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文档简介

1、第17卷第4期电工技术学报2002年8月T型输电线路电弧故障测距时域方法研究ANewTime2DomainMethodforLocatingFaultsonT2ConneciontoThreeTerminalTransmissionLines束洪春司大军(葛耀中(ShuHongchunSi(ScienceandTechnology650051China)University710049China)(HarbinInstituteofTechnology150051China)摘要利用单端数据的输电线路故障测距算法,较难解决多端系统的故障定位问题,实际中一般采用多端数据进行测距。频域法故障测距精

2、度易受时窗位置、直流衰减分量、过渡电阻非线性等因素影响,其频域算法的数据多取之于故障后第二周波。随着继电保护技术的发展,从故障发生到断路器动作的时间愈来愈短,故障后第二周波内断路器可能已动作,这将使频域算法失效。本文提出了T型输电线路故障测距时域新方法,该方法可采用故障后第二个半周波的数据,所有解算均在abc坐标中进行,测距无需判断故障类型,而且使用了最小二乘技术,从理论上保证了该测距算法具有较高的测距精度。关键词:输电线路电弧故障保护故障测距中图分类号:TM773AbstractSincefaultlocationalgorithmusingone2terminaldataisdifficu

3、lttobedirectlyappliedtomulti2terminalsystem,multi2terminaldataareoftenusedtolocatefaultinpractice.Thedatathatareusedinfrequencydomainalgorithmsareoftenselectedinthesecondcycleafterthefault.Withthedevelopmentofprotectiontechnology,ittakeslessandlesstimeforthecircuitbreakertoclearthefaults.Thefrequenc

4、ydomainalgorithmmaybeinvalidbecausethebreakermayhaveoperatedduringthesecondcycleafterthefault.Then,anewtime2domainmethodforlocatingfaultonT2connectionpowerlineispresented.Thismethodusesthedatainthesecondhalfcycleafterthefault,needntphase2modaltransformandcanlocateallkindoffaults.Thesolutionisgivenus

5、ingthemethodofleasterrorsquares,whichensuresthemethodwithhighaccuracyoflocatingfaulttheoretically.Keywords:Transmissionline,arcingfaults,powersystemprotection,faultlocation1引言现代电力系统随着装机容量的增加、电压等级的不断提高以及矿口电厂的发展,必然趋势是远程输电线路的增多,输电线路故障对系统稳定性的影响越来越大。输电线路的精确定位为迅速查找故障点、缩短故障排除时间提供了必要的保证。近年来,国内外提出了大量的故障测距原理和

6、方法,并云南省中青年学术和技术带头人培养经费、云南省应用基础研究基金(98E163M,99E006G)和省科技攻关资助项目(2000B2202)。束洪春博士后,教授,院长,国家自然科学基金项目评审专家,主要研究新型继电保护与故障测距、数字信号处理及DSP应用、电力系统CTI技术等。© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 100电工技术学报2002年8月已有不少转化为实用技术,取得了较满意的结果。按照测距所用的电气量可分为:单端测距算法13和双端(多端)测距

7、算法4,8。单端量测距算法中,较典型的有:解微分方程算法、零序电流相位修正法、故障电流相修正法、解方程算法以及行波法。除行波法以外的单端测距方法对于对端系统的参数往往只能近似地估计,由此产生了不同程度的原理误差,虽然提出了许多修正方法,但当现场运行工况与假定条件不相符时,测距误差有可能难以满足要求;要数据通道、,有其固有的缺点,)电气量法,克服了对端系统运行方式变化对故障测距的影响。双端(多端)测距算法,又可分为频域法和时域法。工频量方法研究较多,有较高的精度,但线路故障后两端的电压电流中往往含有衰减直流分量和非整次谐波分量,现有的提取工频量方法9,10主要针对衰减直流分量,而对非整次谐波分量

8、不能很好地抑止,另外,在发生严重的短路故障情况下,电流互感器有可能饱和11,此时提取工频量难免会有很大的误差,测距精度不能保证,因此频域法的使用受到一定的限制。,且使用的数据量少,。,在相坐标中,数据传送量少,无需区分故障,从原理上避开了电弧故障边界条件以及故障前的运行工况的影响,大量暂态仿真表明本测距算法有较高精度。2三端信息T型结线故障测距双端故障线路如图1所示。图中L、R分别表示线路电感和电阻矩阵,xf为故障点距E1端距离,li为第i分支线路长度。图1T型故障线路Fig11FaultedT2connectionline211双端系统输电线路长度的修正和线路两端采样数据的同步化输电线路的长

9、度一般不是十分精确,不精确的线路长度将会给双端测距算法带来很大的误差,因此有必要在故障测距之前计算一下线路的长度。另外本文测距算法理论上需要输电线路两端电压电流数据进行同步采样,实际中无论线路两端是否同步采样,采样数据不会完全同步,因此也有必要同步化线路各端的采样数据,本文以双端系统为例介绍输电线路长度的修正和线路两端采样数据的同步化的方法,多端数据同步化的方法相同。线路的每公里对地电容Cx一般认为是恒定的,可由计算精确地得到,线路每公里电感Lx、电阻Rx和线路长度l相对来说不太精确。对于图2所示的正常系统,假设处于稳定运行状态,线路M和N端的电压电流相量为UM、IM、UN、IN,线路两端采样

10、数据的不同步造成的两端电压电流相量的相角差为,根据电报方程可得以下关系图2正常系统图Fig12NormalsystemUN=UMech(1l)-Zc1IMesh(1l)-jUM=UNe-jch(sh(1l)1l)-Zc1INejj(1)(2)式(1)和式(2)中© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期束洪春等T型输电线路电弧故障测距时域方法研究101线路的传播常数1Zc1波阻抗Zc1=|i1(t)+i2(t+T2)+i3(t+T3)|=020

11、LxCx+j0RxCx0=314rad/s在文献8中已证明当第i条支路故障时,有uTij或uTji(其中j=1,2,3,ji)在0,li上单调。因此可由表1关系得到故障分0系统角频率线路波阻抗Zc1可以写为Zcl=1/(j0Cx)支。表1(3)lll3Tab11SelectingtheoflineuTijut=uT31(t)>uT23(t)=0uT12(t)=uT23(t)>uT31(t)=0uT31(t)=uT23(t)>uT12(t)=0uT12(t)=uT31(t)=uT23(t)=0把式(3)分别代入式(1)和式(2)得jjUN=UMech(1l)-r1IMesh(1

12、l)(j0Cx)()UM=UNe-j-jch(sh(1l)-r1INe1)(0Cx)(5式(4)(,4)为复数,和l个实数方程。1=j、和l4个未知数,可用牛顿-拉为实数,、l夫逊法求解,其中求解时可用不太精确的、初值得到的初值。212故障分支识别对于如图3所示T型结线输电线路,若对其进行故障定位,第一步应确定故障发生在哪一条分支上。设分别由E1、E2、E3端电压电流得到的T结点的电压为T结点|i(t)+i(t+T02)+i(t+T3)|213三段线路的二端化及故障测距算法推导为了分析方便,假设在l1上发生了短路故障。根据电路理论有以下关系uT(t)=u3(t+T3)-l3R3i3(t+T3)

13、+L3di3(t+T3)/dtiT(t)=i2(t+T2)+i3(t+T3)(9)(10)这样T型线路就简化为E1端和T结点的双端线路。定义i(t)=i1(t)+i2(t+T2)+i3(t+T3)(11)u(t)=u1(t)-uT(t)+l1R1iT(t)+L1diT(t)/dt(12)正常运行时有i(t)=0,u(t)=0图3T型结线Fig13T2connectiontothreeterminal(13)此式可作为理想情况下线路是否故障的判据。当线路发生故障时有i(t)=if(t)(14)uT1(t)=u1(t)-l1R1i1(t)+L1di1(t)/dt(6)uT2(t)=u2(t+T2)

14、-l2R2i2(t+T2)+L2di2(t+T2)/dtuT3(t)=u3(t+T3)-l3R3i3(t+T3)+L3di3(t+T3)/dt(7)(8)222根据电路理论有下面关系u1(t)-uT(t)+l1R1iT(t)+L1diT(t)/dt-xfR1if(t)+L1dif(t)/dt=0(15)观察式(12)和式(15)可得(t)u(t)=xfR1if(t)+L1dif(t)/dt=xfu(16)设uT12(t)=|uT1(t)-uT2(t)|uT23(t)=|uT2(t)-uT3(t)|uT31(t)=|uT3(t)-uT1(t)|式中(t)=R1if(t)+L1dif(t)/dtu

15、(17)其中|2向量的范数线路正常时有uT12(t)=uT23(t)=uT31(t)=0定义函数f(x)在k点的中心差分为f(k)=f(k+T)-f(k-T)/(2T),其中称为中心差分算子。现将式(12)和式(17)以中心差分代替其导数,可离散化为© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 102电工技术学报2002年8月u(k)=u1(k)-uT(k)+lR1iT(k)+L1iT(k)(18)(k)=R1if(k)+L1uif(k)(19)、3210和43

16、119。线2813090°7814°8816°路上故障均自端子算起,三段支路长l1、l2、l3分别为100km、50km、50km,l1上10km处发生Ra,b,c,d=2,3,5,2的ABC2G故障,E1、E2侧故障前后A相电压示于图4。表2表5列出了两个支路l1、l2不同故障类型不同过渡电阻和不同故障起始角则故障距离的最小二乘解为mmxf=j=1u(j)T(j)/uj=1(j)u(j)Tu(20)的测距仿真结果。式中m13故障测距数字仿真为了验证本章算法的有效性,均使用RLC段线路如图3,E3:电势分别是220、21030°kV和20060°

17、;、28114kV,零序阻抗分别是2613090°和29109,正序阻抗分别是86174°90°图4E1、E2两侧A相电压Fig14PhaseAvoltagewaveformatE1,E2terminal表2T型结线的l1支路上故障测距数字仿真结果90°故障起始角Tab12Resultsoftransientperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionxf=30kmxf=50kmxf=70km假设故障Rf1#Rf2#2916729175291822914329144Rf3#3016830119301102919

18、729163Rf1#4919449171491714917249172Rf2#4918149186491904916649167Rf3#5014050112501075010049179Rf1#6919869190691906919060190Rf2#6919369196691976918869188Rf3#7017570144701427018069163A2GBCBC2GABCABC2G2918929151291542915229152表3T型结线的l2支路上故障测距数字仿真结果90°故障起始角Tab13Resultsoftransientperformanceoflocatin

19、gfaultonl2inT2connectionxf=15kmxf=25kmxf=35km假设故障Rf1#Rf2#1417614193141941415814161Rf3#1619315119151121510914183Rf1#2419924177241772417824178Rf2#2418324196241972416924171Rf3#2614625116251112510824189Rf1#3510034185341853418534186Rf2#3418934199341993417934181Rf3#3611035142351593514734164A2GBCBC2GABCABC

20、2G1419714168141701416914169© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期束洪春等T型输电线路电弧故障测距时域方法研究表4T型结线的l1支路上故障测距数字仿真结果45°故障起始角Tab14Resultsoftransientperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionxf=30kmxf=50km103xf=70km假设故障Rf1#Rf2#3017529179291672

21、912629137Rf3#3019029116291282919730183Rf1#4919949171491744917149Rf2#5015849188491Rf3#50181150132Rf1#69199699069190Rf2#7015869196936918569187Rf3#7017469172691757013070149A2GBCBC2GABCABC2G291962915129156291512915150°故障起始角5ofperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionf=30kmxf=50kmxf=70km假设故障Rf1#R

22、f2#3012229156291392915229154Rf3#3013330142291712919730161Rf1#5011549172491714917149170Rf2#5011449174491634917249173Rf3#5012150128491845010050138Rf1#7010569190691906919069190Rf2#7010569191691876919169191Rf3#7011770113691877012070144A2GBCBC2GABCABC2G3012429152291512915029150表6过渡电阻Tab16Transientresista

23、nce(单位:)Rf类型A2G,BCBC2GABC1#1101011,1,22#3#文算法有较高故障测距精度。参考文献1DavidjLawrence,LuisZCabeza,LawrenceTHochberg.DevelopmentofanadvancedtransmissionlinefaultlocationsystempartI:Algorithmdevelopmentandsimulation.IEEETrans.onPD,1992,7(4)19712JohnsAT,JamaliS.Accuratefaultlocationtechniqueforpowertransmissionli

24、ne.IEEEProc,1990,137(6)3953刘劲,孙杨声,罗毅1一种基于时间域的实用单端电量201001001001050,50,6010010030100,100,1004结论(1)算法不需区分故障类型,所有分析在相坐标中进行,适合于换位和不换位线路;(2)算法适用于非线性时变短路过渡电阻场合;(3)算法均为线性运算,计算速度快,不存在伪根,对不同步采样数据有一定的鲁棒性;(4)原理上,利用5个采样点的信息即可推求故障位置,为减小偶然因素对测距精度影响,可适当增加读取的采样点信息。解法采用了最小二乘方法,从原理上使得测距结果精确可靠。本章思路可以极为方便地拓展其短路故障判断和故障选

25、相功能,本文略去该部分内容。大量数字仿真表明,本故障测距方法1电力系统自动化,1994,18(3)49544MinzmbresJF,ZamoraI,MazonAJ,etal.Anewtechniquebasedonvoltageforlocationonthree2terminaltransmissionlines.ElectricPowerSystemResearch,1996,11(1)1301385ZamoraI,MinzmbresJF,MazonAJ,etal.Faultloca2tionontwo2terminaltransmissionlinesbasedonvoltage.TEE

26、ProceedingsGeneration,Transmission&Distribu2tion,1996,143(1)166AggarwalRK,CouryDV,JohnsAT,etal.Apracti2(下转第57页)© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期叶景楼等自校正PID方法在水轮发电机调速系统中的应用57B(z-1)的辨识情况。可见,辨识算法可以为自校正PID控制器提供切实的模型参数,也就是说通过过程参数的在线辨识可以克服

27、系统的时变特性对控制性能的影响。现在我们采用自校正PID控制器对水轮发电机组的频率进行控制,控制结果如图4。当系统进入稳态后,作负荷扰动仿真实验,图5是甩掉30%的负荷时自校正PID控制的结果。5结论与常规的PID控制器相比,本文中的自校正PID控制方法的优点在于:的参数,响;另外,控制方法综合了自适应和PID控制的优点,控制过程中需要整定的参数少,计算量小,便于实时控制。可见,自校正PID控制方法是一种较为理想的频率控制方法。图4自校正PID方法控制的结果Fig14Theresultsareobtainedwithself2tuningPIDmethod参考文献1郭创新,梁年生等1基于神经网络实现水轮机自学习PID调节1水力发电学报,1997(1)79862孙郁松,孙元章,卢强1水轮发电机水门非线性控制规律的研究1电力系统自动化,1999,23(23)33363乔俊飞,孙雅明,杜红卫1水轮发电机组的一种自适应调速方法1中国电机工程学报,2000,20(10)14

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