基于故障狀態(tài)模擬的輸電線路短路點(diǎn)定位方法

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，寧夏 銀川 750001)

0 引 言

輸電線路將電能從發(fā)電廠輸送到用戶(hù)側(cè)，是電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]。但由于往往處于野外或惡劣環(huán)境下，輸電線路經(jīng)常會(huì)受到各種電氣故障和環(huán)境的影響，如雷擊或暴風(fēng)雨天氣下導(dǎo)線相互接觸、動(dòng)物或樹(shù)木與輸電線路接觸以及絕緣故障等[2]。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，必須盡快對(duì)故障進(jìn)行定位和消除，以減少用戶(hù)所面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題的持續(xù)時(shí)間，并防止對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)其余部分造成進(jìn)一步的影響[3]。

通常，繼電保護(hù)設(shè)備會(huì)在故障時(shí)動(dòng)作斷開(kāi)故障線路，并記錄設(shè)備電流、電壓和狀態(tài)信號(hào)。從智能電子設(shè)備(intelligent electronic devices, IEDs)或數(shù)字故障記錄器(digital fault recorders, DFRs)等獲得的故障記錄需要進(jìn)行預(yù)處理，以獲得所需的有用故障數(shù)據(jù)，隨后可分析該數(shù)據(jù)并將其用于故障定位算法[4]。輸電線路的中斷會(huì)導(dǎo)致周?chē)渌旊娋€路的堵塞加劇，還會(huì)降低不同區(qū)域間功率傳輸?shù)撵`活性。相鄰輸電線路的負(fù)荷增加超過(guò)其額定容量可能進(jìn)一步導(dǎo)致線路跳閘，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，最終發(fā)生停電事故[5]。因此，在輸電線路停運(yùn)的情況下，一個(gè)地區(qū)的電力系統(tǒng)是很難長(zhǎng)時(shí)間維持的，而準(zhǔn)確無(wú)延遲地定位故障位置對(duì)于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性來(lái)說(shuō)則是至關(guān)重要[6]。

現(xiàn)代數(shù)字繼電器普遍采用基于阻抗的故障定位算法進(jìn)行故障位置估計(jì)，這一方法簡(jiǎn)單易用，當(dāng)故障條件與算法開(kāi)發(fā)過(guò)程中的假設(shè)相匹配時(shí)，它們能夠提供合理的故障位置估計(jì)[7]。但基于阻抗的故障定位方法的準(zhǔn)確性會(huì)受到包括負(fù)載、線路之間的耦合、CT飽和、線路模型不準(zhǔn)確、提取故障電流和電壓不準(zhǔn)確、存在3條終端線、分接徑向線等[8]在內(nèi)的影響。

基于以上分析，提出一種基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的輸電線路短路點(diǎn)定位方法，該方法利用電力系統(tǒng)的短路模型實(shí)現(xiàn)手動(dòng)故障定位程序的自動(dòng)化。通過(guò)在測(cè)試電路中實(shí)現(xiàn)各種故障情況下的故障定位技術(shù)，驗(yàn)證了所提方法的性能，并證明了所提方法對(duì)干擾故障定位算法精度的常見(jiàn)因素(如存在相互耦合和故障電阻)的適用性。

1 基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點(diǎn)定位

1.1 定位方法流程

電力公司利用幾種不同的商業(yè)電力系統(tǒng)仿真和故障分析平臺(tái)(simulation and fault analysis platforms, SFAP)對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)及其保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模。網(wǎng)絡(luò)約簡(jiǎn)是大多數(shù)電力系統(tǒng)分析和保護(hù)工程軟件的一個(gè)常見(jiàn)特征。利用這一特性，可以建立一個(gè)包含電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同部分的等效電路簡(jiǎn)化庫(kù)。簡(jiǎn)化等效電路庫(kù)需要在電力系統(tǒng)仿真軟件(power system simulation software, PSSS)中建模，該軟件可以由外部軟件驅(qū)動(dòng)，從而能夠自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和模擬不同的故障場(chǎng)景。

來(lái)自故障記錄設(shè)備的信息使用控制處理軟件(control and processing software, CPS)進(jìn)行處理，CPS讀取故障記錄，并根據(jù)DFR位置從等效電路庫(kù)中選擇適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化等效電路，所選的并在PSSSS中建模的等效電路用于進(jìn)行故障分析，將故障分析得到的數(shù)據(jù)與DFR得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而估計(jì)出故障位置。

當(dāng)接收到故障記錄時(shí)，CPS首先從DFR讀取故障記錄，執(zhí)行故障記錄的預(yù)處理步驟，從故障記錄中提取故障電流、故障電壓、故障發(fā)生的瞬間以及DFR的位置。然后，從電路庫(kù)中識(shí)別正確的等效電路，一旦識(shí)別出等效電路便可以在PSSS中對(duì)選定的等效電路沿線路長(zhǎng)度在不同位置對(duì)故障進(jìn)行模擬，并獲得故障電流和電壓。最后將模擬數(shù)據(jù)與從數(shù)據(jù)文件夾中獲取的故障記錄中的實(shí)際故障電流進(jìn)行比較，根據(jù)比較中的最佳匹配來(lái)提供故障位置估計(jì)。

1.2 故障定位方法的原理

每個(gè)事件報(bào)告都有很多標(biāo)識(shí)信息，可用于識(shí)別記錄該特定事件報(bào)告的繼電器，一旦識(shí)別出繼電器，就可以選擇聚焦于繼電器所在區(qū)域的等效電路進(jìn)行分析。當(dāng)CPS接收到故障記錄時(shí)，即識(shí)別出適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化等效電路，其中包含來(lái)自簡(jiǎn)化等效電路庫(kù)的故障線路，該庫(kù)包含電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分。CPS可以利用故障記錄中存在的故障記錄器信息來(lái)識(shí)別適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化等效電路。一旦選擇了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化等效電路，就可以在各種故障情況下，沿著簡(jiǎn)化等效電路中的每條線路進(jìn)行故障模擬。這似乎是一個(gè)冗長(zhǎng)而費(fèi)時(shí)的過(guò)程，但應(yīng)用簡(jiǎn)化的等效電路可以大大提高故障定位的效率。在每一個(gè)模擬場(chǎng)景中，可以得到所有母線和線路的電流，并以相量格式存儲(chǔ)電流，降低了該方法的內(nèi)存需求。

下一步是從事件報(bào)告中提取故障電流相量，然后將故障記錄計(jì)算出的故障電流與從模擬場(chǎng)景中獲得的所有電流值進(jìn)行比較。模擬場(chǎng)景與故障錄波器記錄的故障電流密切匹配，從而給出故障位置估計(jì)。以任何監(jiān)測(cè)位置模擬故障電流與實(shí)際記錄的故障電流之間包含最小歐氏距離(當(dāng)相量以直角坐標(biāo)表示時(shí))的模擬故障情景表示最接近的匹配。每條線路中模擬的不同位置和故障電阻值的數(shù)量取決于計(jì)算機(jī)計(jì)算和存儲(chǔ)能力，模擬的場(chǎng)景數(shù)量越多，故障位置估計(jì)的精度就越高。保護(hù)工程師計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和內(nèi)存可用性以及所需的精度，在簡(jiǎn)化等效電路中每條線路上模擬的場(chǎng)景數(shù)量需要由執(zhí)行系統(tǒng)研究的保護(hù)工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行配置。與較短的線相比，長(zhǎng)線具有更多的模擬場(chǎng)景數(shù)。

由于在每個(gè)模擬場(chǎng)景中存儲(chǔ)了流經(jīng)所有線路和母線的電流，因此不僅可以利用流經(jīng)故障線路的故障電流來(lái)識(shí)別故障位置，還可以使用流過(guò)相鄰母線和線路的電流來(lái)識(shí)別故障位置。這提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，如可用相鄰線路中繼電器記錄的事件報(bào)告驗(yàn)證由故障線路中的故障電流估計(jì)的故障位置。此外，若故障線路的故障記錄受到CT/VT誤差的影響，則可以使用線路另一端或相鄰線路的故障記錄來(lái)識(shí)別故障位置。

2 故障定位方法的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

2.1 實(shí)施框架

為了進(jìn)行故障定位，在形成簡(jiǎn)化等效電路時(shí)，通常會(huì)遇到4個(gè)主要部件，分別是發(fā)電機(jī)、輸電線路、連接母線和兩條線路之間的相互耦合，所有這些組件都可以在PSSS中建模，并且獨(dú)立于整個(gè)系統(tǒng)模型可用的實(shí)用程序所使用的軟件。

2.2 測(cè)試電路

采用SFAP中可用的一個(gè)示例電路對(duì)所提方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證。該電路包含103條母線，187條支路或線路，26組耦合線路，2組耦合母線。從這種大電路模型中可以得到多個(gè)聚焦于不同區(qū)域的簡(jiǎn)化等效電路。對(duì)由該大電路發(fā)展而來(lái)的簡(jiǎn)化等效電路進(jìn)行故障分析，用簡(jiǎn)化等效電路法證明所提基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點(diǎn)定位方法的能力。

2.3 等效電路

大多數(shù)商用電力系統(tǒng)分析軟件都提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模塊。盡管可以使用任何電路縮減方法，但這種情況下使用的電路縮減形式會(huì)根據(jù)需要減少母線數(shù)量，并引入等效源和線路阻抗，以模擬縮減后的原始短路特性。此外，在模擬整個(gè)簡(jiǎn)化等效電路的故障場(chǎng)景時(shí)，可以忽略電路簡(jiǎn)化后新創(chuàng)建的等效線路阻抗上的故障，因?yàn)檫@些線路實(shí)際上并不存在于原始電力系統(tǒng)中。

在驗(yàn)證時(shí)，形成了僅包括母線40、2876、156、152、150、153和160的簡(jiǎn)化等效電路。選擇電路的這一部分進(jìn)行測(cè)試是因?yàn)樗?.1節(jié)討論的輸電系統(tǒng)的所有主要部件，包括母線連接和線路之間的相互耦合，且不包括發(fā)電機(jī)。這有助于驗(yàn)證在網(wǎng)絡(luò)縮減期間是否創(chuàng)建了適當(dāng)?shù)牡刃щ娫?，以保持系統(tǒng)的短路特性。電路在母線40和母線156、母線150和母線153、母線152和母線153、母線153和母線160、母線153和母線156以及母線156和母線2876之間有線路連接，其他線路將這些母線中的一些連接到電路的其余部分，但它們?cè)陔娐房s減時(shí)將被移除。母線150和母線153之間以及母線152和母線153之間的線路相互耦合，母線150和母線152之間有一個(gè)母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)連接，是閉合的。

2.4 測(cè)試電路驗(yàn)證

當(dāng)故障記錄到達(dá)目標(biāo)文件夾時(shí)，從故障記錄中獲取穩(wěn)態(tài)故障電壓和電流將SFAP中使用全電路模型模擬故障場(chǎng)景時(shí)獲得的故障電流輸入到CPS中，并在CPS中執(zhí)行搜索查找算法，在CPS接收到故障信號(hào)時(shí)，使用簡(jiǎn)化的等效電路來(lái)識(shí)別故障位置。當(dāng)CPS接收到一組故障電流時(shí)，即可通過(guò)有關(guān)故障記錄器的信息來(lái)識(shí)別要使用的簡(jiǎn)化等效電路。然后，在等效電路中存在的所有線路上模擬各種故障情況，并將模擬得到的故障電流與目標(biāo)故障電流中相匹配。

SFAP中用于分析的全電路模型是一種不考慮負(fù)載電流的經(jīng)典短路模型，這對(duì)于本測(cè)試算例場(chǎng)景也是適用的，因?yàn)樗岱椒ㄟm用于輸電線路。與故障電流的大小相比，負(fù)載電流的影響可以忽略不計(jì)。因此，在使用各種基于阻抗的方法估計(jì)故障位置時(shí)，預(yù)設(shè)電流為0 pu，預(yù)設(shè)電壓為1 pu。

1)場(chǎng)景1：等效電路驗(yàn)證

表1給出了SFAP中實(shí)現(xiàn)的全電路模型中獲得的故障電流以及CPS使用搜索和查找算法在PSSS簡(jiǎn)化等效電路中找到的匹配。

考慮的第1個(gè)故障情況是母線153和母線156之間距離母線153側(cè)的20%線路長(zhǎng)度處的線路A相單線接地故障，故障電阻為0 Ω。之所以選擇這條線路，是因?yàn)樗砹艘环N最常見(jiàn)的情況，即線路是網(wǎng)絡(luò)的一部分，并且在線路兩端具有互連。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，故障電流可從線路兩端流入故障點(diǎn)。由表1可以看出，SFAP中存在的完整電路模型中，從母線153流入故障點(diǎn)的A、B、C三相線路電流分別為4 693.02∠-76.7°、7.94∠-97.3°、7.94∠-97.3°A；從母線156流入故障點(diǎn)的A、B、C三相線路電流分別為1 245.27∠-73.7°、7.94∠-82.7°、7.94∠-82.7°A?？梢园l(fā)現(xiàn)，所提方法能夠精確地識(shí)別從模擬簡(jiǎn)化等效電路中的故障場(chǎng)景獲得的電流值與目標(biāo)電流之間

表1 等效電路驗(yàn)證

表2 分接點(diǎn)前三端線路故障

表3 分接點(diǎn)后三端線路故障

表4 耦合線路故障

的匹配，從而精確地確定故障位置點(diǎn)。

2)場(chǎng)景2：三端線路故障

場(chǎng)景2說(shuō)明了所提方法在三端線路上任意位置定位故障的能力。母線153和母線40之間的線路在母線156處分接到母線2876。在153號(hào)母線處測(cè)得的故障記錄用于基于阻抗的算法估計(jì)故障位置。表2為在分接點(diǎn)(總線156)之前的三端線路上產(chǎn)生的故障情況，故障點(diǎn)在母線153和母線156之間的線路上?；谧杩沟墓收隙ㄎ凰惴軌虍a(chǎn)生合理的結(jié)果，而所提算法得到了更準(zhǔn)確的結(jié)果。表2中基于阻抗的故障定位算法顯示的故障位置為占母線153和母線156之間線路長(zhǎng)度的百分比，因?yàn)楣收显诜纸狱c(diǎn)之前。而對(duì)于故障發(fā)生在分接點(diǎn)之后這種情況，表3中基于阻抗的故障定位算法將故障位置顯示為母線153和母線2876之間線路長(zhǎng)度的百分比，因?yàn)楣收衔挥诜纸狱c(diǎn)之后，并且高估了故障位置。然而，在簡(jiǎn)化等效電路中，將三端線路建模為從母線153、母線40和母線2876到分接頭點(diǎn)(母線156)的3條獨(dú)立線路，因此，它能將故障位置識(shí)別為母線156和母線2876之間的線路上的故障，如表3所示。

如前所述，基于阻抗的故障定位算法無(wú)法在故障超過(guò)分接頭點(diǎn)時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)故障位置。而所提方法即使在故障超過(guò)分接頭點(diǎn)且具有非零故障阻抗的情況下也能準(zhǔn)確地找到故障位置。

3)場(chǎng)景3：相互耦合線路上的故障

場(chǎng)景3證明了與其他常用的基于阻抗的方法相比，所提方法在相互耦合線路上定位故障的效率。母線150和母線153之間以及母線152和母線153之間的線路相互耦合。從表4所示的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)存在故障電阻時(shí)，基于阻抗的算法的故障位置估計(jì)誤差更為明顯。另一方面，所提算法具有較強(qiáng)的魯棒性，即使在存在故障阻抗的情況下，也能為互耦線路中的故障提供準(zhǔn)確的故障定位。

針對(duì)上述每個(gè)場(chǎng)景模擬了很多測(cè)試用例，并展示了選定的幾個(gè)測(cè)試用例。表1至表4所示的結(jié)果表明，與常用的基于阻抗的故障定位算法相比，所提算法的優(yōu)越性及其所具有的潛力。由于故障定位程序依賴(lài)于數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的系統(tǒng)模型，因此當(dāng)電力系統(tǒng)中存在系統(tǒng)狀態(tài)或拓?fù)渥兓瘯r(shí)，有必要相應(yīng)地更新簡(jiǎn)化等效電路庫(kù)。計(jì)算的速度和復(fù)雜性不是問(wèn)題，因?yàn)榉治鍪请x線分析，而不是實(shí)時(shí)分析。此外，由于采用了唯一的簡(jiǎn)化等效電路代替了全電路模型，大大降低了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，可以快速模擬各種故障情況。

2.5 故障電阻

所提出的方法能夠模擬電力系統(tǒng)的狀況和故障情景，從而獲得高精度的結(jié)果。因此，系統(tǒng)的建模和故障場(chǎng)景越好以及任何可能做出的假設(shè)越少，故障位置估計(jì)就越準(zhǔn)確。在模擬故障情況時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的未知因素是故障阻抗，因?yàn)樗鼤?huì)影響故障電流和故障電壓。故障阻抗在自然界中通常是電阻性的，由樹(shù)木和動(dòng)物等物體引起，單相接地故障是最常見(jiàn)的輸電線路故障情況。單相接地故障的故障相電流可寫(xiě)為

(1)

式中：VF為故障點(diǎn)前電壓；I0、I1、I2為流過(guò)電路的各序電流；Z0、Z1、Z2為電路各序阻抗；ZF為故障阻抗。

由式(1)可知，故障電阻的變化會(huì)影響故障電流的實(shí)部和虛部分量或故障電流相量的大小和角度。此外，由于故障阻抗本質(zhì)上是電阻性的，因此在沿輸電線的不同距離設(shè)置故障(輸電線本質(zhì)上主要是感性的)時(shí)，由于不同的電阻值而獲得的故障電流相量不會(huì)重疊。如圖1和圖2所示。

圖1顯示了在母線153和母線156之間的輸電線上，故障電流分布隨故障電阻的變化情況，監(jiān)視器放置在母線153處，監(jiān)視故障線路。對(duì)于每個(gè)故障電阻值，在整個(gè)輸電線路的不同位置設(shè)置A相單相接地故障，并繪制了由此產(chǎn)生的A相故障電流，該圖采用離散電阻值來(lái)驗(yàn)證所提概念?？梢杂^察到，改變故障電阻會(huì)導(dǎo)致線路偏向于相應(yīng)的金屬性故障情況，并且不與任何其他情況重疊，確保采用所提方法進(jìn)行的故障位置估計(jì)不會(huì)受到故障阻抗的影響。無(wú)論線路是否耦合，都會(huì)表現(xiàn)出此特性?？紤]另一個(gè)輸電線與另一條線耦合的例子，圖2為母線152和母線153之間相互耦合的輸電線上的故障電流隨電阻的變化情況，監(jiān)視器置于母線153處，測(cè)量故障線路中的電流。可以看出，在這種情況下也表現(xiàn)出類(lèi)似的特征。因此，可以得出結(jié)論，故障電阻的存在并不影響所提出的故障定位算法對(duì)故障的定位。此外，還可以通過(guò)故障電流識(shí)別出故障阻抗。

圖1 故障電流隨電阻變化(線路153—156)

圖2 故障電流隨電阻變化(線路152—153)

3 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點(diǎn)自動(dòng)定位方法。利用簡(jiǎn)化等效電路提高了故障定位的效率，有助于故障定位過(guò)程的自動(dòng)化。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，可以克服目前廣泛使用的基于阻抗的故障定位算法的缺點(diǎn)。任何電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置及其設(shè)備都可以建模，并且可以反映實(shí)際電力系統(tǒng)特性，而無(wú)需做出任何假設(shè)。在所提方法中，可以對(duì)諸如三端線路等復(fù)雜配置和互耦現(xiàn)象等進(jìn)行建模，并將其用于故障定位，而在常用的基于阻抗的故障定位算法中，是不能直接利用這些參數(shù)的。所提方法可以靈活地包含系統(tǒng)的所有可用信息，這使得該方法具有高度的準(zhǔn)確性。