高压输电线路故障定位装置研究

高压输电线路故障定位装置研究 刘韬文, 龚庆武, 龙志君, 陈允平 (武汉大学, 湖北 武汉　430072) 　　[摘　要]　提出了基于 GPS 的双端同步采样信号的故障定位算法, 并简要介绍了 AFL2001 故障 测距装置的硬件和软件的实现。该装置具有精确度高、操作方便等特点,在电力系统中有广泛的应用前 景。 　　[关键词]　故障定位; 输电线路; 双端信号; GPS 　　[中图分类号] TM 726. 1; T M930. 9　　 [文献标识码] A　　[文章编号] 1006-3986( 2002) 03-0024-04 Study on Fault Locator for High Voltage Transmission Line LIU Tao-wen, GONG Qing-wu, LONG Zhi-jun, CHEN Yun-ping (Wuhan Univ ersity ,Wuhan 430072, China) Abstract: A fault locating algorithm with synchronized sample at both ends based on GPS w as preaented and the realization o f sof tw ere and har dw are of AFL 2001 fault locato r w as br if ly int ro- duced. T his device has the features of high accuracy and convenient handling and w ill have a br oad ap- plicat ion future in power sy stem . Key words: fault locat ing; tr ansm ission line; both ends signal; GPS 　　输电线路故障的迅速排除是电力系统安全、可 靠、经济运行的重要保证,准确的故障定位既能减轻 巡线负担,又能加快线路的恢复供电,减少因停电造 成的综合经济损失, 因此输电线路精确故障定位非 常重要,故障定位的研究也成为电力系统中的一个 重要课。本文将介绍 AFL2001故障定位装置所用 的算法、硬件以及软件。 1　输电线路故障定位系统的算法 1. 1　算法的提出 现有的故障定位方法可分为 2大类:行波法、阻 抗法。行波法是近些年来研究较多的一种方法, 它是 测量故障产生的行波到达线路两端的时间差来进行 故障点定位的。在实际输电线路中,由于线路结构变 化,换位方法不同,输电线沿线大地电阻率的不均 匀,线路参数随频率的变化, 行波色散等问题,使得 故障产生行波的特点不能被充分利用,行波分析和 研究比较困难,且对实施装置的很高[ 1、2]。 阻抗法是传统的故障定位方法,也是研究和实 际应用最多的定位方法。根据利用线路单侧还是双 　　　　　　　　　　 [收稿日期]　2002-02-26 [作者简介]　刘韬文( 1977-) ,男, 湖南邵阳人, 武汉大学电 气工程学院研究生。 侧电气量的区别,阻抗法可分为单端法和双端法。传 统的单端电气量测距算法只采用线路一侧的电流电 压信号, 无法消除过渡阻抗和助增电流对定位精度 的影响。所以对于双侧电源输电线路,只有采用双端 信号才能克服过渡阻抗和对端助增电流的影响, 实 现精确故障定位。另外,选择正确的输电线路的模型 和算法对提高定位的精度也有作用。本算法采用的 模型是单 P模型, 以往的定位算法大多采用的是对 称分量法,此种算法虽为经典的分析方法,但是只能 适用于工频正弦量。因为故障时的电流电压中,除了 工频正弦量以外, 还含有衰减的直流分量和各次谐 波,如果故障持续时间长系统频率还可能偏离工频, 所以,当直流、谐波分量较大或者系统频率偏离工频 较远时,采用对称分量法进行故障定位,就会产生较 大的误差。本算法是在ABC系统中采用微分方程算 法进行直接计算。故障中主电流、主电压满足微分方 程,并且即使系统频率偏离工频较远,微分方程也是 成立的。因此, 采用微分方程算法进行故障定位, 在 理论上正确,在实际上可行,克服了代数方程模型在 理论上的缺陷[ 3、4]。 2　故障定位算法推导[ 5] 　　图 1为A 相接地故障系统图。 ·24· 第 26卷第 3期 2002 年 6 月 　　　　 　　　　　　　　湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 26 No . 3Jun. 2002 图 1　A 相接地故障系统图 　　　 uaM、ubM、u cM、uaN、ubN、ucN — M 侧和 N 侧母线的各相电压的瞬时值; 　　　 iaM、ibM、icM、iaN、ibN、icN —线路上 M 侧和 N 侧的各相电流的瞬时值; 　　　 L sM、R sM、L sN、R sN — M 侧和 N 侧系统的自电感、自电阻; 　　　 M M、RmM、M N、RmN — M 侧和 N 侧系统的互电感、互电阻; 　　　 L sMf、R sM、L sN f、R sNf — M 侧和 N 侧到故障点的输电线路“相地回路”的自电感、自电阻; 　　　 M M f、RmMf、M N f、RmNf — M 侧到故障点的输电线路“相地回路”的互电感、互电阻; 　　　 Rg —接地故障时过渡电阻 　　当输电线路完全换位,即输电线路参数完全对 称,由此可得如下故障定位算法。 当线路 MN 上A 相 f 点发生接地故障时, 由图 1可得: uaM = L sMf diaM dt + R sMf iaM + M Mf di bM dt + RmMf ibM + MM f dicM dt + R mMf i cM + R gi f ( 1) uaN = L sN f diaN dt + R sN f i aN + MN f di bN dt + RmN f i bN + MN f dicN dt + RmNf i cN + Rg if ( 2) ( 1)式减去( 2)式, 可得: uaM N = L sMf diaM dt + R sM f iaM + M Mf d( i bM + icM ) dt + RmMf ( ibM + i cM ) - L sN f diaN dt - R sN f i aN - MN f d( ibN + icN ) dt - R mN f ( ibN + icN ) ( 3) 式中　 uaM N = uaM - uaN 设故障点 f 到 M 侧母线的距离占全线长度的 百分数为 p ,令三相各相回路全线自电感为 L s ,自 电阻为 R s ,互电感为 M , 互电阻为 Rm ,则: L sM f = P õ L s R sMf = P õR s M Mf = P õM R mMd = P õRm, L sN f = ( 1 - P ) õ L s R sN f = ( 1 - P ) õR s , M N f = ( 1 - P) õM , R mN f = ( 1 - P ) õRm 代入( 3)式后将 P 提出并进行移项整理同时离散化 得( 4)式: uaMN ( k) + L s diaN ( k) dt + R si aN ( k) + M d[ i bN ( k) + icN ( k ) ] dt + Rm[ i bN ( k) + icN ( k) ] = P {L s d[ i aM ( k) + iaN ( k) ] dt + R s [ iaM ( k) + iaN ( k ) ] + R m[ ibM ( k) + icM ( k) + i bN ( k) + icN ( k) ] + M d[ i bM ( k ) + i cM ( k) + ibN ( k) + icN ( k) ] dt } ( 4) 其中di ( k) dt = i ( k + 1) - i ( k - 1) 2T s , T s为采样同期。 可得( 5)式。 P = uaMN ( k) + L s di aN ( k) dt + Rsi aN ( k) + M d[ i bN (k) + i aN ( k) ] dt + Rm[ i bn( k) + i cN ( k) ] L s d[ i aM ( k) + iaN( k) ] dt + R s[ iaM ( k) + i aN ( k) ] + M d[ ibM (k) + i cM (k) + i bN (k) + i cN( k) ] dt + R m[ ibM (k) + i cM (k) + i bN (k) + i cN( k) ] ( 5) 　　依此类推, 可分别得到 B、C 单相接地故障和相 间以及三相故障定位公式。 由上式可知每一采样点都可以得到一个定位结 果,为了尽量减小噪声的影响,得到可靠的故障定位 结果,本装置采用了 2种方法即方差法和统计法对 初步定位结果进行了预处理, 然后对数据进行误差 ·25· Vo l. 26 No . 3 Jun. 2002 　　　　　　　　　　　　湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　　　第 26 卷第 3 期2002 年 6 月 的最小二乘估计,为提高算法的精度提供了一条新 的途径。模拟试验明,精度可满足工程要求, 超过 传统的定位算法。 2　输电线路故障定位系统的硬件原理 　　图 2是输电线路故障精确定位系统的硬件基本 框图。 图 2　采用双端信号的输电线路故障 定位系统的硬件框图 　　为了保证这些信号是同时采集到的, 本系统采 取基于GPS的同步采样。GPS的特点是可以为全球 各地随时提供一个高精度的时钟, 并能保证各地间 的时间误差在1 Ls 以内。这样输电线路各侧信号的 采集就有了一个高度统一的时钟。从而也就保证了 各端信号的同步。 系统通过 PT, CT 采集电流、电压信号, 经过光 电隔离消除干扰, 通过 VFC 转化成数字量进入工控 机,得到数据文件。当系统正常运行时,每一小时进 行一次数据采集,采到的数据通过线路参数测试的 计算子程序实时的计算算出线路参数(包括计算所 需的线路自感、自阻、互感、互阻值) ,以保证故障时 刻线路参数尽可能准确。当系统发生故障时,装置启 动,采集的数据文件通过定位算法程序进行计算。 3　输电线路故障定位综合软件 　　输电线路故障定位综合软件启动后, 首先初始 化,然后进行整点对时,在整点时, PC 机内的时钟将 按 GPS 时钟进行校准。对时后,数据采集系统开始 工作,实现对电压、电流的同步采样。数据进入计算 机后,判断系统是否发生故障,如果电力系统运行正 常,启动元件不启动,否则, 启动元件启动, 主程序跳 转到故障处理部分。在故障处理时,数据采集部分仍 然会正常工作,但不再进行对时和自检。此时, 装置 不断对短路器辅助节点和保护动作信号等外部开关 量进行监视。如果外部开关量显示故障已经切除,主 程序将跳转到故障定位部分, 首先保存本侧的电流、 电压值,然后再通过 MODEM 经由电话线路与其他 侧交换数据;最后,进行故障相判断, 再得到故障定 位结果。 3. 1　采样模块 由GPS同步的高精度采样, 自动判别电力系统 是否发生故障,实时显示系统电压、电流波形, 自动 保存电力系统故障时的电流、电压和时间;当电力系 统故障切除后,自动发信号,呼唤值班员,自动修正 采样误差; 设置了看门狗( Watchdog ) , 具有死机后 自恢复功能;设置了电流、电压越限监视模块, 当电 流电压数据越限达到一定值, 能将同步采样卡恢复, 使之正常。 3. 2　通讯模块 建立超级终端连接, 使用调制解调器通过通讯 通道,实现双端通讯, 一端可向对端传输数据文件, 从而达到利用采集到的双端电压、电流信号实现故 障线路精确定位的目的。 3. 3　计算模块 利用双端信号实现故障分析, 判断故障相别, 计 算故障点精确位置。 3. 4　线路参数测试模块 线路参数并不是一成不变的,比如当大地电阻 率变化时,架空线路的镜像导线深度发生变化,必将 引起自电感的变化。因此有必要实时对输电线路参 数进行测量,并改变算法中应用的线路参数, 以消除 线路参数随天气变化而对定位精度影响。 在线路稳态运行时输电线路的电流以平衡电流 为主,同时系统中必然存在不平衡电流。因此可将采 样的两侧数据通过数字滤波器滤去非工频分量, 然 后应用对称分量法分别求出电流、电压的正序、零 序、负序分量,再分别求出线路的实时正序和零序阻 抗值,并实时修改算法中线路参数的整定值。 3. 5　帮助 为方便用户的使用, 本软件还编写了帮助文件, 用户可通过目录和索引方便的查询软件运行环境、 软件功能几个菜单使用方法及用途等。 4　故障定位装置试验结果 　　此装置经过 EMT P 仿真、静模试验, 以及 RTDS( Real-T ime Digital Simulator)即实时数字仿 真系统动模试验的检验,定位误差均在 1%以内。以 下列出几组静模试验的结果。 系统的模拟试验的接线如图 3所示。 ·26· 第 26卷第 3期 2002 年 6 月 　　　　 　　　　　　　　湖　北　电　力　　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 26 No . 3Jun. 2002 图 3　模拟试验的接线图 自感: L a1 = 0. 013 23 H , L a2 = 0. 013 17 H , L a3 = 13. 20 mH, Lb 1 = 13. 21 mH, L b2 = 13. 29 mH , L b3 = 13. 12 mH, L c1 = 13. 23 mH, L c2 = 13. 13 mH, L c3 = 13. 20 mH 自阻: Ra1 = 0. 402 8 , Ra2 = 0. 405 8 , Ra3 = 0. 396 8 , Rb 1 = 0. 399 8 , Rb 2 = 0. 4005 8 , Rb3 = 0. 397 8 , Rc1 = 0. 4015 8 , Rc2 = 0. 397 8 , Rc3 = 0. 3955 8 , 互感: 3M = 0 互阻: Rm = 0 CT 变比为 1 200A/ 5A, PT 变比为 220 kV/ 0. 1 kV。 表 1为 A 相在 33. 3%发生单相故障时的结果。 接地电阻R g分别为0 8、3 8、5 8、7 8、10 8 (折算到 一次测分别为 0 8、27. 5 8、45. 835 8、64. 17 8、 91. 67 8 ) ,电源 MN 两侧相角差分别为 20°、- 20°、 40°、- 40°。 表 1　A 相短路接地试验结果 M 侧电源超前 N 侧电源相角 /° R g / 8 定位结果 / % 理论值 33. 42 误差 / % M 侧电源超前 N 侧电源相角 /° Rg / 8 定位结果 / % 理论值 33. 42 误差 / % 20 0 33. 08 -0. 34 3 32. 80 -0. 62 5 32. 91 -0. 51 7 33. 43 0. 01 10 32. 92 -0. 50 -20 0 33. 53 0 3 33. 29 -0. 13 5 32. 95 -0. 47 7 33. 19 -0. 23 10 32. 76 -0. 66 40 0 33. 33 -0. 09 3 32. 95 -0. 47 5 33. 43 0. 01 7 33. 16 -0. 24 10 32. 74 -0. 68 -40 0 33. 58 0. 16 3 33. 26 -0. 16 5 33. 12 -0. 30 7 33. 50 0. 08 10 33. 03 -0. 39 　　其他和种短路方式结果不一一列举,得到如下 结论:无论是双侧电源还是单侧电源情况,在绝大部 分故障条件下,故障定位的误差不超过±0. 5%, 其 最大误差可确保在±1%以内。并且其故障定位精度 不受过渡电阻、输电线路两侧电源相角差、两侧系统 阻抗、输电线路负荷电流、故障类型等因素的影响。 5　现场运行情况 　　本装置于 2001年 6月 11日在贵阳市北供电局 鸡阳一回线路上正式投入运行。现场参数设置如下。 电压等级: 220 kV 线路全长: 650. 7 km 线路型号: LGJ-400 地线型号: GJ-70 线路正序阻抗: Z1 = 0. 04+ j0. 380( 8 / km) 线路零序阻抗: Z0 = 0. 255 16+ j1. 424( 8 / km) 本定位装置从安装到现在,还没有发生过区内 短路故障,运行一切正常。另外,在南方电力公司天 平双回输电线路(电压等级为 500 kV )上将投入第 二套故障定位装置。 6　结论 　　本文介绍基于双端信号的故障定位装置, 本装 置采用基于双端同步信号的微分方程算法,试验结 果表明该算法不受过渡电阻、输电线路两侧电源相 角差、两侧系统阻抗、输电线路负荷电流、故障类型 等因素的影响, 具有很好的可靠性和鲁棒性。本装置 具有精确度高、操作方便等特点,以后在电力系统中 有广泛的应用前景。 [参考文献] [ 1]　覃　剑, 等.不同故障类型情况下行波传播特点的研究 [ J] .电网技术, 1999( 1) . 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