（电力系统及其自动化专业论文）高压同杆并架双回线故障分析及测距的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 社会的发展带动了电力工业和输电线路的不断发展，电力负荷不断增 大，现代电力系统需要将大容量的电能输送到负荷中心，输电线规模的扩 大会占用更多的出线走廊，这是不经济的。为了节省出线走廊，同杆并 架双回线越来越多地在输电线系统中采用。同杆双回传输线所需出线走廊 窄，单位走廊输送能力强，节省投资。另外，由于线路故障对电力系统的 稳定性和可靠性有着不可忽视的影响，所以故障测距也成为电网运行、管 理部门和专家学者们广泛关注的问题，同杆双回线结构复杂，使得故障分 析和测距更加困难。 本文介绍了国内外在此方面的发展历程和研究现状，对各种故障分析 和测距算法的理论基础和应用条件进行了深入分析、对比和讨论。首先介 绍了同杆双回线故障分析的方法，同杆并架双回线出现了许多单回线所没 有的故障类型，线问和相间都存在耦合，而且阻抗矩阵不对称，这使得广 泛应用于单回线故障分析的对称分量法无法直接用于同杆双回线。对此， 本文提出了一种同杆双回线相模阻抗变换方法。其中变换矩阵中不含复 数元素及阻抗矩阵完全对角化的特点为新型同杆双回线故障分析和故障 测距提供了理论基础。 利用此方法进行故障分析时，首先，将六相输电系统解耦成两个相互 独立的三相系统，消去线问互感；然后，分别对这两组三相系统采用不对 称故障的分析方法，建立正、负、零序网络，从而构成六序网络；最后， 利用故障的边界条件将其组成六序网络的复合序网，进而对各种故障的复 合序网进行不对称短路计算，本文给出了1 3 种双回线故障的复合序网图。 该方法适用于双回线系统所有类型的故障分析。 由于双回线间存在线问互感，对双回线运行和故障测距会产生影响。 因此，本文推导出了同杆双回线线问耦合电压，电流的感应公式，分析了 电磁耦合的存在对测量阻抗和检修线路的影响。 对高压输电线路进行故障测距以尽快找到故障点是保证电力系统安 3 山东大学硕士学位论文 全稳定运行的有效途径之一本文介绍了几种常用的故障测距方法，并进 行了分类，深入分析了各种测距算法的优点及存在的问题，给出了每种测 距算法的适用范围。提出了一种使用单端工频电气量进行故障测距的算 法。推导出了几种典型故障的测距公式。该算法从原理上解决了系统阻抗、 负荷电流及过渡电阻对测距的影响。最后，列举了一个实例，利用p s c a d 软件对双回线故障进行了仿真试验，通过m a t l a b 计算得出测距结果，仿真 结果验证了本文测距方法的正确性。 关键词：同杆并架双回线，故障分析，六序网络，耦合，故障测距 4 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t yh a sd r i v e nt h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to f t h ep o w e ri n d u s t r ya n dt r a n s m i s s i o nl i n eo fe l e c t r i c i t ye l e c t r i cl o a di s i n c r e a s i n gc o n s t a n t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r np o w e rs y s t e mr e q u i r e t r a n s m i t t i n gt h el a r g ec a p a c i t yt ot h el o a dc e n t r e ，t h ee n l a r g e m e n to fl i v i n g l i n es c a l ew i l lt a k eu pm o r et r a n s m i s s i o nc o r r i d o r s ，w h i c hi su n e c o n o m i c a l i n o r d e rt os a v et h et r a n s m i s s i o nl i n ec o r r i d o r ，t h ed o u b l et r a n s m i s s i o nl i n e0 n t h es a m et o w e ri su s e db yl i n es y s t e mm o r ea n dm o r e t h e r ea r em a n ym e r i t s i nt h ed o u b l et r a n s m i s s i o nl i n eo nt h es a m et o w e r ，s u c ha st h et r a n s m i s s i o n c o r r i d o r sa r en a r r o w ，t h et r a n s m i s s i o na b i l i t yi ss t r o n g ，a n dt h ei n v e s t m e n ti s s a v e de t c f u r t h e rm o r e ，d u et ot h ee f f e c to ft h el i n ef a u l t sf o rt h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi sn o tn e g l e c t e d ，t h ef a u l tl o c a t i o nh a db e c o m ea p r o b l e m t h a t g o tm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ed e p a r t m e n to fp o w e rn e t w o r k m a n a g e m e n ta n de x p e r t s t h es t r u c t u r eo ft h ed o u b l el i n eo nt h es a m et o w e ri s v e r yc o m p l e x ，t h ef a u l ta n a l y s i sa n dt h ef a u l tl o c a t i o na r em o r ed i f f i c u l t t h ed e v e l o p m e n ta n dg e n e r a ls i t u a t i o no ft h er e s e a r c hi nt h i s f i e l d i n c h i n aa n di no t h e rc o u n t r i e si sr e v i e w e di nt h i s p a p e r a l l t h ee x i s t i n g a l g o r i t h m sc a nb ec l a s s i f i e di n t ot h r e em a i nm e t h o d s ：t r a v e l i n gw a v el o c a t i o n ， s i n g l e t e r m i n a l l o c a t i o na n d t w ot e r m i n a ll o c a t i o n ，t h ep r i n c i p l ea n d a p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fe a c ha l g o r i t h ma r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d f i r s t l y ， t h ef a u l ta n a l y s i s o ft h ed o u b l et r a n s m i s s i o nl i n eo nt h es a m et o w e rw a s i n t r o d u c e d m a n yf a u l tt y p e so n l ya p p e a ri nt h ed o u b l e - c i r c u i tl i n er a t h e rt h a n s i n g l ec i r c u i tl i n e ，s y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o dc a n n o tb ea p p l i e di n d o u b l e c i r c u i tl i n ed i r e c t l yd u et op h a s et op h a s ea n dl i n et ol i n ec o u p l i n g s a n dt h ea s y m m e t r i c a li m p e d a n c em a t r i x e sc o r r e s p o n d i n gt oi t a st ot h i s ，a n e wm e t h o do ft h em o d et r a n s f o r m a t i o nf o r t h ed o u b l e - c i r c u i tl i n ei s p r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e m o r e o v e r ，t h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xw i t hg o o d 5 山东大学硕士学位论文 f e a t u r e sc a nb eu s e df o rt h en o v e lf a u l tl o c a t i o na n df a u l ta n a l y s i s w ea n a l y z et h ef a u l tb yt h i sm e t h o d ，a tf i r s t ，s i xp h a s et r a n s m i ts y s t e m w a ss w i t c h e dt w os e p a r a t et h r e e - p h a s es y s t e m sa n de l i m i n a t e dt h el i n et ol i n e m u t u a li n d u c t a n c e ；t h e n ，t h e s et w og r o u p so ft h r e e p h a s es y s t e m sa d o p tt h e m e t h o do ft h ea s y m m e t r i cf a u l tt oa n a l y z es e p a r a t e l ya n ds e tu pt h ep o s i t i v e ， n e g a t i v e ，z e r os e q u e n c en e t w o r k ，t h u sc o m p o s et h es i xs e q u e n c en e t w o r k ； f i n a l l y 。w eu t i l i z et h eb o r d e rt e r m so ft h ef a u l tt om a k eu pt h ec o m p o s i t e s e q u e n c en e t w o r ko ft h e s i xs e q u e n c en e t w o r k ，a n dt h e nc a l c u l a t et h e a s y m m e t r i cf a u l tt ot h ec o m p o s i t es e q u e n c en e t w o r k t h ea r t i c l ep r o v i d e d t h i r t e e nf i g u r e so ff a u l tc o m p o s i t es e q u e n c en e t w o r ki nt h ed o u b l e - c i r c u i tl i n e ， t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o ra l lf a u l tt y p e si nt h ed o u b l e - c i r c u i tl i n es y s t e m b e c a u s et h e r ei st h ec o u p l i n gi nl i n et ol i n e ，t h eo p e r a t i o na n dt h ef a u l t l o c a t i o na r ei n f l u e n c e d t h ep a p e rd e d u c e dt h ei n d u c e df o r m u l a t i o no ft h e c o u p l i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a n da n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ec o u p l i n gt ot h e m e a s u r i n gi m p e d a n c ea n dt h eo v e r h a u l i n gc i r c u i t t h ea c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nf o r h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ep l a y s i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i np o w e rs y s t e m s e v e r a lk i n d so ft h ef a u l t l o e a t i o nm e t h o dw e r ei n t r o d u c e di nt h ea r t i c l ea n d w e r ec l a s s i f i e d w e a n a l y s e di nd e p t ht h ea d v a n t a g ea n dt h ep r o b l e mo fv a r i o u sk i n d so ft h ef a u l t l o c a t i o nm e t h o da n dp o i n t e do u tt h ea p p l i c a b l es c o p eo fe v e r yf a u l tl o c a t i o n m e t h o d t h ep a p e rd e s c r i b e sa na c c u r a t ef a u l tl o c a t i o n t e c h n i q u ef o rt h e d o u b l et r a n s m i s s i o nl i n e ，w h i c hu s e sp o s t f a u l tv o l t a g ea n dc u r r e n td e r i v e da t o n el i n et e r m i n a l s e v e r a lk i n d so ft y p i c a lf a u l tl o c a t i o nf o r m u l a ew e r e d e d u c e d t h em e t h o do ft h ef a u l tl o c a t i o nd o e s n ti n f l u e n c e db yt h es o u r c e i m p e d a n c e ，t h el o a dc u r r e n ta n dt h et r a n s i t i o nr e s i s t a n c e f i n a l l y , t h ep a p e r e n u m e r a t e da l li n s t a n c e ，t h ep s e a ds o f t w a r ew a su t i l i z e dt oc a r r yo nt h e a r t i f i c i a lt e s tt ot h ef a u l to fd o u b l e c i r c u i tl i n e t h ea r t i f i c i a lr e s u l tv e r i f i e d t h ee x a c t n e s so ft h em e t h o do ft h ef a u l tl o c a t i o ni nt h i st e x t k e y w o r d ：d o u b l et r a n s m i s s i o nl i n eo nt h es a m et o w e r ，f a u l ta n a l y s i s ，s i x 6 山东大学硕士学位论文 s e q u e n c en e t w o r k ，c o u p l i n g ，f a u l tl o c a t i o n 山东大学硕士学位论文 主要符号说明 应：电源电动势相量 口：电压相量 j ：电流相量 z ：阻抗 霄：电阻 m ：用在下标中表示m 侧电气量 ：用在下标中表示侧电气量 s ：用在下标中表示系统电气量 ，：用在下标中表示短路电气量 0 l ：口= 4 2 0 0 = - e j l z o o 三l + j 譬，对称分量因子 三：电感 c ：电容 j ：系统两侧电动势夹角 占：测距误差 q ：欧姆，电阻单位 砌：千米，距离单位 k v ：千伏，电压单位 爿：安培，电流单位 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 1 1 1 同杆并架双回线 1 绪论 过去，电力系统输电网络都是由单回传输线构成的，随着社会的发展、 电力负荷不断增大，现代电力系统的发展需要将大容量的电能输送到负荷 中心，同时用电侧对电网的输电能力提出了更高的要求，这就需要扩大电 网的规模，大量兴建高压输电线路以增大传输功率，加强系统之间的联系。 然而，电网规模的扩大，势必要增加传输线的数量，超高压线路要途经人 口居住区和原始森林，就得进行人口搬迁、砍伐森林，占用更多的出线走 廊，花费巨大的人力物力，而同杆并架双回( 多回) 线的出现很好地缓解 了这个矛盾 1 l c l ”。 提高单位线路走廊宽度的输电能力是许多国家共同面临的问题。七十 年代初开始，美国、巴西、意大利、苏联等国在使线路紧凑化方面做了大 量的工作，目的是在不提高输电电压等级条件下，提高现有三相线路的输 电能力和节约线路走廊占地，大幅度提高单位走廊宽度的利用率1 2 】，同 杆双回输电线路正是在这样的形势下应运而生的。超高压同杆双回传输线 具有输送能力大，稳定储备高，工程造价低，出线走廊宽度小，占地面积 少，建设周期短等优点，这种输电方式不仅可以大大降低电网的固定投资， 而且可以提高电网输电的安全性与稳定性，满足现代社会对电能质量越来 越高的要求，可以说双回甚至多回输电线路己经成为目前3 3 0 k v 以上主 干网架发展的重要选择。 同杆双回线路与两个单回线路相比，在工程造价和线路走廊宽度方面 具有重大经济效益。具体的来说，线路通过一般地区，两边相导线在最大 计算风偏情况下与附近建筑物间应保持电气安全距离：通过林区时，走廊 9 山东大学硕士学位论文 净宽度应不小于线路宽度加林区主要树种高度的两倍，按满足上述2 个基 本条件估计，3 3 0 k v 、5 5 0 k v 单回路走廊宽度分别为4 5 5 0 m 、5 5 6 0 m 两条单回路之和达9 0 1 0 0 m 和1 1 0 1 2 0 m l 。上述数值的大小与导线排 列方式、塔型及档距等设计条件有关。就此而言。同塔双回代替两个单回， 走廊宽度可以缩小接近一半，这对于土地昂贵、走廊紧缺的地区，无疑具 有明显的经济效益和社会效益o i 。 例如在我国华东、东北、华中等地，一批5 0 0 k v 同杆双回线路相继投 入建设，并已有部分线段投入运行。伊敏至冯屯5 0 0 k v 线路，通过大兴安 岭林区1 9 2 k m ，初设审定两条单回路，后因砍伐大批森林，工程受阻，经 有关单位协调研究，决定改为同杆双回路，节省走廊费用上亿元，工程顺 利实施：四川二滩送出至自蓉段l8 l k m 线路，也选用同杆双回路方案，减 轻了走廊清理难度，节省投资2 7 0 0 万元；扬州二厂至江都、嘉兴至王店及 上海环网的浦东段，阳城至淮阴的跨三区四省的多回路输电工程，也采用 同杆双回输电线路，同样取得了经济效益。 1 , 1 2 国内外同杆并架双回线的应用现状 国外如苏联、加拿大、澳大利亚及北欧、拉美和南亚的一些国家，多 采用单回路；日本，西欧地少人多，同塔双回或多回则普遍采用；近年来， 美国在路径困难的地区，5 0 0 k v 同塔双回路也越来越多。智利，由于国土 形状比较狭长，不易建设面积大的环形电网，因此，2 2 5 k v 电网全部采用 双回线。日本，由于国土面积小，负荷密度相对较大，为了节约电力建设 用地，提高供电可靠性，也普遍采用双回线。 国内川渝电网的洪龙双回线是我国第一条全线同杆并架的5 0 0 k v 线 路，全长l8 0 k m 。作为我国发展战略的西电东送工程之一“j 1 i 电东送”，国 家电力公司在2 0 0 3 年建成重庆经万州至三峡的第二条5 0 0 千伏输电线路， 形成“川电东送”全线双回线的输电通道，增大了“川电东送”的能力。 三峡输变电工程中，郑州西至新乡5 0 0 k m 输电线路2 5 5 k i n ，龙泉换流站 至荆门5 0 0 k m 输电线路2 8 0 k i n 等均为双回线架设。浙江总长9 2 k m 的5 0 0 干伏诸瓶线双回线也将全部完工，这将大大提高浙中地区电网的安全可靠 i o 山东大学硕士学位论文 运行水平，并为该地区的电力输送提供保障。其他省市也大量应用了双回 线，这里不再赘述。 双回线的大量应用促成了继电保护的发展，由于存在跨线故障，国内 外双回线保护通常采用的方法有：依靠纵序动作实现正确选相、采用分帽 信号传输的高频距离保护、分相电流差动保护，也有配合重合闸实现保护 的，针对双回线故障选择合理的跳闸和重合闸方式。如a b b 公司生产的 r e l 5 0 0 系列保护装置和t o s h i b a 公司生产的g r l 1 0 0 保护装置。中压 双回线电网中，普遍装设横联保护，例如国电自动化研究院生产的i s a 型 微机横差保护，在东北电网中运行良好。光宇国际集团生产的 w x h 3 2 7 a 0 1 微机线路横差保护装置为1 1 0 k v 及以下电压等级的平行双 回线提供了完善的主保护与后备保护。北京四方公司开发了光纤电流纵差 保护，2 0 0 2 年又研制成功了c s l 1 0 1 d 型保护，使长期以来我国用于同杆 并架双回线路保护品种较少的状况得以改变。中国电力科学研究院研制的 w f l 2 0 1 0 输电线路故障测距装置基于行波原理，利用先进的小波变换技术 分析输电线路故障时产生的行波信号，具有自动识别故障线路的能力，测 距精度不受线路互感等因素的影响，应用于国内多条双回线路，其中包括 我国第一条全线同杆并架的5 0 0 k v 洪龙双回线i 扪。 总的来说，电网的建设越来越多地从经济和环保出发，由初期的租放 发展，到现在的可持续发展，特别是同杆并架双回线的推广应用列入“十 五”计划后，使得人们越来越重视双回线的建设。 1 2 研究背景及研究意义 1 2 1 研究背景 双回线继电保护的应用必须以故障分析理论为依据，分析双回线故障 时由于存在线同互感和跨线故障，电流、电压等电气量呈现不同的特点， 这样，不同的故障情况就应配置不同的保护。电力系统一般为对称系统， 对于不对称故障和负荷引起的不对称，有文献提出了用模分量计算同杆双 回线故障的方法【1 2 1 ，模分量实际上就是对称分量法在多导线系统的推广， 其理论是将线路电压和电流经转换矩阵变成模分量，各模分量之间是独立 山东大学硕士学位论文 的。针对同杆双回线的故障判定，国内曾有人提出用六序复合序网法计算 同杆双回线各种断线故障和短路故障的方法”1 ，并分析了同卡t 双回线各种 故障的电流特点，找到了各种故障电流特征的区别。为新型的同杆双回线 保护提供了理论依据p i 。人工智能迄今己经有4 0 年的历史，其在复杂科 学问题领域的应用非常广泛，而神经网络作为它的重要分支，因为具有强 大的模式识别和按变化的环境自适应调节的功能，而广泛应用在电力系统 故障诊断、自适应保护、模式识别等领域。曾有人把神经网络理论中最基 础的，也是应用最广的b p 算法应用于同杆双回线故障诊断研究，设计了 一套神经网络模型l 1 嘲。k o h o n e n 神经网络也是神经网络的一种，它可以 根据输入训练样本自适应、自组织地逐渐收敛到样本空间的子集中心，特 别适用于分析不知道其内部联系的数据，实现对输入信号的分类。具体地 说，k o h o n e n 神经网络可以根据双回线的各种参数的组合来进行故障模式 识别”。 1 2 2 双回线保护的研究现状 同杆双回线存在跨线故障，另外不止相间存在互感而且双回线间也存 在互感，使得故障特征变得复杂，因此这种输电方式在带来经济效益的同 时也给电力系统继电保护提出了新的挑战和要求。随着电力系统的发展 和对安全运行要求的进一步提高，继电保护必须紧跟这种变化才可以满足 实际要求，所以双回线的继电保护就应该采取不同于单回线的保护方式， 主要有以下几种： 分相电流差动保护，它按相进行两侧电流幅值及相位的比较，各相均 能判别本相的内部故障和外部故障，对于同杆双回线末端发生跨线故障， 也能选出故障相，线路两侧同时按相切除故障相这种保护具有原理简单、 不需要p t 输入、不受系统振荡及负荷的影响、对全相和非全相运行中的 故障均能正确选相并跳闸等优点。对于超高压长线路，相与相之间和相与 地之间存在的分布电容不能忽略，且等值容抗由于线路长而减小，因此， 分相电流差动保护就要考虑电容电流的补偿问题。 相继速动保护，相继速动保护通常是在单回线路距离保护的基础上， 1 2 山东大学硕士学位论文 增加一些新的功能，实现相继速动。相继速动保护保留了距离保护的独立 性它的优点是经济、维护方便。 距离纵联保护，主要是为了解决双回线装设传统距离保护的情况下， 在线路末端发生两非同名相跨线故障时，两回线保护均判断为相问故障而 同时切除三相的问题。 横联差动保护，优点是不需要通道、构成及运行维护简单，缺点是存 在相继动作区、单回线运行时保护退出运行，在双回线发生同名相跨线故 障时拒动1 3 9 1 。 另外还有双回线的自适应保护1 5 2 1 、利用继电保护装置的自动重合闸功 能实现双回线的保护等。 1 2 3 双回线故障特征分析及测距研究的意义 同杆双回线的故障类型共有1 2 0 种，其中接地故障有6 3 种，非接地 故障有5 7 种：单回线故障有2 2 种，跨线故障有9 8 种，跨线故障约占全 部故障的8 2 1 1 1 ，由于双回线结构的特殊性以及零序互感等因素，使得用 于单回线的距离保护受到严重的影响，不能正确反映故障类型和距离，给 传统保护的故障选相及定位带来了困难，这就要求应用更好的理论和方法 来解决这个问题。在设计一种故障定位方法之前，首先要搞清楚故障特征， 进而针对故障时电气量的这些特征来进行故障识别和测距。同样地，要对 双回线故障进行测距，首先要搞清楚双回线发生故障时的故障特征，这就 使得双回线故障特征分析显得尤为重要，因而选择更好的理论应用于双回 线故障特征分析，以便更简单地区分故障，解决耦合互感和跨线故障的影 响，对双回线继电保护的研究有着重要的意义。 故障测距就是指故障后对故障点位置进行定位，为快速排障提供可靠 的信息。电力系统的任何地方都可能发生故障，而最易发生故障的地方就 是高压和超高压输电线，高压输电线路是电力系统的命脉，其故障直接威 胁电力系统的安全运行，由运行经验统计表明，它是系统中故障率最高的 设备。这是由它们所处的运行环境决定的，因为高压和超高压输电线路输 电距离长，所穿越地区的地形往往比较复杂，运行环境较为恶劣，输电线 ! 山东大学硕士学位论文 路有时还会因雷电等过电压引起闪络，或者树木及鸟类造成导体与导体之 问、导体与地之间的短时接触，形成瞬时故障。 输电线路发生故障后，单纯依靠人工全线检查故障是困难并且费时 的，虽然现在的重合闸技术可以保证电网的继续稳定运行，但是故障线路 却可能已经留下损伤。故障隐患这类损伤如果可以尽早的排查出来就可以 避免永久故障的发生，但这种瞬时性故障发生后，故障点却往往无明显的 破坏痕迹，这给排障带来极大的困难。如何确定输电线上故障点的位置是 电力运行人员历来考虑的问题。特别是近年来随着电源的开发，通过荒山 野岭的输电线路增加：另外，由于出现了超高压输电线路，采用了中性点 直接接地方式，对通信线的干扰问题趋于突出，使得对线路的巡视变得更 为困难了，这就使故障定位的方法更加受到重视，故障测距的结果就是查 找输电线路故障位置的重要依据。因此，故障定位技术得到了国内外专家 学者的关注。故障测距技术的应用，能大大缩短故障修复时问，减轻巡线 工人的劳动强度，提高劳动效率：同时还有助于分析故障原因，及时处理 瞬时性故障所造成的线路缺陷，发现绝缘薄弱点，减少重复性故障的几率， 防患于未然，此外一些新的算法对线路继电保护也具有相当大的参考价 值。 作为故障后快速查找故障位置的依据，故障定位直以来受到广大电 力工作者的重视，但由于目前的故障点测距装置均是为单回线故障定位而 设计的，在用于双回线时暴露出许多问题，测距结果很难保证线路故障点 在短时间内定位。同时除准确定位外还要求输电线路测距装置具有经济 性、实用性和极高的运行可靠性，所以正确地建立双回线线路模型，并考 虑测量电气量和测量手段，有效地降低硬件装置造价已成为现代电网在线 路故障中得到快速恢复的关键所在。经过几十年的研究和改进，电力系统 故障测距技术已日趋完善，双回输电线路在实际运行中越来越多地投入使 用，其特殊性使继电保护出现了一些新的问题j 。对于同杆双回输电线路 特殊的运行方式，必须在适合的线路模型下才能找到可靠的准确测距算 法，而目前新技术的发展和计算机速度的提高又为测距算法提供了实现的 可能，满足了快速排除故障的要求 随着计算机技术在电力系统中的广泛应用，微处理器的高性能化和普 1 4 山东大学硕士学位论文 及，以及新技术如d s p 技术、光纤技术等的投入使用，给故障测距技术丌 辟了新的天地，电力输电线路有关双回线的故障测距技术的研究也呈现出 新的热潮。从最初的粗略估计到目前最先进的利用线路小日j 隔点装设传感 器，从物理上就可达到精确定位的方法，故障测距正向着可靠、准确、方 便的方向不断发展，并迫切希望提高输电线路故障定位装置的精度。因此， 精确的故障定位技术，既可以节省巡线时间，快速恢复供电，又可以减少 停电带来的经济损失，具有很高的经济效益和实用价值胛l 。 1 3 本文所做主要工作 ( 1 ) 总结了同杆并架双回线的特点和国内外应用现状，并对双回线继 电保护的应用作了简单的介绍，综述了本课题的研究现状，分析了它的研 究意义和价值。 ( 2 ) 介绍了几种双回线故障分析的理论，总结了其优缺点。由于同杆 双回线发生故障时两回线之间存在耦合互感，本文提出了一种六相系统解 耦的故障分析方法，利用此方法将六相系统解耦为两个独立的三相系统， 消去了线间互感，再对这两个独立的三相系统分别建立正、负、零序网络， 构成六序网络，以计算其不对称短路。 ( 3 ) 在上述故障分析的基础上，利用各种故障的边界条件，推导出双 回线各种类型故障的复合序网，从而得出了双回线故障的各种故障特征。 分析了线间互感和跨线故障对双回输电系统的影响，比较了与单回输电线 的不同。 ( 4 ) 推导出同杆双回线线间耦合电压、电流的感应公式，分析了电磁 耦合的存在对测量阻抗的影响。计算出双回线一回路停运检修时，另一回 路在正常运行和发生故障两种情况下在检修回路上的耦合电压和耦合电 流。 ( 5 ) 本文针对同杆并架双回线的特点，利用单侧信息，基于故障分量 法，推导出双回线非跨线和跨线故障的测距算法，并设法消除了负荷电流、 过渡电阻和系统阻抗参数对测距精度的影响。最后，通过p s c a d 软件进 行了仿真，利用m a t l a b 进行了测距计算，验证了本文测距方法的正确性。 山东大学硕士学位论文 同杆双回线故障分析理论 2 1 同杆双回线故障分析理论的发展 关于同杆双回线故障分析计算的研究早在8 0 年代已经开始，在电力 系统广泛使用的对称分量法就是一种模变换。由于对称分量变换矩阵是复 数，只适用于稳态电气量的分析，因此还提出了多种实系数的模变换如 c l a r k 、k a r r a n b a u e r 变换i i l 】等。随着同杆双回线路越来越多的采用，基于 双回线的耦合变换研究慢慢展开，由于并架双回线回路之间存在耦合，基 于单回三相系统的模变换方式己经不再适用【“。有人提出了同反序理论分 析同杆双回线路故障1 5 1 ，其实这也是模分量的一个特例，实质就是将两回 线的对称分量分解为同序量和反序量，即六序分量，六序分量之间没有互 感，然后结合故障边界条件求解故障时的电气量。利用模分量法或六序分 量法计算同杆双回路的故障对，方法简单、概念清晰，具有对称分量法类 似的忧点。以上方法的局限性在于假定了各回线路的参数以及线路之间的 耦合系数完全相同，在实际系统中上述假设并不一定成立，另外，在有的 应用场合( 如暂态计算) ，复系数的对称分量变换就不适用了，需要其它 的实系数变换。针对同杆双回线的故障判定，国内曾有人提出用六序复合 序网法计算同杆双回线各种断线故障和短路故障的方法，并分析了同杆双 回线各种故障的电流特点，找到了各种故障电流特征的区别，为新型的同 杆双回路保护提供了理论依据，但其用于同杆双回线故障判定时由于判定 故障类型的判据较多，往往需要序电流量值和同反序相位关系组合判定才 能获得理想结果，过程比较复杂，耗时较长。 人工智能迄今己经有4 0 年的历史，是随着计算机技术的发展而兴起 的一门新学科，它包括模式识别、人工神经元网络、模糊理论等内容，其 在复杂科学问题领域的应用非常广泛，而神经网络作为它的重要分支，因 为具有强大的模式识别和按变化的环境自适应调节的功能，而广泛应用在 电力系统故障诊断、自适应保护】、模式识别等领域1 6 目l ”。曾有人把神经 1 6 山东大学硕士学位论文 网络理论中最基础的，也是应用最广的b p 算法应用于同杆双回线故障诊 断研究，设计了一套神经网络模型但结果并不理想，模型由两个神经 网络结构串联组成，每个神经网络的误判率较尚，并且要与人为对两神经 网络判定的结果楣综合才能获得相应结论，并未充分体现出神经网络判定 快速、准确、简单的优点 专家系统( e s ) 是人工智能领域的一个重要分支，己在很多学科中得到 应用。近几年来，研究较多的是将专家系统和人工神经元网络( a n n ) 结合 起来的故障诊断方法。e s 擅长逻辑推理和符号信息处理，能够有效地处 理启发式知识和利用专家经验，很适于处理故障诊断问题，但也有其缺点， 如知识获取困难、开发周期长、对复杂任务可能产生组合爆炸问题、容错 能力差且诊断速度慢等。a n n 是由众多的神经元广泛互连而成的网络。 它具有大规模并行分布处理能力、执行速度快、鲁棒性能好、学习功能强 等优点“。同样也有其缺点： a n n 不具有表达电网拓扑结构的能力， 般仅能用于具有固定接线方式的小规模电网。a n n 与符号数据库交互 的功能较弱。a n n 不擅长处理启发性知识。a n n 缺乏解释自身行为 和输出结果的能力。正是由于e s 和a n n 各有其优缺点，我们才将专家系 统和人工神经元网络结合起来，充分利用专家系统推理判断能力、知识表 达能力和人工神经元网络的学习功能，建造了神经网络专家系统 ( a n n e s ) 。目前，基于该理论的故障测距系统已处于试运行阶段。 2 2 同杆双回线系统模型 同杆双回线的优点是输送能力大，稳定储备高，工程造价低，出线走 廊宽度小，占地面积少，建设周期短。为了便于分析，本文选用最简单的 双回线运行系统，包含两条回路，分别为i 回线和回线，采用双侧电源 供电，其他复杂情况可以用相似的方法来进行分析，所研究的双回线系统 如图2 1 所示： 1 7 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 双回线系统图 为了显示出电气量和输电线的各个参数，将系统化为以下双回线线路 模型形式： m ， 一l ) z 一| j 一。 ) 乙 一 。 一， 图2 - 2 双回线线路模型 其中z 为每相线路的自阻抗；每回线的相间存在互感，相间互阻抗为 z p ；线间也存在互感，线间互阻抗为乙；( 乞，乇，五。，五五 五。) 为六相线路每一相的电流；对应地，( d 。，吨，0 d 。，0 珊，d 。) 为六相线路m 侧母线上每一相的电压。下面我们将以此系统为基础进行双 回线的故障分析。 2 3 同杆双回线系统的故障分析 根据同杆双回线系统的结构特点介绍了一种新型的计算方法；将其解 耦成两个相互独立的三相线路l 挣】f 2 ”，并分别对这两组三相线路采用不对称 故障的分析方法 2 1 1 ，利用故障的边界条件将其组成六序网络的复合序网， 该方法适用于双回线系统所有类型的故障分析。 2 3 i 六相输电线路的解耦 我们纵向看图2 2 的双回线输电线路，六相输电线路在其相问有条垂 直的对称轴，因而其阻抗阵和导纳阵的元素也具有相同的对称结构。1 9 l 【5 ”。 利用这种对称性可以构造一种新的元素模态矩阵，使其解祸成两个三相系 统。 山东大学硕士学位论文 令六帽电压和六相电流列向量为：p 】= 先分析电压量，定义两组新自置一素： 历模态电压： 1 。= ( 1 4 2 ) ( 乩十) 以，= ( 1 扬( + 巩) l 吼，= 0 b ( 巩+ 玩。) 其中1 2 为单位化因子； 拧模态电压： f 以。= ( 1 4 2 ) “一) = ( 1 1 - 1 2 ) ( 一) l 眈，= 0 1 4 2 ) ( “一) 令；陆万1 10 ol oo 10 0一l 0 o ol 00 lo o一1 0 o lo 0o l0 o1 o 0 lo 0一l 这样，模态电压写成矩阵形式有： 【】= ( 2 1 ) ( 2 2 ) 屯 厶 k ，。 仆 ，i k 1 9 o o l o 0 o o l o o l o l 0 o 0 o o o o l o o l o l o o o o 卜m一 压丁 = r矿 得逆求式上 阱 = i t 纠 ( 2 3 ) 枞 阱叫纠 协。， 这样就得出了转换后的模态电压表达式。同理，可以得到相应的模态 电流表达式： 瞎盯 ( 2 5 ) 在六相模式下，由图2 2 假设在保护范围内发生故障，考虑相间互感 和线f b j 互感，得线路方程为： 其中：【z 】= 0 , - - ( 2 6 ) 【z 】为六相线路的阻抗阵 ， 嘭 为故障点处的故障电压列向量。 因此2 6 式可写为： d = 【z 】 j + 嘭 ( 2 - 7 ) 口 芦 ， # ， l虬屯 乇k七kk缸 乙乙乙名乙z 乙乙乙乙石乙 乙乙乙刁互乙 乙乙乙弓乙弓 乙乙乙z乙磊 乙乙z乙乙乙 乙乙弓乙乙乙 乙彳乙乙乙乙 乙弓乙乙乙乙 互乙乙乙乙乙 弓乙乙乙乙乙 山东大学硕士学位论文 为了便于分析，假设同杆双回线上发生六相对称短路这样， u = 0 ， 式2 7 变为： v - - z 幻 所以z e m n 模态下有： p 妒】= p 】 z 1 【f 】= 口】【z 】p p r 1 口】 ( 2 8 ) 枞阱帅m m l 蹦 亿。， 其中m n 模态线路阻抗为： 吣i t m 1 - 降乏 ( 2 - 1 0 ) lz + 乙z _ + 乙乙+ 乙i 经计算得：乙= i 乙+ z pz f + 乙乙+ 乙l ( 2 - 1 1 b 。+ z pz 。+ zpz | + z z | 一z 。z m z p z p z 。 乙= lz 朋一z ，z j 一乙乙一z ，l ( 2 1 2 ) p p z 。z m + z pz 厂z 。3 由以上分析可以看出，通过模态的变换，6 6 阶的阻抗矩阵变为两个 独立的3 x 3 阶的矩阵，消去了线闻互感，这就表示原来的六相系统已经解 耦成两个独立的三相系统。 2 3 2 模态电量的对称分量变换 上节讨论了六相系统的解耦，将六相系统分成了两个独立的三相系 统，我们对这两个独立的三相系统可以分别建立正、负、零序网络以计算 其不对称短路。 对m 模态电压进行对称分量交换： 吒。 叱， - - k 】 ( 2 1 3 ) 瓤阱r t 豳 协 阱计圈 洳1 圈似 将2 一1 4 、2 1 6 两式写成矩阵形式得： 舅： = 1 ：。 舅 = 纠阳纠 c