線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)阻抗法二次定位結(jié)果的分析

吳明偉+詹躍東+肖開偉

摘要：針對(duì)線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)阻抗法二次故障定位結(jié)果產(chǎn)生的影響，并且為了進(jìn)一步了解各種因素可能導(dǎo)致的定位誤差范圍，本文采用MATLAB分別對(duì)相間短路故障定位的線路長(zhǎng)度、分支負(fù)荷、變電站母線其他線路三個(gè)因素，對(duì)其逐一進(jìn)行故障定位有效性和準(zhǔn)確性的敏感性分析。最后得出相間短路故障定位的主要因素為分支負(fù)荷容量，分支負(fù)荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。

關(guān)鍵詞：相間故障；故障定位算法；線路結(jié)構(gòu)參數(shù)；仿真分析

0 引言

配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中處于系統(tǒng)末端，是電能輸送的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接承擔(dān)著對(duì)用戶的供電。因此配電系統(tǒng)的運(yùn)行水平直接影響對(duì)用戶的供電質(zhì)量。配電網(wǎng)絡(luò)中線路長(zhǎng)，分支多，結(jié)線錯(cuò)綜復(fù)雜，接地或短路故障頻發(fā)，是影響供電可靠性的短板。當(dāng)配電線路發(fā)生短路故障或接地故障后，需要盡快查找并消除故障，恢復(fù)送電，以防止發(fā)生重大事故。

配電網(wǎng)相間短路故障是lOkV配電線路最常見的故障形式，針對(duì)配電網(wǎng)故障定位技術(shù)，學(xué)術(shù)界和工程界開展了大量的研究，提出了眾多理論和方法，但這些方法大都需要大量的投入，定位設(shè)備本身也需要大量維護(hù)工作，給設(shè)備運(yùn)維的單位和人員帶來沉重負(fù)擔(dān)。阻抗法具有投資少的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用實(shí)例，也取得較好的效果，特別是阻抗法二次定位算法，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的配電系統(tǒng)，該方法具有較高的定位準(zhǔn)確性?？紤]到此算法受線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)等因素的影響，本文進(jìn)一步了解各種因素可能導(dǎo)致的定位誤差范圍，分別針對(duì)不同的影響因素，逐一進(jìn)行其對(duì)故障定位有效性和準(zhǔn)確性的敏感性分析。

1 阻抗法定位方法基本原理

主抗法阻抗法的故障測(cè)距原理是假定線路為均勻線，因此在不同故障類型條件下，根據(jù)線路首端測(cè)得的電壓電流值計(jì)算出的故障回路阻抗或電抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成正比，從而通過計(jì)算故障時(shí)測(cè)量點(diǎn)的阻抗或電抗值除以線路的單位阻抗或電抗值得到測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。

如圖1所示，線路首端的電壓、電流檢測(cè)裝置通過電壓互感器和電流互感器二次側(cè)采樣，得到電壓電流數(shù)據(jù)V和I，并計(jì)算回路阻抗Z（Z=V/I）。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，由線路首端計(jì)算得到的阻抗則只包含短路點(diǎn)以前的線路阻抗Zk。在已知單位長(zhǎng)度的阻抗值ZO的條件下，短路時(shí)線路阻抗與線路單位長(zhǎng)度阻抗的比值即為線路首端到線路短路點(diǎn)的長(zhǎng)度LK。

2 阻抗法二次定位算法

阻抗法二次定位算法，是在阻抗法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集一個(gè)周波的電流波形數(shù)據(jù)，通過FFT計(jì)算電流有效值，當(dāng)電流有效值大于2倍的線路最大負(fù)荷電流時(shí)，則認(rèn)為有相間短路故障，從而啟動(dòng)故障類型判別算法進(jìn)行一次定位，對(duì)比系統(tǒng)一次定位的位置前有分支負(fù)荷則二次計(jì)算故障的位置并進(jìn)行偽故障點(diǎn)的排除，最終給出相間故障定位位置。相間短路故障定位方法的實(shí)現(xiàn)流程如下圖2所示。

以兩相短路為例，如圖3所示。V_sa、V_sb是系統(tǒng)電源；Z。是系統(tǒng)阻抗；V_sfa、V_sfb是電源出線端的電壓；Z_L1是線路單位阻抗；R_f是故障過渡電阻；Z_load是等效負(fù)荷阻抗；I_f是故障電流；m是故障點(diǎn)對(duì)總線路長(zhǎng)度的百分比。

等效負(fù)荷阻抗Z_load可以利用故障前的正序參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即：

其中，V_psl、I_psl是故障前電源出線端的正序電壓、正序電流。定義系統(tǒng)發(fā)生相間短路故障時(shí)，在電源出線端測(cè)得的阻抗為：電源的阻抗Z_s為：

其中，△V_sla是A相的疊加正序電壓；△I_sla是A相的疊加正序電流；故障過渡電阻量Rf、故障點(diǎn)對(duì)總線路長(zhǎng)度的百分比m可用疊加定理，然后通過迭代法和直接計(jì)算法求得。

若一次定位結(jié)果顯示出故障點(diǎn)前存在分支負(fù)荷，則定位結(jié)果將會(huì)有較大偏差，此時(shí)需要二次定位，即根據(jù)一次定位出的大致距離并結(jié)合配電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行修正。

算法故障距離的計(jì)算結(jié)果為：

m= n+a·p

（4）

而實(shí)際故障距離為：

m'=n+p

（5）

假設(shè)I_sf'=a·I_sf，其中asf'是流入接入負(fù)荷的電流。由式（4）和式（5）得：

m'= m+（1-a）p<2m-am'

（6）

m

（7）

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，m'可以取最大值和最小值的平均值或者2/（1+a）m，其具體取值可以通過仿真和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

3 線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)定位結(jié)果的敏感性分析

考慮到阻抗法二次定位算法受線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)等因素的影響，為了了解各種因素可能導(dǎo)致的定位誤差范圍，下面分別針對(duì)不同的影響因素，逐一進(jìn)行其對(duì)故障定位有效性和準(zhǔn)確性的敏感性分析。

3.1 線路長(zhǎng)度對(duì)故障定位準(zhǔn)確性影響

為研究線路長(zhǎng)度單一因素對(duì)故障定位算法準(zhǔn)確度影響，考慮線路為一無分支放射式配電線路，末端帶集中負(fù)荷的情況。圖4所示為lOkV配電線路的系統(tǒng)圖。表1為系統(tǒng)參數(shù)。

在Simulink軟件中進(jìn)行仿真分析，故障距離從5～50km變化，過渡電阻設(shè)為10Q不變，在A點(diǎn)測(cè)量三相電壓電流波形。圖5給出了系統(tǒng)在不同的故障點(diǎn)下得到的兩相和三相短路故障定位誤差曲線。

由圖5的誤差曲線圖可知，不考慮其他影響因素后，故障距離從5～50km變化時(shí)，算法最大定位誤差分別為0.5km（兩相短路）、O.lkm（三相短路）。故可以認(rèn)為在50km范圍內(nèi)，線路長(zhǎng)度變化對(duì)故障定位造成的影響并不顯著，即該故障二次定位算法對(duì)線路長(zhǎng)度的變化是不敏感的。

3.2 線路分布負(fù)荷對(duì)故障定位準(zhǔn)確性影響

為了方便分析算法準(zhǔn)確性與負(fù)荷容量的關(guān)系，使用如圖6所示的簡(jiǎn)化線路模型。該線路主干線長(zhǎng)度20km。系統(tǒng)和線路各參數(shù)見表1。負(fù)荷l處接lOOOkVA用戶變壓器，功率因數(shù)為0.8。負(fù)荷2設(shè)置為可變負(fù)載，其容量的變化范圍是0至4000kVA，功率因數(shù)為0.8。故障點(diǎn)與線路首端距離為lOkm，故障過渡電阻設(shè)為10Q。通過改變負(fù)荷2的容量來研究分支負(fù)荷的大小對(duì)算法準(zhǔn)確性的影響。

圖7是發(fā)生三相短路故障和兩相短路故障時(shí)，故障定位算法計(jì)算出來的故障距離和故障過渡電阻的誤差隨負(fù)荷2容量的變化而變化的曲線圖。

由圖7可知，故障距離定位誤差隨負(fù)荷2的容量增大而增加的，且影響較大，最大為2km。分支負(fù)荷是影響故障定位的主要因素即算法對(duì)線路上的分布負(fù)載敏感，定位誤差主要來源于分布在線路上的負(fù)載，且負(fù)載越大，定位誤差越大。

3.3 變電站其他線路對(duì)故障定位準(zhǔn)確性影響

配電線路短路故障時(shí)，變電站其他回路仍然正常故障，為分析母線上其它回路對(duì)算法準(zhǔn)確度影響，采用如圖8所示仿真模型。該模型中共有4個(gè)回路，所帶的總負(fù)荷為負(fù)荷l（lOOOkVA）、負(fù)荷2（lOOOkVA）、負(fù)荷3（2000kVA）、負(fù)荷4（1500kVA），其功率因素均為0.8。

在考慮母線其它回路對(duì)故障定位算法的影響時(shí)，可以將其它回路視作故障點(diǎn)前的接入負(fù)荷，只是該接人負(fù)荷相對(duì)于單回路的接入負(fù)荷要大很多，故在這里布置了兩個(gè)對(duì)系統(tǒng)電壓電流的測(cè)量點(diǎn)H和A。如果沒有負(fù)荷2、3、4，那么測(cè)量點(diǎn)H和A的數(shù)據(jù)將是一樣。表3 .14和表3.15給出了根據(jù)測(cè)量點(diǎn)H和A得到的數(shù)據(jù)來計(jì)算的故障距離的定位誤差。

由表2和表3可知，在利用測(cè)量點(diǎn)A測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障距離計(jì)算可以得到比較準(zhǔn)確的值。即在母線有多回路的情況下，電流數(shù)據(jù)應(yīng)該取自每一回路的電流互感器。

總結(jié)以上影響相間短路定位的線路長(zhǎng)度、分支負(fù)荷、變電站母線其他線路三個(gè)因素，可知相間短路故障定位的主要因素為分支負(fù)荷容量，分支負(fù)荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)相間短路故障是lOkV配電線路中最常見的故障形式，而配電網(wǎng)故障定位是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于相間短路故障，阻抗法二次定位算法具有較高的定位準(zhǔn)確性。但由于線路結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能對(duì)其定位結(jié)果有所影響，本文對(duì)影響相間短路定位的線路長(zhǎng)度、分支負(fù)荷、變電站母線其他線路三個(gè)因素進(jìn)行了敏感性分析，得出相間短路故障定位的主要因素為分支負(fù)荷容量，分支負(fù)荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。endprint