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电力检测技术 / Power detection

检测技术 / Power detection

高压输电线路故障测距方法的研究

时间:2012-10-11   来源:华天电力  阅读:11487
        一、引言
        高压架空输电线路是电力系统的重要组成部分,它担负着输送电能的重要任务,是发电厂和终端用户的纽带,同时也是整个系统安全稳定运行的基础。随着电力系统规模的日益扩大,高压远距离输电线路日益增多,高压输电线路故障对电力系统、工农业生产和人们日常生活的影响也越来越大。由于高压和超高压书输电线路往往暴露在不同的环境并分布在广大的理想区域,其穿越区域地形复杂、运行环境恶劣,因此它也是电力系统中发生故障最多的地方,一旦发生故障,遇线工作艰苦困难,并需要花费大量时间,尤其是闪络等瞬时故障占90%-95%,而这类故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹,给故障点的查找带来极大困难。
        如果能快速、准确的进行故障定位,一方面可以缩短查找故障点的时间,节约人力物力,减轻巡线人员的劳动强度,另一方面能及时的发现输电线路了的薄弱环节,及时发现绝缘隐患,及早采取防范措施,使故障及时得到处理保证迅速恢复供电,提高运行的可靠性,并减少因停电而造成的巨大损失。高压输电线路的准确故障测距是从技术上保证电网的安全稳定和经济运行的重要措施之一,具有巨大的社会和经济效益,因此故障测距是国内外电力生产部门及科研单位密切关注的研究课题之一。
        二、故障测距方法的分类
        高压架空线路的简单故障类型有十种,即:三种单相故障、三种相间故障、三种两相对地故障和一种三相故障。为了不失一般性,本文以图1所示双电源单间线单相接地故障为例介绍架空输电线路故障测距算法。图1所对应的集中参数等效电路如图2所示:
       (一)阻抗测距方法
        利用单端数据的阻抗测距方法大致可以分为两类:一是解微分方程法,二是利用测量端工频量的测距方法。
        1、解微分方程法
        解微分方程测距方法一般忽略线路的分布电容,利用两个不同时刻的瞬时采样值,可以获得两个独立的方程,如式(2)和(3),并用差分代替微分,联立求得故障距离。根据所对应的集中参数等效电路图2可得:
        对于A相接地故障,则有
        该方法算法简单,无需双侧系统参数和故障前负荷状态下的数据,响应时间短而且不必去除非周期分量,需要的总时窗短。
        该方法存在的问题是:视线路电流和故障支路电流为同相,测距结果受故障电阻和系统运行方式的影响:解方程时,以差分代替微分,采样频率越低误差越大;另外对高阻接地测距精度不能保证。
        2、利用单端数据的阻抗测距方法
        双电源单回线单相接地故障仍以图1所示,由图可得基本方程为:
        根据零序网络可得:
        分析可得,基于工频量的单端测距方法,原理上无法克服对侧系统运行阻抗变化对测距的影响,由于未知量数目大于方程数目,所以只能得到近似解,为了解决这一问题,最初利用检测端电流代替故障电流,由于对侧系统助增电流及线路分布电容的影响,导致故障支路电流与检测端电流相位不同,给测距带来了误差,围绕故障支路电流与检测端电流关系的问题,人们提出了多种不同的处理方法,从而形成了多种测距算法。
      (1)利用付氏和拉氏变换的测距算法:采用付氏变换和拉氏变换的测距算法,最大特点就是假定检测电流和故障支路电流同相位,不可避免的会造成测距误差。
      (2)零序电流相位修正法:零序电流相位修正法考虑了测量端和故障支路电流的相位差,实际就是逐次修正相位差和故障距离,求解测距方程,随着迭代过程的进行,逐渐收敛到实际故障距离,原理上可以消除过渡电阻的影响,但是此方法是基于集中参数线路模型,未考虑线路分布电容的影响。
      (3)零序电流修正法:零序电流修正法仍是用测量端电流代替故障支路电流初始值的一种迭代算法,该方法的数值结果可能会收敛至伪根,或者不收敛。
     (4)解二次方程算法:解方程测距算法是将测距方程按实部、虚部分解并消去故障过渡电阻,从而得到关于故障距离的一元二次方程,只要已知对端系统阻抗就可以通过求解二次方程实现精确测距。它很好的处理了测量端电流和故障支路电流的不同相问题,从原理上消除了过渡电阻的影响,但是因为此方法利用对侧系统阻抗,而对侧系统阻抗随着系统运行方式的变化时刻变化,从而给测距带来误差。另外,测距方程两个根有可能都在长线内,出现伪根情况。
      (5)实时对称分量法:这种测距方法一般假设过渡电阻为一实数,推出故障点故障电压和故障电流,两者比值为实数求得故障点位置。
        除了上述的单端测距算法外,近年来许多研究者把相关学科的研究成果引入到故障测距的研究中,提出了许多新颖的测距算法,如优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、模糊理论等智能化测距方法。
        3、利用双端数据的故障测距方法
        利用双端数据进行测距的方法属于典型的故障分析法,需要根据线路两端的检测量从两端列出电路方程,经过简化得到测距方程,从而实现测距。一些研究者对几种利用强制分量进行故障定位的方法进行了分析和评价,提出了利用双端数据进行测距时,不需要对线路做任何假设,从原理上将提供较好的定位精度,利用双端数据测距的方法可以分为三种:一是利用近端电压、电流和远端电流工频量;二是利用两端电压、电流工频量,这两种都是要求数据采样同步的;三是不需要两端数据采样同步或者采样同步化处理的测距方法。
        第一种方法的基本方程式为:
        基于分相电流差动保护已具备的近端电压、电流和远端电流工频量,可不再考虑双端数据的同步问题。其优点是可实现实时测距,且不受对端系统运行方式变化和过渡电阻的影响;缺点是须用故障过渡电阻的纯电阻性质,而且不计分布电容,要求两端数据同步测量。
        基于两端同步采样数据的算法,算法简单,但同步采样不易实现。而基于两端不同步采样数据的算法,算法复杂,计算量大,但不需要数据采样同步。
      (二)行波故障测距方法
        输电线路行波故障测距方法的发展经历了早期和现代两个阶段。早期行波法利用电子计数器或者阴极射线示波器来测量暂态行波的到达时刻和传播时间,而现代行波方法则利用各种数字信号处理算法来测量暂态行波的到达时刻和传播时间。
        1、早期行波方法
        早期的行波法诞生于20世纪40年代末,相应的行波故障测距装置为A、B、C、D四种基本类型,其中A、C原理为单端原理,B、D为双端原理。
        A型原理在线路一端测量点感受到故障初始行波浪涌时启动一电子计数器,当该行波浪涌在故障点的反射波返回测量点时停止计数,因此得到行波在故障点与测量点之间往返一次的时间,从而实现故障测距。其主要缺点是不能区分来自故障点的反射波和系统中其他的波阻抗不连续点的反射波,可靠性差。
        B型原理在线路一端测量点感受到故障初始行波浪涌时启动电子计数器,而线路另一端感受到故障初始行波浪涌时启动发信机向收信机发信,当收信端接收到来自发信端的信号时停止计数,从而在本端可以获得行波在故障点与发信端之间往返一次的传播时间,实现测距。此方法最大优点是不受来自系统中波阻抗不连续点反射波的影响,但是需要实时通道,测距精度受通道影响。
        C型原理在线路故障时将一高压高频脉冲或高压直流脉冲注入故障线路一端测量点,利用电子计数器测量该信号在测量点与故障点之间往返一次的传播时间,这种原理的主要问题是受故障本身产生暂态行波以及线路上其他各种干扰的影响,而且设备成本高。
        D型原理通过载波同步方式实现两端测距装置的同步计时,并在此基础上测量故障初始行波浪涌由故障点到达故障线路两端的绝对时刻,二者之间的差值可以计算出故障点到线路两端的距离。D型原理不受来自系统中波阻抗不连续点反射波的影响,但需要简历始终同步机制,另外还需要通道以实现两端故障信息的交换。
        2、现代行波测距
        从原理来看,现代行波测距方法已经发展成为具有现代技术特色的A、D、E、F等四种原理,A型现代行波测距原理是对A型早期行波测距原理的发展,利用在线路一端测量到的故障暂态行波在故障点与本端或者对端母线之间往返一次的传播时间计算故障点到本端或者对端母线的距离。D型现代行波测距原理利用故障初始行波浪涌到达线路两端母线时的绝对时间差计算故障点到两端母线之间的距离。E型现代行波测距原理利用断路器重合闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点与永久性故障点之间往返一次时间计算故障距离。而F型现代行波测距原理则利用断路器分盒闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点于故障点之间往返一次的传播时间计算故障距离。20世纪90年代以来,行波测距算法的研究重点不仅在于故障点反射波的检测,以实现单端行波故障测距,还在于故障初始行波浪涌到达线路两端测量点的时刻的精确标定,以实现双端行波故障测距。已经提出现代行波测距算法可以分为匹配滤波器法、第二个反向行波浪涌识别法、最大似然估计法和小波模极大值法等几大类。
        三、几种故障测距方法的存在的问题
      (一)单端故障测距法
        目前利用单端数据的故障测距算法,主要还存在以下问题:故障过渡电阻和对端系统阻抗变化对测距精度的影响;未考虑线路的分布电容和输电线路的不对称性对测距的影响;测距方程伪根的问题,造成测距误差的根本原因是存在故障过渡电阻,要减少其影响,就要引入对端系统阻抗,必然要收到对端系统阻抗变换的影响,这是单端测距长期没能解决的难题,利用单端数据的测距算法突出优点是不需要通道传递对端信息,不受通讯技术限制,长期以来是人们关注的热点。
      (二)双端故障测距法
        双端故障测距算法常常需要两端数据同步技术,要安装全球定位系统(GPS),硬件设备投资高,信息量比单端算法大,因此故障电阻和负荷的扰动对双端算法测距精度影响小,然而在实际应用中,提高两端数据的同步精度是改进两端算法测距精度的重要内容,采用准确线路模型及不要求数据同步的两端测距算法在原理上具有更大优越性,值得进一步深入研究。
      (三)行波故障测距法
        行波法的优点是定测距精度高,同时测距结果不可靠也是行波法的突出缺点,虽然近年来许多学者在行波测距方面做了很多工作,但行波测距要获得很高的可靠性,还需要解决好以下几个问题:
        1、故障产生的行波的不确定性,故障发生的时刻是随机的,当在电压过零时发生故障,行波故障测距将失效。
        2、故障点反射波的识别:线路上存在着大量的干扰,其特性与故障点发射波极为相似,对于单端行波测距,在近区存在无法识别发射波问题。
        3、参数的频变效应:波速是影响行波定位准确性的主要因素,地模波速受大地电阻率的影响较大,而且是频率的非线性函数。
        4、线路两端非线性元件的动态时延:电流互感器是提取电流行波信号的耦合元件,有耦合和启动等非线性元件引起的分散性动态时延对行波测距精度的影响,在现有的文献中还几乎没有定量考虑。
        5、行波的传播是一个复杂的现象,系统参数和结果变换都将对行波的传播产生影响。当存在接地故障电阻时,将影响行波的传播速度,使得行波测距产生误差。
        四、各种故障测距方法的比较
      (一)采用工频量与解微分方程法的比较
        解微分方程法算法简单,计算量小,但是从原理上看,工频量方法精度比后者高,就测距而言,按照以时间换精度的原则,前者比后者更有效和实用。
      (二)采用工频量的单端、双端测距方法比较
        采用单端测距方法与双端测距方法相比,前者在原理上存在缺陷,无法同时消除故障电阻和对端系统阻抗变化的影响,后者在原理上可以完全消除故障过渡电阻和对端系统阻抗变化的影响,前者实现方便不依赖通讯工具,不存在双端数据同步问题,后者需要增加部分硬件投入,需要通讯工具交换双端信息,需要解决数据同步问题,在测距精度方面,后者比前者可以达到更为精确的测距效果。
      (三)采用集中参数与采用分布参数线路模型的测距方法比较
        采用集中参数线路模型的工频测距方法与采用分布参数线路模型的测距算法相比,前者模型简化,分析计算简便,后者模型精确,计算复杂,但是精确度高于前者。
      (四)采用工频量和利用行波的测距方法的比较
        采用工频量的测距方法与利用行波测距的方法相比,前者可以利用现已大量投运的微机保护、滤波装置和在迅速发展中的变电站综合自动化系统,硬件投资少,容易实现,后者则需要专门设备,投资大,技术较复杂,在实现测距所需要的信息处理时间方面行波法明显优于工频法,在测距精度方面,行波法几乎不受过滤电阻和线路参数准确性和不对称等因素的影响,对各种线路的适应性较好,但是,对线路反射波的识别,线路两端非线性元件的动态时延等问题,还需要进一步研究和探讨。采用工频量的算法,其测距精度易受线路参数不对称和过渡电阻等影响,二者都有需要进一步解决的问题。
        五、结论
        现有的各种测距算法各有其优缺点,为了达到准确测距的目的,都有需要进一步解决的技术问题。行波测距法确实有优于目前常用的阻抗法和故障分析法的地方。随着行波测距装置的不断完善和发展,行波测距法将越来越现实出其准确、快速定位的优越性。相对于单端电气量测距法来说,两端电气量测距法原理简单、测距可靠、准确率高。在投资允许的情况下,应优先考虑安装两端电气量测距装置。
 
 
        关键词:高压  输电线路  故障  测距
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