专利名称：输电线路故障点定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种输电线路故障点定位方法及装置，属输电设备技术领域。
国内外故障定位的研究经过长期的发展，目前从原理上来分，主要可分为两大类一行波法和阻抗法。行波法是利用测量线路故障时故障点发出的近似光速的高频暂态行波到达两端母线的时间来计算故障距离。加拿大Harry Lee领导的的BritishColumbia Hydro电站已研制出基于全球卫星定位系统(以下简称GPS)的行波故障定位装置，已成功运行于500kV的高压线路上。国内西安交通大学与山东科汇电气公司合作研制成了实用的行波测距装置。然而，对接近光速的高频行波的提取，对硬件有很高的要求，整个装置成本较高。同时因为故障行波发生的不确定性、故障行波发射波的难以识别以及参数的频变和波速的影响因素也使得行波法的定位精度容易受到影响，尤其在我国电力系统中广泛在变电站母线外侧装设陷波器来限制高频载波的进入，这同时也阻止了故障后高频行波的进入，这使得行波法我国电力系统的应用受到了很大的限制。
阻抗根据获取单侧还是双侧母线信号的不同，可细分为单端法和双端法。国内各公司如NARI、四方电气等开发的故障录波仪所带的故障定位功能模块基本都是采用单端阻抗法，单端法由于其原理上的缺陷，无法消除过渡电阻的影响，尽管在一系列假设后的补偿弥补了一定的定位精度，但在恶劣故障条件下仍无法满足工程需要。故障过渡电阻或对端系统阻抗变化、输电线路不对称性以及测距方程解的伪根问题等都会在实际的故障定位中影响其精度。
本发明的目的是针对电力系统实际需要，提出一种快速、准确、可靠的线路故障定位方法，以满足输电线路故障定位迫切要求。此方法采集双端数据，并通过GPS使两端信号同步，并以集中参数模型为基础推导出简洁通用的统一故障定位方程式，不受故障类型、故障过渡电阻大小类型的影响。基于双端电气量的微分方程的算法从根本上消除来故障过渡电阻的影响，并且计算快捷，运算量小，速度快。同时对于长输电线路考虑线路分布电容影响进行了电容补偿，使其在长线下也达到较高定位精度。针对电力系统实际存在的双回线路情况，算法也有推广，使其具有很强的应用性。同时，本定位方法考虑到来意外情况下的应急措施，当双端数据同步或传输出现问题时，系统会自动启动单端算法，给出定位结果，以确保运行的可靠和稳定。大量的数字仿真和动模实验证明，本方法具有很好的定位精度和很稳定的运行性能，有广泛的应用前景。
输电线路故障点定位方法及装置，包括以下各部分一、数据采集部分一获得被保护线路两端的电压电流信号(1)输电线路母线一次侧的三相高电压大电流经二次CT／PT变换后，转变成可以进行采集和测量的低电压信号。经A／D采样得到相应数字信号保存；(2)输电线路两侧利用GPS(全球卫星定位系统)获得误差小于一微秒的秒脉冲，经分频后以得到相应采样脉冲，作为A／D数据采集的触发脉冲，使两侧数据保持采样同步；(3)根据A／D采样所得的电流电压数字信号，判断线路是否发生故障，如线路无故障，则重复上过程。故障是否发生的判断依据有下列几种Ⅰ利用半波积分算法将采样得到的半个周波的电压电流数据计算得到一有效值，并将其与启动定值相比较，如果相电流或零序电流大于设定定值、或者是相电压或零序电压小于设定值，则认为发生故障；Ⅱ将采样得到的瞬时时刻的相电流值、计算所得的负序电流值、零序电流值与前一个周期对应点的对应电流值相减，若所得结果连续9次大于设定定值，则认为发生故障；以上各种判据均以逻辑或的形式协同作用，任何一种判据启动，则认为系统发生故障。
二、数据记录和传输部分一获得故障定位所需数据(1)如线路发生故障，则开始进行故障录波，记录下故障前后一定时间内线路两侧电流电压数据，同时记录下线路两侧故障发生的时刻，写入数据文件保存；(2)数据记录完毕后，输电线路一侧记录下的数据文件被传送到线路的另一侧保存；三、故障定位部分一获得故障点准确位置在输电线路数据接收端进行判断，看是否正常接收到了线路另一侧所发送的数据文件。可分为如下两种情况(1)如果没有接收到对侧数据文件或所接收的对侧数据文件不完整，则启用单端微分算法进行故障定位，具体方法为Ⅰ利用单侧电压电流信号，判断线路故障类型。判断时主要采用两相电流故障分量之差(也即两相电流差的故障分量)作为选择故障相的判据，设两相电流故障分量量之差分别为I•ABg=(I•A-I•B)g,I•BCg=(I•B-I•C)g,I•CAg=(I•C-I•A)g,]]>则对于各种故障类型，分别满足如下条件单相接地故障的判据为A相接地(|I.ABg|>>|I.BCg|)∩(|I.CAg|>>|I.BCg|)]]>B相接地(|I.ABg|>>|I.CAg|)∩(|I.BCg|>>|I.CAg|)]]>C相接地(|I.CAg|>>|I.ABg|)∩(|I.CAg|>>|I.ABg|)]]>相间故障的判据为AB两相故障(|I.ABg|>|I.CAg|)∩(|I.ABg|>|I.BCg|)]]>BC两相故障(|I.BCg|>|I.ABg|)∩(|I.BCg|>|I.CAg|)]]>
CA两相故障(|I.CAg|>|I.ABg|)∩(|I.CAg|>|I.BCg|)]]>是否为接地故障可根据是否有零序分量来判断。
三相短路故障的判据为|I•ABg|≈|I•BCg|≈|I•CAg|]]>Ⅱ根据不同故障类型，选用相应定位公式计算得到故障点位置，具体公式为单相接地故障定位公式为(以A相接地为例)D=Ua(i)i12(i+1)-Ua(i+1)i12(i)rlir(i)i12(i+1)+l1p(i)i12(i+1)-rlir(i+1)i12(i)-l1p(i+1)i12(i)]]>其中，各变量定义如下ir=ia+kr3i0]]>p(t)=d(ia+kl3i0)dt]]>i12=(Δia-i0)]]>p(t)=d[ia(i+1)+ki3i0(i+1)-ia(i-1)-ki3i0(i-1)]2Δt,]]>△t为采样间隔。
两相相间故障(以AB两相相间故障为例)D=Uab(i)Δia(i+1)-Uab(i+1)Δia(i)rliab(i)Δia(i+1)-rliab(i+1)Δia(i)+llΔia(i+1)p(i)-llΔia(i)p(i+1)]]>其中p(i)=d[ia(i+1)-ib(i+1)-ia(i-1)+ib(i-1)]2Δt,]]>△t为采样间隔。
两相接地(以AB两相接地为例)和三相故障D=Uab(i)rliab+l1iab(i+1)-iab(i-1)2Δt]]>上定位公式中r1，l1为线路的单位正序电阻和电抗rs，ls，rm，lm为线路的单位自电阻和自电抗、互电阻和互电抗Rf为短路过渡电阻，if为流过过渡电阻的电流Ua、Ub、Uc，ia、ib、ic为装置安装处测得的三相电气量D是故障安装处到故障点的距离(2)若数据传输正常，则调用双端同步采样微分算法进行定位计算，即Ⅰ根据线路两侧数据文件中记录的故障发生时间，通过移位调整，得到任意采样时刻同步的两端电压电流数据；Ⅱ为消除二次CT磁饱和影响带来的定位误差，根据二次CT的磁饱和外特性曲线，对三相电流进行饱和补偿修正，得到实际一次侧CT出来正常三相电流大小；Ⅲ调用双端定位公式进行计算，得到故障点距离。定位公式为x=-Σm=a,b,cΣk=1NAm(k)Bm(k)Σm=a,b,cΣk=1NBm2(k),]]>X即为故障点的位置。
其中Am(k)=umS(k)-umR(k)-dΣp=a,b,c[rmpipS(k)+lmp2·Δt[ipS(k+1)-ipS(k-1)]]]]>Bm(k)=Σp=a,b,c{rmp[ipR(k)+ipS(k)]+lmp2·Δt[ipS(k+1)-ipS(k-1)]+lmp2·Δt[ipR(k+1)-ipR(k-1)]}]]>S、R分别代表线路的两端，其中m对a，b，c三相均成立，输电线路参数如下单位长度每相自电阻raa，rbb，rcc单位长度每相自电感laa，lbb，lcc单位长度相间互电阻rab，rac，rbc单位长度相间互电感lab，lac，lbvumS(k)和umR(k)是输电线路S端和R端在t=kΔt(k=1，2，．．N)时的相电压瞬间采样值，同样，imS(k)和imR(k)是电流瞬时采样值，但两侧的电压电流采样值必须具有同时性。其中m=a，b，c，Δt是采样间隔，N是总的采样点数。
本发明的输电线路故障点定位装置，包括二次CT／PT变换器、A／D采样板、GPS授时板、主站计算机和副站计算机；所述的二台二次CT／PT变换器各与被测线路的二侧相连接，用以将线路二侧的高电压大电流转变成低电压信号；所述的A／D采样板为多通道同步数据采集卡，用以将低电压信号采样后传给主站计算机和副站计算机处理；所述的GPS授时板与A／D采样板相连，用以产生时钟脉冲以触发A／D采样板的A／D转换器对电压电流进行同步采集；所述的主站计算机与副站计算机分别读取A／D采样板采集的数据，并对数据进行分析、处理，故障定位和传输。
本发明提出的输电线路故障点定位方法及装置，基于双端电气量的微分方程的算法从根本上消除来故障过渡电阻的影响，并且计算快捷，运算量小，速度快。同时对于长输电线路考虑线路分布电容影响进行了电容补偿，使其可以应用于长线定位。本定位方法还考虑到了意外情况下的应急措施，当双端数据同步或传输出现问题时，系统会启动单端算法，给出定位结果，以确保运行的可靠和稳定。大量的数字仿真和动模实验证明，本发明的方法和装置具有很好的定位精度和很稳定的运行性能，有广泛的应用前景。
图1为本发明的装置的结构框图。
下面详细介绍本发明的详细内容。
一、二次变换二次电流互感器和电压互感器是用来将系统一次侧的高电压大电流转变成可以进行采集和测量的低电压信号，由A／D采样后传由计算机处理。因此二次CT和PT的传变精度直接影响着定位的精度。由于电流的动态范围比较大，因此二次CT的选取要满足如下技术要求(1)在额定工作状态下电流较小，要保证其有较高的变换精度，测量误差应小于0．5％。
(2)在短路大电流以及含有直流分量的情况下，变换器不会发生饱和。波形不畸变，20倍额定电流的误差应小于5％。
二、数据采集包括两部分A／D部分和触发部分。
(1)A／D采样板是一个多通道同步数据采集卡。其工作特点为16路输入信号，同步采样保持，可以保持各路信号的同步相位关系。进行16路信号采集的情况下，采样率2．4KHz。A／D分辨率为12位。模拟信号差分输入，范围为-5V-+5V。数字电路和模拟电路之间采用高速光电隔离，既保证了计算机系统的安全，又有效地防止了数字电路及计算机开关电源干扰信号对AD转换精度的影响。系统同步可以采用查询方式、也可以采用中断方式。AD卡与系统接口方式为PC总线。
(2)触发脉冲由GPS授时板提供。GPS接收器采用Motorola公司的授时型UToncore，其接收1PPS精度为正负50ns。GPS授时板用于提取GPS接收器提供的全球统一的时间代码信息，然后将其提供给系统作为采样数据的时标。GPS授时板为PC总线，用于产生规定频率的与全球标准时钟同步的时钟脉冲。该板产生脉冲频率最高可达5KHz，输出的同步时钟脉冲频率可以任意设定，同步精度优于1微秒，用以同步触发A／D采集板。
数据采集的同步工作原理GPS单元和数据采集卡设计为PC总线结构方式，插在工控机底板的ISA总线插槽内。GPS单元产生频率为2．4K的全球统一的时钟脉冲来触发采集单元的A／D转换器对电压电流进行同步采集。A／D采集卡在GPS授时板的同步脉冲下等间隔采样(每周波采样48点)，然后将采样数据存储在采集单元的数据存储器里，由于采集单元每点的采样数据与GPS单元产生的同步采样脉冲是一一对应的，从而使得相隔几十公里或上百公里的线路两端对电压电流的采集是同时进行的。
三、数据处理定位部分(1)两侧PC机以查询方式读取A／D采集的数据，并实时判断是否有故障发生，如发生故障，则开始故障录波，记录故障前后电流电压数据，并记录GPS提供的故障时刻，写入数据文件。副站PC开始传输数据到主站，同时主站PC开始接收数据文件。
(2)主站PC判断时候接收到副站数据，如无正常接收，则只利用本侧单端电流电压数据，启用单端法故障定位，得到故障点位置。(定位算法见后附)；(3)如正常接收副站所发数据文件，则Ⅰ根据两侧数据文件所记录的故障发生时刻，调整得到任意时刻同步的对应两侧电压电流数据，用于双端同步的定位算法；ⅡCT饱和修正电流互感器的饱和是保证故障定位精确度的所必须解决的问题。在大电流或是直流分量较大时，二次CT容易饱和。一旦CT发生饱和，所变换得到的母线电流将不能真实反应原电流大小，所以必须进行补偿修正。根据互感器的内部特性和外部特性存在着固定的关系(即可以由互感器铁芯的伏安曲线转化为励磁曲线)，首先将互感器实际测量得到的外部特性曲线数据(伏安曲线)转化为铁芯励磁曲线，补偿算法利用短路后能测量得到的二次电流值计算出铁芯的暂态励磁磁通，然后根据励磁曲线来反推出造成互感器暂态饱和误差的励磁电流值，最后对二次饱和电流加以补偿，得到实际的电流值用于定位计算。
Ⅲ调用双端同步微分算法来计算得到故障点位置。
权利要求
1.一种输电线路故障点定位方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤(1)数据采集以获得被保护线路两端的电压电流信号①输电线路母线一次侧的三相高电压大电流经二次CT／PT变换后，转变成可进行采集和测量的低电压信号，经A／D采样得到相应数字信号保存；②输电线路两侧利用GPS(全球卫星定位系统)获得误差小于一微秒的秒脉冲，经分频后以得到相应采样脉冲，作为A／D数据采集的触发脉冲，使两侧数据保持采样同步；③根据A／D采样所得的电流电压数字信号，判断线路是否发生故障，若线路无故障，则重复以上过程，故障是否发生的判断依据为Ⅰ利用半波积分算法将采样得到的半个周波的电压电流数据计算得到一有效值，并将其与启动定值相比较，如果相电流或零序电流大于设定定值、或相电压或零序电压小于设定值，则认为发生故障；或Ⅱ将采样得到的瞬时时刻的相电流值、计算所得的负序电流值、零序电流值与前一个周期对应点的对应电流值相减，若所得结果连续9次大于设定定值，则认为发生故障；以上判据以逻辑或的形式协同作用，任何一种判据启动，则认为系统发生故障；(2)数据记录和传输以获得故障定位所需数据；①若线路发生故障，则开始进行故障录波，记录故障前后一定时间内线路两侧电流电压数据，同时记录线路两侧故障发生的时刻，写入数据文件保存；②数据记录完毕后，输电线路一侧记录下的数据文件被传送到线路的另一侧保存；(3)故障定位以获得故障点准确位置在输电线路数据接收端进行判断，是否正常接收到线路另一侧所发送的数据文件①若没有接收到对侧数据文件或所接收的对侧数据文件不完整，则启用单端微分算法进行故障定位，具体方法为Ⅰ利用单侧电压电流信号，判断线路故障类型，判断时采用两相电流故障分量之差作为选择故障相的判据，设两相电流故障分量量之差分别为I•ABg=(I•A-I•B)g,I•BCg=(I•B-I•C)g,I•CAg=(I•C-I•A)g,]]>则对于各种故障类型，分别满足如下条件单相接地故障的判据为A相接地(|I.ABg|>>|I.BCg|)∩(|I.CAg|>>|I.BCg|)]]>B相接地(|I.ABg|>>|I.CAg|)∩(|I.BCg|>>|I.CAg|)]]>C相接地(|I.CAg|>>|I.ABg|)∩(|I.CAg|>>|I.ABg|)]]>相间故障的判据为AB两相故障(|I.ABg|>|I.CAg|)∩(|I.ABg|>|I.BCg|)]]>BC两相故障(|I.BCg|>|I.ABg|)∩(|I.BCg|>|I.CAg|)]]>CA两相故障(|I.CAg|>|I.ABg|)∩(|I.CAg|>|I.BCg|)]]>是否为接地故障可根据是否有零序分量来判断；三相短路故障的判据为|I•ABg|≈|I•BCg|≈|I•CAg|]]>Ⅱ根据不同故障类型，选用相应定位公式计算得到故障点位置单相接地故障定位公式为D=Ua(i)i12(i+1)-Ua(i+1)i12(i)rlir(i)i12(i+1)+l1p(i)i12(i+1)-rlir(i+1)i12(i)-l1p(i+1)i12(i)]]>其中，各变量定义如下ir=ia+Kr3iop(t)=d(ia+kl3i0)dt]]>i12=(Δia-i0)]]>p(t)=d[ia(i+1)+ki3i0(i+1)-ia(i-1)-ki3i0(i-1)]2Δt,]]>△t为采样间隔。两相相间故障的定位公式为D=Uab(i)Δia(i+1)-Uab(i+1)Δia(i)rliab(i)Δia(i+1)-r1iab(i+1)Δia(i)+llΔia(i+1)p(i)-llΔia(i)p(i+1)]]>其中p(i)=d[ia(i+1)-ib(i+1)-ia(i-1)+ib(i-1)]2Δt,]]>△t为采样间隔。两相接地和三相故障的定位公式为D=Uab(i)rliab(i)+l1iab(i+1)-iab(i-1)2Δt]]>以上定位公式中r1，l1为线路的单位正序电阻和电抗rs，ls，rm，lm为线路的单位自电阻和自电抗、互电阻和互电抗Rf为短路过渡电阻，if为流过过渡电阻的电流Ua、Ub，Uc、ia、ib、ic为装置安装处测得的三相电气量D是故障安装处到故障点的距离②若数据传输正常，则调用双端同步采样微分算法进行定位计算，即Ⅰ根据线路两侧数据文件中记录的故障发生时间，通过移位调整，得到任意采样时刻同步的两端电压电流数据；Ⅱ为消除二次CT磁饱和影响带来的定位误差，根据二次CT的磁饱和外特性曲线，对三相电流进行饱和补偿修正，得到实际一次侧CT出来正常三相电流大小；Ⅲ调用双端定位公式进行计算，得到故障点距离，定位公式为x=Σm=a,b,cΣk=1NAm(k)Bm(k)Σm=a,b,cΣk=1NBm2(k),]]>X即为故障点的位置，上式中Am(k)=umS(k)-umR(k)-dΣp=a,b,c[rmpopS(k)+lmp2·Δt[ipS(k+1)-ipS(k-1)]]]]>Bm(k)=Σp=a,b,c{rmp[ipR(k)+ipS(k)]+lmp2·Δt[ipS(k+1)-ipS(k-1)]+lmp2·Δt[ipR(k+1)-ipR(k-1)]}]]>S、R分别代表线路的两端，其中m对a，b，c三相均成立，输电线路参数如下单位长度每相自电阻raa，rbb，rcc单位长度每相自电感laa，lbb，lcc单位长度相间互电阻rab，rac，rbc单位长度相间互电感lab，lac，lbcumS(k)和umR(k)是输电线路S端和R端在t=kΔt(k=1，2，．．N)时的相电压瞬间采样值，同样，imS(k)和imR(k)是电流瞬时采样值，其中m=a，b，c，Δt是采样间隔，N是总的采样点数。
2.一种输电线路故障点定位装置，其特征在于，该装置包括二次CT／PT变换器、A／D采样板、GPS授时板、主站计算机和副站计算机；所述的二台二次CT／PT变换器各与被测线路的二侧相连接，用以将线路二侧的高电压大电流转变成低电压信号；所述的A／D采样板为多通道同步数据采集卡，用以将低电压信号采样后传给主站计算机和副站计算机处理；所述的GPS授时板与A／D采样板相连，用以产生时钟脉冲以触发A／D采样板的A／D转换器对电压电流进行同步采集；所述的主站计算机与副站计算机分别读取A／D采样板采集的数据，并对数据进行分析、处理，故障定位和传输。
全文摘要
本发明涉及一种输电线路故障点定位方法,首先进行数据采集以获得被保护线路两端的电压电流信号,然后再对数据进行记录和传输以获得故障定位所需数据,最后对故障定位以获得故障点准确位置。本发明的装置包括二次CT/PT变换器、A/D采样板、GPS授时板、主站计算机和副站计算机。本发明基于双端电气量的微分方程的算法从根本上消除来故障过渡电阻的影响,并且计算快捷,运算量小,速度快。
文档编号G01R31/08GK1282876SQ0012480
公开日2001年2月7日 申请日期2000年9月15日 优先权日2000年9月15日
发明者罗承沐, 苏进喜, 解子凤, 吴欣荣, 陈铮 申请人:清华大学