，则故障发生在末端架空线；

(6)判断出故障区域之后，按照相应故障线路段的测距公式进行故障定位：

1)当故障发生在首端架空线时，故障点f到c点的距离为：故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc-l_fc；

2)当故障发生在中间电缆时，故障点f到c点的距离为：故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc+l_fc；

3)当故障发生在末端架空线时，故障点f到t点的距离为：其中与分别为由m端和n端推算得到的t点正序电压和正序电流量，故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc+l_ct+l_ft。

本发明的有益效果：

(1)根据故障区域识别函数在线路连接点的相位特征判断故障区域，基于此特性提出的故障区域识别判据在线路连接点附近无判别死区。

(2)通过对故障距离解析表达式的计算在故障线路段上进行精确测距，从原理上不出现伪根，无需繁琐的搜索和迭代过程，算法简单，易于实现。

(3)测距结果不受分布电容、过渡电阻、系统阻抗、负荷电流等因素的影响，测距精度高，对各种类型故障均具有良好的适用性。

附图说明

图1架空线-电缆-架空线混合线路系统示意图

图2故障点位于中间电缆时混合线路正序网络示意图

图3首端架空线故障时故障区域识别函数曲线

图4中间电缆故障时故障区域识别函数曲线

图5末端架空线故障时故障区域识别函数曲线

附图中及文字中各标号的含义：

l_mc为首端架空线路长度，l_ct为中间电缆线路长度，l_nt为末端架空线路长度，l_fc为故障点f到c点的距离，l_ft为故障点f到t点的距离

为m端电源电势，为n端电源电势；

为母线m端的正序电压，为母线n端的正序电压；

为由m端流向线路的正序电流，为由n端流向线路的正序电流；

为由m端流向c节点的正序电流；

为由m端正序电气量推导得到的c节点正序电压；

为由n端流向t节点的正序电流；

为由n端正序电气量推导得到的t节点正序电压；

为由故障点流向c节点的正序电流；

为由故障点正序电气量推导得到的c节点正序电压；

为由t节点流向故障点的正序电流；

为故障点正序电压；

为正序故障电流。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的发明内容做进一步详细表述。

在实际电网中，架空线-电缆混合输电线路分为A型和B型两种。A型输电线路由一段架空线和一段电缆组合而成，B型输电线路由一段架空线和两段电缆或者一段电缆和两段架空线组合而成，即电缆-架空线-电缆型线路和架空线-电缆-架空线型线路。本发明以B型输电线路中的架空线-电缆-架空线型线路为例阐述故障区域识别的基本原理，图1为架空线-电缆-架空线混合线路系统示意图，图2为故障点位于中间电缆时混合线路正序网络示意图。

基于故障区域快速识别的混合线路故障定位方法，其特征在于，首先利用保护安装处的电力互感器采集混合线路系统两端的三相电气数据，并用对称分量法求出正序分量；然后由混合线路系统两端的正序电气分量构造故障区域识别函数，根据故障区域识别函数在线路连接点的相位特征判断故障区域；最后利用故障距离解析表达式在故障线路段上计算故障距离。具体步骤如下：

(1)利用保护安装处的电力互感器采集故障发生后混合线路系统两端的三相电压和三相电流数据，并用对称分量法求出其正序电气分量：为线路m端的正序电压和正序电流分量；为线路n端的正序电压和正序电流分量。

(2)以m端的正序电气量为已知条件推算靠近m端的线路连接点c的正序电压和正序电流以n端的正序电气量为已知条件推算靠近线路n端的线路连接点t的正序电压和正序电流计算式如下：

其中，l_mc为首端架空线路长度，l_nt为末端架空线路长度，γ₁为架空线路的传输常数，Z_c1为架空线路的特性阻抗。

(3)利用(2)中求出的t节点电气量和推算c节点的正序电压和正序电流计算式如下：

其中，l_ct为中间电缆线路长度，γ₂为电缆线路的传输常数，Z_c2为电缆线路的特性阻抗。

(4)构造故障区域识别函数其中arg(·)为相位函数，0≤x≤l_ct，x代表中间电缆线路上的点到c点的距离。

1)当故障发生在首端架空线时，故障区域识别函数最终形式为：

其中l_fc为故障点f到c点的距离。f(x)函数值约等于-90°，其函数曲线示意图如图3所示。

2)当故障发生在中间电缆时，故障区域识别函数最终形式为：

f(x)＝arg(tanhγ₂l_fccoshγ₂x-sinhγ₂x)

f(x)函数特性为：当0≤x＜l_fc时，f(x)≈90°；当x＝l_fc时，f(x)＝0°；当l_fc＜x≤l_ct时，f(x)≈-90°。函数曲线示意图如图4所示。

3)当故障发生在末端架空线时，故障区域识别函数最终形式为：

其中l_ft为故障点f到t点的距离。f(x)函数值约等于90°，其函数曲线示意图如图5所示。

(5)计算f(0)和f(l_ct)，并以此判断故障发生的线路段：

1)若f(0)<0且f(l_ct)<0，则故障发生在首端架空线

2)若f(0)≥0且f(l_ct)≤0，则故障发生在中间电缆；

3)若f(0)>0且f(l_ct)>0，则故障发生在末端架空线。

(6)判断出故障区域之后，按照相应故障线路段的测距公式进行故障定位：

1)当故障发生在首端架空线时，故障点f到c点的距离为：故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc-l_fc。

2)当故障发生在中间电缆时，故障点f到c点的距离为：故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc+l_fc。

3)当故障发生在末端架空线时，故障点f到t点的距离为：其中与分别为由m端和n端推算得到的t点正序电压和正序电流量，故障点相对于起始点m的距离为l_f＝l_mc+l_ct+l_ft。