一种T形高压输电线路故障测距新方法

施世鸿,何奔腾

(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)

摘要:对T 形线路的故障测距,现有方法都是先判断故障支路,再将3端线路等效成2端线路进行测距。但在T 节点附近短路,尤其是经高阻短路时,现有的测距方法由于无法正确判别故障支路而存在一定范围的测距死区。针对上述缺陷,分别假设故障发生在某一支路,由假定正常的2段支路端的电压、电流推算求得T 节点电压和注入假定故障支路的电流,从而分别求得3个故障距离。经证明,求得的3个故障距离有且仅有1个在0和对应支路总长度之间,该距离就是真实的故障距离,故障发生在对应支路上。该方法无需事先判别故障支路即可测距,在T 节点附近经高阻故障时无测距死区。其测距精度理论上不受过渡电阻和故障类型影响,无需故障前数据,且对滤波无高要求。EM TP 仿真结果表明该方法正确、有效,测距精度高。关键词:线路保护;故障测距;T 形线路;过渡电阻;测距死区中图分类号:TM 773

收稿日期:2008 01 03;修回日期:2008 03 10。

0 引言

输电线路故障测距能够大大减少巡线工作和缩短停电时间,一直受到人们的关注[1 4]。随着电力系统的发展,T 接输电线路在高压电力系统中的使用越来越广泛,因此,对T 接线路故障测距算法[5 7]的研究也越来越受到关注。现有的T 形线路故障测

距算法[5 15]

都是先判断故障支路,然后将3端线路等效成2端线路进行测距。文献[8]基于集中参数模型,将分别由3端电气量计算得到的T 节点电压进行比较,与另外两端不同者判定为故障支路,然后由非故障支路的电气量求出T 节点的电压和注入故障支路的电流,将3端线路等效成2端线路进行测距。该文忽略了分布电容的影响,对于长输电线路将产生较大的误差。文献[9]提出了基于分布参数模型的T 形线路测距算法,故障支路的判别和2端线路的等效方法同文献[8],等效成2端线路后,利用2端计算的故障点电压幅值相等建立测距方程。文献[10 12]基于时域的微分方程形式,故障支路判别方法同上,然后等效成双端线路测距。文献[13 14]采用负序量进行测距,故障支路判别方法同上。上述文献都是根据比较3端计算得到的T 节点电压来判断故障支路。当在T 节点附近发生短路、尤其是经高阻短路时,从3端计算得到的T 节点电压基本相同,再加上暂态过程的影响,该方法无法正确判别故障支路。

文献[15]提出了一种新的故障支路判别方法,首先假设另外一条支路不存在,把3端支路看成2端支路测距,若测得的故障距离实部大于实际T 节点的距离,则在对侧支路;若小于实际T 节点的距离,则在本侧支路;若相等,则在第3条支路。当故障发生在T 节点附近或发生在第3条支路上时,由于暂态过程的影响,所测距离的实部在T 节点距离左右摆动,因此,该方法在T 节点附近也无法正确判断故障支路。

综上所述,在T 节点附近故障,尤其是经高阻短路时,由于无法正确判断故障支路,将导致测距失效。

本文基于分布参数模型,分别假定故障发生在某一支路,根据求得的故障距离与该段线路总长度的相对关系,提出了一种T 接线路故障测距的新方法。

1 基本原理

T 形线路故障示意图如图1

所示。

图1 T 形线路故障示意图Fig.1 Diagram of fault teed line

图1中:线路M T ,NT ,P T 的长度分别为l 1,

第32卷 第11期2008年6月10日V o l.32 No.11June 10,2008

上,F为故障点,U F为故障点电压,R F为过渡电阻; U T为T节点电压;I TM,I TN,I TP分别为从T节点流入M T,N T,P T线路的电流。设U T(M),U T(N),

U T(P),I T(M),I T(N),I T(P)为假设故障不在该支路上分别从M,N,P端推算的T节点电压和流入T节点的电流,

U T(M)=U M cosh( l1)-I M Z C sinh( l1)(1)

U T(N)=U N cosh( l2)-I N Z C sinh( l2)(2)

U T(P)=U P cosh( l3)-I P Z C sinh( l3)(3)

I T(M)=I M cosh( l1)-U M

Z C

sinh( l1)(4)

I T(N)=I N cosh( l2)-U N

Z C

sinh( l2)(5)

I T(P)=I P cosh( l3)-U P

Z C

sinh( l3)(6)

式中:Z C, 分别为波阻抗和波传播常数。

故障发生在MT支路,利用N,P这2端的电

气量推算得到T节点的电气量为U M T,I TM。在故障点F,根据从2端推算得的电压相等可得到:

U M cosh( x1)-I M Z C sinh( x1)=U M T cosh( (l1-

x1))-I TM Z C sinh( (l1-x1))(7)式中:

U M T=1

2

(U T(N)+U T(P))(8)

I TM=I T(N)+I T(P)(9) 同理,若假定故障分别发生在N T,PT支路时,可得:

U N cosh( x2)-I N Z C sinh( x2)=U N T cosh( (l2- x2))-I TN Z C sinh( (l2-x2))(10) U P cosh( x3)-I P Z C sinh( x3)=U P T cosh( (l3- x3))-I TP Z C sinh( (l3-x3))(11)式中:

U N T=1

2

(U T(M)+U T(P))(12)

I TN=I T(M)+I T(P)(13)

U P T=1

2

(U T(M)+U T(N))(14)

I TP=I T(M)+I T(N)(15) 由于故障发生在MT支路,由式(2)、式(3)、式(5)、式(6)可知U T(N)=U T(P)为T节点的实际电

压。I T(N),I T(P)分别为从N T,PT支路注入T节点的实际电流。根据式(8)、式(9)可知,U M T为T节点

的真实电压,I TM为T节点流入TM支路的真实电流。因此,满足式(7)的解x1反映的是真实的故障距离,且0对于式(10),假设有x2!l2成立。设距N侧

x2的点为F1,由于N侧的电压电流都是真实测得的,所以式(10)等号左边为从N侧推算的F1点的真实电压。由式(1)、式(4)可知,故障发生在MT

支路上时,U T(M)和I T(M)是不真实的,根据式(12)、式(13)可得U N T和I TN是不真实的,因此,式(10)等

号右边用U N T,I TN推算得F1点的电压是不真实的。而式(10)的解x2!l2成立的条件是在线路l2上存在一点,该点从N侧推算的真实电压与从T侧推算的不真实电压相等,很显然,该条件是不满足的。所以x2>l2。

同理,对于式(11)可以证明x3>l3。

因此,当故障发生在M T支路时,式(7)、式(10)、式(11)的解有:0l2,x3>l3,且x1就是故障点距M端的距离。

同理,当故障发生在NT或PT支路上时,可以得到类似的结论。

综上所述,可得到下列判据:解式(7)、式(10)、式(11)得到x1,x2,x3。若0l2,x3> l3,则故障发生在MT支路,x1就是故障点距M端的距离。若x1>l1,0l3,则故障发生在N T支路,x2就是故障点距N端的距离。若x1>l1,x2>l2,0解式(7)可得:

e2 x1=

e l1(U M T-I TM Z C)-U M-I M Z C

U M-I M Z C-e- l1(U M T+I TM Z C)

=

A+j B(16)将 = +j代入式(16)得:

x1=1

2

arctan B

A

(17) 由上述推导过程可见,该方法将判别故障支路和故障测距融为一体。在T节点附近经高阻短路时,仍满足上述关系,不存在因无法判别故障支路而导致测距失败的问题。另外,推导过程与过渡阻抗无关,该方法在理论上不受过渡电阻的影响。

上述推导是在单相系统下得出的,易知,对于三

2008,32(11)

相系统,其正、负、零序网也存在对应于式(1)~式(17)的关系。由于正序分量能够反映各种故障,因此,本文采用正序分量进行测距。只需将式(1)~式(17)中的各量均用正序分量代替即可。由于选取正序分量测距,因而无需进行故障选相,测距不受故障类型影响,而且无需故障前状态。

2 算例分析

对500kV 单回T 接线路进行ATP EM TP 仿真,以验证本文测距方法的正确性和精确度。线路故障模型如图2

所示。

图2 T 形线路仿真模型

Fig.2 Simulation model for teed lines

3侧数据的采样率为2.4kH z,采用故障后60ms 以内的采样数据。用全波傅里叶算法滤波并提取基波相量。测距结果采用5点数据平滑。

图3为MT 支路上距M 端60km 处发生A 相接地故障、经60ms 后切除的x 1,x 2,x 3

曲线。

图3 x 1,x 2,x 3曲线Fig.3 C urves of x 1,x 2,x 3

由图3可知,故障20m s 以后,x 1,x 2,x 3均满足0l 2,x 3>l 3。x 1∀60km 反映故障点距M 端的距离,验证了上文的推导结论。由于采用全波傅里叶算法提取相量,故障后0~20ms 内数

据窗未满,所以该段曲线波动。

表1列出了发生各种类型短路故障时的测距结果。接地短路过渡电阻为300!,相间短路过渡电阻为100!。由表1可知,本文方法对于T 接线的任一支路发生的各种短路故障,都能够精确测距,测距精度很高。

表1 各种短路故障时的测距结果

Table 1 Results of fault location for all types of

short faults

故障支路

故障距离/k m 测距结果/km

AG BC BCG ABC 最大误差/(%)M T

1 1.21 1.0

2 1.020.930.00.97.95.95.970.02160159.95159.94159.95159.960.02249249.03248.97248.97248.980.01NT

1

1.18 1.08 1.080.980.107069.9970.0370.0370.0310.01120119.91120.02120.02120.0310.05179178.88179.01179.01179.030.07P T

1

1.19 1.13 1.120.990.165050.3250.1450.1350.060.258080.4080.1580.1480.070.33119

119.27

119.09

119.09

119.05

0.17

表2列出了本文方法在不同的过渡电阻下的测

距结果。故障点设置在MT 支路上。由表2可以看出,本文方法测距效果不受过渡电阻影响。测距结果的微小差异是由不同的过渡电阻时暂态过程不同引起的。

表2 过渡电阻对测距的影响

Table 2 Influence of fault resistance to fault location

故障类型过渡电阻/!

测距结果/km

d 0=50km d 0=120k m d 0=200km 最大误

差/(%)

AG

300

49.96119.99199.930.0310049.86119.87199.820.071049.90119.88199.790.080.149.87119.88199.820.07BC

100

49.95119.96199.930.031050.28120.12199.910.111

50.26

120.18

200.02

0.10

注:d 0为实际故障距离。

本文方法与传统测距方法[5 15]相比,突出的优点在于在T 节点附近经高阻短路时,本文方法能够正确定位故障,且测距精度高,无测距死区。而传统方法则在T 节点附近存在约7km 左右的测距死区。表3列出了在T 节点附近A 相经300!过渡电阻接地故障时本文方法与传统方法(以文献[9]的方法为例)的测距结果比较。由表3可以看出,与传统方法相比,本文方法在T 节点附近无测距死区,且测距精度高。

研制与开发 施世鸿,等 一种T 形高压输电线路故障测距新方法

occurs near the teed node

实际故障点

故障支路故障距

离/km

本文方法

故障支

路判断

故障距

离/km

传统方法

故障支

路判断

故障距

离/km

M T243.0M T243.02N T182.54

M T245.0M T245.02N T182.92

M T247.0M T247.02PT120.83

M T249.0M T249.03PT120.12

M T249.5M T249.53PT121.65

N T173.0NT172.PT123.13

N T175.0NT174.88PT122.13

N T177.0NT176.87PT121.13

N T179.0NT178.86PT120.13

N T179.5NT179.36M T251.35

PT113.0P T113.29M T253.97

PT115.0P T115.30M T252.97

PT117.0P T117.29M T253.22

PT119.0P T119.28M T251.10

PT119.5P T119.77M T250.70

3 结语

本文指出了传统T形输电线路测距方法在T 节点附近经高阻故障时会出现无法判别故障支路而导致测距失败,存在一定范围的测距死区。

本文方法无需事先判别故障支路,分别假定故障发生在某一支路,求得3个故障距离。证明了求得的3个故障距离中有且只有1个满足大于0且小于等于该段支路的总长度,该距离就是故障距离,该支路就是故障支路。理论分析和仿真表明,本文方法对全线范围内各种类型的短路故障都能够精确测距,尤其是在T节点附近经高阻接地时,仍旧能够精确测距,无死区,较好地克服了传统方法的不足。而且,本文方法不受过渡电阻和故障类型影响,无需故障前状态,对滤波要求低,并且计算量不大,具有较高的理论和实用价值。

参考文献

[1]束洪春,司大军,葛耀中,等.长输电线路电弧故障定位方法研

究.电力系统自动化,2000,24(11):27 30.

SH U H ongchun,SI Dajun,GE Yaozhong,et al.A new arcing fault location algorithm for H V long transmission lin e.

Automation of E lectric Pow er Sys tems,2000,24(11):27 30. [2]全玉生,王晓蓉,杨敏中,等.工频双端故障测距算法的鲁棒性问

题和新算法研究.电力系统自动化,2000,24(5):28 32.

QUAN Yush eng,WANG Xiaorong,YANG M inzhong,et al.

T w o new algorithms and th eir robustn ess for tw o terminal fault location on H V transmis sion line.Autom ation of Electric Pow er Sys tems,2000,24(5):28 32.

[3]康小宁,索南加乐.求解频域参数方程的双端故障测距原理.电

力系统自动化,2005,29(10):16 20.

KANG Xiaonin g,SUONAN Jiale.Frequency domain fau lt location meth od based on the transmission lin e param eter identification using tw o terminal data.Au tom ation of Electric Pow er S ystems,2005,29(10):16 20.

[4]陈铮,董新洲,罗承沐.电流互感器饱和影响测距精度的一种解

决方法.电力系统自动化,2002,26(1):39 41.

CHE N Zhen g,DONG Xin zhou,LUO Chengmu.A s olution to influen ce on fault location by saturation of curren t transformer.

Autom ation of Electric Power System s,2002,26(1):39 41. [5]GIRGIS A A,HART D G,PET ERSON W L.A new fau lt

location technique for tw o and th ree terminal lin es.IEEE Tr ans on Pow er Delivery,1992,7(1):98 107.

[6]KALAM A,JOHNS A T.Accurate fault location technique for

multi terminal EH V lin es//Pr oceedings of IEE In ternational Con feren ce on Advances in Pow er System Control,Op eration and M anagement:Vol1,November5 8,1991,H ong Kon g, China:420 424.

[7]NAGAS AWA T,ABE M,OT SUZUKI N,et al.Development

of a new fault location algorith m for multi terminal tw o parallel trans mission lin es.IEE E T ran s on Pow er Delivery,1992, 7(3):1516 1532.

[8]ABE M,OT SUZUKI N,EM URA T,et al.Development of a

new fault location s ystem for multi term inal single trans mission lines.IEEE T rans on Pow er Delivery,1995,10(1):159 168.

[9]束洪春,高峰,陈学允,等.T型输电系统故障测距算法研究.中

国电机工程学报,1998,18(6):416 420.

SH U H ongchun,GAO Feng,CH EN Xueyun,et al.A study on accurate fault location algorithm of EH V T con nection to th ree terminals.Proceedings of th e CSEE,1998,18(6):416 420.

[10]GONG Qin gwu,CH EN Yun ping,ZHANG Ch engxu e,et al.

A study of the accurate fault location system for trans mission

line using mu lti terminal signals//Proceedings of IEE E Pow er Engineering S ociety Win ter M eeting:Vol4,J anu ary23 27, 2000,Colum bus,OH,US A:2533 2538.

[11]束洪春,司大军,葛耀中,等.T型输电线路电弧故障测距时域

方法研究.电工技术学报,2002,17(4):99 103.

SH U H ongchun,SI Dajun,GE Yaoz hong,et al.A new time dom ain method for locating faults on T connection to th ree terminal transm ission lines.T rans action of C hina Electrotechn ical S ociety,2002,17(4):99 103.

[12]李胜芳,范春菊,郁惟镛.T型支接线路的自适应故障测距算

法.电工技术学报,2004,19(10):59 .

LI Sh engfan g,FAN Ch unju,YU W eiyong.Adaptive fau lt location meth od for three terminal transm ission line.

Transaction of China Electrotechn ical Society,2004,19(10):

59 .

[13]韦钢,唐斌,肖鸿杰.输电线路不对称故障点定位的新方法.电

力系统自动化,2001,25(9):29 32.

WEI Gang,TANG Bin,XIAO H ong jie.New location method of unbalance faults on transm ission lin es.Automation of Electric Pow er S ystems,2001,25(9):29 32.

[14]TZIOU VARAS D A,ROBERTS J B,BENM OUYAL G.New

multi ended fault location design for tw o or three term inal lines//Proceedings of IEE Conference on Developments in Pow er Sys tem Protection,April9 12,2001,Amsterdam, Netherlands:395 398.

(下转第76页 continued on pag e76)

sp ecification[EB/OL].[2005 06 03].http://w w w.omg.org/ docs/formal/05 06 03.pdf.

[4]薛艳芳,吴健.基于CIM的内存实时数据库的设计.计算机工程

与设计,2007,28(14):3508 3510.

XUE Yanfan g,W U Jian.Design of m emory real time datab as e based on CIM.Compu ter Engineerin g and Design,2007, 28(14):3508 3510.

[5]王志南,吴文传,张伯明,等.基于IEC61970的CIS服务与SVG

的研究和实践.电力系统自动化,2005,29(22):60 63.

W ANG Zh inan,WU Wench uan,ZH ANG Boming,et al.Study and implementation of CIS and SVG based on IEC61970.

Automation of E lectric Pow er Sys tems,2005,29(22):60 63.

[6]OM G.Data acquisition from indus trial sy stems s pecification

[E B/OL].[2005 06 01].h ttp://w w w.omg.org/docs/

formal/05 06 01.pdf.

[7]IE C61970 Energy man agemen t system application program

interface(EM S API):Part404 high speed data access (HS DA).2007.

冯 浩(1984 ),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:软件工程与网络软件、软件技术在电力自动化中的应用。E mail:fenghao1984@g mail.com

吴 健(1961 ),男,教授,主要研究方向:软件工程、W eb计算、软件技术在电力自动化中的应用。

陈丁剑(1978 ),男,博士,主要研究方向:软件技术在电力自动化中的应用。

Design of IEC61970DAIS DA Based Electric Power Data Exchange Server

FEN G H ao1,W U J ian1,CH E N D ingj ian2

(1.N or thwestern Po ly technical U niversity,Xi#an710072,China;

2.Suzho u W anLo ng Gr oup Co Ltd,Suzho u215123,China)

Abstract:T o meet the r equirements of t he elect ric pow er info rmat ion system,this paper studies the dat a acquisition fro m industrial systems(DA IS)N ode Item data model refer enced by the new est IEC61970 404hig h speed data acquisition(HSD A) specification,and g iv es a desig n of DA IS data access(DA)based electr ic po wer data exchange serv er suppo rting the specification.T he vital decisions of desig n,co re data str uctures and metho d to r ea lize key mechanism ar e descr ibed.A ccor ding to the desig n,the serv er is implemented by means of encapsulating an elect ric pow er informat ion sy stem in use,and co nv erting the for mat o f ex clusive data of t he system thr ough mapping.T he test result of this serv er implementation indicates t hat the desig n is reasonable and feasible.

Key words:data acquisit ion fro m industrial systems(D AIS);data access(DA);IEC61970;component interface specification (CIS);high speed data access(H SD A)

(上接第52页 continued fr om page52)

[15]LIN Yinghong,LIU Chihw en,YU Ch ishan.A n ew fault

locator for thr ee term inal transmis sion lines us ing tw o terminal syn chroniz ed voltag e an d current phasors.IEEE T rans on Pow er Delivery,2002,17(2):452 459.

施世鸿(1984 ),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:电力系统继电保护和故障测距。E mail:x ix ihao84@ 163.com

何奔腾(1959 ),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统继电保护与控制、电能质量。

New Fault Location Method for HV T connection Transmission Lines

S H I S hihong,H E Benteng(Zhejiang U niver sity,Hang zhou310027,China)

Abstract:In the conventio na l fault lo cat ion method,t he fault sect ion is first identif ied,and then,thr ee terminal lines ar e co nv erted into tw o ter minal to calculate the fault locatio n.Ho wev er,w hen the fault occurs near by the T co nnectio n point, par ticular ly in the case of hig h resistance g ro unding,the met ho d cannot ident ify the fault section precisely and has a dead band. T o o verco me t he shor tco ming,this pa per presents a new fault lo cat ion metho d for t eed lines,assuming t he fault occurs at each of the three branches respectively,then calculating the teed node v olt age and cur rent flow ing t o the assumed fault branch.In the t hr ee fault distances calculated,the only one g r eater than zero and less than the cor respo nding branch leng th is for the real faulty br anch.T he pro po sed metho d can locate faults without hav ing to identify t he fault section fir st and can accurately locate the faults occurr ing near the teed node thr ough la rg e r esist ance.T he fault lo cat ion accuracy is independent of the fault resistance and fault type in theor y.I n addition,pr e fault dat a o r filter is no t required.Simulat ion results w ith EM T P indicate that the method is cor rect and accurate.

Key words:line prot ection;fault locatio n;teed line;fault resistance;dead zo ne o f fault lo cation