特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距.pdf
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1、第3 2 卷第1 4 期2 0 0 8 年7 月2 5 日电力系统自动化A u t o m a t i o no fE l e c t r i cP o w e rS y s t e m sV 0 1 3 2N o 1 4J u l y2 5,2 0 0 8特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距王宾1,董新洲1,薄志谦2,A n d r e wK L I M E K 2(1 清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京市1 0 0 0 8 4;2 阿海珐输配电有限公司,斯塔福德郡S T l 74 L X,英国)摘要:特高压长线路分布电容大,故障后波过程明显,基于集中参数模
2、型的单端阻抗法故障测距无法适用。针对该问题,采用分布参数建模,经分析证明观测点处的负序电流可以很好地模拟故障支路负序电流(故障点电压)的相位信息。基于此,提出了一种新的阻抗法故障测距方法。该方法在故障点电压瞬时值过零点时刻计算测量阻抗,理论上不受过渡电阻的影响;基于分布参数模型,不受分布电容电流的影响。理论分析和仿真结果表明:所提出的算法具有较高的测距精度,能够满足现场应用的要求。关键词:特高压;故障测距;分布参数;阻抗法中图分类号:T M 7 7 30引言单端阻抗法故障测距只需要一侧信息,对硬件要求低,易于实现;虽然测距精度不高,但是算法稳定性很好,在高压、超高压系统中得到了广泛应用。目前在
3、现场中运行的微机保护装置、故障录波装置基本上均采用单端阻抗法构成其故障测距元件 1。2 3;同时,利用阻抗法测距的稳定性,综合使用单端阻抗法和行波法的组合法测距,也极大地提升了单端行波测距的性能 3 4 。单端阻抗法故障测距的工作前提是认为线路的分布电容可以忽略,测量阻抗与故障距离呈正比例关系。这是由于高压、超高压线路长度一般小于4 0 0k m,忽略分布电容的影响带来的误差不大,可以满足现场应用的要求。而对于特高压长线路,线路的分布电容电流与线路传输自然功率的电流相比可达到7 6 以上 5 ,此时仍然忽略分布电容、以集中参数线路模型计算故障距离带来的误差不能被现场接受。以分布参数线路模型建模
4、,观测点与故障点之间的线路阻抗与故障距离呈双曲正切关系 6 。双曲正切函数特性决定了过渡电阻带来的附加测量阻抗收稿日期:2 0 0 7 1 2 一O l;修回日期:2 0 0 8 一0 5 1 2。国家重点基础研究发展计划(9 7 3 计划)资助项目(2 0 0 4 C B 2 1 7 9 0 6);国家自然科学基金资助项目(5 0 3 7 7 0 1 9);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(2 0 0 6 0 0 0 3 0 3 3);中国博士后科学基金资助项目(2 0 0 6 0 3 9 0 0 4 6)。将严重地影响故障测距的精度。传统的阻抗法改进方法,如工频阻抗法7、解微分方程法
5、8|、零序电流相位修正法9、故障电流相位修正法1 0 、解二次方程方法m 、最小二乘法m 3 等,均假设对端系统阻抗已知或者假设故障点电流与观测点电流同相位。这种假设在特高压长线路上带来的误差无法接受,因此传统的单端阻抗故障测距方法难以直接应用到特高压长线路上。针对该问题,本文采用分布参数建模,利用故障点电压瞬时值过零点时刻计算测量阻抗,提出了一种新的单端故障测距方法。1基础理论分析1 1单相接地故障分析特高压交流输电线路单相接地故障示意图如图1 所示。芸警公线路参数:足c 芸营冀母线处标志R 表示继电器图l 特高压交流输电线路单相接地故障F i g 1D e m O 璐t r a t i o
6、 nO fs i n g l e _ l i n e-t 俨g m u n df a u ni nU H Vt|训俗m i s s j 鲫s y s t 哪在分布参数线路上,始端M 侧电压和电流相量(序分量)是末端N 侧电压和电流相量(序分量)的双曲函数1 3 。经过渡电阻单相接地故障后,利用故一2 5 万方数据电力熏统自动让障点的边界条件,可求得观测点的故障相电压为:U f A 一【,F A c o s hy l k+(J M A+P,j o)Z。l t a n h7 1Z K=3 工F A o R g c o s hy lZ K+(j m+P J 胁)Z。l t a n h),lZ K(1
7、)式中:DZ c 0T c o s hy 1 K+s i n h Z K T c o s hy 0Z K1,:=l1Z c ls i n hy 1Z K(2)U M A 和U,A 分别为观测点处的故障相电压和故障点电压;JM A 为观测点处的故障相电流;R。为过渡电阻;j-胁和JF A。分别为观测点处和接地支路上的零序电流。基于集中参数线路模型,线路阻抗可表示为:Z。=(R。+j 止1)Z K(3)式中:R,和L。分别为单位长度线路的正序电阻和电感值;为电力系统额定角频率值。利用过渡电阻纯阻性的特点,并且式(3)中的电阻分量和电感分量呈天然的解耦状态,仅仅利用电抗分量来计算故障距离,可以在一定
8、程度上减少过渡电阻的影响。然而,分布参数线路阻抗与故障距离呈双曲正切函数关系:Z 一一Z。1 t a n hy lZ K(4)其值受正序波阻抗、正序传播系数和故障距离的共同作用,很难从理论上解耦测量阻抗的电阻分量和电抗分量,无法借鉴传统思想,直接采用或改进电抗分量进行故障测距,提高测距精度。可行的办法是利用式(1)中的3 JF A。R。c o s hy 1Z K 和(,M A+P 工M o)Z。1 t a n hy lZ K 天然解耦的关系。由于过渡电阻只存在3 IF A。R。c o s h,Z。部分,如果能确定该部分的相位,在过零点时刻计算故障距离,即可消除过渡电阻的影响。如图2 所示,c
9、o s hnz。的相位小于1。,可以忽略,则问题转化为如何准确地测量故障支路电流JF A。的相位信息。f;:垂童1 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 6 0 0 7 0 08 0 0放障距离胁图2 双曲余弦函数的相位特性F 唔2P h a 辩c h a r a c t e r i s t j 岱o fh y p e r b o l i cc 惦i n ef u n c t i 蚰一2 6 1 2 故障点电压相位估计误差分析1 2 1 相位估计误差对于集中参数线路模型,一般采用观测点处相电流相位或者零序电流相位模拟故障支路电流的相位,首先分析其在分布参数线路上使用的估算误差特性
10、。作出图1 所示系统的零序等值序网图如图3 所示。则存在:T 7f 刚。一瓦而煮赢(5)式中:,脚。为由故障点流向M 侧母线的零序电流;U F。为线路上故障点的零序电压值;k 为由M 侧零序系统阻抗Z 决定的虚拟等值线路长度,其与Z 胁的函数关系为1 2 :Z M 0=Z c o t a n h k(6)图3系统的零序等值序网图F i g 3Z 毫r 0 鲫吗u e n c ee q u i V a I e n ts y s t e mc o n f i g u r a t i O n同理可得:j 刚。2i 丽d 瓮而(7)式中:j r 刚。为由故障点流向N 侧母线的零序电流;Z N 为由N
11、侧零序系统阻抗决定的虚拟等值线路长度;z 为线路全长。由式(5)和式(7)可得:旦:一!型!型!:一】一!璺璺垒丝!丝!f 删。f 脚。1t a n h(Z+Z Z K)(8)根据长线电报方程,由图3 可得:f 己,M 0 一L 厂邱c o s hy oZ K J 刚o Z 二s i n h Z K1,胁:一,删。c。s h 托z。+淼 化简得到:等塑一一c o s h 托z K 一(t a n h 托k)s i n h z KJ 胁(1 0)将式(8)代入式(1 0)得:急娟础从,(+志端)J M 0、a 1 1 n,o N1 _ 一K,7 1+(t a n h 孔z M)t a n h z
12、 K(1 1)万方数据运行可靠性与广域安全防御王宾,等特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距故障距离【r r I(a)幅值特性瑟广礤薹,:鼬讯弋墨饕-l o o 卜嗡r 荀r _ 1 赢厂1 赢故障距离,k m(b)相位特性图4 双曲正切函数幅值、相位特性F i 昏4M 驾n i t u d ea n dp h a c h a n c t e f i s t i 龉o fh y p e r b 0 I i ct a n g e n tf u n c t i 蚰式(1 1)相位由3 个部分组成:1+(t a n h z M)t a n h 从,1+高等糕,c。s h 从。其中c o s hy 0
13、z。的相位特征明确,基本随故障距离增加呈二次函数递增的趋势。前两者的相位幅度变化很大:如图4 所示,当线路较短时(小于4 0 0k m),t a n hy oz K 的相位变化很小,而且幅值小于1,若未乌轰黼与(t a n h z M)t a n h 孔z K 的相位基本呈相反趋势变化,且1+者;啬轰黼和1+(t a n hy o k)t a n h 孔Z K 的相位受式中。1”的主要作用,因此J 邱J 胁的相位差不大,这也正是高压、超高压线路上采用这种相位估计方法的主要原因;但如果线路较长(如8 0 0k m),t a n h z K 的幅值、相位特性在10 5 0k m 附近出现拐点,容易
14、导致:善专轰揣与(t a n h 如k)t a n h z K 的相位呈相同趋势变化,且幅值变化较大,带来较大的相位估算误差。系统参数借鉴西北7 5 0k V 系统 1“,线路全长8 0 0k m,仿真式(1 1)的相角差如图5 所示。¥制援霉图5f。以f。估计的相角误差特性F i g 5E r r o rc u r v eo f 吨ej n 蚰g I e 荡t i 啪t i 加b yj 脯可见,f 邱与_ r 胁的相角差随故障距离呈线性增加的趋势,最大达到2 6。附近,采用这种假设的故障测距精度必然很差。1 3故障点电压相位准确估计零序电流以故障相线路与大地构成回路,受分布电容增加影响严重;
15、但是正序、负序分量以相间线路为回路,受影响不大。相对地分布电容的增加,反映到式(1 1)中,主要是零序传播系数的复数特性。因此,考虑到负序分量是故障常量,以负序传播系数讫来代替托。参考式(1 1),可以写出:是乩汹地,(+啬糍),、【a 1 1 I l,2L N r 二一K,1+(t a n h 托z M 7)t a n h 托k(1 2)式中:Z M7 和Z N7 分别为由M 侧、N 侧负序系统阻抗决定的虚拟等值线路长度。如图4 所示,t a n h 讫Z K 的特征拐点延迟到了15 0 0k m 处;而且,由于系统的负序阻抗明显小于零序阻抗,即k7 和z N7 明显小于z M 和Z N,因
16、此,对于式(1 2)中的双曲正切函数,自变量变化区间只能出现在图4 拐点的左侧(这意味着相位变化很小、幅值很小),从而决定了若蔫与专等端,t a n h(讫Z M)t a n h 讫Z K 的相位基本呈相反趋势变化,而且1+暑未啬轰京端和1+“a n h 托k,)t a n hy。Z K 的相位受式中“1”的主要作用,同时考虑如图2 所示的c o s hy。k 的相位特性,因此j 兕J 地的相位差很小。仿真式(1 2)的相位特征如图6 所示,最大误差小于2。,因此观测点处的负序电流可以很好地模拟故障支路负序电流(故障点电压)的相位信息。2 故障测距算法利用此特性,提出了一种抗分布电容电流和过渡
17、电阻影响的线路单端故障测距方法,包括以下步骤:1)计算故障点电压瞬时值过零点时刻为:一2 7 万方数据电力系统自动让9 0。一口=_ 二叫式中:口为观测点处负序电流初始相角。2)计算故障点电压瞬时值过零点时刻,计算观测点故障相电压U。的实部为:【,。=U。c o s(9 0。一口+口)式中:U。为故障相电压幅值;口为故障相电压初始相角。3)故障距离取为初始值z 川。,计算观测点处测量电流JJ 为:J J J f+P Jo=L(c o s(以+1 7)+j s i n(“+叩)式中:J,为故障相电流;L 为测量电流幅值;叩为测量电流初始相角。4)根据输电线路分布参数计算线路阻抗值Z f 8 u
18、l。为:Z h。l t=Z c l t a n hy lZ h。I t=Z r e h,(c o s(以+r)+j s i n(“+r)式中:Z 一。,为线路阻抗幅值;r 为线路阻抗角。5)根据故障点电压瞬时值过零点时刻,观测点处测量电流的实部和线路阻抗值计算故障相电压的实部(计算值)为:U。l=J J Z,。k y c o s(9 0。一口+r+叩)6)计算故障相电压的实部计算值与实测值的误差为:E IU。l 一【,一一。,I7)z 川。以步长S 逐次增加,返回步骤3,依次计算每一点的误差值,直至保护整定范围末端(如I 段接地距离保护发跳闸信号,其整定为被保护线路全长的8 0,线路全长为8
19、0 0k m,则搜索过程以S为步长逐次增加至6 4 0k m),如果无法得到保护跳闸信号,则搜索被保护线路全长,取误差最小点为故障点,该点至线路保护安装处的距离为故障距离。故障距离初始值z。取值从线路出口处开始,根据测距精度的需要可以取1k m 处,甚至更小;步长S 取值越小,测距精度越高,但是计算量将剧增,由于S 不是决定测距精度的主要因素,因此综合考虑计算速度和测距精度,建议S 取值1k m。3仿真分析为了比较检验应用本文方法和应用文献 1 介绍的工频阻抗法(减少过渡电阻影响的算法1)的故障测距误差特性,基于图1 所示模型进行了大量的数字仿真,故障点选择从6 0 0k m 逐渐递减到l o
20、k m,步长为1 0k m;故障过渡电阻从5Q 开始,以一2 8 5 0Q 为步长,逐渐增加至1 5 5Q。z f a u l。初始值和S均取1k m,仿真结果如图7 所示。由图7(a)可见,应用传统工频阻抗法的故障测距误差特性很差,即使在过渡电阻较小的情况下(5Q,5 5Q),故障测距最大相对误差也能达到3 0;随着过渡电阻值的进一步增大,故障测距相对误差达到5 0 以上,测距结果根本不具有可信性。藿霎醒埔赶蹬辑1 51 0O50-o 5实际故障距离,k m(a)传统工频阻抗法1 5 5n1 0 5Q5 5n5QOl o o2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0实际故障距离l【l
21、 l l(b J 本文方法图7 特高压线路单端阻抗法故障测距误差特性F 唔7F a u I tl o c a t i o ne r r o rc u f H v ew i t hi m p e d 粕c ea I g o r i t h mf o rU H VI j n 瞄采用本文方法的故障测距误差特性如图7(b)所示,在小过渡电阻的情况下,故障测距最大相对误差不超过O 7 5,实现精确测距;在大过渡电阻的情况下,故障测距的精度有所下降,但是最大相对误差小于1 5,能够满足现场应用的要求。4结语1)在超特高压长线路上,受分布电容增大、系统运行方式多变的影响,传统单端阻抗法故障测距的前提往往不成
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