专利名称：用于串联补偿输电线的故障定位的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及配电系统领域，并且具体涉及用于这样的系统内的保护的方法以 及保护设备。
背景技术：
电力传输系统包括布置用以对形成输电系统的一部分的设备的运转进行保护、监 测和控制的保护装置。该保护系统尤其检测该电力传输系统的输电线、变压器和其他部件 中的短路、过电流和过电压。在整个电力传输系统中使用了保护设备以用于提供这样的保护和控制。该保护设 备检测例如在输电线和配电线上的故障，并且通过打开断路器并于此后在已排除故障后恢 复电力流对故障进行隔离。备选地，可将保护设备布置成在检测到故障时为电力流选择替 代路径。电流差分保护是一种用于检测故障并从而保护电网的可靠方法。其基于对受保护 区域(例如，输电线)或者受保护单元(例如，变压器)两侧上的电流进行比较的构想。在 正常工作条件下，进入和离开受保护的输电线的所有电流的总和等于0。未经补偿的输电线的范围通常从几千米到长达几百千米。为了沿着更长的输电线
(例如，长达数千千米)传输电力，需要某种补偿用以补偿损耗并且改善电力传送。串联补
偿输电线通过沿输电线布置于单个位置上的电容器(在下文中被称为电容器组)得到补 偿。图1示出了包括站A与站B之间的输电线3的输电线系统1。输电线3通过电容 器组2而被串联补偿。输电线的每一侧相应地由以下简称为“差分继电器”的电流差分保 护继电器DIFF RELa和DIFFRELb保护。输电线3的每一侧通常还通过未在本文中讨论的额 外的保护设备来加以保护。故障可能在站A与站B之间的输电线上的任何位置上发生。特别是，对于串联补 偿输电线而言，故障可能发生在站A与电容器组2之间，或者在电容器组2与站B之间。在 差分继电器DIFF RELa中布置有被称为故障定位器I(FLa)的用于定位故障的设备，用以快 速地确定到已发生的故障的距离。存在用于确定到故障的距离的不同方法，受让给与本申 请相同的申请人的国际专利申请W02007/079990公开了这样一种用于未经补偿的输电线 的情况的方法。然而，在串联补偿输电线上对故障进行定位产生出若干挑战。在使用被成功地应 用到未经补偿的输电线的方法时，由电容器组所增加的电容会改变故障的位置的表观。例 如，如果将表观阻抗用作对到故障的距离的度量，那么由于电容器组在输电线阻抗上造成 间断这一事实而造成该结果具有误导性。特别是，电容器组产生出现在变电站与故障位置 之间的非线性和电流依赖性的电路。已认识到，串联补偿输电线上的故障的准确定位是非常重要的，因为这样的线路 通常跨越非常大的距离，并且构成能量生产与消耗中心之间的至关重要的链路。迄今已经开发出了应用单端测量或者双端测量的用于串联补偿线路的不同故障定位算法。应对在串联补偿输电线上定位故障的挑战的两个现有技术文献包括M M Saha, J Izykowski,E Rosolowski，B Kasztenny，“A newaccurate fault locating algorithm for series compensated lines，，，IEEETransactions of Power Delivery, Vol. 14, No. 3, July 1999, pp 789-797 MRU M Saha, J Izykowski, E Rosolowski, B Kasztenny ；"Location of fault on series-compensated power transmission lines”，美国专利，US6529010， 2003年3月4日。然而，这些文献中所描述的方法是基于对电流和电压的单端测量。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种用于串联补偿线路的准确的故障定位算法。特别 是，本发明的一个目标是提供用于即使在其中仅可获得不完整的双端测量值的情况中仍能 获得准确的故障定位的手段。这一目标尤其是通过如在所附独立权利要求中所要求保护的方法、故障定位器设 备以及计算机程序来实现的。根据本发明，提供了一种方法，用于对串联补偿双终端电力传输线中的故障进行 定位，所述电力传输线包括用于向输电线提供串联补偿的补偿组。利用不同的子例程来定 位从第一终端到补偿组的线路区段和从第二终端到补偿组的线路区段上的故障。随后进行 选择，以确定有效结果。子例程利用来自两个线路终端的三相电流同步测量和来自一个终 端的三相电压测量来确定到故障的相应每单位距离。通过本发明，基于双端电流和单端电 压信号提供了准确的故障定位。使用这样一组故障定位器输入信号具有重大的实际意义， 因为这对应于对通过电流差分保护继电器所完成的电流的双端测量以及对额外加入的本 地测量三相电压的使用。另外，由于本方法不依赖于从两个输电线端部所获得电压测量，因 此即使在故障导致输电线端部之间的数据通信中断的情况下也可以提供准确的故障定位。本发明还涉及输电线系统、用于故障保护的设备以及计算机程序，类似的优点据 此得以实现。本发明的其他特征及其中的优点将通过阅读以下描述而变得清楚明朗。
图1为在与电流差分保护继电器相关联的串联补偿线路上的故障定位的示意图。图2-图3示出了故障的串联补偿输电线的电路图。图如-图4d示出了 SC&M0V电路的基频等效图如示出了等效的原理，图4b示出 了 MOV的电压电流特征，图如示出了等效电阻，图4d示出了等效电抗。图5示出了对于a)正序和b)负序的故障线路分段Y-B的等效电路图。图6a和图6b示出了在选择过程的第二阶段中所考虑到的对于负序的输电网的电 路图；图6a为子例程SUB_A，图6b为子例程SUB_B。图7示出了在两个输电线端部上包括有故障定位器的本发明的一个实施方式。
具体实施例方式在所有附图和说明书中，使用相同的参考标号来表示相同或相应的部件。
根据本发明开发出的故障定位算法适于应用至如下的输电线或配电线，上述线路 使用例如在下文中缩写为SC&M0V的配备有MOV (金属氧化物变阻器)的三相固定串联电容 器组的电容器组进行补偿，以用于过压保护。图1示出了输电线系统1，其中双终端输电线3通过在以下称为电容器组2的补 偿组而被串联补偿。在输电线端部A(或者终端A)上安装有故障定位器6。故障定位器6 被提供有来自输电线3的电流和电压测量值。电流测量从两个线路端部A、B提供，而电压 测量从一个端部(本地端部，即其中布置有故障定位器6的端部)提供。测量值例如可以 从测量该端部上的三相电流和电压的电流互感器4、4’和电压互感器5提供。尽管在附图 中示出了这种用于获得测量值的常规手段，但也可以利用其他用于获得这样的测量值的手 段。以常规方式，将来自输电线3的另一端部(如从故障定位器6的位置上观察)即 端部B的三相电流测量经由适当的通信信道传达到故障定位器6。故障定位器6可以备选 地安装在线路端部B，或者可以在输电线3的两个端部A、B上都安装故障定位器。由于电流的双端部测量是取自电流差分继电器的，所以这些测量被认为具有共同 的时间基准，即，它们是同步的，并且无需对于它们的分析同步。然而，值得注意的是，如果 需要同步，那么可以利用用于获得同步电流测量的任何已知方法。如前所述，故障具有随机本性并且可能出现在任何输电线3的分段上，S卩，在站A 与电容器组2之间或者在电容器组2与站B之间。在本申请中，将发生在站A与电容器组 2之间的故障标示为FA，并且将发生在电容器组2与站B之间的故障标示为FB。根据本发明，利用两个子例程SUB_A和SUB_B来分别定位这些假设的故障FA和 FB。最终结果，即，故障位置的确定，将于此后通过选择过程的使用来选择。电容器组2，优选地为上述三相SC&M0V组，将长度为1 [km]的输电线3划分为具有 如下长度的两个线路区段:dsc[p. u.(每单位测量)]和(l-dsc) [p. u.]，见图2。子例程SUB_ A、SUB_B确定到故障的每单位距离dFA、dFB，其各自关联于特定线路区段的长度(ds。l)或者 ((l-dsc) 1)，其中1是整个输电线3的长度[km]。最后，将这些相对距离dFA、dFB重新计算为 距离dA、dB，其也以[p. u.]表示，但却关联于共同基础，即，关联于整个输电线长度l[km]dA = dFA ‘ dsc(1)dB = dFB · (l-dsc)(2)图2和图3呈现了故障串联补偿输电线3的电路图，其被认为用于根据本发明来 推导故障定位子例程SUB_A、SUB_B。在以下描述中，提及和使用了对称分量，并且为了完整性起见在下文中示出了这 样的分量，尽管要获得更多详情，例如可参考由GO Calabrese所著并由Hie Roland Press Company, New York 于 1959 年出版的"Symmetrical Components, Applied to Electric PowerNetwork，，。因此，对于对称分量的三相(a、b、c)量按下式获得
权利要求
1.一种用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，所述输电线(3)具有长 度1并且包括第一终端A和第二终端B，并且还包括补偿组(2)用于向所述输电线(3)提 供串联补偿，所述补偿组(2)位于距所述终端A的距离dsc处并且位于距所述终端B的距离 l-dsc处，所述方法的特征在于如下步骤-通过第一子例程(SUB_A)确定到发生在所述终端A与所述补偿组(2)之间的输电线 区段(LSI)上的故障(FA)的每单位距离dFA，所述输电线区段(LSI)具有长度dsc，其中所述 距离dFA相关于ds。l，其进一步通过下式将所述距离dFA关联到所述传输线长度1 : dA = dFA · dsc(等式 1)-通过第二子例程(SUB_B)确定到发生在所述终端B与所述补偿组(2)之间的输电线 区段(LS2)上的故障(FB)的每单位距离dFB，所述线路区段(LS2)具有长度l_ds。，其中所述 距离dFB相关于((l-ds。) 1)，其进一步通过下式将所述距离dFB关联到所述传输线长度1 : dB = dFB · (l-dsc)(等式 2)-通过在从所述第一子例程(SUB_A)获得的结果dFA和从所述第二子例程(Sub_B)获 得的结果dFB中选择被认定为有效的结果，来定位所述故障，以及-其中所述第一和第二子例程(SUB_A、SUB_B)利用来自两个终端(A、B)的三相电流同 步测量以及来自一个终端㈧的三相电压测量来确定到故障(FA、FB)所述相应的每单位距1 dFA、dFBo
2.根据权利要求1的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中所述 第一子例程(SUB_A)基于通用故障回路模型VAp_dFA Zila Xap-RFAXFA — (等式3)其中Yap、Iap分别为故障回路电压和电流； Ifa是总故障电流；Zila是线路分段A-X的正序阻抗，X为到所述输电线区段(LSI)的所述补偿组(2)的连接点。
3.根据权利要求1或2的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中 所述第一子例程(SUB_A)执行以下步骤-确定对应于所述三相电流同步测量以及对应于所述三相电压测量的对称电流和电压 分量Ou 、工A2、Xao、Ibi、Ιβ2、Ibo Υαι、Χα2、Yao/ ‘-基于所述对应的对称电压分量dUJ并基于故障类型，确定从终端A观察时的 所述故障回路电压(Yap)，-基于所述对应的对称电流分量(I^I^U并基于故障类型，确定从终端A观察时的 所述故障回路电流(Iap)，-通过使用通用故障模型来确定所述总故障电流(Ifa)Ifa = aFiIFAi+aF2lFA2+aFolFAo(^^ 6)，其中&1必2、细是相关于故障类型的系数，并且其 中IFAi被确定为来自所述线路区段(LSI)的两端(A、X)的电流的第i序列分量之和， -忽略输电线旁路电容，从而获得 IFai = IAi+IBi(等式8)-基于所述故障回路电压(Yap)、基于所述故障回路电流(Iap)并且基于所述总故障电流 (Ifa)，确定所述距离dFA。
4.根据权利要求3的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中所述 距离dFA通过求解以下等式确定
5.根据任一前述权利要求的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其 中所述第一子例程(SUB_A)还执行确定发生在所述线路端部A与所述补偿组( 之间的输 电线区段(LSI)上的故障电阻(Rfa)的步骤，并且所述第二子例程(SUB_B)还执行确定发生 在所述线路端部B与所述补偿组(2)之间的输电线区段(LS2)上的故障电阻(Rfb)的步骤， 并且其中定位所述故障的所述步骤包括通过进一步使用所述故障电阻(Rfa、Rfb)来选择被 认定为有效的结果。
6.根据权利要求5的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中通过 选择来定位所述故障的所述步骤包括通过抛弃落在所述分段范围以外的到故障距离并且 /或者通过抛弃具有负值的故障电阻，而在所述到故障的距离和所述故障电阻(dFA、RFA ；dFB、 Rfb)中进行选择。
7.根据权利要求5或者6的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其 中通过选择来定位所述故障的所述步骤包括分析包括所述串联补偿双终端输电线(3)的 输电网的对于负序的电路图。
8.根据权利要求5、6或者7的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法， 其中所述第一子例程(SUB_A)执行进一步的步骤-通过求解以下等式来确定所述故障电阻(Rfa)
9.根据任一前述权利要求的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其 中所述故障类型包括下列类型中之一相接地故障、相间故障、相间接地故障、三相对称故障。
10.根据任一前述权利要求的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法， 其中所述第二子例程(SUB_B)执行以下步骤-从所述线路端部A朝向所述补偿组( 解析地传送电压信号和电流信号， -利用基频等效，通过减去跨过所述补偿组( 的电压降来传送跨过所述补偿组(2)的 电压降，由此，上述步骤向所述子例程(SUB_B)提供双端电流信号和单端电压信号作为输入信号。
11.根据权利要求10的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中从 所述线路端部A朝向所述补偿组( 传送电压信号的所述步骤提供Yx1 = YA1Cosh (I1ClscI) -ZclIA1Sinh (I1ClscI) (等式 1 ) Yx2 = YA2Cosh (I1ClscI) -ZclIA2Sinh (I1ClscI) (等式 1 ) Yx0 = YA0Cosh (IciClscI) -Zc0IA0Sinh (Ici(IscI) (等式 12c) 其中
12.根据权利要求11的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中传 送跨所述补偿组O)的电压降的所述步骤包括-对于基频来等效所述补偿组O)，并且通过下列各式计算所述电压降 等式16a)
13.根据权利要求12的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中等 式(等式26)被分解为实部和虚部，并且利用下式给出的起始点，通过如牛顿拉弗森法之类 的迭代数值方法来求解
14.根据任一前述权利要求的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法， 其中所述被认定有效的结果是通过抛弃具有负故障电阻值的结果和/或通过抛弃落在相应的输电线分段范围之外的到故障距离值，和/或通过确定源阻抗
15.根据权利要求14的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法，其中所述源阻抗
16.根据权利要求14或者15的用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的方法， 其中所述源阻抗亙；!^-5是通过将在从两个终端(A、B)观察时在所述故障点(FB)上的负序 电压推导为下式而获得的
17.—种包括串联补偿双终端输电线(3)的输电线系统(1)，所述输电线(3)包括第一 终端A和第二终端B，并且还包括用于向所述输电线(3)提供串联补偿的补偿组O)，所述 补偿组⑵位于所述终端(A、B)之间，所述输电线(3)在各输电线终端(A、B)上受到相应 的故障定位器(6a、6b)的保护，第一故障定位器(6a)布置于输电线终端A上，并且第二故 障定位器(6b)布置于输电线终端B上，每个故障定位器(6a、6b)包括用于执行如在权利要 求1-16中的任一项权利要求中所述的方法的装置，其中所述故障定位器(6a、6b)被布置用 以根据以下各项来检测故障通过以下子例程来定位所述终端A与所述补偿组( 之间的输电线区段(LSI)上的故障-布置于终端A处的所述故障定位器(6a)的所述第一子例程(SUB_A)，以及 -布置于终端B处的所述故障定位器(6b)的第三子例程(SUB_AA)，所述第三子例程 (SUB_AA)以对应于所述第二子例程(SUB_B)的方式对故障进行定位，通过以下子例程来定位所述终端B与所述补偿组( 之间的输电线区段(LS》上的故障，-布置于终端B处的所述故障定位器(6b)的所述第二子例程(SUB_B)，以及 -布置于终端B处的所述故障定位器(6b)的第四子例程(SUB BB)，所述第四子例程
18.根据权利要求17的输电线系统(1)，包括用于标识所述故障位于哪个线路区段 (LSULS2)之上的装置，并且其中针对所述第一线路区段(LSI)上的故障，选择由所述第一 子例程产生的到故障的距离，并且其中针对所述第二线路区段(LS2)上的故障，选择由所 述第四子例程产生的到故障的距离。
19.一种用于定位串联补偿双终端输电线(3)中的故障的设备(6)，其包括处理单元， 该设备(6)的特征在于所述处理单元被布置用以执行如在权利要求1-16中的任一项权利 要求中所述的方法。
20.根据权利要求19的设备，其中所述设备包括电流差分继电器，用于保护所述输电 线⑶。
21.一种计算机程序，其包括用于执行如在权利要求1-16中的任一项权利要求中所述 的方法的步骤的计算机程序代码装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于定位串联补偿双终端输电线3中的故障的方法，所述输电线3包括补偿组2，用于向该输电线提供串联补偿。利用不同的子例程来对从第一终端到补偿组的线路区段以及从第二终端到补偿组的线路区段上的故障进行定位。随后进行选择，以确定有效结果。子例程利用来自全部两个终端(A、B)的三相电流同步测量以及来自一个终端(A)的三相电压测量，用以确定到故障(FA、FB)的相应的每单位距离dFA、dFB。本发明还涉及一种输电线系统、一种用语故障保护的设备以及计算机程序。
文档编号G01R31/08GK102099698SQ200880130405
公开日2011年6月15日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者M·萨哈 申请人:Abb技术有限公司