专利名称：利用长线方程实现单端故障测距的方法
技术领域：
本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及继电保护利用单端量实现单端故障测距的新方法。
背景技术：
高压输电线路输电距离较长，路经的地形环境纷繁复杂，故障发生基本不可避免。当输电线路发生故障时，需迅速查明故障并及时排除或尽快找到加以处理，因为故障排除时间的长短直接影响到送电保障和系统的安全运行。排除时间越长，停电所造成的损失越大，对整个系统稳定运行的冲击也越大。因此，尽快排除或处理输电线路故障，不仅对及时修复线路和保证可靠供电至关重要，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的意义。排除或处理故障的前提是找到故障点的确切位置。高压输电线路沿线地理环境复杂，有时翻越崎岖山林，有时跨越河流水网。而且，很多人为或瞬时故障的事故痕迹往往在故障后消失，无法重现故障情况。准确的故障定位正是解决之道，它有着显著的社会效益和经济效益。
目前，中国的电压等级正从500kV向1000kV发展，而随着电压等级的提高和线路长度的增加，引起分布电容电流的增加以及中间并联电抗器的存在，以往利用单端量进行故障定位的方法越来越难以准确的测出故障点距保护安装处的距离。传统的做法主要有以下办法阻抗法根据故障时测量到的电压、电流量而计算出故障回路的阻抗。由于路线长度与阻抗成正比，因此便可以求出由装置装设处到故障点的距离。
行波法利用高频故障暂态电流电压的行波或故障后用脉冲频率调制雷达系统等间接判定故障点的位置。行波法要求采样速率高，目前，线路保护中无法采用。
目前，传统的线路保护中故障测距算法是主要采用端电压、电流计算故障阻抗，或采用向量法，或采用解微分方程算法，再根据线路故障阻抗与单位公里的电抗相比较，的故障距离的办法。计算公式如下
对单相故障 为零序补偿系数。Z表示计算出的某一单相阻抗， 为单相电压， 为单相电流。
对相间故障 Z表示计算出的相间阻抗， 为相间电压， 为两相电流差。
在线路长度小于400km时，由传统的计算阻抗直接测距的误差不会太大，应该可以满足大多数线路的需要，而对于超高压、长线路，由于要增加线路传输的自然功率，因此，需要减小线路的电抗，但同时增加了线路的分布电容，由分析可以看到，在特高压长线上，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76％以上，而在如此大的分布电容电流的情况下，必然对以端电压、端电流为依据，以集中参数为模型计算的阻抗计算故障距离的误差会越来越大，远不能满足特高压长线路的要求，而随着线路长度的增加，为了补偿线路的分布电容电流，在线路中有可能增加并联电抗器，这种情况对传统的算法产生的误差影响更大。由下述公式(1)可知，由保护直接测量到的阻抗与线路的长度并不成正比，随着线路长度的增加，误差越来越大。本发明针对目前特高压、长线路急需解决保护中故障测距的计算，提出了一种新的算法，该算法可较好的解决单端故障数据所测阻抗随线路长度的增加和电压等级的提高所带来的误差。仿真表明，在线路长度小于400km时，直接利用下述的公式(1)反推所测故障距离误差也比较小，如果适当选择参考点，对故障测距的计算误差也比原来有较大的提高。
发明内容
对于特高压长线路，由于线路分布电容电流的影响已经不能忽略，因此，传统的以集中参数为依据，依靠单端量进行故障测距算法由于误差会越来越大，已不能使用。本发明首先利用端电压、端电流计算的阻抗与保护安装处至参考点的阻抗进行对比的结果，若结果为正，表示保护所计算的阻抗大于保护安装处至参考点的阻抗，因此，首先利用长线方程将端电压、端电流折算到参考点，若有并联电抗器，则需减掉并联电抗器的电流，再在参考点利用传统算法计算阻抗，利用下述公式(1)反推出参考点至故障点的距离；最后再与保护安装处至参考点的距离相加，得出真正的保护安装处至故障点的距离；若结果为负，表示故障在保护安装处至参考点中间，而参考点的选择不能大于400km，直接利用下述公式(1)反推也可得到故障距离，由于该公式已经考虑了分布电容，因此，该测距算法不受线路分布电容的影响。
根据本发明，提供了一种在电力系统的高压输电线路中利用长线方程计算实现单端故障测距的新方法，该方法包括如下步骤线路保护装置对互感器的电流电压波形采样得到电流电压瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的相量形式；计算保护安装处至故障点的阻抗Zmf′；选择参考点k，计算保护安装处至参考点k的阻抗Zmk；若保护安装处所计算阻抗Zmf′大于保护安装处至参考点的阻抗Zmk，则利用长线方程将保护安装处电压 电流 计算到参考点电压 电流 将参考点k的电流 减去并联电抗器的电流 后得到 再利用 计算阻抗的算法计算参考点k至故障点的阻抗Zkf，利用Zkf推算参考点至故障点的距离lkf。
根据本发明的一个方面，其中利用下式推算故障点的距离Z＝Zc1th(γ1l)(1)若Zmf′小于Zmk，则直接由Zmf′推算保护安装处距故障点的距离；式中Z是为保护按集中参数计算的阻抗，Zc1为线路的正序波阻抗，γ1为线路的正序传播系数，l为保护安装处至故障点的距离或参考点至故障点的距离，th(γ1l)为双曲正切函数；若Zmf′小于Zmk，Z为Zmf′，则直接由Zmf′推算保护安装处距故障点的距离；若Zmf′大于Zmk，Z为按相量形式折算到参考点所计算的阻抗Zkf，可计算出参考点至故障点的距离lkf，将计算的lkf与保护安装处至参考点的距离lmk相加，得到由保护安装处所测的故障距离。
根据本发明的另一个方面，其中当判断Zmf′大于Zmk时，则下式作为将端电压、电流按相量折算至参考点的公式，公式如下
U·kI·k=ch(γl)-Zcsh(γl)-sh(γl)/Zcch(γl)U·mI·m---(2)]]>式中 为保护安装处(m端)所测电压、电流的向量， 为参考点k的电压、电流，γ为线路的传播常数，Zc为线路的波阻抗，l为m端至参考点k的距离，ch()，sh()分别为双曲余弦和双曲正弦函数；该式在模量上成立，即Zmf′大于Zmk是参考性条件，否则，直接推算故障距离。
在本发明中，利用公式(1)解反双曲正切函数得故障距离或参考点至故障点的距离。
根据本发明的另一个方面，其中参考点的选择不大于400米。
根据本发明的又另一个方面，其中若Zmf′大于Zmk，保护安装处至故障点最后实际的阻抗Zmf＝Zmk+Zkf。
附图1为设有参考点k的阻抗继电器；附图2为利用长线方程实现故障测距的流程图。
具体实施方案本发明涉及电力系统领域中继电保护故障测距的方法。公开了一种通过单端电压、电流进行故障测距的办法。若高压线路中有并联电抗器时，可设并联电抗器的安装处为一参考点k(如图1，以m端为例，n端计算方法相同)，通过对保护安装处所测的阻抗与保护安装处至参考点k的阻抗进行比较，若所测阻抗大于保护安装处至参考点k的阻抗，则利用长线方程将保护安装处所测电压 电流 以相量计算的方式折算至参考点k的电压 电流 ，将电流 减去并联电抗器上的电流 得 利用 再重新计算阻抗；此时所计算得到的阻抗为参考点k至故障点f的阻抗Zkf，通过Zkf由长线方程反推出参考点与故障点的距离，最后，与保护安装处至参考点k的距离相加，得出真正的由保护安装处至故障点距离的方法，若所测阻抗小于保护安装处至参考点k的阻抗，则直接由长线方程计算出保护安装处至故障点的距离。该方法包括如下步骤线路保护装置对互感器的电压、电流波形进行采样得到电压、电流瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的相量形式；通过解微分方程或向量法等计算阻抗的方法计算出保护安装处的阻抗Zmf′；首先判断所计算的阻抗Zmf′是否大于保护安装处到参考点的阻抗Zmk，若大于，则利用长线方程将保护所测电压 电流 以相量计算的方式计算到参考点，再重新利用解微分方程或向量法等计算阻抗的方法计算阻抗Zkf，利用Zkf由长线方程推出参考点距故障点距离，最后，与保护安装处至参考点距离相加，得保护安装处所测故障距离，否则，直接由Zmf′推算出故障距离。该方法对线路中间有无并联电抗器都适用，所测故障距离准确度高，将分布参数电容电流对单端故障测距的影响减小到最小，非常有利于现场事故的排除。
以下论述中的符号使用如下电流互感器(简称TA，以下同)和电压互感器(简称TV，以下同)。
首先保护根据保护安装处的TA和TV测得电流和电压的瞬时值。
其次通过傅氏算法求出各电气量的相量形式，然后根据选相结果，以集中参数为依据，利用公式(3)，(4)计算首端故障阻抗Zmf′，若Zmf′大于Zmk，则利用公式(2)将首端电压、电流折算到参考点，若有并联电抗器，则需减去并联电抗器的电流，在参考点重新利用公式(3)，(4)计算参考点至故障点的阻抗Zkf，再利用公式(1)的参考点至故障点的距离lkf，，最后，真下的故障距离lmf＝lkf+lmk，否则，可直接利用公式(1)由Zmf′直接推算lmf。同时，若Zmf′大于Zmk，可相应得出保护安装处至故障点最后实际的阻抗Zmf＝Zmk+Zkf。
根据附图显示的逻辑，Zmf′大于Zmk是采用长线方程(2)进行折算的关键，否则，可不进行变换，直接利用公式(1)计算故障测距。
实际区内故障时，以上测距原理成立，在保护反方向区外故障时，由于保护不会动作，因此，不会误测距，因此，也没有问题。
例如，若保护安装处所计算的阻抗大于保护安装处至参考点的距离，则利用长线方程将保护安装处所测电压、电流以相量形式折算到参考点，减去并联电抗器电流后，计算参考点到故障点的阻抗，再解出故障点至参考点的距离，并与保护安装处至参考点距离相加，得到真正的由保护安装处所看到的故障距离。
若保护安装处所计算的阻抗小于保护安装处至参考点的距离，则直接推算出保护安装处所看到的故障距离；如图1所示为设有参考点k的高压输电线路，图中为在线路中间有并联电抗器的线路，则参考点选择为并联电抗器的安装点(以符号k表示)；若无并联电抗器，则参考点的选择任意(以符号k表示)，但保护安装处至参考点的长度不能超过400km，所述方法如下若保护安装处所测阻抗(以m端为例，n端计算方法相同)Zmf′大于保护安装处至参考点k的阻抗Zmk，则利用长线方程将保护安装处电压、电流折算至参考点k，再利用参考点k的电压、电流计算k点至f的阻抗Zkf，再按公式(1)推算出k点至f点的距离lkf，最后与保护安装处至参考点的距离lmk相加，得故障测距lmf，若有并联电抗器，则需先减去并联电抗器的电流 再计算阻抗Zkf，再计算lmf。
若保护安装处所测阻抗(以m端为例，n端计算方法相同)Zmf′小于保护安装处至参考点k的阻抗Zmk，直接由Zmf′计算lmf。
权利要求
1.一种在电力系统的高压输电线路中利用长线方程计算实现单端故障测距的方法，该方法包括如下步骤线路保护装置对互感器的电流电压波形采样得到电流电压瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的相量形式；计算保护安装处至故障点的阻抗Z′mf；选择参考点k，计算保护安装处至参考点k的阻抗Zmk；若保护安装处所计算阻抗Z′mf大于保护安装处至参考点的阻抗Zmk，则利用长线方程将保护安装处电压m、电流 计算到参考点电压k、电流 将参考点k的电流 减去并联电抗器的电流 后得到 再利用k、 计算阻抗的算法计算参考点k至故障点的阻抗Zkf，利用Zkf推算参考点至故障点的距离lkf。
2.根据权利要求1的方法，其中利用下式推算保护安装处至故障点的距离Z＝Zc1th(γ1l)若Z′mf小于Zmk，则直接由Z′mf推算保护安装处距故障点的距离；式中Z是为保护按集中参数计算的阻抗，Zc1为线路的正序波阻抗，γ1为线路的正序传播系数，l为保护安装处至故障点的距离或参考点至故障点的距离，th(γ1l)为双曲正切函数；若Z′mf小于Zmk，Z为Z′mf，则直接由Z′mf推算保护安装处距故障点的距离；若Z′mf大于Zmk，Z为按相量形式折算到参考点所计算的阻抗Zkf，可计算出参考点至故障点的距离lkf，将计算的lkf与保护安装处至参考点的距离lmk相加，得到由保护安装处所测的故障距离。
3.如权利要求1的方法，其中当判断Z′mf大于Zmk时，则下式作为将端电压、电流按相量折算至参考点的公式，公式如下U·kI·k=ch(γl)-Zcsh(γl)-sh(γl)/Zcch(γl)U·mI·m---(2)]]>式中m， 为保护安装处(m端)所测电压、电流的向量，k、 为参考点k的电压、电流，γ为线路的传播常数，Zc为线路的波阻抗，l为m端至参考点k的距离，ch()，sh()分别为双曲余弦和双曲正弦函数；该式在模量上成立，即Z′mf大于Zmk是参考性条件，否则，直接推算故障距离。
4.如权利要求2所述方法其特征在于利用所述公式解反双曲正切函数得故障距离或参考点至故障点的距离。
5.如权利要求1-4的方法，其中参考点的选择不大于400米。
6.如权利要求1-4的方法，其中若Z′mf，大于Zmk，保护安装处至故障点最后实际的阻抗Zmf＝Zmk+Zkf。
全文摘要
本发明涉及电力系统领域中继电保护故障测距的方法。公开了一种通过单端电压、电流进行故障测距的办法。本发明首先利用端电压、端电流计算的阻抗与保护安装处至参考点的阻抗进行对比的结果，若结果为正，表示保护所计算的阻抗大于保护安装处至参考点的阻抗，因此，首先利用长线方程将端电压、端电流折算到参考点，若有并联电抗器，则需减掉并联电抗器的电流，再在参考点利用传统算法计算阻抗，利用公式反推出参考点至故障点的距离；最后再与保护安装处至参考点的距离相加，得出真正的保护安装处至故障点的距离；若结果为负，表示故障在保护安装处至参考点中间，而参考点的选择不能大于400km，直接利用公式反推也可得到故障距离，由于该公式已经考虑了分布电容，因此，该测距算法不受线路分布电容的影响。
文档编号G01R31/08GK1851490SQ200610083818
公开日2006年10月25日 申请日期2006年6月2日 优先权日2006年6月2日
发明者徐振宇, 杜兆强, 黄少锋, 魏会利, 张效宇 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司