专利名称：基于单端测距的故障定位方法
技术领域：
本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种基于单端测距的故障定位方法。
背景技术：
输电线路发生故障后，即使重合成功，也需要巡线人员查找故障点，根据故障造成的损坏程度判断线路能否继续运行还是须停电检修，以消除隐患。因此，线路故障后快速寻找故障点就成为保证电网安全稳定运行的一项关键技术。其中IlOkV及以上电网中，中性点直接接地的厂站中广泛采用输电线路故障测距装置，这充分说明了其对电力系统安全稳定可靠运行的重要性。随着智能电网建设的开展，变电站智能化成为发展趋势，在智能化变电站中采用电子式互感器代替了常规的铁磁式互感器，并对各类装置提出了数据共享的要求。因此，行波故障测距装置在数据格式、通讯协议方面也需要做相应的改动，这就导致与现有测距装置存在互联互通问题。这种情况下，采用双端方式实现故障测距存在一定困难。现有的行波故障测距装置基本上采用双端方式工作，其可靠性和精度基本满足了电力系统的需要，但是从长期运行经验看，存在以下问题影响了行波测距装置正常工作 ①GPS信号丢失或误差较大②通讯不通畅；③由于运行管理方面的原因，在少数地方难以双端方式实现测距。上述几个问题的存在，不但降低了可靠性，也增加测距系统的日常维护工作量。为了解决现有测距装置在运行中存在的问题和现阶段智能化变电站无法实现双端测距的问题，需要开发可靠有效的单端行波测距算法，而现有的单端阻抗法或单端行波法均存在可靠性或测距精度方面的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单端测距的故障定位方法，可以在保证测距精度的基础上，提高输电线路单端故障测距的可靠性。本发明提供的基于单端测距的故障定位方法，所述方法是检查输电线路是否发生短路，其改进之处在于，1)发现短路时，用输电线路行波故障测距装置测量输电线路本端M端母线的工频电气量，估算过渡电阻值；2)根据步骤1)的所述工频电气量的数据，通过小波变换分析暂态电压/电流行波，判断故障为普通短路故障或特殊短路故障；3)如步骤2)的结果为普通短路故障，则采用结合线路长度的单端行波法直接计算故障点位置；4)如步骤2)的结果为特殊短路故障，则采用阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法计算故障点位置。本发明提供的第一优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述步骤幻所述结合线路长度的单端行波测距法包括如下步骤①所述短路情况下，获得故障电流原始波形，对故障电流进行小波变换得到小波变换模极大值，对小波变换模极大值进行幅值筛选得到初选后的故障相模极大值，然后结合线路长度筛选出需要的模极大值；②根据步骤①筛选出的模极大值，计算出故障初始波头到达所述M端的时间、，故
障反射波头到达所述M端的时间t1;输电线路对端N端母线反射波头到达所述M端的时间 f .③根据所述时间、与所述时间、的差计算得到故障点距所述M端的距离 1I =-(ti-t0)xv；④根据所述时间t2与所述时间、的差计算得到故障点距所述N端的距离
, 1 , , !2 =-( 2- θ)Χν；⑤根据所述步骤③的所述I1，所述步骤④的所述I2和输电线路的总长度L，得出故障点所在范围d e (L-IijL-I2)；⑥根据所述步骤⑤得到故障点。本发明提供的第二优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述步骤4)所述阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法包括如下步骤A.线路短路时，所述输电线路行波故障测距装置测得故障行波，对故障行波进行小波分析得到故障相行波模的极大值；B.根据步骤A得到的故障相行波模的极大值，计算出故障初始波头到达所述M端的时间t3和反射波头到达所述M端的时间t4 ；C.根据所述时间t4与所述时间t3的差计算得到故障点距所述M端的距离
,1 , , 1S =-( 4- 3)Χν；D.根据权利要求1的步骤2)的过渡电阻值，小于150欧姆时为低阻接地，则选取故障区间为D e (13-5% L，13+5% L)；大于150欧姆时为高阻接地，则选取故障区间为 D e (13-15% L, 13+15% L)；E.根据步骤D的结果，结合小波变换模极大值确定故障点。本发明提供的第三优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述步骤1)所述工频电气量包括三相电流和三相电压。本发明提供的第四优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述步骤4)所述特殊短路故障包括1.N端为末端变电站，无分支线路；2.高阻或低阻接地故障。本发明提供的第五优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述步骤1)所述估算过渡电阻值的计算方法为在输电线路故障相接地短路故障情况下，相电压如下式所示U = IZi+IokZi+Rflf (1)其中=K为零序补偿系数，K = (Z0-Z1)A1 为正序阻抗;Rf为过渡电阻；If为短路电流；If = I/Cm；^ Z +Z-(Z-Z3) / λ其中Cm为M端的分流系数；Cm = z“ +z +z.3￡ ⑵
mη其中Zm = >为所述M端的系统阻抗，Zn为线路N端的系统阻抗，Z为单位长度的
线路阻抗；L为线路总长，I3为故障点到所述M端的距离；所述N端系统阻抗近似取τα ^ Zffl,则U= (I+Io^Zi+Rfl/^ (3)由式1可得Rf=Cm -^(l + k^-Z,(4)本发明提供的较优选方案的故障定位方法，其改进之处在于，所述⑥根据所述步骤⑤采用单端阻抗法计算故障点位置。与现有技术比，本发明的有益效果为可靠。本发明将阻抗法与行波法相结合起来，由单端阻抗法完成过渡电阻估算及初步故障定位，辅助单端行波法完成故障测距。由于单端阻抗法具有相对较高的可靠性在整体上保证了单端测距法的可靠性。准确。本发明利用单端行波法保证故障测距的精度，单端行波法测距精度可达 500m以内，且测距精度不受线路长度等因素的影响。适应性强。本发明能够适应不同故障类型情况下的测距，基本不受过渡电阻、线路结构、系统运行方式等因素的影响。
图1本发明提供的基于单端测距的故障定位方法的流程图。图2本发明提供的结合线路长度的单端行波测距法仿真系统模型示意图。图3本发明提供的普通故障情况下，结合线路长度的单端行波测距法的仿真系统模型的实际故障电流及小波变换模极大值。图4本发明提供的阻抗法测距示意图。图5本发明提供的实际故障数据验证。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。图1是本实施例的流程图。首先当输电线路出现故障时，输电线路行波故障测距装置测量输电线路M端母线的工频电气量，通过阻抗法确定故障点范围，并估算过渡电阻值；根据工频电气量的数据，通过小波变换分析暂态电压/电流行波，判断故障为普通短路故障或特殊短路故障；若为普通短路故障，则采用结合线路长度的单端行波法直接计算故障点位置；若为特殊短路故障，则采用阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法计算故障点位置。(1)结合线路长度的单端行波测距法，如图2所示。图中设G点发生短路故障，过度电阻为Rf，故障点G产生了向线路两端运动的电流行波“和i2。1 从测量开始到故障初始行波到达M端的时间为、，也就是电流行波I1到达M端的时间。2 :M端反射的反射电流行波i' i到达故障点后产生反射电流行波i' f，反射电流行波i' f到达M端的时间为、。3:故障点G产生的电流行波12向母线N端运动，到达N端后产生发射行波i' “ f， i' “ f到达M端的时间为t2。本实施例中M点为输电线路本端，N点为输电线路对端。i' f为故障点反射波，根据故障初始波头与故障点反射波头到达时间差计算可得短路点距M端的距离I1 ；而广“f 为N端母线反射波，根据故障初始波头与N端母线反射波到达时间差计算可得为短路点距 N端的距离I2,同时，输电线路总长度L ^ Vl2。对故障电流原始波形进行小波变换得到小波变换模极大值，对小波变换模进行幅值筛选得到初选后的故障相模极大值，然后结合线路长度筛选出需要的模极大值。根据模极大值计算出故障初始波头到达M端的时间、，故障反射波头到达M端的时间、，输电线路
N端母线反射波头到达M端的时间t2。故障点距M端的距离I1 s-a-tjxv，故障点距N端
的距离l2=|(t2-tQ)xv，从而可以得出故障点所在范围D e (L-I1, L-I2)。下面结合一组实际故障数据分析该方法的应用。故障数据为2006. 9. 13辽宁李浑线M侧数据，线路情况线路全长L :41. 723km,由于波形振荡的影响，现有单端测距程序无法准确定位故障点位置。用结合线路长度的单端行波测距法来解决这个问题，其具体步骤是输电线路发生短路后，在普通故障情况下，故障初始时刻后2XL/v(L为线路全长，ν为波速度)时间内，在输电线路行波故障测距装置安装侧(M端)采集到的暂态行波中应能够检测到故障点反射波波头和对端母线反射波波头。根据计算公式为l^^-UxvJ^iiX-tJxv，确定 I1 为 10.53km，I2 为
32. 9km。I1和I2之和接近线路全长L :41. 723km,可确定故障范围为D e (L-I1, L-I2)米。 采用单端阻抗法计算故障点位置，确定故障点为距M端10. 53km。最后，实际故障巡线结果为10. 611km，与测距结果基本相符。(2)阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法阻抗法的另一项功能是提供过渡电阻估算，在本发明中，通过分流系数Cm估算过渡电阻的大小。考虑到健全相互感的影响，算法中利用零序补偿系数来等效线路互感的影响。估算过渡电阻值的计算方法为当发生输电线路故障相(假定为A相)接地短路故障时，A相电压如下式所示Ua = I^i+IokZi+Rflf (1)其中k为零序补偿系数，k = (Z0-Z1)ZZ1, Z1为正序阻抗，Rf为过渡电阻，If为短路电流。在忽略对地分布电容的情况下，可得If = Ia/cm ；其中Cm为本端M端的分流系数
7^ Z +Z-(L-I)/ολ
_5] C- = z+z+zi(2)
mη其中Ζ-=》为测量端的系统阻抗，为线路N端的系统阻抗，Z为单位长度的线路阻抗。L为线路总长，d为故障点到M端的距离，可由阻抗法计算得到。N端系统阻抗近似取τ ^ zm,则Ua= (Ia+I0k) Z^RfIycffl (3)由式1可得Rf=Cm ^(l + k^-Z,(A)
Vh h _当阻抗法与行波法结合使用时，阻抗法的主要功能是提供大致的故障范围对于行波法而言，即设定一个时间窗口，在此时间窗口内筛选行波波头，时间窗口的大小与阻抗法测距误差相对应，根据故障相行波得模极大值可以得到从测量开始到故障初始行波到达 M端的时间为t3，故障点反射波到达M端的时间为t4。根据故障初始波头与故障点反射波
头到达时间差计算可得短路点距M端的距离I3 = i(t4 -t3)x ν。设阻抗法测距结果是距M端的距离为13，线路总长度为L。在&小于150欧姆时为低阻接地，则选取的故障区间为D e (13-5% L，13+5% L)。&大于150欧姆时为高阻接地，则选取的故障区间为D e (13-15% L, 13+15%L)。再结合小波变换模极大值确定故障
点ο下面结合一组实际故障数据分析该方法的应用。2010年3月20日辽宁青新线故障，实际线路故障距M端的距离40. 2km，但存在一条长度为观.2km的分支线路，影响了现有单端测距程序的计算。采用本实施例的阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法， 阻抗法测距结果距M端的距离为39km，过渡电阻不大于100 Ω，因此，选择故障点反射波进行测距，最终测距结果距M端的距离40. 9km，与巡线结果基本相符。最后应该说明的是结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
权利要求
1.基于单端测距的故障定位方法，所述方法是检查输电线路是否发生短路，其特征在于，1)发现短路时，用输电线路行波故障测距装置测量输电线路本端M端母线的工频电气量，估算过渡电阻值；2)根据步骤1)的所述工频电气量的数据，结合小波变换分析暂态电压/电流行波，判断故障为普通短路故障或特殊短路故障；3)如步骤2)的结果为普通短路故障，则采用结合线路长度的单端行波法直接计算故障点位置；4)如步骤2)的结果为特殊短路故障，则采用阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法计算故障点位置。
2.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤3)所述结合线路长度的单端行波测距法包括如下步骤①所述短路情况下，获得故障电流原始波形，对故障电流进行小波变换得到小波变换模极大值，对小波变换模极大值进行幅值筛选得到初选后的故障相模极大值，然后结合线路长度筛选出需要的模极大值；②根据步骤①筛选出的模极大值，计算出故障初始波头到达所述M端的时间、，故障反射波头到达所述M端的时间t1;输电线路对端N端母线反射波头到达所述M端的时间t2 ；③根据所述时间、与所述时间、的差计算得到故障点距所述M端的距离
3.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤4)所述阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法包括如下步骤A.线路短路时，所述输电线路行波故障测距装置测得故障行波，对故障行波进行小波分析得到故障相行波模的极大值；B.根据步骤A得到的故障相行波模的极大值，计算出故障初始波头到达所述M端的时间t3和反射波头到达所述M端的时间t4 ；C.根据所述时间t4与所述时间t3的差计算得到故障点距所述M端的距离 1 1 t ,D.根据权利要求1的步骤2)的过渡电阻值，小于150欧姆时为低阻接地，则选取故障区间为De (13-5% L, 13+5% L)；大于150欧姆时为高阻接地，则选取故障区间为 D e
4.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤1)所述工频电气量包括三相电流和三相电压。
5.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤4)所述特殊短路故障包括1. N端为末端变电站，无分支线路；2.高阻或低阻接地故障。
6.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤1)所述估算过渡电阻值的计算方法为在输电线路故障相接地短路故障情况下，相电压如下式所示
7.如权利要求2所述的故障定位方法，其特征在于，所述⑥根据所述步骤⑤采用单端阻抗法计算故障点位置。
全文摘要
本发明为基于单端测距的故障定位方法，当输电线路出现短路时，用输电线路行波故障测距装置测量输电线路本端母线的工频电气量，通过阻抗法确定故障点范围，估算过渡电阻值；然后通过小波变换分析暂态电压/电流行波，判断故障为普通短路故障，则采用结合线路长度的单端行波法直接计算故障点位置；为特殊短路故障，则采用阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法计算故障点位置。本发明利用单端行波法保证故障测距的精度，单端行波法测距精度可达500m以内，且测距精度不受线路长度等因素的影响。本发明还能够适应不同故障类型情况下的测距，基本不受过渡电阻、线路结构、系统运行方式等因素的影响。
文档编号G01R31/08GK102253315SQ201110175930
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者覃剑, 郭宁明 申请人:中国电力科学研究院, 中电普瑞科技有限公司