一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法
【专利摘要】本发明公开了一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，通过构建非全程混压双回线系统模型，确定系统的分布参数，依照耦合和非耦合线路求解相序；采用正序分量对耦合和非耦合区段故障分别进行定位，利用线路参数对双曲正切函数的相位特性进行分析，定位故障区段，判断单个故障性质为跨线故障还是单回线故障，且对单线故障进行判断出确认发生故障的回线；计算故障区段的起点和终点电量，将不同电压等级部分耦合线路的故障测距转化为均匀线路的故障测距，对参数不对称的耦合线路，采用相模变换方法形成相互独立的模量，利用模量定位故障，对单回线故障采用正序量进行测距。本发明判别原理简单、流程清晰，为精确测距奠定了基础。
【专利说明】
一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法。
【背景技术】
[0002] 输电线路上精确的故障测距可实现线路故障的快速排除和线路供电的及时恢复， 有利于减少因停电造成的经济损失。
[0003] 国内外混合架设不同电压等级单回与双回线路的情况逐渐增多不同电压等级非 全程多回线沿线参数不再均匀，耦合关系更为复杂，多回线之间参数不对称，常规测距方法 不再适用，有必要研究不同电压等级非全程多回线的故障测距方法。
[0004] 现阶段单回线与同杆双回线的理论与方法已经成熟，针对同杆四回线[以及不同 电压等级四回线的研究也取得了进展，但对非全程混压多回线的区段识别和测距研究较 少，仅有的研究需要将故障发生区段作为前提条件进行测距，且精度不高。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测 距方法，本方法选取非全程混压双回线这一线路类型，基于正序网络，利用双曲正切函数的 相位阶跃特性在线路分界点处构造区段定位函数。分析各定位函数发现，不同区段发生故 障时，正常回路上的定位函数分母为0,故障回路定位函数相位由正负特征明显，能够准确 定位故障区段和区分跨线故障与单回线故障，对单回线故障能够正确选线。在确定故障区 段的基础上，对参数不对称的耦合线路，采用相模变换方法形成相互独立的6模量，利用模 量定位故障；对单回线故障采用正序量进行测距。该方法故障区段识别准确，测距精度较 尚。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，包括以下步骤：
[0008] (1)构建非全程混压双回线系统模型，确定系统的分布参数，依照耦合和非耦合线 路求解相序；
[0009] (2)采用正序分量对耦合和非耦合区段故障分别进行定位，利用线路参数对双曲 正切函数的相位特性进行分析，定位故障区段，判断单个故障性质为跨线故障还是单回线 故障，且对单线故障进行判断出确认发生故障的回线；
[0010] (3)计算故障区段的起点和终点电量，将不同电压等级部分耦合线路的故障测距 转化为均匀线路的故障测距，对参数不对称的耦合线路，采用相模变换方法形成相互独立 的模量，利用模量定位故障，对单回线故障采用正序量进行测距。
[0011] 所述步骤（1)中，非耦合线路采用对称分量法解耦，耦合线路采用2个对称分量法 变换矩阵叠加的形式进行解耦，计算得到正序网图。
[0012] 所述步骤(2)中，非耦合线路中，正常的回线分界点的从首端和末端计及的电流矢 量之和为零。
[0013] 所述步骤(2)中，当线路耦合区段发生短路故障时，由于耦合特性，双回线正序网 均存在故障源。
[0014] 所述步骤(2)中，首先判断每回线分界点处从首端和末端计及的电流矢量之和是 否为零，若为零，则该分界点所在回线无故障发生，否则该回线发生故障。
[0015] 所述步骤(2)中，计算各个分界点的识别函数，根据其与零的大小关系，确定故障 点所在回线的首端或末端。
[0016] 所述步骤(3)中，对单回线路故障采用正序测距，对耦合部分线路故障采用模量测 距;故障区段的起点和终点电量利用传输方程从线路两侧推得;根据故障点处两侧推得电 压幅值最小的特点，采用二分法或沿线搜索法在对应区段求解故障位置。
[0017] 所述步骤(3)中，从线路分界点推算的故障点处电压满足沿线绝对值最小。
[0018] 本发明的有益效果为：
[0019] (1)利用双曲正切函数的相位阶跃特性在线路分界点处构造函数，通过判断函数 的分母与相位正负实现准确定位故障区段和正确选线；
[0020] (2)判别原理简单、流程清晰，为精确测距奠定了基础；
[0021] (3)故障区段确定后，对单回线故障采用正序量测距，对不对称参数的耦合区段基 于相模变换理论采用模量测距，沿线故障测距精度良好，且不受故障类型和过渡电阻的影 响；
[0022] (4)针对多回线、多区段的混合线路，确立了一种利用正序量进行故障区段识别、 利用模量进行故障精确定位的研究思路，对不同电压等级非全程四回线也有借鉴意义。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的系统模型结构图；
[0024]图2(a)为本发明的I回线正序网图；
[0025]图2(b)为本发明的II回线正序网图；
[0026] 图3(a)为本发明的1?1段故障时I回线正序网图；
[0027] 图3(b)为本发明的1?1段故障时n回线正序网图；
[0028] 图4(a)为本发明的KiN段故障时I回线正序网图；
[0029] 图4(b)为本发明的KA段故障时II回线正序网图；
[0030] 图5(a)为本发明的耦合区段故障时I回线正序网图；
[0031] 图5(b)为本发明的耦合区段故障时n回线正序网图；
[0032]图6为本发明的正序网Zc tenhyx相频特性图；
[0033]图7为本发明的故障识别流程图。
【具体实施方式】：
[0034]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0035] 1非全程混压双回线分布参数模型及相序计算
[0036] 非全程混压双回线系统模型见图1。图中，ZsIm，Zsnm分别为i、n回线M端系统阻抗； 1 1"、匕1111分别为1、11回线_晶系统阻抗;21、￥1、2 3、￥3分别为1、11回线非耦合部分线路阻抗和 导纳参数;Z2、Y 2分别为耦合部分线路阻抗和导纳参数。I、II回线部分由于线间距 离较近而存在耦合现象，其余部分为非耦合部分，按在耦合区段左侧和右侧定义为首段和 末段，各段长度标注如图1。
[0037] 非耦合线路采用对称分量法解耦，耦合线路采用2个对称分量法变换矩阵叠加的 形式进行解耦。解耦后可得完整、独立的正序网图，图2(a)、图2(b)为系统的耦合部分发生 故障时的正序网图。
[0038] 图2(a)、图2(b)中，Zsmii、Zsnii为I回线正序双端等效电阻，ZsMni、ZsNni为II回线正序 双端等效电阻。
[0039] 2不同区段故障定位函数
[0040] 区段故障定位采用正序分量。本节参数含义如下：y 为I、n回线非耦合区 段的正序传播系数与波阻抗，丫 2_m、Zc2_m为耦合区段的正序传播系数与波阻抗，m=I、n，代 表回数。
[0041] 2.1非耦合区段故障
[0042] 2.1.1首段线路故障
[0043]以I回线首段服:段发生故障为例。当服:段发生故障时，i、n回线参考方向如图3 (a)、图3(b)所示。
[0044]从M侧推得故障点f的电压电流为
[0045] Ufii = Umiicosh y i_ix-ImiiZci_isinh y i ix
[0046] Imfii = Imiicosh y i-ix-Umiisinh y i-ix/Zci-i (1)
[0047]其中UmI1、ImI1为M侧正序基频分量。在故障点f存在如下电流关系：
[0048] Ifki = Imfii-Ifii (2)
[0049] IhA故障注入电流。由f点的电压电流推得分界点L处的电压电流：
[0050] /sillh/l/(/.
[0051] -x)-UflsinhrLI(h-xy/ ( 3)
[0052] 联立式（1)、⑵、⑶得：
[0053] ~心供《 如也？_怎)
[0054] (4〕
[0055] 其中，仏%、为线路正常运行时由M侧直接推得的Ki点正序I回线电压、电流量， 满足：
[0056] ^ Kicosh n_ A - /sil* hji
[0057] 4fc, =lml coshn A -[/MlsMirL A /Zcl ,
[0058]式(4)为故障时心点实际正序I回线电压、电流与正常运行时的关系表达式。
[0059] 从N侧经由K2点推得Ki处的电压电流如下：
[0060] = UlAj cosh r，J5 sinh/-, f/5
[0061 ] 4k, = ["u cosh/, -Ul]k2 sinh/2 ,/5 / Zc,
[0062] =U"nc〇shrL!l2 -l,nZci Jsmhri_j2
[0063] 4k, = 4/i coshf, - Ut,n sinlif, ,/, / Z" , 〔5)
[0064]从M侧和从N侧推得的心处的电压相等，电流大小相等，方向相反，存在如下关系：
[。。65] (6)
[0066] 式(4)与式(6)联立可得：
[0067] umk, -U"k-t =(U'mk]-IjnZsinhru(li- x))-^,1kl =-[/nZd_i sinh/uOi-x) {7〕.
[0068] = COSh/) j(ll + = 1 T COS]lfyj(l^ ~ Jt) (8)
[0069] 利用式(7)、（8)相比构造定位函数如下：
(9)
[0071]同理，分界点K2处
(10)
[0073] n回线正常运行，分界点k3、k4处满足
[0074] 4^ +7,^ =〇
[0075] Imt4 +I"k4 =D (.11〕.
[0076] 其中，u,、4,为由M、N侧电量推算出的k3点n回线正序电流量;"、分别为由 M、N侧电量推算出的K4点的n回线正序电流量。
[0077] -^mk3： = ^min c°sh/L nl3 - bsinh/, ff/3 / Zcl n
[0078] 4ft3： = J，±4coshr^jA -UAi sinh y2 J5 / Zc2 U
[0079] 4k4 = hlh c〇sh y2_7//5 sinh/ 2 "/5 / Zcl !J
[0080] inki = I,an coshr, nU ~ ^YijiU 1 Z,ui
[0081 ] 2.1.2末段线路故障
[0082] 以I回线末段K2N段发生故障为例，正序网参考方向如图4(a)、图4(b)所示。
[0083] 此时，分界点K1:
[0084] =z；2_i sinhr, ;/5cosh7( /(.i'-/5 -/,) + Zr；, .Z,,, coshy, ,/5 sinh r；(jc-/, -/,) (12)
[0085] Inki+Inki=ZC2-icosh y 2-ihcosh y 1-i(x-l5-li)+Zci-isinh y 2-ihsinh y 1-i(x_l5-li) (13) [0086]由式（13)和（14)相比得到分界点K1处的识别函数：
[0088]同理，K2点的识别函数为： (14) (15)
[0089] n回线正常运行，分界点K3、K4处同样满足
[0090] +I，ik} =〇
[0091] +Ink, =° .〔丄句
[0092] 2.2耦合区段故障
[0093]当线路耦合区段发生短路故障时，由于耦合特性，i、n回线正序网均存在故障源， 如图5(a)、图5(b)所示。
[0094] 1^、1(2点识别函数如下：
(17J
[0097] 同理，n回线正序网中，分界点k3、K4处
(18J
[0100] 3故障区段定位原理及分析
[0101] 利用线路参数对双曲正切函数的相位特性进行分析，双回线正序参数Zc tanhyx 均有图6所示相位性质。
[0102] 由双曲正切函数的相位阶跃性知:x<0，Zc tanh y x相位为-90° ;x>0，Zc tanh y x 相位为90°。
[0103]结合图6,对发生不同故障时4个分界点处的故障区段识别函数分别进行相位分析 如下：
[0104] (1)非耦合区段发生故障（以I回线为例）
[0105] a.故障点在I回线首段（lrxX))
[0106] arg fi(x) =arg(-Zci_i tanh y i_i(li-x)) <0
[0107]由于输电线路波阻抗与传播系数在数量级上相差很大，可认为| Zc | >> 1 > | tanh y x |，故argf2(x)可简化如下：
[0109] b?故障点在I回线末段(x-h-hX))
[0111] arg f2(x) =arg(ZC2-itanh y 2-i(x_li_l5)) >0
[0112] 由于11回线原理相同，将Zclj、y 换为Zcl_n、y lii即可，不再赘述。
[0113] (2)耦合区段发生故障（x-liXMi+lrxX))
[0114] arg fi(x)<0，arg f2(x)>0;
[0115] arg f3(x)<0，arg f4(x)>0;
[0116] 观察区段定位函数发现，分界点处定位函数相位正负仅与故障位置有关，受线路 波阻抗
[0117] 和传播系数的影响较小。
[0118] 故障发生在不同区段时的区段定位函数特征总结如表1所示。
[0119] 表1故障区段定位函数特征
[0122] 故障识别流程可以描述为，首先判断每回线分界点处是否为0，11=1，3或 2,4,若为0,则该分界点所在回线无故障发生，否则该回线发生故障，结合表1可完成故障区 段以及故障性质的判断。图7为故障识别流程图，I回线故障区段的判别与n回线相似，由于 篇幅所限，图中没有详细展开。
[0123] 利用双曲正切函数的阶跃特性，故障区段定位函数可以准确定位故障区段，判断 单个故障性质为跨线故障还是单回线故障，且对单线故障可以判断出是哪一回线发生故 障。该定位函数同样适用于相同电压等级的非全程双回线，也适用于两段及三段以上更复 杂的混合并架输电线路。
[0124] 4线路参数解耦计算与精确测距原理
[0125] 确定故障区段后，不同电压等级部分耦合线路的故障测距问题，通过计算故障区 段的起点和终点电量转化为均匀线路的故障测距问题。非耦合区段可以采用正序分量定位 故障。对于耦合区段线路，由于导纳和阻抗参数矩阵的不对称度不同，采用新六序分量法导 致将分布参数Z和Y矩阵完全解耦的转换矩阵并不相同，电压和电流量无法统一解耦。故采 用相模变换原理实现完全解耦后，利用独立模量进行故障测距。
[0126] 4.1不对称参数线路的解耦分析
[0127] 已知多导线路上分布参数模型为： (19)
[0130] 式中：d[U]和d[I]分别为六根导线上dx段上的电压降和电流増量列向量；[Z]为单 位长度的线路阻抗矩阵；[Y]为单位长度的线路导纳矩阵。
[0131] S为电压模变换矩阵，Q为电流模变换矩阵，S、Q分别由矩阵积[Z][Y]和[Y][Z]的特 征相量组成。电压、电流的相模转换关系如下 r- JUm=SX", n
[0132] _ , 丨丨.丨丨 (20)
[0133] 式中:m代表模量。
[0134] 线路的相阻抗、导纳参数经过S、Q变换为模阻抗、导纳参数，具体变换关系为：
[0135] 聊！
[0136] Zm、Ym*别为模量阻抗、导纳参数矩阵，均为对角阵。
[0137] 4.2双端测距原理
[0138] 测距原理可描述为，对单回线故障采用正序测距，对耦合部分线路故障采用模量 测距;故障区段的起点和终点电量利用传输方程从线路两侧推得;根据故障点处两侧推得 电压幅值最小的特点，采用二分法或沿线搜索法在对应区段求解故障位置。
[0139] 以I回线耦合部分线路发生故障时为例。设耦合线路起点的电压、电流为 巧'1终点的电压、电流为4# 从线路两侧推得，m表示模量。
[0140] 故障点处有如下关系：
[0141 ] UkJ = L/ki," coshr2 jX-Zc2 sinh72 /x
[0142] 乂」,"sinh，：，(/; -x) (21)
[0143] 从线路分界点心(1(3)、1(2(1(4)推得故障点处电压满足沿线绝对值最小，BP:
[0144] /(x) = min(j|^y|-|t/i2/||) 〔及〕
[0145] 5仿真验证
[0146] 系统模型如图1所示。图中，I回线电压等级为500kV，两端相角差为20° ;11回线电 压等级为220kV，两端相角差为10°。线路M端正序阻抗为1.250+jl6.932Q，零序阻抗为 6.888+j43.139Q，N端系统正序阻抗为 1.042+jl4.11 Q，零序阻抗为5.74+j35.949Q，M、N 侧电源幅值均为1.05倍标么值和标么值。线路参数见表2。
[0147] 表2参数列表
[0148]
[0149] 表3为I回线首段发生故障时不同位置的测距结果，过渡电阻均设为50 Q。其中IAG 故障是指I回线A相经过渡电阻接地。相对测距误差的计算公式为
[0151] 表4为耦合部分线路发生单回线或跨线故障时，不同位置的故障测距结果，过渡电 阻均为50 Q，表中故障位置与测距结果统一为故障点距I回线M端的距离。
[0152] 表3非耦合区段首段故障时不同位置的故障结果
[0153]
[0154] 表4耦合部分线路故障时不同位置的测距结果
[0156] 对比表3和表4中argWi)-栏加粗的标注数据发现，分界点故障时，故障区段函数 会定位到分界点两侧的某一区段内，但相邻区段测距结果均正确，不存在连接点处判别失 误的问题。
[0157] 表5为I回线末段不同位置发生IBC故障时，过渡电阻对测距的影响结果。由表3-5 可知，不同位置处定位函数相位大小不会随着距离分界点的远近发生较大的变化，且正负 特性明显。
[0158]表5非耦合区段末段故障时不同过渡电阻的测距结果
[0160] 仿真表明，本文提出的方法区段定位准确，测距精度较高，且不受故障类型和过渡 电阻的影响。
[0161] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征是:包括以下步骤： (1) 构建非全程混压双回线系统模型，确定系统的分布参数，依照耦合和非耦合线路求 解相序； (2) 采用正序分量对耦合和非耦合区段故障分别进行定位，分析双曲正切函数的相位 特性来定位故障区段，判断单个故障性质为跨线故障还是单回线故障，且对单线故障进行 判断出确认发生故障的回线； (3) 计算故障区段的起点和终点电量，将不同电压等级部分耦合线路的故障测距转化 为均匀线路的故障测距，对参数不对称的耦合线路，采用相模变换方法形成相互独立的模 量，利用模量定位故障，对单回线故障采用正序量进行测距。2. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(1)中，非耦合线路采用对称分量法解耦，耦合线路采用2个对称分量变换矩阵 叠加的形式进行解耦，得到正序网图。3. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(2)中，非耦合线路中，正常的回线分界点的从首端和末端计及的电流矢量之 和为零。4. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(2)中，当线路耦合区段发生短路故障时，由于耦合特性，双回线正序网均存在 故障源。5. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(2)中，首先判断每回线分界点处从首端和末端计及的电流矢量之和是否为 零，若为零，则该分界点所在回线无故障发生，否则该回线发生故障。6. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(2)中，计算各个分界点的识别函数，根据其与零的大小关系，确定故障点所在 回线的首端或末端。7. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(3)中，对单回线路故障采用正序测距，对耦合部分线路故障采用模量测距;故 障区段的起点和终点电量利用传输方程从线路两侧推得;根据故障点处两侧推得电压幅值 最小的特点，采用二分法或沿线搜索法在对应区段求解故障位置。8. 如权利要求1所述的一种非全程混压双回线故障区段识别与精确测距方法，其特征 是:所述步骤(3)中，从线路分界点推算的故障点处电压满足沿线绝对值最小。
【文档编号】G01R31/08GK105929305SQ201610322715
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】梁军, 张莹, 贠志皓
【申请人】山东大学