基于多源信息的輸電線路故障定位新方案

馬偉，吳靖，章瑋明，丁冬，林森

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

基于多源信息的輸電線路故障定位新方案

馬偉，吳靖，章瑋明，丁冬，林森

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

鑒于快速、準確地定位輸電線路上的故障點對保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要，提出了一種基于多源信息的輸電線路故障定位新方案。該方案借助區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)采集保護區(qū)域內的拓撲信息、網絡參數(shù)和電流信息，當輸電線路發(fā)生故障后，依據(jù)故障線路等值模型和疊加原理，通過電網中的節(jié)點注入電流和線路電流求解故障穩(wěn)態(tài)模型中線路電流；在此基礎上，通過定義線路平均故障距離實現(xiàn)了故障點定位。基于新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)的仿真結果表明，本方案不受故障類型、過渡電阻、故障點位置等因素的影響，能夠準確地定位保護區(qū)域內線路上的故障點。

廣域保護；多源信息；故障定位；過渡電阻；故障類型

0 引言

隨著大規(guī)模新能源的接入和交直流混合超/特高壓互聯(lián)大電網的發(fā)展，電網結構愈加復雜、運行方式愈加多變，各級輸電線路負荷較重，出現(xiàn)故障的概率逐漸增加[1-3]。在輸電線路發(fā)生故障后，快速、準確地定位電網中故障位置，對保障電網的安全穩(wěn)定運行至關重要[4-6]。

鑒于基于單端信息的故障定位測距誤差易受過渡電阻、運行方式等因素的影響[7]，國內外學者在對電網故障研究的基礎上，提出了基于廣域測量系統(tǒng)的多種故障定位的方法和原理。文獻[8]利用所有的故障類型中均存在正序網絡的特點，利用電壓相量進行故障定位，但計算過程中需要以較小的步長遍歷各條線路，計算量大。文獻[9]通過確定故障界定集，依據(jù)故障發(fā)生后故障界定集與支路電流測量值之間的貼近度來確定故障位置，其特點是網絡結構發(fā)生變化后，故障界定集能夠進行相應的更新。文獻[10]依據(jù)電網的拓撲結構和相量測量單元配置規(guī)則，分析各個關聯(lián)域內的差動電流故障穩(wěn)態(tài)分量，通過計算關聯(lián)域內的故障關聯(lián)因子確定故障位置。

在此提出了一種基于多源電流信息的輸電線路故障定位新方案，該方案利用區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)采集保護區(qū)域內的拓撲信息、網絡參數(shù)和電流信息。當輸電線路發(fā)生故障后，依據(jù)故障線路等值模型和疊加原理，通過電網中的節(jié)點注入電流和支路電流求解故障穩(wěn)態(tài)模型中支路電流，在此基礎上，計算電網中各線路的平均故障距離，以實現(xiàn)故障定位。基于新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)的仿真結果，驗證了本方案的有效性與準確性。

1 區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)

在國內外發(fā)生的多次大停電事故中，傳統(tǒng)繼電保護的不合理動作通常是事故誘發(fā)和擴散的主因。隨著同步測量、智能變電站等關鍵技術的日臻成熟，利用電網多源信息構建廣域保護可徹底擺脫傳統(tǒng)保護逐級逐段延時配合、可靠性靈敏性相互妥協(xié)以及故障過負荷難以區(qū)分的困境[2]。目前，廣域保護系統(tǒng)構成模式包括廣域集中式、區(qū)域集中式、站域集中式、IED（智能電子設備）分布式[11]。

區(qū)域集中式廣域保護是根據(jù)電網拓撲結構、通信量及延時、地理環(huán)境等方面考慮，將電網可劃分為多個保護區(qū)域，每個區(qū)域包括1個主站和若干個子站[12-13]。子站負責本站的電氣量、邏輯量等信息收集，并將相關信息上送至主站，保護主機根據(jù)接收到的信息實現(xiàn)故障元件識別與智能決策功能。當保護區(qū)域內發(fā)生故障后，保護主機根據(jù)跳閘策略向保護區(qū)域內的相關子站發(fā)送跳閘指令，子站收到跳閘指令后方可跳閘[14]。

區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)結構模式如圖1所示。該模式配置簡單、匯集的信息性針對性強，能夠多角度識別系統(tǒng)故障；同時，系統(tǒng)可靠性與復雜度、保護主機工作負擔、保護執(zhí)行速度、建設投資成本等方面均較為均衡，合理可行。

圖1 區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)

2 故障定位方案

2.1 基本原理

對于有b條線路的保護區(qū)域，假設在距線路m-n的母線m為αLmn處發(fā)生短路故障，其故障模型如圖2所示。其中，該模型采用集中參數(shù)，Lmn為線路m-n的長度，且0≤α≤1，線路阻抗為z，母線兩端對地導納分別為ym，yn。

圖2 故障線路模型

依據(jù)電路理論知識，列寫節(jié)點電壓方程：

因此，故障線路m-n等效節(jié)點電壓方程的等效模型如圖3所示。

圖3 故障線路等值模型

與圖2對比可看出，故障支路等值模型將故障點的電流分配到線路兩端，電流值的大小跟故障點的位置有關，且系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣在故障前后不變。

依據(jù)圖3可知，t時刻故障穩(wěn)態(tài)網絡中支路電流列向量I可表示為[9]：

由圖3可知，故障穩(wěn)態(tài)網絡僅在故障支路m-n的母線節(jié)點m和n有注入電流，即節(jié)點注入電流列向量JS中僅在與節(jié)點m和n對應的位置有非0值，其余元素均為0，即：

將式（4）帶入式（3）可得

若將發(fā)電機節(jié)點和負荷節(jié)點用節(jié)點注入電流表示，在不計及系統(tǒng)中電力電子等非線性元件的前提下故障網絡可看作為線性網絡[15]。依據(jù)疊加原理，故障狀態(tài)網絡可以由無故障狀態(tài)網絡、故障暫態(tài)網絡和故障穩(wěn)態(tài)網絡三部分構成。故障狀態(tài)指故障發(fā)生后系統(tǒng)的實際狀態(tài)，線路電流矩陣為IM2，節(jié)點注入電流矩陣為JM2。無故障狀態(tài)指系統(tǒng)發(fā)生故障前的穩(wěn)定運行狀態(tài)，節(jié)點電壓矩陣為UM1，線路電流矩陣為IM1，節(jié)點注入電流矩陣為JM1，則：

式中：Y為節(jié)點導納矩陣；Yb支路導納矩陣；A為節(jié)點支路關聯(lián)矩陣。

用支路相關因子矩陣C表示無故障狀態(tài)網絡中支路電流矩陣IM1為：

故障暫態(tài)是指故障發(fā)生后由母線節(jié)點注入電流變化引起的暫態(tài)過程。設故障暫態(tài)網絡中的節(jié)點電壓為UT，支路電流相量為IT，則

式中：JT為故障前后節(jié)點注入電流變化量，且JT=JM2-JM1。

同理，故障暫態(tài)網絡中支路電流相量IT為：

故障穩(wěn)態(tài)是由故障點附加電源引起的狀態(tài)，t時刻網絡支路電流相量IS為：

將式（7）和式（9）代入式（10）得：

2.2 故障定位算法

由2.1節(jié)內容可知矩陣I和矩陣IS相等，即I=IS，根據(jù)矩陣相等的性質，矩陣元素滿足如下關系：

式中：I[i]，I[j]分別表示矩陣I中的第i個和第j個元素；IS[i]，IS[j]分別表示矩陣IS中第i個和第j個元素。

依據(jù)式（5），I[i]和I[j]的可表示為

式中：Dm[i]，Dm[j]分別表示矩陣Dm中的第i個和第j個元素；Dn[i]，Dn[j]分別表示矩陣Dn中的第i個和第j個元素。

將式（13）帶入式（12）得：

因此，根據(jù)支路j和支路i的穩(wěn)態(tài)故障電流所求得的故障點在故障線路上的相對距離為：

假設故障線路編號為i，對于含有b條線路的保護區(qū)域而言，各線路對故障線路i可求出b-1個故障距離α值，且存在：

3 仿真驗證

采用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建如圖4所示的IEEE新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)作為仿真模型[16]。以母線3所屬變電站為中心站為例，其保護區(qū)域內包括線路18-17，線路2-3，線路3-4，線路4-5，線路4-14和線路3-18等5條線路[12]。

圖4 新英格蘭10機39節(jié)點仿真系統(tǒng)

3.1 不同線路上發(fā)生故障

在線路18-17上距母線18為40%處發(fā)生故障時，本方案的仿真結果如表1所示；在線路3-4上距母線3為70%處發(fā)生故障時，本方案的仿真結果如表2所示。

表1 線路18-17上距母線18為40%處故障后仿真結果

表2 線路3-4上距母線3為70%處故障后仿真結果

3.2 在不同位置發(fā)生故障

在線路4-14上距母線4不同位置發(fā)生故障時，本方案的仿真結果如表3所示。仿真結果表明，不論在線路近端或遠端發(fā)生故障時，本方案不受故障位置和故障類型的影響，均能夠較精確地識別故障點。最大誤差出現(xiàn)在距母線4為90%處發(fā)生CA相間故障時，其值為0.231 9%。

表3 線路4-14上不同位置故障的仿真結果

3.3 經不同過渡電阻發(fā)生故障

文獻[17]指出，220 kV與500 kV輸電線路故障時過渡電阻分別可達到100 Ω和300 Ω，因此，將高阻故障時過渡電阻選為300 Ω。在線路2-3上距母線3為80%處經不同過渡電阻發(fā)生故障時，本方案的仿真結果如表4所示。

仿真結果表明，經不同過渡電阻發(fā)生故障時，本方案均能夠準確的識別故障位置，精度高，且不受故障類型的影響。最大誤差出現(xiàn)在經300 Ω過渡電阻發(fā)生A相接地故障時，其值為-1.427 3%。

表4 線路2-3經不同過渡電阻故障時仿真結果

4 結論

依托區(qū)域集中式廣域保護系統(tǒng)結構，提出了一種基于多源電流信息的輸電線路故障定位新方案。當輸電線路發(fā)生故障后，依據(jù)故障線路等值模型和疊加原理，通過電網中的節(jié)點注入電流和支路電流求解故障穩(wěn)態(tài)模型中支路電流，在此基礎上，計算電網中各線路的平均故障距離，以實現(xiàn)故障定位。該方案具有如下特點：

（1）不受故障點位置的影響，能準確地定位保護區(qū)域內的故障點。

（2）不受過渡電阻的影響，在高阻故障下能夠較精確地定位故障。

（3）不受故障類型的影響，適用于各種類型故障。

（4）僅利用電流相量進行計算，算法簡單，計算量小。

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（本文編輯：陸瑩）

A New Fault Location Scheme for Transmission Lines Based on Multi-source Information

MA Wei，WU Jing，ZHANG Weiming，DING Dong，LIN Sen
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Quick and accurate fault location of transmission line is key to ensure operation safety and stability of power system.This paper presents a new fault location scheme for transmission lines based on multi-source information.By dint of a regional centralized wide area protection system，the scheme collects topology information，network parameters and current information within the protection areas.Based on the equivalent model of fault transmission line and the superposition principle，line current in fault steady-state model is calculated by utilizing node injection current and line current in the network when fault occurs.On this basis，the fault location is realized by defining the average fault distance.Simulation results based on the New England 10-machine 39-bus system show that the proposed scheme is not affected by factors such as fault type，transition resistance，fault location，and can accurately locate the fault point on the lines in the protection zone.

wide-area protection；multi-source information；fault location；transition resistance；fault type

10.19585/j.zjdl.201708005

1007-1881（2017）08-0024-05

TM75

A

2017-06-02

馬偉（1989），男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。