基于双端线路电气量信息的故障分析方法和系统与流程

本发明涉及双端输电线路故障分析领域，具体涉及基于双端线路电气量信息的故障分析方法和系统。

背景技术：

输电线路是电力系统发电、输送电等的基本设备，在电力系统中占有非常重要的地位，输电线路接地短路故障较为常见，对系统的安全稳定性造成较大的威胁。其中，架空线路由于其导线大多裸露，受雷击、山火、树障等因素影响发生故障的概率更高。近年来，山火的频发爆发引发了对输电线路故障形态和故障特征的关注。通过线路两侧电气量信息，计算故障距离和过渡电阻，对于了解线路故障成因、及时找到故障点快速恢复供电和采取预防性控制措施均有重要意义。此外，准确计算故站点位置和过渡电阻，对于事后故障反演、校核计算方法的准确性提供了分析依据。

现有的保护及故障测距装置仅能得到故障点信息，大多未涉及过渡电阻的准确计算，研究重点在于保护在存在过渡电阻的情况下，保障保护动作的准确性，及不拒动、不误动。中国南方电网有限责任公司、国电南瑞科技股份有限公司等人提出了基于录波数据的过渡电阻计算方法，其本质是通过保护安装处至故障点的各序电压降落推算故障点的相电压和流过过渡电阻的零序电流值计算过渡电阻值，但是这种方法严重依赖于保护故障测距的结果和精度，在故障距离未知的状态无无法对过渡电阻进行准确计算。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：实际故障发生时，故障距离不明确的状况下，过渡电阻计算缺乏有效的方法，本发明提供了解决上述问题的基于双端线路电气量信息的故障分析系统、方法。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，基于双端线路电气量信息的故障分析系统，所述系统包括数据读入模块、相量计算模块、过渡电阻计算和故障测距模块、结果输出和展示模块；

所述数据读入模块分别与相量计算模块、过渡电阻计算和故障测距模块相连，所述的相量计算模块与过渡电阻计算和故障测距模块相连；所述的过渡电阻计算和故障测距模块和结果输出和展示模块相连；

所述数据读入模块用于采集线路两端的三相电流瞬时值、三相电压瞬时值、线路单位阻抗、线路长度、电容电流值等，并将线路两端的电流以及电压发送至相量计算模块，将线路阻抗、线路对地电容以及线路长度发送至过渡电阻计算和故障测距模块；

所述相量分析模块用于根据线路两端的电流、电流瞬时值录波数据计算的系统正序、负序和零序分量，用相量形式表达，并将正序、负序和零序分量、相电压和相电流以相量形式发送至所述过渡电阻计算和故障测距模块；

所述过渡电阻计算和故障测距模块用于根据线路两端电压、电流相量信息计算过渡电阻和故障距离，并将计算结果发送结果输出和展示模块；

所述结果输出和展示模块用于对故障结果进行展示，帮助现场人员快速定位故障，掌握故障类型。

基于双端线路电气量信息的故障分析方法，基于上述系统，方法步骤如下：

步骤1：采集线路两端的电流、电压、线路序阻抗和线路对地序电容、线路长度等信息；

步骤2：相电压、相电流相量提取，电流序分量相量提取；

步骤3：计算过渡电阻值。

所述计算线路的过渡电阻采用公式：式中，rg为过渡电阻，其中为接地系数，zl为表示线路mn的总阻抗，zl1为正序阻抗，zl0为线路零序阻抗。为m侧的故障相电流相量，为n侧的故障相电流相量，为m侧的测得的正序、负序和零序电流相量，为为n侧的测得的正序、负序和零序电流相量。为m侧的故障相电压相量，为n侧的故障相电压相量。

步骤4：计算故障距离。

所述计算线路的故障距离采用公式：

式中，real()为取实部函数，zl为单位长度线路的正序阻抗，

进一步地，还包括报警模块，所述报警模块输出报警信号，所述报警模块接收所述分析模块输出的分析结果报文，并发送至巡检人员。

进一步的，计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本方法中的步骤。本方法的具体使用依赖大量计算，因此优选的通过计算机程序来实现上述计算过程，所以任何包含本方法中所保护的步骤的计算机程序及其存储介质也属于本申请的保护范围内。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提出了过渡电阻和故障距离的计算方法，对于了解线路故障成因、及时找到故障点快速恢复供电和采取预防性控制措施提供依据，对于事后故障反演、校核计算方法的准确性提供了分析依据为提供支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明基于双端线路电气量信息的故障距离和过渡电阻计算系统结构图

图2为本发明的分析系统示意图图。

图3为实施例2仿真系统图

图4为实施例2中过渡电阻计算结果图

图5为实施例2中故障距离计算结果图

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施案例1

基于双端线路电气量信息的故障分析系统，所述图1是本发明提供的基于双端线路电气量信息的故障距离和过渡电阻计算系统结构图，如图1所示，本发明提供的基于双端线路电气量信息的故障距离和过渡电阻计算系统包括数据读入模块、相量计算模块、过渡电阻计算和故障测距模块、结果输出和展示模块。它们之间的连接关系是，数据读入模块分别与相量计算模块、过渡电阻计算和故障测距模块相连，相量计算模块与过渡电阻计算和故障测距模块相连；过渡电阻计算和故障测距模块和结果输出和展示模块相连。

数据读入模块采集线路两端的三相电流瞬时值、三相电压瞬时值、线路单位阻抗、线路长度、电容电流值等，并将线路两端的电流以及电压发送至相量计算模块，将线路阻抗、线路对地电容以及线路长度发送至过渡电阻计算和故障测距模块；

相量分析模块用于根据线路两端的电流、电流瞬时值录波数据计算的系统正序、负序和零序分量，用相量形式表达，并将正序、负序和零序分量、相电压和相电流以相量形式发送至所述过渡电阻计算和故障测距模块；

过渡电阻计算和故障测距模块用于根据线路两端电压、电流相量信息计算过渡电阻和故障距离，并将计算结果发送结果输出和展示模块；

结果输出和展示模块用于对故障结果进行展示，帮助现场人员快速定位故障，掌握故障类型。

本发明提供的基于双端线路电气量信息的故障分析方法和系统，包括对输电线路故障定位及过渡电阻计算内容相关的实施原理如下：

1)数据读入模块实现如下功能：

所述数据读入模块基于故障录波装置或相关数据记录装置采集线路两端的三相电流瞬时值、三相电压瞬时值、电容电流值等电气量数据，以及线路单位阻抗、序阻抗、线路长度等参数信息，并将线路两端的电流以及电压发送至相量计算模块，将线路阻抗、线路对地电容以及线路长度发送至过渡电阻计算和故障测距模块；

2)相量分析模块实现如下功能：

将数据读入模块传输的三相电压电流瞬时值数据，利用全波傅氏算法转换为由幅值和相角表示的相量形式，m侧的三相电流分别记为：和n侧的三相电流分别记为：和m侧的三相电压分别记为：n侧的三相电压分别记为：值得注意的是，由于全周傅氏算法计算相量值需要一个完整周波的数据，因此，初始20ms前的相量数据无法获取。

根据三相电流相量计算电流的正序、负序和零序分量，其中，m侧为：

n侧为：

为m侧的测得的正序、负序和零序电流相量，为为n侧的测得的正序、负序和零序电流相量。

并将正序、负序和零序分量、相电压和相电流以相量形式发送至所述过渡电阻计算和故障测距模块；

3)过渡电阻计算和故障测距模块实现如下功能：

如图2所示为某一正常运行状态网络模型，以线路mn为例，图中，zmn表示等值阻抗；ym、yp表示等值导纳；表示母线m端的测量电流；表示母线n端的测量电流。

当线路mn上发生单相接地短路故障时，需要将网络分解为正序、负序和零序网络进行计算，根据序网络图可知，单相短路发生时，正负零序电流相等。因此，故障点处的短路电流可以表达为：

故障点处的电压为：

式中：rg为过渡电阻。

设故障相为此时，保护安装处的相电压表达为：

m侧：

n侧：

定义

式中：为接地系数，zl为表示故障线路的总阻抗，zl1为单位线路长度正序阻抗，zl0为单位线路长度线路零序阻抗。

则：

zmf+znf＝zl

由此可以计算出：

进一步可以求出故障电阻的计算公式为：

进一步可以求出故障距离的计算公式为：

4)结果输出和展示模块实现如下功能：

将过渡电阻计算和故障测距模块的计算结果进行显示，并将相关信息发送至运维人员。

据此，本发明提供的基于双电线路电气量信息的输电线路故障定位及过渡电阻计算方法包括：

步骤1：采集线路两端的电流、电压、线路序阻抗和线路对地序电容、线路长度等信息；

步骤2：相电压、相电流相量提取，电流序分量相量提取；

步骤3：计算过渡电阻故障距离，其计算公式为：

步骤4：计算故障距离，其计算公式为：

实施案例2

以下通过仿真过程验证上述系统和方法的正确性和合理性。基于psacd/emtdc仿真软件，采用双机系统模拟实际线路对本方案进行仿真测试，仿真模型如图3所示。线路长度为52km，过渡电阻值设置为20欧姆，单位长度线路正序阻抗为z1＝0.016+1i*0.301557，单位长度线路零序阻抗为z0＝0.173523+1i*0.925538，仿真过程中，设置的故障距离为距离m侧32km。故障发生时刻为t＝0.5s，故障持续时间0.2s，采样频率为10k。

按照本专利所提出的方法对过渡电阻和故障距离进行分析，过渡电阻的计算结果如图4所示，计算结果为20.12欧姆，与实际过渡电阻值的偏差为：可见结果偏差约0.6％，误差较小；过渡电阻的计算结果如图5所示。

进一步的，计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本方法中的步骤。本方法的具体使用依赖大量计算，因此优选的通过计算机程序来实现上述计算过程，所以任何包含本方法中所保护的步骤的计算机程序及其存储介质也属于本申请的保护范围内。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。