本发明涉及电网输电线路安全技术领域。
背景技术
随着互联电网规模的扩大和电压等级的不断升高，基于本地信息的传统后备保护整定配合复杂、动作延时长，难以满足电网安全运行的要求，在潮流转移和系统振荡时，传统后备保护可能会误动切除正常线路，其灵敏度也会受到高阻接地故障的影响。近年来随着广域量测系统的发展，利用广域信息检测故障元件的广域后备保护受到了国内外学者的关注，已有较多的广域后备保护算法被提出。
李振兴,尹项根,张哲,等.基于综合阻抗比较原理的广域继电保护算法[j].电工技术学报,2012,27(8):179-186.提出将综合阻抗的定义由双端扩展到多端，计算某一区域的综合阻抗，利用其在区内、外故障时的差异，形成基于广域综合阻抗的故障元件判别原理；
发明专利公开号cn101295874a，公开了“一种基于故障分量正序综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法”，提出基于正序故障分量的综合阻抗计算方法，根据正序故障分量综合阻抗模值与定值的大小关系来判断线路区段内是否有故障存在，从而检测出故障线路。
上述文献所提方法各有不足之处，利用三相电流计算综合阻抗的方法会受到负荷电流的影响，在重负荷或潮流转移的情况下计算不准确，由于故障分量在故障后短暂存在，利用故障分量计算正序综合阻抗的方法只能短时使用，无法应对缓慢提升的过渡电阻。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种输电线路故障检测方法，它能有效地解决输电线路故障检测的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种输电线路故障检测方法，其步骤包括：
步骤一、采集线路mn的母线m侧的电流、电压，计算得到母线m侧的正序故障分量电流
步骤二、利用上述线路mn两侧的各序电流电压，分别计算母线m侧的正序、负序、零序纵联阻抗zfm1、zfm2、zfm0，再计算母线n侧的正序、负序、零序纵联阻抗zfn1、zfn2、zfn0；其计算公式如下：
其中，z1、zc1分别为线路mn的正序阻抗、正序容抗，z0、zc0分别为线路mn的零序阻抗、零序容抗；
步骤三、利用线路mn两侧的正序、负序、零序纵联阻抗，构造线路的故障判断量f：
1)分别构造母线m侧的正序、负序、零序故障判断量fm1、fm2、fm0，母线n侧的正序、负序、零序故障判断量fn1、fn2、fn0，如下：
其中，z1、z0分别为线路的单位长度正序、零序阻抗，l为线路的长度，单位：km；
2)取母线m侧和母线n侧的正序故障判断量fm1、fn1的最大值，作为本线路的正序故障判断量f1，以相同方式得到线路的负序、零序故障判断量f2、f0，计算公式如下：
3)取线路mn的正序、负序、零序故障判断量的最大值，作为线路mn的最终故障判断量f，计算公式如下：
f＝max{f1,f2,f0}(4)
步骤四、利用故障判断量f，建立输电线路的故障检测判据：
f＞kl(5)
其中k为阈值系数；
若某线路的故障判断量f满足以上判据，且满足振荡闭锁的开放判据和非全相闭锁的开放判据，则判断该线路故障。
步骤二中所述的纵联阻抗的公式推导和定义如下：
设线路mn发生区内故障，α为故障点位置距母线m侧的距离占线路全长的百分比，由线路mn两侧的正序故障分量电流、电压，可分别推算出故障点处的故障附加电势，且两侧的推算值是相等的，因此得到式(6)：
式(6)变换后得到：
将式(7)等号的左边，定义为线路mn的母线m侧的一种正序纵联阻抗zfm1：
对于式(7)等号的右边，由于zc1的绝对值非常大，所以
zfm1≈αz1(9)
以相同方式定义线路mn的母线n侧的正序纵联阻抗zfn1：
在线路mn发生区内故障时，母线n侧的正序纵联阻抗zfn1有以下特性：
zfn1≈(1-α)z1(11)
设线路mn发生区外故障，由母线m侧、母线n侧的正序故障分量电压可推算出线路mn两侧的正序故障分量电流，如式(12)、式(13)所示：
将式(12)、式(13)代入式(8)、式(10)，得到线路发生区外故障时线路mn两侧的正序纵联阻抗相等，并且都等于线路mn的正序阻抗z1，有以下特性：
zfm1＝zfn1＝z1(14)
线路mn的负序、零序纵联阻抗的定义和特性与正序纵联阻抗的相同。
步骤三中所述的故障判断量f的定义和特性分析如下：
根据在发生区内、区外故障时正序纵联阻抗的特性，定义线路mn两侧的正序故障判断量分别为fm1、fn1：
将式(9)、式(11)分别代入式(15)，得到线路mn发生区内故障时其两侧的正序故障判断量分别为fm1＝(1-α)l、fn1＝αl；
将式(14)代入式(15)，得到线路mn发生区外故障时其两侧的正序故障判断量分别为fm1＝fn1＝0；
为了提高故障检测算法的灵敏度，定义线路mn的正序故障判断量f1为线路两侧的正序故障判断量fm1、fn1中的最大值：
f1＝max{fm1,fn1}(16)
因此，在发生区内故障时，线路mn的正序故障判断量f1＝max{αl,(1-α)l}。
当
在发生区外故障时，线路mn的正序故障判断量f1为f1＝0；
考虑到正序故障分量只在故障发生后短暂存在，其开放时间较短，因此定义线路mn的最终故障判断量f为正序、负序、零序故障判断量的最大值，即：
f＝max{f1,f2,f0}(4)
线路mn的负序故障判断量f2、零序故障判断量f0的定义与正序故障判断量f1相同，并且在发生区内、区外故障时，它们与正序故障判断量有着相同的特性。
步骤四中所述的故障检测判据分为两种情况，即振荡闭锁的开放判据和非全相闭锁的开放判据：
1)振荡闭锁的开放判据如下：
不对称故障时的振荡闭锁开放判据：
其中
对称故障时的振荡闭锁开放判据：满足
其中un为线路的额定电压，u1为正序电压幅值，
2)非全相闭锁的开放判据如下：
当检测到某一相断路器跳开或某一相电流为零，则进入非全相闭锁状态；当运行相发生故障时开放保护，非全相闭锁的开放判据为：当两运行相的相电流差突变量元件动作时，开放保护；当线路a相跳开，b、c相运行时，非全相闭锁的开放判据为：
其中，
本发明与现有技术相比的优点和效果：本发明考虑了线路的对地电容电流，利用线路两侧的电流、电压和线路阻抗，构造了一种新型的纵联阻抗，构造正序故障判断量、负序判断量、零序判断量，综合利用它们来建立故障检测判据，它不受过渡电阻、潮流转移等因素的影响，可在故障发生后长时间内使用。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为本发明线路区内故障的正序故障分量附加网络
图3为本发明线路区外故障的正序故障分量附加网络
图4为本发明ieee39节点测试系统示意图
图5为本发明l26_29在50％处发生ag故障时f值变化图
图6为本发明l26_29在发生区外转区内故障时f值的变化图
图7为本发明l26_29潮流转移后发生ag故障时f值的变化图
图8为本发明算法在系统振荡及再故障时的动作状态
图9为本发明l26_29振荡中发生ag故障时f值的变化图
图10为本发明算法在非全相运行再故障时的动作状态
图11为本发明l26_29非全相运行再故障时f值变化图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细的具体说明：
如图1所示本发明所提供的输电线路故障检测方法的流程图，包括如下步骤：
(1)采集线路mn的母线m侧的电流、电压，计算得到母线m侧的正序故障分量电流
(2)利用上述线路mn两侧的各序电流电压，分别计算母线m侧的正序、负序、零序纵联阻抗zfm1、zfm2、zfm0，再计算母线n侧的正序、负序、零序纵联阻抗zfn1、zfn2、zfn0；其计算公式如下：
其中，z1、zc1分别为线路mn的正序阻抗、正序容抗，z0、zc0分别为线路mn的零序阻抗、零序容抗。
(3)利用线路mn两侧的正序、负序、零序纵联阻抗，构造线路的故障判断量f：
分别构造母线m侧的正序、负序、零序故障判断量fm1、fm2、fm0，母线n侧的正序、负序、零序故障判断量fn1、fn2、fn0，如下：
其中，z1、z0分别为线路的单位长度正序阻抗、零序阻抗，l为线路的长度，单位：km。
母线m侧和母线n侧的正序故障判断量fm1、fn1的最大值，作为本线路的正序故障判断量f1，以相同方式得到线路的负序、零序故障判断量f2、f0，计算公式如下：
取线路mn的正序、负序、零序故障判断量的最大值，作为线路mn的最终故障判断量f，计算公式如下：
f＝max{f1,f2,f0}(4)
(4)利用故障判断量f，建立输电线路的故障检测判据：
f＞kl(5)
其中k为阈值系数，一般取0.2～0.4，这里取0.3。
若某线路的故障判断量f满足以上判据，且满足振荡闭锁的开放判据和非全相闭锁的开放判据，则判断该线路故障。
步骤(2)中所述的纵联阻抗的公式推导和定义如下：
线路mn区内故障时的故障分量附加网络如图2所示，线路采用π型等值线路模型。图中m、n为被检测线路两侧的母线编号，zm、zn分别为母线m侧和n侧的系统等效阻抗，z1为线路正序阻抗，l为被保护线路全长(km)，z1为单位长度线路的正序阻抗，zc1为线路正序容抗，
由线路mn两侧的正序故障分量电流、电压值可以分别推算出故障点处的故障附加电势值，且两侧的推算值是相等的，得到式(6)：
式(6)变换后得到：
将式(7)等号的左边定义为一种线路mn的m侧正序纵联阻抗zfm1：
对于式(7)等号的右边，由于zc1的绝对值非常大，所以
zfm1≈αz1(9)
以相同方式定义线路mn的母线n侧正序纵联阻抗zfn1：
对于式(7)等号的右边，由于zc1的绝对值非常大，所以
zfn1≈(1-α)z1(11)
线路mn区外故障时的故障分量附加网络如图3所示，由线路m、n两侧的正序故障分量电压值可以推算出线路m、n两侧的正序故障分量电流值，得到式(12)、式(13)：
将式(12)、式(13)代入式(8)、式(10)，得到区外故障时，线路m、n两侧的正序纵联阻抗等于线路mn的正序阻抗，有以下特性：
zfm1＝zfn1＝z1(14)
线路mn的负序、零序纵联阻抗的定义和特性与正序纵联阻抗的相同。
步骤(3)中所述的故障判断量f的定义和特性分析如下：
由步骤(2)已知，正序纵联阻抗在区内、区外故障时的值有很大差异，据此定义线路m、n两侧的正序故障判断量fm1、fn1为：
其中，z1为单位长度线路的正序阻抗，l为线路长度(单位：km)。
将式(9)、式(11)代入式(15)，得到区内故障时线路m、n两侧的正序故障判断量分别为：fm1＝(1-α)l、fn1＝αl。
将式(14)代入式(15)，得到区外故障时线路m、n两侧的正序故障判断量为：fm1＝fn1＝0。
为提高故障检测算法的灵敏度，定义线路mn的正序故障判断量f1为两侧正序故障判断量的最大值：
f1＝max{fm1,fn1}(16)
因此，在区内故障时，正序故障判断量f1＝max{αl,(1-α)l}。
当
线路mn的负序故障判断量f2、零序故障判断量f0的定义与正序故障判断量f1相同，并且在区内、区外故障时，它们与正序故障判断量有着相同的特性。
由于故障分量在故障后短暂存在，只能短时使用，无法应对缓慢提升的过渡电阻。因此综合利用正序故障分量、负序分量、零序分量来构造故障判断量，定义线路mn的最终故障判断量f为：
f＝max{f1,f2,f0}(4)
步骤(4)中利用故障判断量f建立故障检测的判据如下：
f＞kl(5)
其中k为阈值系数，一般取0.2～0.4，这里取0.3。
由步骤3)的分析可知，在线路区内故障时，f值大于或等于0.5l，在线路区外故障时，f值约为0。为防止区外故障的暂态过程中算法误动，考虑一定的裕度，设置阈值系数k的值为0.3。
若某线路的f满足以上判据，且满足振荡闭锁的开放判据和非全相闭锁的开放判据，则判断该线路故障。振荡闭锁的开放判据和非全相闭锁的开放判据如下：
当系统发生振荡时，电网中的电压、电流会发生较大幅度的波动，为防止本方法可能出现的误动，利用距离保护的振荡闭锁元件，在系统振荡时闭锁本方法，再发生故障时，利用常规的振荡闭锁开放判据来开放本方法，再利用本发明的判据来检测故障。本发明中所用的振荡闭锁的开放判据如下：
不对称故障的保护开放判据：
其中
对称故障的保护开放判据：满足
其中un为线路的额定电压，u1为正序电压幅值，
当线路非全相运行时，可能会造成系统的非全相振荡，为防止算法可能出现的误动，利用常规的非全相检测元件，使本方法进入非全相闭锁状态。由于非全相运行时有负序分量的出现，振荡闭锁的开放判据可能会误开放，因此需要退出振荡闭锁开放判据，当运行相发生故障时，利用非全相闭锁的开放判据来开放本方法，再利用本发明的判据来检测故障。本发明中所用的非全相闭锁的开放判据如下：
当检测到某一相断路器跳开或某一相电流为零，则进入非全相闭锁状态。当运行相发生故障时开放保护，开放判据为：当两运行相的相电流差突变量元件动作时，开放保护。例如线路a相跳开，b、c相运行时，保护开放判据为：
其中，
实施例
利用电磁暂态仿真软件pscad/emtdc搭建ieee39节点系统，系统结构图如图4所示，图中带圈的g代表发电机，序号1～39为各个母线编号，图表中数字前的l为线路符号。系统电压等级为345kv，频率60hz，采样频率为3khz。在ieee39节点系统中设置故障，取出故障数据，在matlab中编程实现故障线路检测算法。线路长度l均设置为100km，因此故障检测判据为f＞0.3l＝30，即某线路的f值大于30时判断该线路故障。
图2和图3分别为线路mn在区内故障和区外故障时的故障分量附加网络。两个图中的m、n为该线路两侧的母线编号，zm、zn分别为母线m侧和n侧的系统等效阻抗，z1为线路正序阻抗，l为被保护线路全长(km)，z1为单位长度线路的正序阻抗，zc1为线路正序容抗，
以下算例中，ag代表a相接地故障，abg代表a、b两相接地短路故障，ab代表a、b相间短路故障，abc代表a、b、c三相短路故障。
算例1
在ieee39节点系统中，选择线路l26_29在距离母线26的5％、50％、95％处分别发生故障，故障类型有ag、abg、ab、abc，其中对于接地故障设置有过渡电阻。通过该算例来验证在线路的不同位置下发生不同类型的故障时，故障检测算法的有效性。故障判断量f的计算结果如表1所示。
表1线路l26_29在各种故障情形下的仿真结果
注：表中“—”表示该种故障情形下不存在零序或负序分量，计算结果无意义。
由表1可看出，故障位置分别在距离母线的5％、95％处时，由于f值取线路两侧计算结果的较大值，所以f值结果相近，约为95左右，最不利的情形是距离母线的50％处故障时，此时f值最小，约为50左右，但仍大于阈值30。验证了本算法在线路的不同故障位置下均能检测出故障，没有检测死区，有较高的灵敏度。在相同的故障位置下，线路分别发生金属性接地短路和高阻接地故障时，f值变化很小，非常接近，验证了本算法不受过渡电阻影响。本算法利用正序故障分量和负序、零序分量分别计算故障判断量，取它们的最大值为最终的f值，能适应各种不同的故障类型。
图5为线路l26_29在50％处发生ag故障时f值的变化图，图中也表示了相邻正常线路l26_28、l28_29的f值变化情况。图中实线“—”表示线路l26_29的f值曲线，虚线“––”表示线路l26_28的f值曲线，点线“------”表示线路l28_29的f值曲线。由图5可看出，故障线路l26_29在0.2s发生a相接地短路时，f值迅速变大，故障暂态过程略有波动，在故障后约两个周波时达到稳态值50左右。相邻正常线路l26_28、l28_29的f值在区外故障的暂态过程中略有增大，但仍远小于阈值30，暂态过程后迅速变小。验证了本算法能够准确检测出故障线路，不会对相邻的正常线路造成误判。
算例2
为了验证本算法对转换性故障(区外转区内故障)的适用性，在0.18s时设置线路l26_28发生a相接地短路，在0.2s时转换为线路l26_29区内发生不同类型的故障进行实验。线路l26_29的故障检测结果如表2所示。表中ag->bg、ag->bcg、ag->bc、ag->abc分别表示区外a相接地短路转换为区内b相接地短路、bc两相接地短路、bc相间短路、abc三相短路。
表2线路l26_29在转换性故障下的仿真结果
由表2可看出l26_29在区外故障转换为不同类型的区内故障时，计算的f值大于阈值30，验证了在线路发生区外转区内故障时，本算法仍然能可靠检测出故障线路。
图6表示线路l26_29在0.18s时发生区外ag故障，在0.2s转换为线路中点处bg故障时f值的变化图。由图6可看出，线路l26_29在区外故障时f值小于阈值30，不会发生误动，转换为区内故障时，f值迅速变大，能检测出故障线路。
算例3
验证本算法在潮流转移时不会误动，在发生潮流转移后依然能够检测出故障线路。设置在0.2s时断开线路l26_28，使潮流转移到相邻线路l26_29，此时l26_29处于潮流转移的重负荷下，在0.3s时再设置线路l26_29发生不同类型的故障进行实验。线路l26_29的故障检测结果如表3所示。
表3线路l26_29发生潮流转移后在各种故障情形下的仿真结果
由表3可看出l26_29在潮流转移的重负荷下发生不同类型的故障时，计算出的f值大于阈值30，验证了本算法在线路发生潮流转移和重负荷的情况下，仍然能检测出故障线路。
图7表示线路l26_29在0.2s发生潮流转移，0.3s在线路中点处发生ag故障时f值的变化图。由图7可看出，线路l26_29在潮流转移的暂态过程中f值略有增大，但仍小于阈值30，暂态过程后迅速变小，接近于0，在0.3s发生ag故障时，f值迅速增大到50左右。验证了本算法在线路发生潮流转移时不会误动，潮流转移过程中又发生故障时能可靠动作。
算例4
本算法在系统振荡时闭锁，振荡过程中又发生故障时开放，因此增设了振荡闭锁的开放判据。为了验证振荡闭锁开放判据的有效性，在0.18s时将母线编号为38处并列的原有发电机退出，同时将频率为55hz的新发电机投入并列运行，使母线38处的电源频率与系统频率(60hz)不一致，来模拟系统发生振荡。电网振荡过程中在0.2s时，又设置线路l26_29发生不同类型的故障来进行实验。
在系统振荡以及振荡过程中再故障时，本算法的动作状态如图8所示，图中纵轴表示算法的动作状态，“0”表示算法未动作，“1”表示算法检测到故障并动作。由图8可看出，在0.18s发生系统振荡时，本算法可靠闭锁不会误动，在0.2s发生故障时，能够开放本算法并可靠动作。图9表示线路l26_29在系统振荡时线路中点处发生ag故障的f值变化图，由图9可看出，当系统振荡时由于本算法闭锁，f值为0，振荡过程中又发生故障时，f值迅速增大到50左右，能可靠检测出线路故障。
线路l26_29振荡中再故障的故障检测结果如表4所示，由表4可看出，l26_29在系统振荡中发生不同类型的故障时，计算出的f值均大于阈值30，验证了本算法在系统振荡中再故障的情况下，仍然能检测出故障线路。
表4线路l26_29在系统振荡中又发生各种故障时的仿真结果
算例5
线路非全相运行时可能造成系统非全相振荡，算法可能会误动，因此增设了非全相闭锁的开放判据，本算法在非全相运行时闭锁，非全相运行中又发生故障时开放。为了验证非全相运行时算法的有效性，在0.28s设置线路l26_29的a相断路器跳开，在0.3s时设置线路发生bg、bc、bcg故障进行试验。
线路l26_29非全相运行中再故障时，本算法的动作状态如图10所示，图中纵轴表示算法的动作状态，“0”表示算法未动作，“1”表示算法检测到故障并动作。由图10可看出，在0.28s线路进入非全相运行时，本算法可靠闭锁不会误动，在0.3s发生故障时，能够开放本算法并可靠动作。图11表示线路l26_29非全相运行过程中，线路中点处发生bg故障的f值变化图，由图11可看出，非全相运行时由于本算法闭锁，f值为0，在0.3s发生故障时，f值迅速增大到50左右，能可靠检测出线路故障。
线路l26_29的故障检测结果如表5所示，由表5可看出，在非全相运行状态下，线路发生不同类型的故障时f值均大于阈值30。验证了本算法在非全相运行中再故障时，能够准确检测出故障线路。
表5线路l26_29在非全相运行中再发生故障时的仿真结果