一側(cè)同桿四回線與兩側(cè)同桿雙回線構(gòu)成的T型輸電線路故障測距新方法

于仲安1，程明釗1，郭培育1，邰能靈2

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一側(cè)同桿四回線與兩側(cè)同桿雙回線構(gòu)成的T型輸電線路故障測距新方法

于仲安，程明釗，郭培育，邰能靈

（1.江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

通過深入研究同桿四回線與雙回線構(gòu)成的混合輸電線路的特點，提出了相應(yīng)的反序正序網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，綜合反序正序電流，再利用故障支路的母線處始端推算到故障點的反序正序電壓與從支節(jié)點處推算到故障點的反序正序電壓相等的關(guān)系得出測距方程，基于方程的解同時進(jìn)行故障側(cè)判斷和測距。大量的PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果驗證了新方案的正確性及精確性，并且該算法的精度不受故障類型、過渡電阻、系統(tǒng)運行方式和系統(tǒng)阻抗等因素的影響。

同桿四回線；同桿雙回線；反序電流；混合線路；故障測距

0 引言

同桿多回線具有節(jié)約土地，節(jié)省走廊面積，提高輸送容量，降低輸電建設(shè)成本等特點，因此已被廣泛用于高壓輸電線路。而T型輸電線路又是同桿多回線線路中的一種，其接線方式簡單，并且占用的輸電走廊用地少，但其輸電功率大，負(fù)荷重，線路一旦發(fā)生故障，有可能造成大面積停電，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不可估計的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對于該T型線路進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的故障定位非常重要。目前，國內(nèi)外對于同桿多回線故障定位的研究方法主要有單端法、雙端法。對于單端法，文獻(xiàn)[7]提出一種基于行波固有頻率的同桿雙回線路單端故障測距方法，雖然該方法能達(dá)到測量要求，但其測距精度仍然受過渡電阻或?qū)Χ讼到y(tǒng)阻抗影響。對于雙端法，文獻(xiàn)[8]提出基于歷史故障波形的行波測距裝置檢驗方法，雖然該方法也能較準(zhǔn)確檢驗行波測距裝置的運行狀態(tài)，也不存在過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗影響的問題，但必須借助通信技術(shù)獲取對側(cè)的數(shù)據(jù)信息，存在兩端數(shù)據(jù)的同步問題。而對于T型線路的故障定位的研究，國內(nèi)外主要集中在由同桿雙回線與單回線構(gòu)成的T型線路及同桿雙回線與雙回線構(gòu)成的T型輸電線路，對于由同桿四回線構(gòu)成的T型線路的故障定位的研究則基本空白。因此有必要對其進(jìn)行深入研究。

本文通過深入研究同桿四回線與雙回線構(gòu)成的混合線路特點，提出了相應(yīng)的反序正序網(wǎng)絡(luò)，然后基于此網(wǎng)絡(luò)，利用三端電氣量以及綜合在故障點正序電壓相等的關(guān)系得出測距方程，從而進(jìn)行故障側(cè)判斷和測距。大量的PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果證明了該方案的可行性，精確性。并且該方案在點附近也能較準(zhǔn)確地故障定位且不受過渡電阻以及對側(cè)系統(tǒng)阻抗、故障類型等因素的影響。

1 線路特點研究

由一側(cè)四回線與兩側(cè)雙回線構(gòu)成的T型輸電線路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中左側(cè)四回線部分從上至下依次是Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，右側(cè)雙回線部分從上至下依次是Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，四回線與雙回線相交點記作，以為分界點，從左邊母線處到點部分記為側(cè)，其長度記為L，從右邊上側(cè)母線處到點部分記為側(cè)，其長度記為L，從右邊下側(cè)母線處到點部分記為側(cè)，其長度為L，假設(shè)該模型為理想模型，即線路參數(shù)都分別對稱，其中四回線部分線路之間的線間阻抗為Z， 相間阻抗為Z，自阻抗為Z，且線路單位長度上的正序阻抗記為。雙回線部分線路之間的線間阻抗為Z，相間阻抗為Z，自阻抗為Z，且線路單位長度上的正序阻抗為。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1同桿四回線部分內(nèi)部故障時線路研究

先假設(shè)故障發(fā)生在同桿四回線線路內(nèi)部，可利用12序分量法進(jìn)行故障分析，并且可知：當(dāng)同桿四回線內(nèi)部發(fā)生故障時，會存在反序正序分量（，，）,而在同桿四回線線路以外，這些反序分量的系統(tǒng)阻抗都為零，顯然兩端反序電壓也為零。針對此特點對于此時的反序正序阻抗，,側(cè)的雙回線部分都是外部元件，其阻抗值都為零，從而可得其反序正序網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 同桿四回線部分內(nèi)部故障時反序正序網(wǎng)絡(luò)圖

由于上述中的反序正序分量均可用于故障測距，現(xiàn)以序正序網(wǎng)絡(luò)圖為例，分析如下：利用反序正序電壓在故障點相等關(guān)系可得如式(1)測距方程：

1.2同桿雙回線部分內(nèi)部故障時線路研究

當(dāng)故障發(fā)生在側(cè)同桿雙回線內(nèi)部時，可利用六序分量法進(jìn)行故障分析，從而可知，當(dāng)同桿雙回線內(nèi)部發(fā)生故障時，會存在反序分量1，并且在雙回線線路以外，這些反序分量系統(tǒng)阻抗為零。顯然相應(yīng)的兩端反序電壓為零。基于此特征分析此時反序各序阻抗，側(cè)的四回線部分及側(cè)雙回線部分都是外部元件，其阻抗值都為零?？傻闷浞葱蛘蚓W(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3側(cè)同桿雙回線部分內(nèi)部故障時反序正序網(wǎng)絡(luò)圖

Fig. 3 Differential sequence positive sequence network when partial inner fault occured onside of double-parallel lines on the same tower

由于任何故障類型都含有正序故障分量，因此取其正序網(wǎng)絡(luò)圖分析得如下：利用反序正序電壓在故障點相等關(guān)系可得如式(2)測距方程。

同理可得側(cè)同桿雙回線部分內(nèi)部故障時其反序正序網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示以及測距方程如式(3)。

圖4 Z側(cè)同桿雙回線部分內(nèi)部故障時反序正序網(wǎng)絡(luò)圖

測距方程為

1.3故障側(cè)判斷及測距方法

當(dāng)故障發(fā)生但并不能確定是哪個區(qū)域時，可同時求解式(1)~式(3)，得到，，。其中非故障支路求解出的解為非正常解，故障支路求解出的解為正常解。通過后續(xù)大量的PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明：所謂非故障支路求解出的非正常解即指非故障支路求解出的故障距離始終無解（由于非故障支路內(nèi)部不存在反序正序電流），而故障支路求解出的正常解是指故障支路求解出的故障距離始終大于零，小于該支路的全長（即為有效解）。

根據(jù)上述說明，利用、、三端電氣量，基于上述的三個測距方程式(1)~式(3)，當(dāng)故障發(fā)生時，同時去求解這三個測距方程，得到，，。若，則故障側(cè)為側(cè)，且為端到故障點的距離。否則判斷，若，則故障側(cè)為側(cè)，且為端到故障點的距離。否則再判斷，若，則故障側(cè)為側(cè)，且為端到故障點的距離。否則故障在點。

2 故障測距流程圖

綜合以上所述，由同桿四回線、同桿雙回線構(gòu)成的T型輸電線路發(fā)生故障時故障測距流程圖如圖5所示。

圖5 故障測距流程圖

3 PSCAD/EMTDC仿真驗證

3.1仿真模型

綜上所述，該系統(tǒng)模型參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓等級為330 kV，三側(cè)線路參數(shù)如表1所示。

表1 XYZ三側(cè)線路參數(shù)

3.2 故障側(cè)判斷及測距仿真結(jié)果

參數(shù)如前所述，基于反序正序網(wǎng)絡(luò)提出的故障側(cè)判斷方法及測距算法在各種故障類型和不同過渡電阻下的仿真結(jié)果如表2所示。由于在T型同桿多回線線路故障類型中，發(fā)生單回線的故障類型概率占90%以上，而發(fā)生跨線故障概率較低，綜合上述及篇幅所限，本文只列舉部分單回線故障及某些具有代表性的跨線故障，如ⅠⅡ、ⅠⅡ、ⅠⅡⅢ、ⅠⅡⅢⅣ。

表2 不同過渡電阻下故障時測距仿真結(jié)果

續(xù)表2

仿真結(jié)果表明：無論是單回線單相故障，多相故障，還是多回線跨線故障等不同類型故障，均能說明該算法的正確性且能滿足測距要求，以及過渡電阻的增大對測距結(jié)果沒有顯著的影響。

3.3 在T點附近的故障測距仿真情況

為進(jìn)一步完善本文提出的算法并排除在點附近故障時可能會發(fā)生的誤判，此外，再綜合在T型同桿多回線線路故障類型中發(fā)生單回線故障類型的概率較高，因此本文假設(shè)當(dāng)故障發(fā)生在點附近且經(jīng)高過渡電阻（300 Ω）單相接地 (Ⅰ) 時，其仿真結(jié)果如表3所示。

表3在點附近經(jīng)高阻(Ⅰ)故障時測距仿真結(jié)果

Table 3 Fault locating simulation results with high transition resistances for the near T

表3表明，由于本文是基于反序正序電流進(jìn)行測距的，而反序正序電流測距因無論發(fā)生任何故障類型，該反序正序電流都存在，從而致使它具有很高的測距精度。因此，即使故障發(fā)生在點附近，本算法也能夠適應(yīng)且能夠準(zhǔn)確判斷；只有當(dāng)故障無限接近點時，才可能對測距結(jié)果產(chǎn)生影響，但測距的最終結(jié)果就是找故障點，因此這也不會影響工作人員排除故障的時間。此外，這種情況在實際運行中發(fā)生的概率也很小。

4 結(jié)論

本文通過深入研究同桿四回線與同桿雙回線構(gòu)成的T型輸電線路特點，提出了相應(yīng)的反序正序網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，綜合反序正序電流，再利用由故障支路端點推算到故障點的反序正序電壓與由點推算到故障點的反序正序電壓相等的關(guān)系得出測距方程，從而求解出故障點位置。根據(jù)只有在真正發(fā)生故障支路上求解出的解才是正常解，基于此進(jìn)而實現(xiàn)故障側(cè)判斷及故障測距。本文特點：由于該算法是利用反序正序電流進(jìn)行故障測距的，因此測距精度高，且因全文都是基于反序正序網(wǎng)絡(luò)研究的，而反序正序網(wǎng)絡(luò)其系統(tǒng)阻抗為零，因此該方法不受系統(tǒng)阻抗影響。大量的PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，本文提出的故障側(cè)判斷及故障測距算法正確及精度高，并且在點附近也能準(zhǔn)確故障定位且不受故障類型，過渡電阻等因素影響。

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A new fault locating of T-type transmission line consisting of four parallel-line and double circuit

YU Zhong-an, CHENG Ming-zhao, GUO Pei-yu, TAI Neng-ling

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Based on the characteristics of mixed lines composed by four-circuit lines and double-circuit lines on the same tower, the corresponding inverted-sequence positive sequence networks are proposed. on the basis, this paper combines with negative current and positive current and uses the relationship that the negative and positive voltage from bus beginning terminal of fault branch to fault point is equal to the voltage from thebranch node to fault point to derive the fault location equation. According to the solution of the equation, its fault side and fault locating are detected simultaneously. Results of PSCAD/EMTDC simulation verify that the new scheme is accurate and not influenced by fault type, transition resistance, system operating mode and other factors on locating precision. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177066 and No. 51377104).

four parallel-line on same tower; double-circuit line on same tower; inverted-sequence current; mixed lines; fault locating

TM77

A

1674-3415(2014)15-0008-07

2013-10-28；

2013-12-26

于仲安(1973-)，男，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)分析、計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用的研究工作；

程明釗(1988-)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制；E-mail: 15679745640@ 163.com

郭培育(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51177066；51377104)