基于電流比的單相斷線故障定位方法研究

何文帥

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引 言

輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，極易受到絕緣、環(huán)境、氣象和人力、牲畜的影響，導(dǎo)致近年來斷線事故多發(fā)。若無法快速切除故障，系統(tǒng)則變?yōu)榉侨噙\(yùn)行，發(fā)電機(jī)及各用電設(shè)備出現(xiàn)過熱甚至損壞，斷落的線路接地可能引起觸電，損害生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。

斷線故障的定位和保護(hù)整定問題已經(jīng)逐漸引起重視。文獻(xiàn)[3]分析了實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生單相斷線故障時(shí)各裝置動(dòng)作原理，介紹了省地調(diào)對(duì)故障的識(shí)別、判斷和處理的方法和過程。文獻(xiàn)[4]提出了基于負(fù)序分量的斷線故障定位方法，但負(fù)序分量的獲取方式較為局限。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于零序電壓幅值的斷線故障保護(hù)方法。文獻(xiàn)[6]以分布式測(cè)量值為基礎(chǔ)，將負(fù)載側(cè)電路等效計(jì)算得出故障后負(fù)載側(cè)的電壓特征，提出基于相間電壓幅值的單相斷線定位方法。上述方法在電氣量獲取和處理上存在局限，判據(jù)閾值混疊，使得誤判、漏判情況時(shí)有發(fā)生。綜上所述，準(zhǔn)確實(shí)用的斷線故障定位方法還亟待深研。

該文首先從電氣量特征上分析線路斷線故障前后新息特征，構(gòu)建斷線故障的新息識(shí)別判據(jù)。針對(duì)電氣量獲取中存在的數(shù)據(jù)缺失、壞數(shù)據(jù)等問題，采用連支推算方法加以處理形成準(zhǔn)確新息后，構(gòu)建斷線故障定位的新息圖判據(jù)，并提出輸電線路斷線故障的電流比值定位方法。最后，通過仿真分析驗(yàn)證定位方法的合理性和可行性。

1 故障新息圖原理

系統(tǒng)電氣量當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值與根據(jù)上一時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)結(jié)果得到的預(yù)報(bào)值之差即為新息，本文以故障前后的線路電流和各節(jié)點(diǎn)電壓為研究對(duì)象，用故障后一時(shí)刻電流、電壓測(cè)量值減去故障前一時(shí)刻電流、電壓預(yù)報(bào)值計(jì)算電流、電壓新息，如式(1)所示：

ΔXi=Xi(t+1)-Xi(t)

(1)

式中：ΔXi為新息；i(t+1)為t+1時(shí)刻的電氣量；Xi(t)為t時(shí)刻的電氣量。

根據(jù)回路電流法和圖論知識(shí)，以及上一時(shí)刻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取樹支支路和連支支路后，根據(jù)連支支路新息可以推算出全網(wǎng)支路的新息，即為連支推算新息。對(duì)于實(shí)際計(jì)算，可由回路關(guān)聯(lián)矩陣C和已知的連支新息Xlink程序計(jì)算得出，如式(2)所示：

Xrec=CXlink

(2)

式中：Xrec為支路ij的修正預(yù)估比；Xlink為連支新息向量。

通過連支計(jì)算全網(wǎng)絡(luò)的推算新息值得到了一種獲得樹支新息的方法，用樹支本身的測(cè)量值和預(yù)報(bào)值也可以得到樹支新息，通過2種新息的差異即可初步判斷系統(tǒng)所發(fā)生的不正常事件。

為使識(shí)別結(jié)果更加清楚，定義修正預(yù)估比為支路修正向量和對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)向量之比，用于識(shí)別定位網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化：

(3)

式中：Rij為支路ij的修正預(yù)估比；Xcor為預(yù)報(bào)值的修正值；Xpre為預(yù)報(bào)值。

預(yù)估比值將拓?fù)渥兓鸬那昂髢蓵r(shí)刻支路電流差異放大，當(dāng)支路由k時(shí)刻閉合運(yùn)行到k+1時(shí)刻變?yōu)閿嚅_狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，k+1時(shí)刻支路修正電流值約為0，而根據(jù)k時(shí)刻的閉合狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)得到的預(yù)報(bào)值不為0，因此兩者的比值近似為0。

2 單相斷線故障新息特征分析

如圖1所示，故障前A相電流為負(fù)荷電流IA，L，當(dāng)A相ij處發(fā)生斷線時(shí)，A相電流為0，斷口處B、C兩相電壓未發(fā)生明顯變化。

圖1 斷線故障示意圖

由對(duì)稱分量法分析可知，單相斷線時(shí)各相電流新息幅值表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行電網(wǎng)將測(cè)量誤差考慮在內(nèi)，由式(4)可得出如下結(jié)論：對(duì)于發(fā)生單相斷線故障的系統(tǒng)，故障相電流新息幅值最大，約等于負(fù)荷電流，非故障相電流新息幅值稍小，大致為0.15倍負(fù)荷電流；多數(shù)非故障線路電流新息基本為0，但部分非故障線路受潮流變化影響導(dǎo)致電流新息也不為0，但新息幅值很小。因此，當(dāng)某條線路的電流新息幅值較大時(shí)，可初步判斷系統(tǒng)發(fā)生故障，應(yīng)迅速啟動(dòng)故障定位裝置。

3 基于新息的保護(hù)判據(jù)

對(duì)于發(fā)生斷線故障的線路，運(yùn)行狀態(tài)由t時(shí)刻閉合變?yōu)閠+1時(shí)刻斷開，發(fā)生明顯的拓?fù)渥兓?，而在故障未切除時(shí)遙信系統(tǒng)不會(huì)報(bào)告這種拓?fù)渥兓?，始終顯示線路處于閉合狀態(tài)，即產(chǎn)生了B類拓?fù)溴e(cuò)誤，由新息圖方法可知，可以通過求取修正預(yù)估比來辨識(shí)此類錯(cuò)誤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷線故障的定位。同時(shí)由于拓?fù)溴e(cuò)誤的產(chǎn)生，使得新息網(wǎng)絡(luò)中故障線路出現(xiàn)新息電勢(shì)源，而非故障線路不存在拓?fù)渥兓什淮嬖陔妱?shì)源，這使得故障線路的電壓新息幅值遠(yuǎn)大于其他線路。因此，當(dāng)某條線路的電壓新息幅值遠(yuǎn)大于其他線路時(shí)，也可初步判斷系統(tǒng)發(fā)生故障，應(yīng)迅速啟動(dòng)故障定位裝置。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，靠近故障點(diǎn)的母線電壓新息大于其他母線，故障線路的電流新息遠(yuǎn)大于其他線路，因此可以用電流新息和電壓新息幅值的大小作為判斷依據(jù)，啟動(dòng)故障定位算法。以i側(cè)保護(hù)為例，將故障前t時(shí)刻保護(hù)安裝處的三相電流作為預(yù)報(bào)值，故障后的t+1時(shí)刻同一位置的三相故障電流作為測(cè)量值，得到電流新息構(gòu)造分相保護(hù)判據(jù)，如式(5)所示：

ΔIφ>Kset

(5)

式中：ΔIφ為支路電流新息；Kset為閾值。

由于發(fā)生斷線后，該線路的繼電保護(hù)裝置并未動(dòng)作，但實(shí)際線路已經(jīng)處于開斷運(yùn)行，形成了由閉合到斷開通信系統(tǒng)未報(bào)告的拓?fù)溴e(cuò)誤。這樣基于新息圖識(shí)別拓?fù)溴e(cuò)誤的方法，分別計(jì)算A、B、C三相的修正預(yù)估比，就可以識(shí)別發(fā)生斷線的線路和故障相。

當(dāng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)中不存在其他不正常事件時(shí)，僅利用新息就可以識(shí)別出斷線支路和故障相。對(duì)于某一系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，正常運(yùn)行時(shí)各條線路流過的負(fù)荷電流相差不大；斷線故障發(fā)生后故障線路的故障相支路流經(jīng)的電流由負(fù)荷電流突變?yōu)?，故障線路的非故障相電流受電壓影響也會(huì)減小但仍有電流流過，而其他未發(fā)生斷線故障的線路流過的電流仍然近似等于負(fù)荷電流。因此，將斷線故障后k+1時(shí)刻電流值與斷線前k時(shí)刻支路電流值對(duì)應(yīng)作差，得到各支路各相的電流新息，就會(huì)發(fā)現(xiàn)故障線路故障相的電流新息幅值最大，根據(jù)此幅值最大的電流新息即可識(shí)別出故障支路。但實(shí)際系統(tǒng)中通信數(shù)據(jù)并不完全可靠，存在通信壞數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)缺失等情況，因此可利用新息圖方法中連支推算使測(cè)量冗余和辨識(shí)壞數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步研究斷線故障相定位的問題。

通過連支推算新息可彌補(bǔ)測(cè)量不足，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)缺失和通信壞數(shù)據(jù)等問題，進(jìn)一步排除連支壞數(shù)據(jù)和負(fù)荷突變等不正常事件的影響，引入修正向量和修正預(yù)估比等方法進(jìn)行故障定位。由連支推算新息向量和預(yù)估預(yù)報(bào)向量合成修正向量，對(duì)測(cè)量向量進(jìn)行修正。修正后能更好地反映k+1時(shí)刻運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，提供識(shí)別斷線故障的有力工具。對(duì)于發(fā)生斷線故障支路的故障相，其電流真實(shí)測(cè)量值應(yīng)該為0， 得出該線路的修正預(yù)估比為0；對(duì)于非故障線路，修正向量與預(yù)報(bào)向量近似相等故其修正預(yù)估比近似為1。對(duì)于故障支路的非故障相，k+1時(shí)刻修正向量不為0，但與k時(shí)刻所做出的預(yù)報(bào)向量有差異，所以修正預(yù)估比為不等于0也不等于1的某一數(shù)值。因此，考慮誤差后三相修正預(yù)估比中存在近似為0的支路，即為發(fā)生斷線故障的支路。

4 仿真分析

在PSASP綜合分析程序中建立9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路編號(hào)如圖2所示，其中包括3個(gè)電源、8條輸電線路和變壓器等。3臺(tái)變壓器正序電抗分別取為0.057 6、0.062 5、0.058 6，零序電抗分別取為0.057 6、0.062 5、0.058 6。在暫態(tài)穩(wěn)定模塊設(shè)置網(wǎng)絡(luò)故障，設(shè)置系統(tǒng)頻率為50 Hz，計(jì)算總時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.01 s，將結(jié)果以文件形式輸出。電流計(jì)算時(shí)選取支路4-5、4-6、5-7、5-8、5-9為樹支，其余為連支，計(jì)算各支路電流新息與電壓新息，驗(yàn)證算法的正確性。

圖2 9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)置0.1 s時(shí)，在線路6-9的中點(diǎn)處發(fā)生A相斷線故障，根據(jù)故障情況設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，對(duì)故障情況進(jìn)行模擬。故障后各線路電流新息如表1所示。

表1 線路電流新息

由新息特征知系統(tǒng)可能發(fā)生故障，依據(jù)保護(hù)判據(jù)啟動(dòng)保護(hù)裝置，進(jìn)行故障定位。仿真定位結(jié)果如圖3所示。根據(jù)定位結(jié)果可以看出，線路4的A相位電流比接近于0,B和C相位預(yù)測(cè)比接近于1。因此確定4號(hào)線斷線，故障類型為A相斷線故障。

圖3 故障定位結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

基于新息圖方法，分析了斷線故障前后線路電流的新息特征。冗余新息值有助于驗(yàn)證結(jié)果的正確性，在通信錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)不良的情況下，可以有效地定位故障線路。提出了一種利用故障前后電流新息比值來判斷故障位置的方法，該方法只需要故障前后線路電流值，通過計(jì)算比值即可判斷故障區(qū)域。該方法所需通信量小，無需電壓信息，能夠滿足快速故障選相要求，提高了斷線故障定位算法的容錯(cuò)性。