CN107632238A - 一种基于wams系统的多端传输线路故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，属于电力系统领域。该方法利用WAMS系统所测量的正常数据及故障数据对输电线路主网络及分支线路进行故障定位，该方法包括：(1)基于单端PMU量测数据的故障距离计算方法；(2)双端输电网主网络故障节点的确定方法；(3)双端分支线路故障距离的计算方法；(4)故障点的位置判断。该方法充分应用了WAMS系统数据不仅可实现对主干线路故障精确定位，也可实现对双端分支线路上的故障精确定位，扩大了WAMS系统监测应用范围，且具有较高的准确性及可靠性。

Description

一种基于WAMS系统的多端传输线路故障测距方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是一种基于WAMS系统的多端传输线路故障测距方法。

背景技术

随着电网复杂性和输送容量的増加，由于线路出现故障导致停运所造成的影响和损失越来越大。因此，电网也提高了对故障测距精准性的要求。电力系统输电线路故障发生后及时、准确地确定故障点位置，迅速找出故障点以进行维护或事故抢修，可以提高电网的利用率和安全可靠性。

输电线路故障测距技术最早是起源于距离保护,输电线路故障中寻找故障点的需要推动了输电线路故障测距技术的发展。输电线路故障测距方法根据采用的线路模型、测距原理、测量设备的不同,大致可分为行波法和阻抗法两大类。

现代行波测距法常用方法主要有：基于单条输电线路的单端法、双端法、三端法；基于广域行波信息的网络测距法。

(1)单端测距法。单端测距法利用在线路一端测量到的数据进行测距，但是这仅是基于理论上的分析，目前还没有成熟可靠的自动识别方法，还需要故障后人工分析故障行波来区分，不利于故障的迅速修复。

(2)双端测距法。双端测距法利用第一个初始行波浪涌到达两端的时间差进行测距。相对于单端法测距，双端法也存在着行波波速不确定影响定位结果的问题，同时还有线路长度的影响，目前影响双端法测距的主要因素是线路两端的时钟对时问题。

(3)三端测距法。三端法是在双端测距原理的基础上提出的一种测距方法，可达到较高的测距精度。然而实现准确测距的难点是相邻线路对端母线处波头的检测。

(4)基于广域网络信息的行波测距算法。基于单条输电线路的单端、双端及多端定位法，当定位装置故障、启动失灵或时间记录错误都将导致定位的失败，定位可靠性得不到保证，且定位装置的时间记录误差也会使定位准确度降低。

总之，行波测距技术在电网的实际运行中仍然暴露了越来越多的问题。现代电力系统中的输电线路构成了错综复杂的多端网络，而不仅仅局限于双端网络。对时间是否同步及通信的要求极为苛刻的双端行波测距由于受多种因素的影响，自动化分析程度低，计算结果不准确，这样就不能对多端输电线路的故障点进行精确测距。

现有技术的行波测距法，其缺点是行波在传输时在线路中的能量损耗快，因此无法对远距离的故障进行精确定位；当输电线路为多端输电线路时，线路的节点、支路较多，导致行波折反射复杂，难以迅速准确地判断故障发生的位置；设备成本高，浪费资金。

阻抗法测距不需要高频暂态信号,不需要增加硬件,设备简单,极大的降低了成本，在工程上已获得了广泛的应用。在保护、录波等装置中,阻抗法测距在运行中具有较高的可靠性,但相对于行波法测距,其精度较低。

输电线路的快速精确故障测距对于故障的迅速清除以及线路恢复运行有着重要意义。随着相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)在电力系统中大量配置，基于PMU的广域量测系统已逐渐形成(Wide Area Measurement System，WAMS)，采用线路两端同步相量或WAMS系统进行精确故障测距成为可能。基于线路多端PMU量测结果的故障测距算法具有自适应能力强、精度高、算法计算量小的优点。

参考文献

[1]王波,周昱勇.基于PMU的多端传输线路故障定位新方法[J].电力系统保护与控制,2009,(12):32-35+39.

[2]霍爽.高压输电线路故障测距算法的研究.山东大学硕士论文.2012.

[3]崔浩,王丰华,穆卡,张君,刘亚东.基于实际波速的多端输电线路行波故障测距方法[J].电工电能新技术,2017,(02):74-80.

发明内容

本发明利用WAMS系统所测得的数据推算出主网络上的故障位置，在此基础上综合多端数据进一步完成精确故障定位。与现有输电线路故障定位算法相比较，本发明根据WAMS系统的数据不仅可实现对双端主干线路故障精确测距，也可实现对多端分支线路上的故障精确测距，通过多端线路两两配对，辅以线路连接拓扑，通过循环迭代，实现多端线路的全域分析，扩大了系统监测范围。基于WAMS系统多端传输线路故障测距具有较高的准确性与可靠性。

本发明所要解决的问题是，对于输电线路发生故障时，提供一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，实现输电网发生故障时的快速、准确定位，以提高电网的安全性和可靠性。

本发明的目的是根据WAMS系统实时的数据迅速准确地判断故障发生的位置，不管故障发生长线路或短线路还是在主干线路或其分支线路上，都能通过本发明提供的方法准确定位，从而扩大系统的监测范围。

解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法。其特征是，它包括以下步骤：

(1)基于单端PMU量测数据的故障距离计算方法；

(2)双端输电网主网络故障节点的确定方法；

(3)双端输电网分支线路故障距离的计算方法；

(4)故障点的位置判断。

进一步地，所属步骤(1)中，当三相对称线路发生故障时，可根据对称分量法和线性叠加原理，将故障电力网络分解为故障前的正常状态网络与故障后的附加正序网、附加负序网和附加零序网。对于三相对称故障，不存在负序网和零序网；对于不对称非接地型故障，不存在零序网；但对所有的故障类型，均存在正序网络。因此本发明仅利用附加正序分量进行故障测距。

三相输电系统发生单相接地故障时，根据欧姆定律，存在关系式

式中，为故障点电源侧母线相电压，D为故障距离(单位千米)，为故障后的相电流，为故障电流，R_f为过渡电阻，Z_aa为三相线路每千米单位阻抗。

而故障电流估计值可表示为：

式中，为故障前的相电流。

根据实部和虚部两部分关系，求解含未知量D和R_f的平衡方程式，即可求出故障距离。算法中，全节点配置PMU时N＝D，未完全配置PMU节点时D包含主网和支路距离之和，单位千米。

进一步地，所述步骤(2)中，环网、双端输电网主网络均可以等值为双端网络。双端网络可由等效电源G和H供电，故障点距离G为m单位，则距离H为(1-m)单位，则满足平衡方程

式中，为故障点电压，为电源G的端电压，为电源H的端电压，为电源G的电流，为电源H的电流，Z为输电线路阻抗。

求解上述平衡方程，可得故障距离m；然后，将m乘以主接线的总距离，得出实际故障距离M。

进一步地，所述步骤(3)中，分支线路故障距离的计算与步骤(1)所述基本方法相同，不同点在于此处所求的距离为主网络母线到故障点的分支实际距离。基于步骤(1)的方法，故障距离为D，单位千米。

进一步地，所述步骤(4)中，故障点的位置可由之前三个步骤所求的故障距离N、M和D的阈值关系来判断。其判断方法为：若M＝N，则故障在主线路中，故障距离可以给定为M(千米)；若M≠N，则故障在分支线路中，故障距离为(M+D)千米。判断分支线路是否安装PMU，若安装则利用步骤(2)进行测距校对；否则，计算下一条线路。

本发明不仅可以使用基于PMU的WAMS系统的数据，还可以使用现阶段已经成熟的监控和数据采集系统以及故障录波器等设备所提供的数据来进行故障测距。

有益效果

本发明综合单端、双端、分支多端数据进一步完成精确故障定位。与现有输电线路故障定位算法相比较，本发明根据WAMS系统的数据不仅可实现对双端主干线路故障精确测距，也可实现对多端分支线路上的故障精确测距，通过多端线路两两配对，辅以线路连接拓扑，通过循环迭代，实现多端线路的全域分析，扩大了系统监测范围。基于WAMS系统多端传输线路故障测距具有较高的准确性与可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1故障测距流程图；

图2 A相发生单相接地故障；

图3故障发生在距离G节点m个单位处；

图4多端传输线路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，该方法基于WAMS系统所测量的正常运行数据及故障数据，对输电线路主网络和分支线路进行故障测距，所述方法包括以下步骤：

(1)基于单端PMU量测数据的故障距离计算方法

图2所示，系统发生单相接地故障，已知相量根据欧姆定律，存在关系式

其中，D为故障距离(单位千米)，为故障电流，R_f为过渡电阻，Z_aa为三相线路每千米单位阻抗。长度为L的线路，故障距离D可使用如下方法计算得出：首先，故障电流估计值可表示为

其中，为故障前的相电流；然后，求解含D和R_f未知量的平衡方程式式包含实部和虚部两个实数方程，方程可解；最后，根据故障距离，计算故障点的电压相量算法中，主网中的故障距离用N表示，N＝D，单位千米。

(2)双端输电网主网络故障节点的确定方法

环网、双端输电网主网络可以等值为图3所示的双端网络。图3所示的双端网络可由等效电源G和H供电，当在F点发生故障时，故障点F距离G为m单位，则距离H为(1-m)单位，满足平衡方程：

式中，为故障点电压，为电源G的端电压，为电源H的端电压，为电源G的电流，为电源H的电流，Z为输电线路阻抗。两式相减，得

求解式可求得故障距离m；然后，将m乘以主接线的总距离，得出实际距离M。

(3)双端输电网分支线路故障距离的计算方法

如图4所示的多端传输线路，分支线路故障距离的计算步骤与第一步中的方法相同，不同点在于此处的距离为主网络母线到故障点的分支实际距离。

如图4所示，即当在线路L₁上出现故障时，我们可将主网络等效为一个测量点，即将多端传输线路等效为第一步中的等效电路，通过第一步的方法列写出平衡方程，求解出P₁点到L₁上故障点的距离，记此故障距离为D，单位千米。

(4)故障点的位置判断

通过判断之前三步所求的故障距离N、M和D的阈值关系，可判断故障点位置，其方法为：若M＝N，则故障在主线路中，故障距离可以给定为M(km)；若M≠N，则故障在分支线路中，故障距离为(M+D)km。判断分支线路是否安装PMU，若安装则利用步骤(2)进行校对；否则计算下一条线路故障。

综合以上四步结果，该方法的流程图如图1所示。

图1形象详细的表示出了基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法。首先通过WAMS系统得到故障测距所需的故障数据及正常数据；然后根据这些数据计算出故障点在等效网络上距端点的距离N；再计算出等效故障点在主网络上与端点的距离M以及等效主网络故障点处的故障电压电流数据；通过WAMS系统数据和之前得到的等效主网络故障点数据，将分支线路等效为第一步中的电路，求取分支故障点到等效主网络故障点的距离D。最后通过N、M和D的阈值关系来判断故障点位置，其方法是：若M＝N，则故障在主线路中，故障距离可以给定为M；若M≠N，则故障在分支线路中，故障距离为M+D。判断分支线路是否安装PMU，若安装则利用步骤(2)进行测距校对；否则计算下一条线路故障。

本发明不仅可以使用基于PMU的WAMS系统的数据，还可以使用现阶段已经成熟的监控和数据采集系统以及故障录波器等设备所提供的数据来进行故障测距。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其他实质上等同的代替，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于单端PMU量测数据的故障距离计算方法；

步骤2：双端输电网主网络故障节点及在主网络上的距离的确定方法；

步骤3：双端输电网分支线路故障距离的计算方法；

步骤4：根据WAMS系统提供量测数据，通过计算求出三个故障距离，并对三个故障距离的阈值进行判断，确定故障位置的故障位置。

2.如权利要求1所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，所述的步骤1基于单端PMU量测数据的故障距离计算方法，具体步骤如下：当系统发生单相接地故障时，利用已向量和通过求解平衡方程式可得出故障距离，其中D为故障距离，单位千米；故障发生在主网中，记作N＝D，其中为故障电流，R_f为过渡电阻，Z_aa为三相线路每千米单位阻抗；故障电流估计值可由求得，其中为故障前的相电流。

3.如权利要求2所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，所述的步骤2双端输电网主网络故障节点及在主网络上的距离的确定方法：双端网络可由等效电源G和H供电，故障点距离G为m单位，距离H为(1-m)单位，满足平衡方程

<mrow> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>G</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>Z</mi> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>G</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>f</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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式中，为故障点电压，为电源G的端电压，为电源H的端电压，为电源G的电流，为电源H的电流，Z为输电线路阻抗；求解上述平衡方程，可得故障距离m；然后，将m乘以主接线的总距离，得出实际故障距离M。

4.如权利要求3所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，所述的步骤3双端输电网分支线路故障距离的计算方法：与权利要求2步骤(1)所述方法相同，差别在于此处所求的距离为主网络母线到故障点的分支实际距离。

5.如权利要求3所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，所述的步骤4故障点的位置判断的具体步骤：通过判断之前三步所求的故障距离N、M和D的阈值关系，得出故障点位置，判断方法为：若M＝N，则故障在主线路中，故障距离可以给定为M，单位千米；若M≠N，则故障在两端输电线路的分支线路中，故障距离为M+D，单位千米；最后，根据两端输电线路的分支线路PMU量测数据校对故障距离。

6.如权1-5任意一项所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，该方法使用基于PMU的WAMS系统的数据进行故障测距。

7.如权1-5任意一项所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，该方法可使用基于PMU的监控和数据采集系统进行故障测距。

8.如权1-5任意一项所述的一种基于WAMS系统多端传输线路故障测距方法，其特征在于，该方法可使用故障录波器的数据进行故障测距。