高壓輸電線路故障測距的算法研究

陳丹霏，方璇

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000；2.金華供電公司調控中心，浙江 金華 321000)

高壓輸電線路故障測距的算法研究

陳丹霏1，方璇2

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000；2.金華供電公司調控中心，浙江 金華 321000)

高壓和超高壓輸電線路故障測距能及時、準確的找到故障點,不僅能快速修復線路,發(fā)現(xiàn)絕緣隱患和保證可靠供電,而且對保證整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經濟運行都有十分重要的意義。針對目前高壓輸電線路故障測距中存在的問題,基于迭代故障分析法展開了深入的研究和探討,從推導過程分析得出單端測距無法同時消除過渡電阻和對側系統(tǒng)阻抗的影響。而雙端測距從理論上解決了單端測距的原理性誤差,提高了測距精度。

高壓輸電線路;故障測距;迭代;仿真

1 引言

電力行業(yè)是國家經濟建設的基礎，在國民經濟建設中占有極其重要的地位。輸電線路的繼電保護水平對于維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保護電網設備及提高經濟效益有著重要的意義。

電力系統(tǒng)在運行過程當中會出現(xiàn)故障和一些異常的運行狀態(tài)，使一部分線路甚至整段線路不能正常工作。高壓輸電線路的準確故障測距是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的有效途徑之一[1]。長期以來,為尋求精確有效的故障測距方法，專家們進行了大量的研究并提出了多種故障測距原理和方法。在AIEE Committee 1955年的報告中,給出1955年前有關故障測距的文獻就多達120篇[2]。隨著新技術的發(fā)展,故障測距算法的研究不斷深入,已成為國內外學者研究的熱點之一。

2 故障測距算法分類

經過長期發(fā)展,現(xiàn)有的故障測距算法從原理上可大致分為三類:行波法、故障分析法和智能測距法。

2.1 行波法

行波法[3-5]是根據行波傳輸理論實現(xiàn)的測距方法。早期行波法是利用電子計數器來測量行波的到達時刻和傳播時間，隨著時代的發(fā)展，相關領域技術包括全球定位系統(tǒng)(GPS)技術、現(xiàn)代微電子技術、現(xiàn)代通信技術和現(xiàn)代數字信號處理技術等的應用,以及小波變換的應用大大的推動了現(xiàn)代行波測距技術的進步。已提出的行波測距法有A型、B型、C型、D型、E型、F型6種。其中A、C、E、F型屬于單端量法;B、D屬雙端量法。目前,行波測距中的A型和D型已經廣泛應用于我國超高壓線路。

行波測距法精度高,而且適應性很強,不易受過渡電阻、系統(tǒng)運行方式變化等的影響。但在實際應用中,行波法仍存在著一些問題：(1)反射波的識別與標定;(2)故障點離測距裝置安裝點較近時,無法測距,存在測距死區(qū)等。

2.2 故障分析法

故障分析法[6]是輸電線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)在已知運行方式和線路參數的條件下，利用故障錄波器記錄的故障數據建立電壓、電流之間的回路方程，通過計算分析得出故障距離。故障分析法簡單易行,可借助現(xiàn)有的故障錄波器達到測距的目的。按照線路模型來分,可分為集中參數模型法和分布參數模型法;按照電氣量來分,可分為單端量法和雙端量法。

2.3 智能化測距法

近年來有不少專家通過引入相關學科的學術成果來研究測距問題,這些智能理論包括優(yōu)化方法、紅外線技術、神經網絡技術、卡爾曼濾波技術、模式識別技術等。但這些智能化測距方法多處于研究階段,離實際應用尚有一定距離[7]。

3 迭代法故障測距

3.1 測距原理

假定輸電線為均勻線，在不同故障類型條件下計算出的故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成正比。首先以圖1所示的單相系統(tǒng)說明阻抗測距的基本原理。

設m端為測量端，由圖1可知

(1)

那么測量阻抗可表示為

(2)

式中：Z為線路單位長度的阻抗；

x為測量端到m故障點F點的距離；

Rf為故障點的過渡電阻；

分析公式(2)可知：

①當Rf=0時，測量誤差ΔZ=0，即有Zm=Z×x，測距結果準確；

②當Rf≠0時，ΔZ≠0，測距結果有誤差。

根據疊加原理，圖3所示的故障系統(tǒng)可分解為正常運行情況和故障附加狀態(tài)。

由圖3可得故障點與m端電流的故障分量之間存在以下關系

(3)

CM為m端的電流分布系數，

將式(3)代入式(1)，可得

(4)

(5)

對上式兩端取虛部，經整理可得

(6)

電流分布系數CM一般為復數，可令

CM=Cmejγm

(7)

(8)

由于CM為復數，式(8)的計算結果將產生誤差，需設計算法來進行精確故障定位。

3.2 迭代算法

由于電流分布系數是由故障點兩側綜合阻抗決定，其中也包括由兩端到系統(tǒng)的阻抗，因此電流分布系數的幅角和用它算出的準確測距結果也只能用迭代法求得。

在取rm=0條件下，CJM為實數，此時式(9)中等式右邊分子分母中CJM可直接消除；當rm≠0時，仍利用式(9)求解準確的測距結果，x迭代過程如下：

①假設rm=0，由式(9)求出x(1)。

②將x(1)回代入式(10)可得到C1M(2)，再將C1M(2)代入式(9)求得x(2)。如果|x(2)-x(1)|<ε，則有x=x(2)。

③將x(2)回代入式(10)可得到C1M(3)，同上步驟求出x(3)，直到|x(b)-x(n-1)|<ε為止，此時迭代所得故障距離x=x(n)。

運用此迭代原理編制程序，可實現(xiàn)故障測距。

3.3 實例仿真

通過一系列實際算例仿真研究發(fā)現(xiàn)，測量結果誤差隨著過渡電阻增大而呈現(xiàn)增大趨勢，此種算法最小誤差可達，誤差范圍可控制在300m內。對于一定范圍內的過渡電阻，此算法可以有效地進行故障定位，并保證其可行性。

4 結論

本文在前人大量研究的基礎上，對幾種故障測距方法進行了利弊分析。同時介紹了故障測距原理以及迭代算法，并通過實際算例進行可行性分析。

[1] 張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].中國電力出版社，2005年5月，北京.

[2] A1EE Committee Report.Bibliography and summary of fault location methods[J].AIEE Trans on Power Apparatus and System,1956(2): 1423-1428.

[3] 李友軍,王俊生,鄭玉平,等.幾種行波測距算法的比較[J].電力系統(tǒng)G動化,2001,16(7): 36-39.

[4]Evrenosoglu C Y,Avur A.Travelling wave based on fault location for teed circuits[J].IEEE Trans Power Delivery,2005,20(2): 1115-1121.

[5] GILANY M,IBRAHIM D K,ELDIN E S T.Traveling-wave-based fault-location scheme for multiend-aged underground cable system[J].IEEE Trans Power Delivery,2007,22(1):82-89

[6] 岑建明.輸電線路故障測距的研究[D].杭州:浙江大學,2007.

[7] 施世鴻.高壓輸屯線路故障測距研究[D].杭州:浙江大學,2008.

Research on Failure Distance-measuring Algorithm of High Voltag Transmission Line

CHENDan-fei1,FANGXuan2

(1.College of Electrical and New Energy,Sanxia University,Yichang 443000,China;2.Jinhua Regulating Centre of Power Supply Company,Jinhua 321000,China)

HV and EHV transmission line fault timely and accurately find the point of failure,not only can quickly repair the wiring,insulation found hidden and ensure reliable power supply,but also to ensure the security,stability and economic operation of the power system has a very important significance.For high-voltage transmission line fault in the existing problems,the paper-based iterative failure analysis carried out in-depth study and discussion,the derivation of the single-ended ranging analysis results can not simultaneously eliminate the effects of the transition resistance and contralateral system impedance.The double-ended ranging from theory to solve the single-ended ranging principle of error and improve the range accuracy.

high-voltage transmission lines,fault location,iterative simulation

1004-289X(2015)01-0027-03

TM72

B

2014-09-30