一种基于正序电流故障分量的输电线路故障检测方法

摘要

本发明公开提供了一种基于正序电流故障分量的输电线路故障检测方法。本发明将任意时刻的正序电流减去该时刻六个周波前的正序电流，得到线路的正序电流故障分量。构造某线路两侧正序电流故障分量的矢量和的模值与矢量差的模值的比值，作为线路的故障判断量，给出其计算式。由该式可推断出故障线路的故障判断量大于1，其值与过渡电阻无关。如果线路的故障判断量大于1，则判断该线路故障。在电网发生振荡时，建立求解故障点位置的方程，求解出故障点位置a，当a在0与1之间，辅助判断线路故障。本发明能够准确地判断出线路的各种类型故障，不受故障位置、故障类型、过渡电阻的影响，在非全相运行、负荷潮流转移时也能够检测出故障线路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网广域后备保护技术领域。

背景技术

纵联差动保护作为线路主保护，具有原理简单、不受系统运行方式影响等优点，被广泛使用。但是传统的差动保护依靠躲过外部短路时最大不平衡电流和最大负荷电流的经验值进行整定，负荷电流、过渡电阻、潮流转移等降低差动保护在区内故障的灵敏性，可能引发保护拒动。学者研究了从最初的分相电流差动发展到零序电流分量、故障分量作为输入量的一些差动保护算法。

李捷,苗世洪,刘沛,林湘宁.基于分相有功功率差动原理的线路高阻接地保护判据[J].电网技术,2011,35(08):197-201.通过分析有功差动原理的电压死区问题及其分相使用中的特殊性，提出基于分相有功功率差动的线路高阻接地故障保护方案。通过3段判据，提高了该原理对各类故障的适用性。

孔令号,焦彦军,戴志辉.基于灰色关联度的站域保护原理[J].电网技术,2014,38(08):2274-2279.提出基于灰色关联度的保护算法及基于此算法的站域保护原理。该保护算法舍弃基波相量体系，通过对波形的灰色关联分析识别故障，不受CT饱和影响，不要求CT变比必须一致。

发明专利“基于故障分量的广域后备保护方法”根据网络的拓扑结构和配置情况，划分保护关联域。根据开关变位信息实时更新保护关联域。故障发生时，实时计算该关联域内的故障关联因子，确定故障支路。

上述文献尤其是基于灰色关联度的站域保护原理需要精确的时间同步，并且所提方法的故障判断量在经不同过渡电阻接地的情况下会发生变化，还会受到过渡电阻的影响。本发明的故障判断量的大小不受过渡电阻影响，对时间同步性要求不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于正序电流故障分量的输电线路故障检测方法，它能有效地解决由负荷电流、过渡电阻、潮流转移等降低差动保护在区内故障的灵敏性，可能引发保护拒动的问题，能够在各种故障情况下准确检测故障线路。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于正序电流故障分量的输电线路故障检测方法，其步骤包括：

步骤一、将输电线路发生故障时刻线路单端的正序电流值减去该时刻六个周波前的正序电流值得到的变量，作为线路单端的正序电流故障分量

步骤二、对于发生故障的输电线路，构造该线路两侧的正序电流故障分量的矢量和的模值与矢量差的模值的比值，作为线路的故障判断量d；

给出故障判断量d的计算式：其中，和分别为母线i、j处的正序电流故障分量；由该式推断出故障线路的故障判断量大于1，并确定故障判断量d的阈值；

步骤三、在电网发生振荡时，建立求解故障点位置a的公式：利用线路两侧的正序电流故障分量和线路阻抗Z、线路两侧的“系统等效阻抗”Z_i和Z_j，计算出故障点位置a，如果a位于0,1之间，则判断该线路故障；

步骤四、通过上述基于故障判断量d和故障点位置a作为故障线路的两个判据，来判断线路故障。

所述给出线路的故障判断量d的计算式，同时需证明其值大于1，据此设置故障判断量阈值；

由故障判断量d的定义，得到故障判断量的计算式为

由于输电线路区内故障和区外故障对应的d值有很大的不同，区内故障时，输电线路的d大于1，区外故障时d小于1，故设置故障判断量阈值为1，通过比较d值与阈值可识别出线路故障。

所述当电网发生振荡时，由电网的拓扑结构，建立求解故障点位置a的方程，加入故障点位置作为辅助判据来判断线路故障；

输电线路两侧的“系统等效阻抗”分别为为线路两侧电压的正序故障分量，对于故障判断量d的计算式，去掉其两边的取模符号，得到线路两侧的正序电流故障分量与线路阻抗、线路两侧的“系统等效阻抗”、故障点位置a之间的方程为求解该方程，得到故障点位置为

对于正常线路，所求得的故障点位置a大于1，对于故障线路，所求得的a∈[0,1]，此时引入故障点位置a作为判断故障的附加判据。

所述故障线路的两个判据应当满足如下的逻辑关系：

判据1、首先采用故障判断量d值作为判据1，定义如下：

实时收集线路两侧的电流电压数据，当某线路有保护启动时，首先利用两侧的电流故障分量计算线路故障判断量d，并利用d值大小来进行故障检测：若连续三个时刻t-2、t-1、t的d>1，则判定该线路故障，若不满足连续三个d值大于1，则进入判据2；

判据2、当电网发生振荡时故障线路的故障判断量d可靠小于1，无法将正常线路与故障线路区别开，此时增加故障判据2，定义如下：

则判定该线路故障，若a＞1，则该线路正常；

当d<1时，先检测该线路的距离保护振荡元件是否启动，如果未启动，则该线路正常；否则，计算该线路的故障点位置a，如果a∈[0,1]，则判定该线路故障，否则，该线路正常。

对于某线路的故障判断量d，给出了故障判断量d的计算式，由该式推断出故障线路的故障判断量大于1，其大小与过渡电阻无关，并确定了故障判断量阈值。

设线路ij在距离母线i端a比例处发生接地故障，附加正序网络的短路点F处出现电势故障分量推算得到流经过渡电阻R_f的故障电流

由基尔霍夫电流定律，推算出流过母线i、j的电流故障分量

将(1)式代入(2)式，经整理，得到流经母线i、j的电流故障分量

分别求取线路两侧电流故障分量的矢量和的模、矢量差的模：

式(4)除以式(5)，得到本发明的故障判断量d。

由于高压系统中电源阻抗和线路阻抗的阻抗角都接近于90°，因此d的分子|Z+Z_j+Z_i|大于|Z+Z_j-Z_i|，也大于分母|Z+Z_j-Z_i-2aZ|，即d的分子大于分母，在理论上可得到d值是大于1的实数。由式(6)可看到，d只与本线路阻抗、两侧背侧的系统等效阻抗、故障位置有关，与过渡电阻无关，即理论分析得到本故障判断量不受过渡电阻影响。

当发生区外故障时，正序故障附加电动势在母线j外侧，由推算得到母线i、j处的电流故障分量

由式(7)可知，流经母线i，j的电流故障分量相位相反、幅值基本相同，此时正常线路的d值远小于1，约等于0：

由上述分析可知，区内故障和区外故障对应的d值有很大的不同，区内故障时线路的d大于1，区外故障时d可靠地远小于1。因此通过比较d值与阈值可识别出线路故障，阈值设为1。

在电网发生振荡时，建立求解故障点位置a的公式，利用线路两侧的正序电流故障分量、线路阻抗、线路两侧系统等效阻抗，计算出故障点位置a，如果a位于(0,1)之间，则判断该线路故障：

线路两侧的系统等效阻抗：

对于式(6)，去掉其两边的取模符号，得到线路两侧正序电流故障分量与线路阻抗、线路两侧系统等效阻抗、故障点位置a之间的关系式：

对式(11)求解，可得到故障点位置a：

式(12)是一个复数方程，将它分解为实部和虚部两个方程。由式(12)，得知故障点位置a的求取不受过渡电阻的影响。由于实际高压系统的电阻值都比较小，用实部建立方程容易受到噪声干扰，因此采用虚部对a进行求解。由于电网振荡时电网拓扑结构并未受到破坏，正常线路所求得的a应该可靠大于1，故障线路所求得的a∈[0,1]，此时引入故障点位置a作为附加判据，

所述的基于故障判断量d和故障点位置a的故障线路的两个判据，来判断线路故障：

1)首先采用故障判断量d构造判据1，判据1定义如下：

实时收集线路两侧的电流电压数据，当某线路有保护启动时，首先利用两侧的电流故障分量计算线路故障判断量d，并利用d值大小来进行故障检测：若连续三个时刻t-2、t-1、t的d>1则判定该线路故障，若连续三个d<1则进入判据2；

2)当电网振荡时故障判断量d可靠小于1无法正常识别故障线路，此时中采用判据1就无法准确判断出故障线路，增加了故障判据2，定义如下：

则判定该线路故障，若a＞1，则该线路正常；

检测线路距离保护振荡元件是否启动，若未启动，则将判据1式作为最终判定结果，若距离保护振荡元件启动，则加入求解的故障点位置a作为辅助判据。若a<1则判定该线路故障。

本发明与现有技术相比的优点和效果：

1)故障判据简单，计算量很小，线路检测结果不受过渡电阻大小的影响。

2)本方法不受故障位置、过渡电阻、非全相运行、潮流转移造成的线路重负荷等影响，具有很高的可靠性。

在电网振荡中再发生线路故障的情况下，建立线路故障点定位值的求解方程，通过求解线路故障点定位值，来辅助检测故障线路。

附图说明

图1为本发明的正序电流故障分量与传统故障分量的波形图

图2为本发明的区内故障正序网络示意图

图3为本发明的区外故障正序网络示意图

图4为本发明的IEEE39节点测试系统示意图

图5为本发明的0.25s时L_{4_7}在50％处发生AG时d值变化图

图6为本发明的L_{4_7}在0.23s发生潮流转移时d值图

图7为本发明的系统振荡时线路L_{4_7}的d值

图8为本发明的系统振荡中且线路L_{4_7}在0.25s发生AG的a值

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细的具体说明

如图1所示本发明所提供的基于正序故障分量的输电线路故障检测与定位方法的流程，包括如下步骤：

首先实时收集线路两侧的电流，电压数据，然后当有与某线路相关的保护元件起动时，利用该线路两侧电流的正序电流故障分量计算故障判断量d值，将所得求得的d值与阈值1比较，若连续三个时刻t-2、t-1、t的d>1时则判定该线路故障，若d稳定小于1且有距离保护振荡闭锁元件启动，由线路参数结合故障分量建立公式求解故障点位置，加入故障点位置a作为辅助判据来判断是否故障。

1)对于某线路，将任意时刻线路单端的正序电流值减去该时刻6个周波前的正序电流值得到的变量，定义为线路单端的正序电流故障分量

本发明将任意时刻线路单端的正序电流值减去该时刻6个周波前的正序电流值得到的变量，定义为线路单端的正序电流故障分量，它近似于传统的故障分量，但有所区别。传统的故障分量求取方法是当前采样值减去两个周波前采样值，对差值分量做快速傅里叶变换、对称分量变换获得正序故障分量，但是传统故障分量在进入故障稳态之后迅速趋于0，两种故障分量的波形如图1。

2)利用线路两侧的电流故障分量的矢量和的模值与矢量差的模值的比值，构造了线路的故障判断量d，

设线路ij在距离母线i端a比例处发生接地故障，线路区内故障的附加正序网络如图2所示。图2中和分别为母线i、j处的电流和电压故障分量；R_f为过渡电阻，为流过故障支路的电流故障分量，为故障点F处的电势，Z为线路ij的正序阻抗，Z_i、Z_j分别为母线i、j两侧的系统等效阻抗。

定义故障判断量d为：

设线路ij在距离母线i端a比例处发生接地故障，线路区内故障的附加正序网络如图2所示。附加正序网络的短路点F处出现电势故障分量推算得到流经过渡电阻R_f的故障电流

由基尔霍夫电流定律，可推算出流过母线i、j的电流故障分量

将(1)式代入(2)式，经整理，得到流经母线i、j的电流故障分量

分别求取线路两侧电流故障分量的矢量和的模、矢量差的模：

式(4)除以式(5)，得到本发明的故障判断量d。

由于高压系统中电源阻抗和线路阻抗的阻抗角都接近于90°，因此d的分子|Z+Z_j+Z_i|大于|Z+Z_j-Z_i|，也大于分母|Z+Z_j-Z_i-2aZ|，即d的分子大于分母，可得到d是大于1的实数。从计算式看，d只与线路阻抗、两侧背侧的系统等效阻抗、故障点位置有关，与过渡电阻无关。

发生区外故障时，如图3所示。正序故障附加电动势在母线j外侧，由推算得到母线i、j处的电流故障分量

Z_o表示区外故障时的线路阻抗，由式(7)可知，流经母线i，j的电流故障分量相位相反、幅值基本相同，此时正常线路的d值远小于1，约等于0：

由上述分析可知，区内故障和区外故障对应的d值有很大的不同，区内故障时线路的d大于1，区外故障时d可靠地远小于1。因此通过比较d值与阈值可识别出线路故障，阈值设为1。

在电网发生振荡时，建立求解故障点位置a的公式：利用线路两侧的正序电流故障分量、线路阻抗、线路两侧系统等效阻抗，计算出故障点位置a，如果a位于(0,1)之间，则判断该线路故障。

由图2可知线路两侧的系统等效阻抗：

对于式(6)，去掉其两边的取模符号，得到线路两侧正序电流故障分量与线路阻抗、线路两侧系统等效阻抗、故障点位置a之间的关系式：

对式(11)求解，可得到故障点位置a：

式(12)是一个复数方程，可分解为实部和虚部两个方程。由于实际高压系统的电阻值都比较小，用实部建立方程容易受到噪声干扰，因此采用虚部对a进行求解。

由式(12)，可知故障点位置a的求取不受过渡电阻的影响。

由于电网振荡时电网拓扑结构并未受到破坏，正常线路所求得的a应该可靠大于1，故障线路所求得的a∈[0,1]，此时引入故障点位置a作为附加判据。

对于有保护元件启动的故障疑似线路给出了基于故障判断量d和故障点位置a的故障线路的两个判据，来判断线路故障。

1)首先采用故障判断量d值作为判据1，判据1定义如下：

实时收集线路两侧的电流电压数据，当某线路有保护启动时，首先利用两侧的电流故障分量计算线路故障判断量d，并利用d值大小来进行故障检测：若连续三个时刻t-2、t-1、t的d>1则判定该线路故障，若不满足连续三个d值大于1则进入判据2

2)当电网振荡时故障判断量d可靠小于1无法正常识别故障线路，此时中采用判据1就无法准确判断出故障线路，增加了故障判据2，定义如下

则判定该线路故障，若a＞1，则该线路正常；

检测线路距离保护振荡元件是否启动，若未启动，则该线路正常。如果距离保护振荡元件启动，则加入故障点位置a作为辅助判据。若a<1，则判定该线路故障，否则该线路正常。

实施例

利用电磁暂态软件PSCAD/EMTDC搭建IEEE 10机39节点系统，系统结构图如图4所示，图4圆圈中G代表发电机，数字表示各母线编号。系统电压等级为345kV，频率60Hz，采样频率为1.2kHz。采用MATLAB实现故障线路的识别算法及故障定位，AG代表A相接地故障，ABG代表AB相接地故障，AB代表AB相短路故障，ABC代表ABC三相。

算例1

为了验证不同位置、不同过渡电阻下发生故障时算法的有效性，选择线路L_{4_7}、L_{1_2}试验，在0.25s时不同位置、经不同过渡电阻发生故障。故障时刻两个周波后的d和a的计算结果见表1。

表1a线路L_{4_7}各种故障情形下的检测结果

表1b线路L_{1_2}各种故障情形下的检测结果

从表1a和表1b可看到，在同一个故障位置下，故障线路分别发生金属性接地、高阻接地故障时，d值变化很小，非常接近，验证了本算法不受过渡电阻影响，与理论分析吻合。故障定位误差小于1％，说明故障定位效果较好。对于相间短路、三相短路，在不同位置发生故障时，算法均能通过d值检测出故障线路，不受故障点位置的影响。

对于线路L_{4_7}，其线路两侧等效阻抗与线路阻抗比值为x＝0.232<1、y＝0.071<1，其对称轴为a_s＝0.42。对于表1中3个故障位置，其中0.50处故障位置靠近对称轴，其d值较大。类似地，对于线路L_{1_2}，其线路两侧等效阻抗与线路阻抗比值，x＝0.057<1，y＝0.615<1，其对称轴在a_s＝0.78，表2中故障位置a在0.95处的d值较大，符合3.1节的理论分析结果。

由图5可看到，故障线路L_{4_7}在0.25s发生A相短路故障的瞬间d值快速变大，暂态过程逐步减小，在故障时刻两个周波以后达到稳态值6.3左右，相邻的其它正常线路L_{3_4}、L_{6_7}的d值在故障后瞬间略有增大，但仍小于1，暂态过程迅速变小，在故障时刻两个周波以后达到稳态值0.005，远小于1，说明本算法能够准确检测出故障线路，相邻的正常线路不会被误判。

算例2

为了验证非全相运行时再发生故障时本算法的有效性，在0.15s设置线路L_{4_7}，线路L_{1_2}两侧A相断路器跳开，再设置0.25s时发生BG、BC、BCG、CG故障进行试验。检测结果如表2a，表2b所示。其中BG代表B相接地故障，BC代表BC两相短路故障，BCG代表BC两相接地故障，CG代表C相接地故障。

表2a线路L_{4_7}非全相运行时再故障的检测结果

表2b线路L_{1_2}非全相运行时再故障的检测结果

在非全相运行状态下，线路L_{4_7}的阻抗参数与全相运行情况下基本相同，线路两侧的系统等效阻抗变化很小，在不同故障位置下，线路L_{4_7}的d值曲线大小的变化情况与上节一致。

仿真结果表明，在非全相运行状态下，在不同故障位置、不同过渡电阻的情况下d值均大于1，采用d值能够准确检测出故障线路。

算例3

为了验证本算法对转换型故障的适用性，以线路L_{4_5}的母线4端保护出口发生A相短路接地，并经0.02s转换成线路L_{4_7}正向区内发生BG、BCG、BC、CG故障进行实验，区内故障均设置在线路L_{4_7}上距母线4端5％处。检测结果如表3所示。

表3转换性故障的检测结果

由表3可看到L_{4_7}区外故障转向区内故障时计算的d值大于1，在两条相邻线路间发生转移性故障时，本算法仍能可靠检测出故障线路。

算例4

为了防止保护误动造成连锁跳闸事故，故障检测算法应能区分潮流转移和区内故障。潮流转移的设置：在0.23s断开线路L_{6_7}，此时潮流转移造成其他相邻线路如L_{4_7}负荷加重。在0.25s时，再设置线路L_{4_7}发生A相接地短路。

由图6(a)可看到，对于线路L_{4_7}，在发生潮流转移的瞬间d值会有一个较大突变，其值接近于1，几个采样点后d值趋于稳定，接近于0。为了避免d的单个冲击值造成本保护误动，选取多个连续采样点d的稳定值均大于1来判断故障线路，这样不会误判L_{4_7}为故障。

由图6(b)可看到，当0.23s发生潮流转移之后在0.25s时线路L_{4_7}再发生A相接地故障，故障时刻以后计算线路L_{4_7}的d值趋于稳定值4，能够正常检测出故障线路L_{4_7}。

表4L_{4_7}发生潮流转移后在0.25s不同位置发生AG的检测结果

算例5

为了检验本算法在系统振荡时的有效性，在0.23s，将与母线8相连的原有发电机退出，投入之前并列运行的频率为55Hz的新发电机，模拟系统发生振荡。在电网振荡瞬间，故障检测算法计算的d值会有一个较大的冲击，但其值小于1，线路L_{4_7}的d值变化如图7(a)所示，保护算法可靠不误动。

在电网振荡中又在0.25s设置L_{4_7}的50％处发生A相短路接地，计算的d值小于1，如图7(b)所示，故障检测算法失效，未能检测出故障线路L_{4_7}。

无论是正常振荡时还是振荡中再故障，算法计算的d值始终小于1，本算法可靠不误动，但未能检测出振荡中故障线路。可在发现电网振荡时开放本算法。由于电网振荡时电网拓扑结构并未受到破坏，此时引入故障点位置a作为附加判据，如果a∈(0,1)，则检测L_{4_7}为线路故障。

由图8可知，当电网0.23s发生振荡时L_{4_7}的故障点位置a大于1；当电网振荡中0.25s时发生A相接地故障，0.255s之后a值趋于稳定值0.5，a∈(0,1)，能够辅助判断出线路L_{4_7}故障。