（电气工程专业论文）同杆双回线准确故障定位技术在辽宁电网中的应用.pdf

大连理r 大学专业学位硕士学位论文 an e wf a u l tl o c a t i o na l g o r i t h mf o rd o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o n l i n e so nt h es a m et o w e ri nl i a o n i n ge l e c t r i cg r i d a b s t r a c t d o u b l e - c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e so nt h es a m et o w e ra lew i d e l yu s e di np o w e r t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns y s t e mm o r ea n dm o r ef o ri t se c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t y i t sf a u l tl o c a t i o na n dp r o t e c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d s b e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ea n dc o m p l i c a t e dc o u p l i n gb e t w e e nt w ol i n e s b a s e do nt h ep a p e r 4 4 ，4 5 】a n dl i a o n i n ge l e c t r i cg r i d ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ea c c u r a c y , e r r o ro ft h ea l g o r i t h m a n dt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gt h ea l g o r i t h m 1 1 1 ea l g o r i t h mm e n t i o n e di n t h i st h e s i si sj u s ta d a p t i v et os i n g l ep h a s e - t o - e a r t h 、t w op h a s e - t o - e a r t hi ns i n g l ec i r c u i ta n d a s s y m m e t r i cf a u l tt y p e sb e t w e e nt w oc i r c u i t s ，t h r e ep h a s e - t o e a r t hi ns i n g l ec i r c u i tc a n tb e s o l v e db yt h ea l g o r i t h m ，s ot h ea t pi sj u s tu s e f u li ns i m u l a t i o no fp h a s e - t o - e a l t hf a u l t t h e r e s u l ti n d i c a t e st h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m c o n s i d e r i n gk i n d so fa f f e c t i o n ， t h ea l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h en e e do ft h el o c a t i n go fl i a o n i n ge l e c t r i c 西d ，a n dh a st h ev a l u e o fp r o d u c t i n gd e v i c e k e yw o r d s ：d o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e so nt h es a m et o w e r ；f a u l tl o c a t i o n ：l i a o n i n g e l e c t r i c 妒d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 至搿曰目日期：盟 大连理工大学硕+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：受窒旦因 导师签名： 鲤丝毽。 哗年月上日 大连理工人学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1辽宁电网概述 辽宁电网供电面积1 4 7 5 万平方公里，供电人口4 2 9 8 万，2 0 0 7 年全社会用电量1 3 5 9 亿千瓦时。辽宁电网分别有3 条5 0 0 千伏线路和5 条2 2 0 千伏线路与吉林省电网连接， 另有2 条5 0 0 千伏线路和1 条2 2 0 千伏线路与内蒙东部电网连接，2 条5 0 0 千伏线路与 华北电网连接。 辽宁电网总装机容量2 2 1 6 万千瓦，火电2 0 6 1 万千瓦，水电8 5 5 万千瓦，风电7 9 万千瓦。统调发电厂2 8 座。全口径供电量1 1 2 2 1 5 亿千瓦时。售电量1 0 6 9 5 亿千瓦时。 省间联络线受电3 6 0 3 亿千瓦时。 辽宁电网境内5 0 0 k y 变电站1 3 座，5 0 0 k v 输电线路3 2 条，总长2 7 0 6 3 3 公里。2 2 0 k v 变电站1 7 6 座，2 2 0 k v 牵引站2 7 座，2 2 0 k v 输电线路4 1 5 条，总长1 1 1 8 7 7 1 公里。 图1 1 辽宁电网2 0 0 8 年地理接线图 大连理一l ：人学专业学位硕士学f ，论文 辽宁电网的主体由5 0 0 千伏和2 2 0 千伏两种电压等级的电网构成，5 0 0 千伏网架不 具备独立运行的条件，现阶段仍采用5 0 0 千伏和2 2 0 千伏两种电压等级电磁环网的运行 方式。辽宁电网分别有3 条5 0 0 千伏线路和5 条2 2 0 千伏线路与吉林省电网连接，另有 两条5 0 0 千伏线路和1 条2 2 0 千伏线路与内蒙东部电网( 赤峰地区) 连接，两条5 0 0 千 伏线路与华北电网连接。根据辽宁电网的电源、负荷布局及网络结构，可将辽宁电网分 为四个部分，即辽西系统、辽南系统、辽宁东部系统、辽宁中北部系统。 近几年由于电网规模的不断发展，电网技术的不断进步，辽宁电网在科学规划、科 学建设上做了大量的工作，也取得了不小的成绩。同杆架设导线共用杆塔，所需出线走 廊窄，减少线路征地，能够充分利用有限的走廊资源，同时具有建设速度快，输送能力 强，节省投资等优势。诸多优点使同杆架设导线成为今后辽宁电网线路建设的趋势。近 些年辽宁电网同杆架设线路的公里数也呈逐年上升的趋势，截止0 8 年末，全网共有1 0 余条线路为同杆架设，分别为5 0 0 k v 的庄金1 、2 线；2 2 0 k v 的铁繁东西线、张河甲乙线、 沙繁南北线、沙浑南北线、沙宁1 、2 线、沙于南北线、热顺甲乙线、繁大南北线、沈 虎甲乙线、辽李1 、2 线、沈平甲乙线、北平1 、2 线、林北1 、2 线、富台1 、2 线、太 富l 、2 线等，总长度超过1 0 0 0 公里。 1 2同杆双回线的应用及意义 同杆并架双回线路共用杆塔，所需出线走廊窄，能够充分利用有限的走廊资源，减 少占用土地的面积，同时具有建设速度快，输送能力强，节省投资等优势，能够很好地 满足现代电力系统对供电可靠性和大容量输电等要求，在国内外的输配电系统中得到了 广泛应用 1 , 1 7 o 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。日本绝大多数5 0 0 k v 线路及 新建1 l o o k v 线路均采用同杆双回线路。我国2 2 0 k v 系统中双回线也占有一定的比例， 3 3 0 k v 、5 0 0 k v 系统也已建成同杆并架双回线，并正在得到更大的推广。辽宁电网本着科 学发展的理念，对同杆架设导线投入逐年增大。电网规划也由从前的杂乱无章逐渐向科 学规划转变。同杆架设导线，现已分布在辽宁电网的各个电压等级，全长超过1 0 0 0 公 里，并且公里数还在逐年增加。 同杆双回( 多回) 输电线路已经成为目前2 2 0 k v 以上主干网架发展的必然选择。但 随着电力系统的发展和对安全运行要求的进一步提高，这种输电方式也给电力系统继电 大连理 大学专业学位硕十学位论文 保护提出了新的挑战和要求。作为故障后快速查找故障位置的依据，故障定位一直是继 电保护的重要内容之一，对于同杆双回( 多回) 输电线路特殊的运行方式，由于线路间 存在耦合，其故障定位要比一般的运行线路复杂得多，在辽宁电网中其故障测距的准确 性往往不尽如人意。 1 3 故障测距的作用及意义 高压和超高压输电线路担负着传送电能的重任，又是电网故障的多发部位，其故障 直接威胁现代电力系统的安全运行。而快速、准确的故障测距是查找输电线路故障点的 重要依据，可减轻巡线人员的负担，及时发现线路绝缘隐患，加速线路故障排除，尽快 恢复供电，从而提高电网运行的可靠性，减少因停电造成的经济损失，也是从技术上保 证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一n j 羽。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。 1 4 故障测距方法的分类与概述 纵观各种故障测距方法，从方法原理的不同大致分为四类：故障分析法( 包括阻抗 法) 、行波法、电压法和智能化方法；从测距算法所获取电气量来源的不同可分为两类： 单端法和多端法( 包括双端法) 。 1 4 1 故障分析法 阻抗算法是建立在工频电气量基础之上的故障测距方法，基本原理类似于距离保 护。它通过求解以差分或微分形式表示的电压平衡方程，计算出测距端与故障点之间的 线路阻抗( 这个阻抗值反映了故障距离) ，再从中折算出故障距离。不论使用单端法还 是双端法，由于受互感器误差特性和过渡阻抗等因素的影响，这种算法大多需要建立一 种或几种相关的简化假设条件，最经常的是不考虑分布电容而采用集中参数模型眵刮，这 些假设经常会给测距带来很大的误差。所以阻抗算法往往不能满足故障测距的精度要 求。 一般的故障分析测距算法是根据电路故障分析理论得到测距所需的一组或几组方 程，对记录下来的故障电压、电流量进行分析和数学计算，从中求出测距端至故障点的 距离。故障分析法中多使用工频相量，也有使用瞬时值直接求解微分方程口”或先对微分 方程进行积分再求解的。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 基于工频量的故障测距方法简单、经济、易于实现，在电力系统中得到了广泛的应 用。早期的基于工频量的故障测距方法或是通过电磁式或静态式电子器件构成的装置来 实现，或是利用当时模拟式故障录波器记录下来的电量波形，由运行人员从故障波图上 读取电压、电流的量值，经过分析计算，求得故障距离。早期的这些方法，测距精度较 差，也不可靠。随着计算机技术在电力系统中的应用与投入使用，为基于工频量的故障 测距技术提供了新的发展机会，使其测距精度和可靠性都有所提高。微机式自动装置不 但可以准确的记录存储故障时的各电气量的数值，而且还具有强大的计算分析能力。利 用装置提供的条件，基于工频量的故障测距算法完全可以用软件来实现，而无需任何硬 件投入。这一优点使基于工频量的故障测距方法的研究成为目前最热门的课题之一。 根据使用的系统信息不同，又可把基于工频量的测距方法分为单端测距法和双端测 距法。 一、单端测距法 单端测距算法仅使用本端装置测到的电压、电流量和必要的系统参数来计算故障距 离睁1 5 3 。由于只使用本侧信息，实现起来简单方便，使单端测距法得到了广泛的应用。 但另一方面，以前的算法由于没法消除对侧系统对故障支路的电流助增作用，想要求解 故障距离，或者利用双回线输电发生单线故障时另一回线可以传输对端系统信息来解决 非跨线故障问题，如文献 8 - 1 0 2 ，这使算法只能局限于单线内部故障情况；或者假设对 端的运行状况已知，如文献 1 1 1 3 ；或者利用非全线故障时健全线路获得对对端的估 计，如文献 1 4 - 1 5 。这些假设情况导致了测距精度受到许多客观因素的影响。单端测 距方法受到了国内外许多学者的大量研究，都试图使用这一简单经济的方法，有精度更 高、更可靠的测距结果。纵观中外学者在这方面的关于测距的文献，可以得到以下一些 典型的算法： 1 早期提出的牛顿一拉夫逊方法、傅里叶级数算法以及最小二乘估计等，它们都是 计算故障阻抗得到故障距离。但都未能消除过渡电阻的影响，测距精度不高。后来人们 对此进行改进，通过检测工频电气量的过零点来消除过渡电阻的影响，此法原理简单， 但是不易实现，测距精度无明显改善。 2 基于r - l 模型的解微分方程算法。根据电压、电流微分方程，利用两个不同时刻 的采样值便可获得两个独立的方程，从而解出故障回路的r 和l ，并进一步求出故障距 离。其优点是响应时问短，可兼作保护和测距。 3 根据测量端基频相量电压方程，假定故障时测量端短路电流故障分量与故障支路 火连珂 = 大学专业学位硕士学位论文 电流相同，求解故障回路电抗或直接解出故障距离的一类方法。 4 f o u r i e r 和l a p l a c e 变换法。这类方法也是假定测量电流和故障支路的总电流同 相位，利用傅氏变换或拉氏变换，将时域量转换到频域进行分析。 以上这几种方法，都是假设测量端电流和故障支路电流同相，来达到消除过渡电阻 的目的，以准确求解故障距离。然而这一假设并不符合实际系统情况，其测距结果都要 受到故障过渡电阻及系统运行方式的影响。在这些方法的基础上，加以改进又有了许多 新的算法被提出。 5 迭代法。这类方法是从求解故障距离的数学方法得名的，它们从分析故障时系统 序网结构入手，根据故障边界条件，得出测量端某类短路电流与故障支路同类电流之间 或它们相角之间的关系，再与测量端电压方程构成方程组，用迭代法求解出故障电抗或 直接求解故障距离。这类方法有故障电流相位修正法，故障电流修正法，电流分布系数 修正法，零序电流相位修正的解微分方程法等。 6 解一元二次方程法。这类方法和迭代法基本原理相同，通过分析故障时系统序网 结构和故障边界条件，得出测量端某类短路电流和故障点同类电流之间的关系式，再代 入测量端电压方程，得出关于故障距离的一元二次方程。 这两类方法是目前比较成熟的单端测距算法，理论上这两类方法可以消除过渡电阻 的影响，若采用纯故障分量计算还可以消除负荷电流的影响。它们的测距精度较前几种 方法有较大的提高，因此得到了广泛的应用。 值得一提的是，以上的算法可以说是单回线运行系统中算法在双回线中的推广使 用，限于算法本身的限制使这些方法无法精确考虑同杆双回线两线之间的电磁联系，因 此无法实现精确故障测距。利用精确分布参数模型或并联电容型等效网络研究超高压 长线的单端故障测距方法比较简单，但可得到精确的测距结果，值得进一步的深入研究， 以使其测距形式趋于简单，并形成一套完整成熟的测距算法。考虑到同杆双回线的独特 线路结构和两回线之间存在的联系，将其作为一个统一的研究对象，从中采集多种故障 信息进行处理，才是一条正确的途径。 二、双端测距法 这类方法使用线路双端电气量实现故障测距n 3 。从原理上来讲，双端测距算法完 全可以消除过渡电阻的影响，做到精确测距。但它必须使用传输通道传输线路两端的信 息n 6 删，有的算法还需要线路两端的数据是完全同步的，就还需要解决数据同步的问题 大连理1 ：大学专业学位硕 ：学位沦文 啪稍3 。双端信息的采用，大大方便了故障定位的研究。即使只有对端电流相的引入就可 使测距原理简单很多，再利用d s p 技术可以使双端采集数据保持高度一致，测距算法就 可以做到几乎无误差的故障定位了。双端法使信息量大大增加，方程数目有足够的冗余 度，可完全消除过渡阻抗对测距精度的影响，不受故障类型和系统阻抗的影响，提高了 对系统运行方式的适应性，能够保证较高的测距精度。但它不免会带来其它问题，一是 需增加通信通道来传递对端信息，装置需要更多的模拟和数字通道，这增加了硬件方面 的投入；二是双端数据采样的不完全同步会带来新的误差。 采用双端电气量进行的测距算法一般又可以分为以下两类： 1 线路两端数据不需同步。 这类方案在不需要数据同步的同时，也带来了预测双端角度差或者两端数据同步化 的问题，一般误差或者计算量就由此而生。如果以两端采集数据推向故障点获得故障点 的两个电压作为测距的判据，如参考文献 2 6 ，2 7 ，只是这类算法一般对系统两端数据 采取同步化处理，这个过程是在最终的解定位方程过程中采用叠代方式以逐步逼近的方 式实现的。为消除直接利用双回线的线路方程得到故障点处电气量所带来的计算量，可 以利用相序变换达到简化的目的，如文献 1 4 ，2 4 ，2 5 。也可以只利用某一序分量具有的 可以消除系统阻抗的优势得到仅用该序量的方法得到判据方程，可以简化计算量，易以 实现，如文献 1 6 ，或者为了消除系统带来的误差，采用序分量中的反向负分量，如文 献 2 4 ，2 5 。 2 线路两端数据必须严格同步。 这类方法往往因为具有充分的已知数据而在物理意义上显得很直观，容易被大家理 解接收。其实第1 类算法中，如果双端数据是真实可靠的由g s p 加于同步的话，1 类算 法完全可以作为第2 类算法来运用。实际上，目前的同步算法在基本算法上还没有脱离 第1 类算法的思路，它们得以发展完全是由于其它技术的发展带来的信息的便捷化。 完全同步化的算法依赖于现代通讯技术，因此它的测距误差就依赖于通讯质量，只 要数据在小范围内做不到同步处理的话就有可能使最终测距有很大误差。因此降低通讯 费用是一方面，测距的稳定性也是考虑是否需要推广双端完全同步新算法的一个因素。 1 4 2 行波法 早在上个世纪的四十年代末国外就开始了行波测距的研究，由于当时对行波传输理 论的认识还比较肤浅，且行波信号的提取和处理受到当时技术条件的限制，行波法没有 得到广泛的使用，随着微电子技术的迅猛发展，常规电流互感器可传变高频信号的发现 大连理f ：大学专业学位硕士学绒论文 以及新的数学工具一小波理论的应用，为行波测距的实用化奠定了理论和物质基础。 行波测距法基本原理是根据行波传输理论，暂态行波信号在线路上有比较稳定的传 播速度，且测量到的传播时间不受过渡电阻、线路结构、系统阻抗等因素的影响，因此， 可以通过测量暂态行波信号有故障点到母线处的传播时间来实现故障测距。行波装置可 分为a ，b c 型三种，a 型是根据故障点所产生的行波，从测量点到故障点往返一次的 时间和行波波速确定故障点的距离。该类测距仪比较简单，但可靠性差。实际中往往无 法区分系统其它不连续点的反射与所需的故障点的反射。b 型装置是借助于线路两端之 间的通讯联系，比较故障点产生的行波到达线路两端的时间。由于b 型测距仪是利用故 障点产生的行波第一次到达两端的信息，因此不受故障点透射波的影响，实现起来简单 可靠。但是它同样要求线路两侧有通讯通道联系。c 型测距装置是故障发生后由装置发 射高压高频或支流脉冲，根据高频脉冲从装置到故障点往返时间进行测距。c 型装置原 理简单，测距精度也高，但是要附加高压脉冲信号发生器部件，比较复杂和昂贵，真正 实现起来存在很大的困难。近年来，c 型测距仪已经很少得到使用。现代行波法是早期 a 型测距仪的发展，它利用记录下的暂态行波信号，借助计算机通过特定算法计算故障 距离，现代行波法也是近年来故障测距研究的热点之一，如参考文献 3 7 ，3 8 j ，另一方 面，新的理论如小波理论引入行波测距技术也为该类测距算法提供了新的天地，如参考 文献 3 9 。 利用行波实现故障测距的主要优点是构成简单、容易实现。这种方法可仅利用故障 生成的电流暂态分量进行测距，不但能提高测距系统对系统运行方式的适应能力，还能 节省装置的输入通道，也无需增加新成本。所存在的问题有：电流行波无方向性，无 法区别所检测到的电流行波是来自故障点的行波还是来自与故障线路接于同一母线的 其它线路( 相邻母线) 的行波，从而可能导致测距失败。行波信号是高频信号，易于和 噪声干扰相混淆，造成检测困难。相应的行波故障测距算法还不很完善。这些因素又 制约了利用电流行波故障测距的理论和技术的发展。 1 4 3 电压测距法 电压测距法的基本原理是：在输电线路上发生短路故障时，故障点处的电压有最小 值，因此可以利用电力系统行波的贝瑞隆法( 电报方程) 求出故障后线路上各点电压分 布，把电压最低点作为故障点，从而确定出故障距离，如参考文献 4 0 。这类方法计算 负担重，且受过渡电阻影响大，从仿真结果来看，测距结果不尽人意。当线路分段过细 时，计算误差会湮没真实结果，而且最低电压对应一个较大距离范围而不是确定的一点。 因此这类方法没有在实际中得到应用。 人连理r 大学专业：位硕+ 学位论文 1 4 4 智能化测距方法 近些年相关文献资料中引入智能理论的算法研究越来越多，其中神经网络和模糊理 论方法更是频仍。各种智能技术之间的交叉结合，如模糊专家系统、模糊神经网络、神 经网络专家系统等也相继出炉，但大多数尚处于研究阶段，还有赖于各种智能技术的发 展与成熟。相关学科的成果如小波变换、优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、 概率与统计决策方法等也被引入到故障测距的研究中。这些研究大部分也尚处于开发立 论阶段。 神经网络具有很强的自适应性和自学习性，利用神经网络对输入向量的分析和推 理，进而实现计算、记忆、联想、识别等功能以及模糊理论对不确定事件的分析、推理 能力，可望对故障测距问题提供有效的解决方案。文献 4 1 提出了基于分层分布式a n n 模型来实现输电线路的故障测距功能的新方法，为高压输电线路的故障测距开辟了新途 径。文献 1 8 提出了基于模糊理论的单回线单端故障测距新方法，但存在伪根问题，并 且测距精度还有待进一步提高。文献 4 2 提出一种应用模糊神经网络进行线路故障测距 的新方法，该方法具有较强的自适应和抗干扰能力。 1 5 影响测距算法精度的主要因素 影响线路故障测距算法精度的因素很多，其中影响较大的有短路点过渡电阻、负荷 电流、对端系统阻抗参数的变化、超高压长距离输电系统中线路分布电容等因素。 1 5 1短路点过渡电阻的影响 输电线路发生纯金属性故障的概率很小，而绝大部分的故障在故障点都存在过渡电 阻。相间短路情况下，过渡电阻只是故障相之间的电弧电阻，其数值一般不超过0 5q ， 对故障测距精度影响较小。接地短路时，由于存在杆塔接地电阻( 一般可达1 0 q 左右) ， 而当线路经媒介物如树木接地时，过渡电阻有可能达到数百欧，对故障测距精度影响很 大，并且是很多准确测距算法的最主要的因素。 为了说明过渡电阻的影响，以阻抗法测距算法中过渡电阻对测距精度的影响为例说 明。如图1 2 中给出了一个简化的双电源单相网络，在线路f 点发生经过过渡电阻r g 的接地短路示意。 人连理t 大学专业学位硕士学位论文 图1 2 线路经过渡电阻接地短路示意图 假设线路m 端装有按照阻抗法原理实现的故障测距装置，则m 端测量到的感受阻抗 可以表示为： 乙2 等- - z - x + ( 1 + 百i f 船= z 一，+ 应 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中z 1 为线路单位长度的阻抗 由式( 1 1 ) 可见，当r 。0 时，a z 0 ，m 端故障测距仪不能准确反映故障距离，并且 r g 越大，误差越大。 1 5 2 负荷电流的影响 负荷电流是由两侧电源电势的相角差产生的，如图1 2 中的电势瓦，瓦并不是同 相位的，从而对应的电流屯，l 相位也不同，由式( 1 1 ) 可见，附加阻抗z 中既有电阻 分量，又有电抗分量，并且l 超前l 时z 为容性，反之当l 滞后l 时z 为感性， 且当相角差越大的时候，电抗分量也越大，从而破坏了测量阻抗正比于故障距离的关系， 造成测距误差。 1 5 3 对端系统阻抗参数变化对测距的影响 有些利用单端实时数据实现准确测距的算法需要知道对端系统阻抗参数量，因此最 后的定位方程中包含了对端系统参数。由于实际的系统运行方式是经常变化的，利用线 路一端的电气量又不可能实时的准确计算出对端的系统阻抗，这时候利用预估计的参数 来计算故障点，必然带来误差，从而造成测距误差。 即使双端数据完全同步，有些方法由于采用的模型中包含两端电源的系统阻抗，而 这些系统阻抗在实际计算时为了减小计算量直接以某种方式运行下的实测数据代替，当 发生故障与实验条件不符时必然会造成测距误差。 1 5 4 线路分布电容对测距的影响 高压输电线路的分布电容在暂态过程中会引起高频分量，稳态过程中将使输电线的 电流和电压大小及相位都产生畸变，这些均对故障测距的精度产生很大的影响，尤其是 在经过高阻接地时，分布电容的电流可能和故障电流相当，甚至有时在分布电容上的电 流之和大于故障电流，忽略分布电容上的电流情况必然在使用接地电流的算法中导致较 大的测距误差。而目前对于同杆双回线的测距算法最多仅仅考虑一回线相间的分布电容 人连理【大学专业学位硕士学f 节论文 影响，大多数算法只在集中参数模型下考虑线间的零序电感耦合，而很少有考虑线间分 布电容影响的测距算法。而参考目前实际投运的高压同杆双回线，有相当一部分是线间 距离和相间距离相当，甚至小于相间距离，这时线间的电磁耦合就更加紧密，不考虑线 间分布电容的故障定位算法就自然不能达到满意的测距精度。 此外，线路均匀换位或不均匀换位、线路参数测量是否准确、采样和基波分量的提 取等相关问题都会给测距结果带来影响。相对于不同的测距算法，各种因素的影响大小 不同。一种优秀的测距算法应该根据实际情况，能避免或尽量减小各种因素对测距结果 的影响。 1 6 课题的意义及价值 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，但随着同杆双回( 多 回) 输电线路在实际运行中越来越多的投入使用，同杆双回输电的特殊性n 1 3 1 使继电保 护出现了一些新的问题。目前许多已有的故障测距设备均是为单回线故障定位设计的， 用于双回线时暴露出许多问题，很难保证线路故障点在短时间内的准确定位n 引。对同杆 并架双回线路的故障测距研究相对还较少，且研究内容大多还处于算法研究和仿真阶 段，测距的精度也有待进一步提高，而在辽宁电网中，随着同杆双回线数目的不断增加， 其保护测距精度不够的问题也日益突出，所以需要寻求针对同杆双回线的更精确的测距 保护。如何寻找一种合理考虑分布电容、双回线的线间耦合的测距算法，是当前辽宁电 力公司亟待解决的一个课题。 文献 4 4 、4 5 提出了一种利用单端工频电流量的同杆双回线准确测距算法，算法考 虑了线间耦合和分布电容，不受过渡电阻、对端系统阻抗和负荷电流的影响，并且此算 法理论上不受电压和电流互感器的影响。无疑，此算法在实际应用中具有相当的优势。 1 7 本论文所做的工作 本文对各种主要的故障测距方法进行了探讨和分析，总结了各种方法的优缺点，并 在此基础上，得出了一些有益的结论。并针对辽宁电网的实际情况，对文献 4 4 、4 5 所 提出的算法与实际辽宁电网所发生同杆双回线故障的测距点进行比较，分析算法产生误 差的原因。 人连理工大学专业学位硕十学位论文 ( 1 ) 在参阅大量故障测距算法文献基础上，针对目前同杆双回线存在的主要问题和不足 进行了分析。 ( 2 ) 对文献 4 4 、4 5 所提出的精确考虑分布电容的线路模型，根据反序网络的特点和各 种故障类型的故障边界条件，基于同杆双叫线的分布参数模型和单端工频电流量的 故障测距算法在辽宁电网中实际应用的可能性进行分析和研究。 ( 3 ) 基于实际的系统数据，利用仿真工具a t p 对测距算法进行了全面详细的仿真验证。 仿真算例中考虑了故障类型、故障位置、故障过渡阻抗、反序电流分布系数和系统 运行方式对测距算法的影响。 ( 4 ) 针对实际系统中故障后所测电气量中包含了丰富的高频分量和直流分量，采用实际 线路中数据来源，对故障后暂态数据进行验证。 人连理【入学专业学位硕十学位论文 2基于同杆双回线的分布参数和单端工频电流量故障测距算法 简介 2 1 概述 同杆双回线具有传输容量大、出线走廊窄、节省投资等诸多优点，在国内外的输配 电系统中已被广泛采用，它能够很好地满足现代电力系统对供电可靠性和大容量输电等 要求。同杆并架双回线的特点是相间和线间都存在复杂的电感和电容耦合关系，可能发 生的故障类型包括跨线故障在内多达1 2 0 余种，因此研究同杆双回线的测距和保护工作 具有重要意义。 文献 4 4 、4 5 中，西安交通大学索南加乐老师等人提出一种基于分布参数线路模型 只利用单端电流量实现精确同杆双回线故障定位算法( 以下简称“反序算法 ) 。“反序 算法 首先建立了精确考虑分布电容的双回线线路模型，并采用六序故障分量的方法将 双回线故障网络解耦为包括同、反向量的六序分量。其中，反序故障分量网络中不包含 系统信息，两端母线的反序电压为零。文献中定义了反序电流、电压分布系数的概念， 来表征保护安装端的反序电流和故障点接地反序电流和电压的关系。 根据不同故障类型的故障边界条件，可以用六序分量变换得到序边界条件方程组， 选取其中和反序电流、电压相关的方程建立初始测距方程，并将测端反序电流通过反序 电流分布系数和反序电压系数的关系代入初始测距方程，最终就能得到仅含有故障距离 的测距方程。方程中的输入是测端的反序电流和线路反序参数，输出为故障距离。 2 2 同杆双回线的特点 同杆双回线具有传输容量大、出线走廊窄、节省投资等诸多优点，在国外的电力系 统中已被广泛采用，国内也有不少中高压双回输电线路运行。但由于同杆双回线线间也 存在耦合关系，使得双回线的保护及测距具有其特殊性，其故障类型包括单回线故障、 跨线故障在内，多达1 2 0 余种，故障分类如图2 1 所示。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 同 杆 双 回 线 故 障 分 类 接地 非同名相跨线 两相跨线( 例i b i i c - - - g 等) 四相跨线 三相跨线 厂二二跨线( 例i a b i i b c - - g 等) i 一三跨线( 例i a i i a b c - g 等) r 对称跨线( 例i b c i i a - - g 等) j 超前跨线( 例i b c i i b - - g 等) 【落后跨线( 例i b c i i c - - g 等) 五相跨线( 例i a b i i a b c - g 等) 两相跨线( 例i a i i o g 等) 四相跨线( 例i b c i i b c - g 等) 六相跨线( 例l 忸c i i a b c g ) 单相跨线( 例i a g 等) 两相跨线( 例i b c _ g 等) 三相跨线( 例i a b c _ g 等) 不接地( 除无单回线的单相故障外，其它类型同上) 图2 1 同杆双回线故障分类 2 3“反序算法 故障测距算法原理简介 磊u bi l b 三r s l s i d r s 峰h u ci ic r s l s l r s l t 。5u l mc m 卜_ = = = ) 一、，、，、t 卜n i 亍uy 一“1 牛c s g s 垂一r s l s 峰h u i l c i n c r s l s 咖b “b亍u u 5 k - f = = = 丁_ _ - ，、，、_ ；二；_ 一一卜n ， 亍u u 5 r 一“ c = = 丁，v 、，、_ ；_ 千一， 牛c sog s mcm mgm r-、1【厂j1【 线 障 跨 故 相 线 名 回 同 单 式中， 大连理 二大学专业学位硕士学位论文 5 【u i a ，u i b ，“i c ，“a ，u i i b ，d l l cj r1 i = i ia ，f i b ，f i c ，f a ，i b ，i c 】丁 【叫= 【g c s ig sg mg m 瓯g 二g 二 i 瓯g sg m 瓯瓯g 二 1ig m g m g s 瓯瓯瓯 1 l 瓯瓯瓯g sg m g m l 瓯瓯瓯g mg sg m 吒瓯 = c o 一2 c m 一3 c g s = 6 0 一2 g m 【三】= 【c 】= 一3 g 二。 ( 2 1 ) c 0 、g o 分别是相地间的电容和电导。 根据定义的同、反向量可以把同杆双回线解耦为包含同、反向量的六序分量。经过 相序变换后，其关系如表2 1 所示。 表2 1 六序参数与相参数的关系 一1 8 甜一街锄一西 上 c 弘f 一 一 - l f r = p 口 足 刁 p g 一0 一 一 知一苏甜一锄 & e 匕k k 厶心比k 丘如 瓦已厶k k k k t 瑶瑶 k 厶k 品瑶露 厶k k 匕丘碌砾氏氏足砖氏足碟磁足如民如如足秣砭民足如砭砭足民心必砭 q g q g q e g g g q e q g g g e q g g q g g e q q e q g q q g q g q g q 大连理工大学专业学位硕士学位论文 乓一自导纳一相间互导纳圪一线问互导纳 g 一抗各相对地电容d 一相间电容r 一线间电容 2 3 2 基于反序网的电流测距原理 详细的反序网络如图2 3 所示： i 锄口i 蚴dl 吼z l 嗽z ( a ) 反序口序故障分量网络 i 弱oi s 哂oi 瞒d oi 啦n ( b )反序0 序故障分量网络 图2 3 反序故障分量网络 图2 3 ( e l , ) 中，s 、r 分别为两端母线，f 为故障点； k 、分别为故障处的反序接地电流和电压； k 、k 分别为两端母线处的线路反序电流； 、d 胁分别为两端母线处的母线电压； k 、分别为故障处f h 故障点两侧注入故障点的注入电流； 乙。、。表示线路单位长度的反序阻抗和导纳参数。 令反向口序电流分布系数为s 端线路反序电流k 和故障点接地电流k 的比 值，即= k k ，则可推出： 人连理工大学专业学位硕十学位论文 ( ，x ) = 一面面历面面c o t h 历( y d i 。x ) 而面瓦而 同理，其反序零序电流分布系数g 。的定义式为： g 。( 乃。，x ) = 一面瓦历面面c o t 丽h ( y d i o x ) 万面而而 2 3 3 测距原理 以单相接地故障为例，故障点f 处的故障边界条件如下图所示： a b ，弋 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图2 4 单相接地故障边界条件 从图2 4 可以看出，故障处只有ia 相接地电流不为零，其它所有相接地电流皆为 零，最终可以将相分量形式的边界条件转换为六序分量形式的边界条件，其详细过程见 文献 1 ，最终得到的序分量形式的边界条件为： j 冬。2 冬r1 f c ：2 _ 。2 2k ： ( 2 4 ) 【o + l + 2 + o + l + 2 = 6 r f o 根据q ，= q 2 c 。，取乇。= 名。的关系就可以建立定位方程： if d n i 锄q | c d b i 昭t i 谢 c d i 即为：垃：血! 丝q ：塑 ( 2 5 ) 。 k lc l ( 儿l ，x ) 上面得到的故障定位方程式( 2 5 ) 中，电流分布系数乞是仅包含故障距离z 的函 数。因此，方程中的未知数仅是故障距离而求解方程( 2 5 ) 可以得到故障点到母线保护 安装处s 端的距离j 。 同理，对于其它故障，如单相接地、单线两相接地故障和各种异名跨线接地故障，可以 根据不同的序边界条件建立形如式( 2 5 ) 的故障定位方程，其方程的形式应该是一样的， 即为包含故障距离j 和双曲函数的超越方程。 大连理t 大学专业学位硕士学位沦文 从测距原理的推导过程可以看出，由于没有零序分量，本测距原理不适用于不接地 故障；由于单线三相故障( ia b c ) 和同名对称跨线故障( ia i i a 、ib c i i b c 等) 中不存在 零序和负序分量，因此基于此原理的测距方程不能实现。 大连理：t ：大学专业学何硕士学位论文 3 “反序算法 在辽宁电网中的仿真测试与分析 3 1 概述 辽宁电网的主体由5 0 0 千伏和2 2 0 千伏两种电压等级的电网构成，5 0 0 千伏网架不 具备独立运行的条件，现阶段仍采用5 0 0 千伏和2 2 0 千伏两种电压等级电磁环网的运行 方式。其中有1 0 余条线路为同杆架设，分别为5 0 0 k v 的庄金1 、2 线；2 2 0 k v 的铁繁东 西线、张河甲乙线、沙繁南北线、沙浑南北线、沙宁1 、2 线、沙于南北线、热顺甲乙 线、繁大南北线、沈虎甲乙线、辽李1 、2 线、沈平甲乙线、北平1 、2 线、林北1 、2 线、富台l 、2 线、太富1 、2 线等，总共里数超过1 0 0 0 公里。 为了验证基于单端电流的同杆并架双回线测距算法在实际系统中的测距精度，本章 给出了详细的基于辽宁电网实际同杆双回2 2 0 k v 及5 0 0 k v 线路参数的稳态仿真和暂态仿 真结果，仿真模型均为考虑线间耦合和分布电容的分布参数线路模型。线路的故障潮流 计算由a t p 计算程序完成，测距方程的求解是由m a t a b 计算程序完成。另外，为了对 比分析，论文也给出了不经a t p 仿真，而由实际电网中发生的故障，把故障信息直接作 为算法的输入量来计算测距，计算结果与实际故障点的位置进行对比，来验证算法在实 际系统中，在诸多的干扰因素下的准确性。 稳态仿真主要为验证算法的准确性以及探讨算法受线路模型、故障距离、故障过渡 电阻、系统阻抗、电流分布系数等因素的影响及误差。暂态仿真考虑算法投入实际使用 时将受谐波分量影响，验证算法在实际中的误差情况。 3 2 稳态测试及产生的误差分析 为验证“反序算法的准确性，利用a t p 稳态程序仿真同杆双回线发生故障后的故 障潮流，程序输出为理想滤波后的工频电气量，以一端母线处的电流量作为测距算法的 输入数据。 3 2 1 2 2 0 k v 线路仿真测试 人连理工大学专业学位硕士学位论文 表3 1 线路原始参数 单回线正序阻抗( q a n ) 单同线零序阻抗( q a n ) 双回线零序互阻抗 ( q a n ) 单回线正序电容 ( f b n ) 单回线零序电容 ( 腰o n ) 双回线零序互容 ( k m ) z 跚0 6 4 7 5 4 。如5 2 1 1 z o = 0 2 2 3 5 + 2 2 3 8 0 2 铲0 1 3 7 0 + j 0 9 2 8 c 严o 0 1 4 9 1 c o = 0 0 0 6 7 0 巴f o 0 0 8 3 表3 1 是由省公司提供的2 2 0 k v 铁繁东西线路参数，其形式是每回线的序分量和双 回线线间的零序互阻抗和零序互容。而对于均匀换位的分布参数模型同杆双回线的仿 真，a t p 程序需要双回线的三个模量，分别是地模量( g r o u n dm o d e ) ，对应表2 1 中的同 向零序( 印) 参数；线模量( 1 i n em o d e ) ，对应表2 1 中的同、反向各正负序( c 1 ，比，a 1 ，沈) 参数；线间模量( i n t e r l i n em o d e ) ，对应表2 1 中的反向零序( 棚) 参数。测距程序中也 需要反向网络的各序特性阻抗参数和传播系数参数，所以需将双回线的六相参数进行六 序模量的解耦。 若按照式( 2 3 ) 中的定义，磊表示各相自阻抗，历表示相间互阻抗，根据对称分量变 换原理，单回线线路参数的序分量与相量之间的关系为： z = 磊砣磊么= 汤= 磊一历 ( 3 1 ) 由上式和前面给出的单回线正序和零序阻抗参数可以得到线路的自阻抗和互阻抗 分别为： 2 卢0 1 1 7 3 5 + j 1 1 3 8 1 ( q o n ) ，历= 0 0 5 2 1 + j 0 6 1 5 4 ( q o n ) 通常认为双回线中每一回线的某一相线路对另一回线的三相线路的互感都是相同 的，则双回线间的零序互感与分属不同线路的两相间的互感关系为： z 自- 芦3 2l( 3 2 ) 大连理t 人学专业学位硕+ 学位论文 则由双回线间的零序互感可以得到：? r = 0 0 4 6 4 + j 0 3 0 8 1 ( q j b ，1 ) 。 线路的电容相量参数( 包括各相对地电容、相间互容和线间互容) 的形成虽和阻抗参 数变换有所区别，但原理相同。根据表3 1 给出的电容参数和表2 1 的电容参数转换关 系可以得到相应的各序导纳参数。 最终由表3 1 转换得到的相量形式参数和各序参数如表3 2 所示。 表3 2 线路的相