T型輸電線(xiàn)路電弧故障測(cè)距時(shí)域方法研究

1、第17卷第4期電工技術(shù)學(xué)報(bào)2002年8月T型輸電線(xiàn)路電弧故障測(cè)距時(shí)域方法研究ANewTime2DomainMethodforLocatingFaultsonT2ConneciontoThreeTerminalTransmissionLines束洪春司大軍(葛耀中(ShuHongchunSi(ScienceandTechnology650051China)University710049China)(HarbinInstituteofTechnology150051China)摘要利用單端數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路故障測(cè)距算法,較難解決多端系統(tǒng)的故障定位問(wèn)題,實(shí)際中一般采用多端數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)距。頻域法故障測(cè)距精

2、度易受時(shí)窗位置、直流衰減分量、過(guò)渡電阻非線(xiàn)性等因素影響,其頻域算法的數(shù)據(jù)多取之于故障后第二周波。隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展,從故障發(fā)生到斷路器動(dòng)作的時(shí)間愈來(lái)愈短,故障后第二周波內(nèi)斷路器可能已動(dòng)作,這將使頻域算法失效。本文提出了T型輸電線(xiàn)路故障測(cè)距時(shí)域新方法,該方法可采用故障后第二個(gè)半周波的數(shù)據(jù),所有解算均在abc坐標(biāo)中進(jìn)行,測(cè)距無(wú)需判斷故障類(lèi)型,而且使用了最小二乘技術(shù),從理論上保證了該測(cè)距算法具有較高的測(cè)距精度。關(guān)鍵詞:輸電線(xiàn)路電弧故障保護(hù)故障測(cè)距中圖分類(lèi)號(hào):TM773AbstractSincefaultlocationalgorithmusingone2terminaldataisdifficu

3、lttobedirectlyappliedtomulti2terminalsystem,multi2terminaldataareoftenusedtolocatefaultinpractice.Thedatathatareusedinfrequencydomainalgorithmsareoftenselectedinthesecondcycleafterthefault.Withthedevelopmentofprotectiontechnology,ittakeslessandlesstimeforthecircuitbreakertoclearthefaults.Thefrequenc

4、ydomainalgorithmmaybeinvalidbecausethebreakermayhaveoperatedduringthesecondcycleafterthefault.Then,anewtime2domainmethodforlocatingfaultonT2connectionpowerlineispresented.Thismethodusesthedatainthesecondhalfcycleafterthefault,needntphase2modaltransformandcanlocateallkindoffaults.Thesolutionisgivenus

5、ingthemethodofleasterrorsquares,whichensuresthemethodwithhighaccuracyoflocatingfaulttheoretically.Keywords:Transmissionline,arcingfaults,powersystemprotection,faultlocation1引言現(xiàn)代電力系統(tǒng)隨著裝機(jī)容量的增加、電壓等級(jí)的不斷提高以及礦口電廠(chǎng)的發(fā)展,必然趨勢(shì)是遠(yuǎn)程輸電線(xiàn)路的增多,輸電線(xiàn)路故障對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響越來(lái)越大。輸電線(xiàn)路的精確定位為迅速查找故障點(diǎn)、縮短故障排除時(shí)間提供了必要的保證。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外提出了大量的故障測(cè)距原理和

6、方法,并云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(98E163M,99E006G)和省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(2000B2202)。束洪春博士后,教授,院長(zhǎng),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家,主要研究新型繼電保護(hù)與故障測(cè)距、數(shù)字信號(hào)處理及DSP應(yīng)用、電力系統(tǒng)CTI技術(shù)等。© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 100電工技術(shù)學(xué)報(bào)2002年8月已有不少轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù),取得了較滿(mǎn)意的結(jié)果。按照測(cè)距所用的電氣量可分為:單端測(cè)距算法13和雙端(多端)測(cè)距

7、算法4,8。單端量測(cè)距算法中,較典型的有:解微分方程算法、零序電流相位修正法、故障電流相修正法、解方程算法以及行波法。除行波法以外的單端測(cè)距方法對(duì)于對(duì)端系統(tǒng)的參數(shù)往往只能近似地估計(jì),由此產(chǎn)生了不同程度的原理誤差,雖然提出了許多修正方法,但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況與假定條件不相符時(shí),測(cè)距誤差有可能難以滿(mǎn)足要求;要數(shù)據(jù)通道、,有其固有的缺點(diǎn),)電氣量法,克服了對(duì)端系統(tǒng)運(yùn)行方式變化對(duì)故障測(cè)距的影響。雙端(多端)測(cè)距算法,又可分為頻域法和時(shí)域法。工頻量方法研究較多,有較高的精度,但線(xiàn)路故障后兩端的電壓電流中往往含有衰減直流分量和非整次諧波分量,現(xiàn)有的提取工頻量方法9,10主要針對(duì)衰減直流分量,而對(duì)非整次諧波分量

8、不能很好地抑止,另外,在發(fā)生嚴(yán)重的短路故障情況下,電流互感器有可能飽和11,此時(shí)提取工頻量難免會(huì)有很大的誤差,測(cè)距精度不能保證,因此頻域法的使用受到一定的限制。,且使用的數(shù)據(jù)量少,。,在相坐標(biāo)中,數(shù)據(jù)傳送量少,無(wú)需區(qū)分故障,從原理上避開(kāi)了電弧故障邊界條件以及故障前的運(yùn)行工況的影響,大量暫態(tài)仿真表明本測(cè)距算法有較高精度。2三端信息T型結(jié)線(xiàn)故障測(cè)距雙端故障線(xiàn)路如圖1所示。圖中L、R分別表示線(xiàn)路電感和電阻矩陣,xf為故障點(diǎn)距E1端距離,li為第i分支線(xiàn)路長(zhǎng)度。圖1T型故障線(xiàn)路Fig11FaultedT2connectionline211雙端系統(tǒng)輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度的修正和線(xiàn)路兩端采樣數(shù)據(jù)的同步化輸電線(xiàn)路的長(zhǎng)

9、度一般不是十分精確,不精確的線(xiàn)路長(zhǎng)度將會(huì)給雙端測(cè)距算法帶來(lái)很大的誤差,因此有必要在故障測(cè)距之前計(jì)算一下線(xiàn)路的長(zhǎng)度。另外本文測(cè)距算法理論上需要輸電線(xiàn)路兩端電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣,實(shí)際中無(wú)論線(xiàn)路兩端是否同步采樣,采樣數(shù)據(jù)不會(huì)完全同步,因此也有必要同步化線(xiàn)路各端的采樣數(shù)據(jù),本文以雙端系統(tǒng)為例介紹輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度的修正和線(xiàn)路兩端采樣數(shù)據(jù)的同步化的方法,多端數(shù)據(jù)同步化的方法相同。線(xiàn)路的每公里對(duì)地電容Cx一般認(rèn)為是恒定的,可由計(jì)算精確地得到,線(xiàn)路每公里電感Lx、電阻Rx和線(xiàn)路長(zhǎng)度l相對(duì)來(lái)說(shuō)不太精確。對(duì)于圖2所示的正常系統(tǒng),假設(shè)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),線(xiàn)路M和N端的電壓電流相量為UM、IM、UN、IN,線(xiàn)路兩端采樣

10、數(shù)據(jù)的不同步造成的兩端電壓電流相量的相角差為,根據(jù)電報(bào)方程可得以下關(guān)系圖2正常系統(tǒng)圖Fig12NormalsystemUN=UMech(1l)-Zc1IMesh(1l)-jUM=UNe-jch(sh(1l)1l)-Zc1INejj(1)(2)式(1)和式(2)中© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期束洪春等T型輸電線(xiàn)路電弧故障測(cè)距時(shí)域方法研究101線(xiàn)路的傳播常數(shù)1Zc1波阻抗Zc1=|i1(t)+i2(t+T2)+i3(t+T3)|=020

11、LxCx+j0RxCx0=314rad/s在文獻(xiàn)8中已證明當(dāng)?shù)趇條支路故障時(shí),有uTij或uTji(其中j=1,2,3,ji)在0,li上單調(diào)。因此可由表1關(guān)系得到故障分0系統(tǒng)角頻率線(xiàn)路波阻抗Zc1可以寫(xiě)為Zcl=1/(j0Cx)支。表1(3)lll3Tab11SelectingtheoflineuTijut=uT31(t)>uT23(t)=0uT12(t)=uT23(t)>uT31(t)=0uT31(t)=uT23(t)>uT12(t)=0uT12(t)=uT31(t)=uT23(t)=0把式(3)分別代入式(1)和式(2)得jjUN=UMech(1l)-r1IMesh(1

12、l)(j0Cx)()UM=UNe-j-jch(sh(1l)-r1INe1)(0Cx)(5式(4)(,4)為復(fù)數(shù),和l個(gè)實(shí)數(shù)方程。1=j、和l4個(gè)未知數(shù),可用牛頓-拉為實(shí)數(shù),、l夫遜法求解,其中求解時(shí)可用不太精確的、初值得到的初值。212故障分支識(shí)別對(duì)于如圖3所示T型結(jié)線(xiàn)輸電線(xiàn)路,若對(duì)其進(jìn)行故障定位,第一步應(yīng)確定故障發(fā)生在哪一條分支上。設(shè)分別由E1、E2、E3端電壓電流得到的T結(jié)點(diǎn)的電壓為T(mén)結(jié)點(diǎn)|i(t)+i(t+T02)+i(t+T3)|213三段線(xiàn)路的二端化及故障測(cè)距算法推導(dǎo)為了分析方便,假設(shè)在l1上發(fā)生了短路故障。根據(jù)電路理論有以下關(guān)系uT(t)=u3(t+T3)-l3R3i3(t+T3)

13、+L3di3(t+T3)/dtiT(t)=i2(t+T2)+i3(t+T3)(9)(10)這樣T型線(xiàn)路就簡(jiǎn)化為E1端和T結(jié)點(diǎn)的雙端線(xiàn)路。定義i(t)=i1(t)+i2(t+T2)+i3(t+T3)(11)u(t)=u1(t)-uT(t)+l1R1iT(t)+L1diT(t)/dt(12)正常運(yùn)行時(shí)有i(t)=0,u(t)=0圖3T型結(jié)線(xiàn)Fig13T2connectiontothreeterminal(13)此式可作為理想情況下線(xiàn)路是否故障的判據(jù)。當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)有i(t)=if(t)(14)uT1(t)=u1(t)-l1R1i1(t)+L1di1(t)/dt(6)uT2(t)=u2(t+T2)

14、-l2R2i2(t+T2)+L2di2(t+T2)/dtuT3(t)=u3(t+T3)-l3R3i3(t+T3)+L3di3(t+T3)/dt(7)(8)222根據(jù)電路理論有下面關(guān)系u1(t)-uT(t)+l1R1iT(t)+L1diT(t)/dt-xfR1if(t)+L1dif(t)/dt=0(15)觀(guān)察式(12)和式(15)可得(t)u(t)=xfR1if(t)+L1dif(t)/dt=xfu(16)設(shè)uT12(t)=|uT1(t)-uT2(t)|uT23(t)=|uT2(t)-uT3(t)|uT31(t)=|uT3(t)-uT1(t)|式中(t)=R1if(t)+L1dif(t)/dtu

15、(17)其中|2向量的范數(shù)線(xiàn)路正常時(shí)有uT12(t)=uT23(t)=uT31(t)=0定義函數(shù)f(x)在k點(diǎn)的中心差分為f(k)=f(k+T)-f(k-T)/(2T),其中稱(chēng)為中心差分算子?，F(xiàn)將式(12)和式(17)以中心差分代替其導(dǎo)數(shù),可離散化為© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 102電工技術(shù)學(xué)報(bào)2002年8月u(k)=u1(k)-uT(k)+lR1iT(k)+L1iT(k)(18)(k)=R1if(k)+L1uif(k)(19)、3210和43

16、119。線(xiàn)2813090°7814°8816°路上故障均自端子算起,三段支路長(zhǎng)l1、l2、l3分別為100km、50km、50km,l1上10km處發(fā)生Ra,b,c,d=2,3,5,2的ABC2G故障,E1、E2側(cè)故障前后A相電壓示于圖4。表2表5列出了兩個(gè)支路l1、l2不同故障類(lèi)型不同過(guò)渡電阻和不同故障起始角則故障距離的最小二乘解為mmxf=j=1u(j)T(j)/uj=1(j)u(j)Tu(20)的測(cè)距仿真結(jié)果。式中m13故障測(cè)距數(shù)字仿真為了驗(yàn)證本章算法的有效性,均使用RLC段線(xiàn)路如圖3,E3:電勢(shì)分別是220、21030°kV和20060°

17、;、28114kV,零序阻抗分別是2613090°和29109,正序阻抗分別是86174°90°圖4E1、E2兩側(cè)A相電壓Fig14PhaseAvoltagewaveformatE1,E2terminal表2T型結(jié)線(xiàn)的l1支路上故障測(cè)距數(shù)字仿真結(jié)果90°故障起始角Tab12Resultsoftransientperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionxf=30kmxf=50kmxf=70km假設(shè)故障Rf1#Rf2#2916729175291822914329144Rf3#3016830119301102919

18、729163Rf1#4919449171491714917249172Rf2#4918149186491904916649167Rf3#5014050112501075010049179Rf1#6919869190691906919060190Rf2#6919369196691976918869188Rf3#7017570144701427018069163A2GBCBC2GABCABC2G2918929151291542915229152表3T型結(jié)線(xiàn)的l2支路上故障測(cè)距數(shù)字仿真結(jié)果90°故障起始角Tab13Resultsoftransientperformanceoflocatin

19、gfaultonl2inT2connectionxf=15kmxf=25kmxf=35km假設(shè)故障Rf1#Rf2#1417614193141941415814161Rf3#1619315119151121510914183Rf1#2419924177241772417824178Rf2#2418324196241972416924171Rf3#2614625116251112510824189Rf1#3510034185341853418534186Rf2#3418934199341993417934181Rf3#3611035142351593514734164A2GBCBC2GABCABC

20、2G1419714168141701416914169© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期束洪春等T型輸電線(xiàn)路電弧故障測(cè)距時(shí)域方法研究表4T型結(jié)線(xiàn)的l1支路上故障測(cè)距數(shù)字仿真結(jié)果45°故障起始角Tab14Resultsoftransientperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionxf=30kmxf=50km103xf=70km假設(shè)故障Rf1#Rf2#3017529179291672

21、912629137Rf3#3019029116291282919730183Rf1#4919949171491744917149Rf2#5015849188491Rf3#50181150132Rf1#69199699069190Rf2#7015869196936918569187Rf3#7017469172691757013070149A2GBCBC2GABCABC2G291962915129156291512915150°故障起始角5ofperformanceoflocatingfaultonl1inT2connectionf=30kmxf=50kmxf=70km假設(shè)故障Rf1#R

22、f2#3012229156291392915229154Rf3#3013330142291712919730161Rf1#5011549172491714917149170Rf2#5011449174491634917249173Rf3#5012150128491845010050138Rf1#7010569190691906919069190Rf2#7010569191691876919169191Rf3#7011770113691877012070144A2GBCBC2GABCABC2G3012429152291512915029150表6過(guò)渡電阻Tab16Transientresista

23、nce(單位:)Rf類(lèi)型A2G,BCBC2GABC1#1101011,1,22#3#文算法有較高故障測(cè)距精度。參考文獻(xiàn)1DavidjLawrence,LuisZCabeza,LawrenceTHochberg.DevelopmentofanadvancedtransmissionlinefaultlocationsystempartI:Algorithmdevelopmentandsimulation.IEEETrans.onPD,1992,7(4)19712JohnsAT,JamaliS.Accuratefaultlocationtechniqueforpowertransmissionli

24、ne.IEEEProc,1990,137(6)3953劉勁,孫楊聲,羅毅1一種基于時(shí)間域的實(shí)用單端電量201001001001050,50,6010010030100,100,1004結(jié)論(1)算法不需區(qū)分故障類(lèi)型,所有分析在相坐標(biāo)中進(jìn)行,適合于換位和不換位線(xiàn)路;(2)算法適用于非線(xiàn)性時(shí)變短路過(guò)渡電阻場(chǎng)合;(3)算法均為線(xiàn)性運(yùn)算,計(jì)算速度快,不存在偽根,對(duì)不同步采樣數(shù)據(jù)有一定的魯棒性;(4)原理上,利用5個(gè)采樣點(diǎn)的信息即可推求故障位置,為減小偶然因素對(duì)測(cè)距精度影響,可適當(dāng)增加讀取的采樣點(diǎn)信息。解法采用了最小二乘方法,從原理上使得測(cè)距結(jié)果精確可靠。本章思路可以極為方便地拓展其短路故障判斷和故障選

25、相功能,本文略去該部分內(nèi)容。大量數(shù)字仿真表明,本故障測(cè)距方法1電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1994,18(3)49544MinzmbresJF,ZamoraI,MazonAJ,etal.Anewtechniquebasedonvoltageforlocationonthree2terminaltransmissionlines.ElectricPowerSystemResearch,1996,11(1)1301385ZamoraI,MinzmbresJF,MazonAJ,etal.Faultloca2tionontwo2terminaltransmissionlinesbasedonvoltage.TEE

26、ProceedingsGeneration,Transmission&Distribu2tion,1996,143(1)166AggarwalRK,CouryDV,JohnsAT,etal.Apracti2(下轉(zhuǎn)第57頁(yè))© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第17卷第4期葉景樓等自校正PID方法在水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用57B(z-1)的辨識(shí)情況?？梢?jiàn),辨識(shí)算法可以為自校正PID控制器提供切實(shí)的模型參數(shù),也就是說(shuō)通過(guò)過(guò)程參數(shù)的在線(xiàn)辨識(shí)可以克服

27、系統(tǒng)的時(shí)變特性對(duì)控制性能的影響?，F(xiàn)在我們采用自校正PID控制器對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的頻率進(jìn)行控制,控制結(jié)果如圖4。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,作負(fù)荷擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn),圖5是甩掉30%的負(fù)荷時(shí)自校正PID控制的結(jié)果。5結(jié)論與常規(guī)的PID控制器相比,本文中的自校正PID控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于:的參數(shù),響;另外,控制方法綜合了自適應(yīng)和PID控制的優(yōu)點(diǎn),控制過(guò)程中需要整定的參數(shù)少,計(jì)算量小,便于實(shí)時(shí)控制?？梢?jiàn),自校正PID控制方法是一種較為理想的頻率控制方法。圖4自校正PID方法控制的結(jié)果Fig14Theresultsareobtainedwithself2tuningPIDmethod參考文獻(xiàn)1郭創(chuàng)新,梁年生等1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)自學(xué)習(xí)PID調(diào)節(jié)1水力發(fā)電學(xué)報(bào),1997(1)79862孫郁松,孫元章,盧強(qiáng)1水輪發(fā)電機(jī)水門(mén)非線(xiàn)性控制規(guī)律的研究1電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1999,23(23)33363喬俊飛,孫雅明,杜紅衛(wèi)1水輪發(fā)電機(jī)組的一種自適應(yīng)調(diào)速方法1中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(10)14