专利名称：高压电缆-架空线混合线路故障相位测距方法
技术领域：
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及采用定位函数相位特性 实现高压电缆-架空线混合线路故障测距的方法。
背景技术：
随着我国大中型城市建设的飞速发展和城市规划的要求，电力电缆以其占地少、 人身安全保障、供电可靠性高、维护工作量小等优点得到了广泛的应用，并进一步在原有 电缆、架空线路基础上发展应用越来越广泛的电缆-架空线混合线路，例如上海小洋山电 缆_架空混合线路、铁路自闭贯通电缆_架空线路以及电气化铁路电缆_架空混合线路。高 压电缆_架空线混合线路发生故障后能精确测距，可以缩短故障排查时间，加快恢复供电， 对电力系统的安全和经济运行具有非常重要的意义。相比于单独的电缆和架空线路的故障测距，高压电缆-架空线混合输电线路故障 测距会面临如下新难题①由于电缆线路和架空线路参数相差很大，其混合线路波阻抗不 连续，因此，对单独应用于架空线路故障测距的阻抗法而言，混合线路是不均勻传输线路， 无法直接应用于混合线路的故障测距；②行波在电缆和架空线路的连接处会发生反射，增 加了反射波的识别难度；③在电缆和架空线路中的传播速度明显不一致，难以直接测距； ④行波特别是反射波在经过较长的电缆线路传播后，波头幅值衰减较大，易受到干扰信号 的影响，从而影响测量精度。因此，应用于单独的电缆和架空线路的故障测距的行波法也无 法直接应用于混合线路的故障测距。有关高压电缆_架空线混合输电线路的故障测距逐渐引起了广大学者的关注。 于玉泽、覃剑和李功新等人发表的《电缆_架空线混合线路故障测距方法综述》是针对电 缆-架空线路的故障测距提出同时向故障相和非故障相注入脉冲电流，通过比较故障相和 非故障相行波信号先判断连接点和故障点位置再去精确测距的方法，但脉冲发射装置以及 其同步性在实际应用中比较难实现。蔡玉梅发表的《铁路自闭贯通线路故障测距方法研 究》针对铁路自闭贯通电缆_架空线路的故障测距问题提出了一种比较电流行波线零模 分量极性的方法进行区段精确定位的方法，但没有考虑线零模分量在故障点发生藕合的影 响。吴承恩、邰能灵和郁惟镛发表的《超高压电缆-架空线混合线路故障测寻法》针对超高 压电缆-架空线混合线路的故障测距提出利用故障附加负序网中故障点负序电压幅值最 大这一特点构造判据先判别故障点所在电缆线路或架空线路，然后利用故障区域首末端电 压、电流突变量推算出故障点，但在混合线路连接处附近高阻短路故障时，由双端电气量推 算出连接点处的负序电压幅值基本相同，加上故障暂态过程的影响，在连接点附近可能无 法正确判断故障区段，从而导致测距失败。束洪春和孙涛发表的《电缆-架空线混合线路故 障行波测距新方法》针对电缆_架空线路的故障测距提出利用故障后附加负序网络下通过 系统两端电气量推导出的电缆架空线连接点处的分布电流的大小判断故障发生区段，再使 用单端行波测距装置进行精确故障测距，但在混合线路连接处附近高阻短路故障时，由两 端电气量推导出的电缆架空线连接点处的分布电流大小基本相等，加上故障暂态过程的影
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响，在连接点附近会有测距死区，且不适用于对称性故障。

发明内容
本发明的目的在于针对缆线混合线路的特殊性和复杂性，提供一种利用定位函数 相位特性实现高压电缆-架空线混合线路故障定位的测距方法，其特征在于，先采集故障 后混合线路系统两端的正序电气量数据，将整个混合线路等效成一等长线路；然后由混合 线路系统两端的正序电气量数据推导出定位函数，根据定位函数相位的大小确定包含故障 点的最小故障等分区；最后在故障等分区内再次利用定位函数的相角大小精确测出混合线 路的故障距离，具体步骤如下(1)提取故障后混合线路系统m、η两端的三相电压与电流相量，乂lA、Um3 , 、i 、i、i . 、 、 、i、i、i分别为故障后m、η端的三相
t^mC、 iInA、 iInB、 ^inC i^nA、 ^nB、 ^nC、 2nA、 JnB、 2nC
电压与电流相量，根据对称分量法分别求出m、n端的正序分量f>ml、、/nl ；(2)将混合线路等效为一条长为Imn的长线路，则初始包含故障点的区域为(lbegin， (3)将包含故障点的区域为(lbegin，Iend)进行Num等分；(4)利用系统m、η端测量到的电气量从混合线路系统两端进行推导，得出(3)所 确定的区域内每一等分点处的正序电压、正序电流；(5)由(4)推导出定位函数，并以此求出每一等分点处的定位函数的相角；(6)由(5)计算的定位函数相角的大小判断等分点与故障点的位置关系1)定位函数相角大于零，参考位置位于故障位置左侧；2)定位函数相角小于零，参考位置位于故障位置右侧3)定位函数相角等于零，参考位置和故障位置相匹配；由此判据找到两个相邻等分点k和k+Ι，其定位函数相角分别大于零及小于零， 则此时包含故障点的区域(
)。设定一最小等分区域阀值Δ Isrt，重复 (3) (5)直至Imd-Ibegin < Δ Isrt，则能够得出包含故障点的最小等分区域(Ibeginm，Iendffl)；(7)由(6)计算的最小包含故障点的等分区确定故障位置1)确定步长Δ1;2)参考位置Imk从Ibeginm开始以Δ 1为步长递增至lmdm，计算各点处的定位函数的 相角；3)寻找确定最优参考位置Imk，使其满足在Imk-A 1处定位函数相角大于零，在Imk 处定位函数相角小于零；则故障位置f距m端的故障距离Imf = Ifflk- Δ 1/2。在步骤(5)中，高压电缆_架空线混合线路上任何一点k处的定位函数为 其中，&mkl、Imk!mnk]、/nkl分别为m、η端正序电气量推导出的混合线路上k点 处的正序电压、正序电流。步骤(6)中的Δ Iset可以根据实际精度要求灵活进行区间大小的设定。
步骤(7)中的故障位置可以是位于架空线I段、中间电缆或位于架空线II段上， 定位函数的相位特性都满足当Ifflf > Ifflk时，定位函数相角大于零；当Ifflf < Ifflk时，定位函 数相角小于零；当且仅当Imf = Imk时，定位函数的相角才等于零。其中，Imf、Imk分别为混合 线路上故障位置f、参考位置k到架空线I段m端的距离。步骤(7)中的Δ 1可以根据实际测距精度和实际测距速度要求灵活设定。本发明利用定位函数相位特性，实现了混合线路的故障精确测距，主要具有以下 优点1.将混合线路等效为一等长线路进行定位，无需事先判别故障区段即可测距。2.以混合线路上参考位置和故障位置匹配时定位函数过零这一特征进行定位，原 理上不存在伪根，克服了过渡电阻、负荷电流、采样频率、故障类型和故障点位置的影响。3.所需搜索范围小，具有良好快速性。4.该发明原理简单可靠，测距精度高。随着电缆-架空混合线路应用增多，电缆_架空混合线路发生故障后，故障位置精 确测距可缩短故障排查时间，加快恢复供电，对电力系统的安全和经济运行具有非常重要 的意义。


图1为本发明B型混合线路连接结构；图2为架空线I段故障时混合线路的正序序网图；图3为架空线I段故障时混合线路上定位函数的相位特性；图4为中间电缆线路故障时混合线路的正序序网图；图5为中间电缆线路故障时混合线路上定位函数的相位特性；图6为架空线II段时混合线路的正序序网图；图7为架空线II段故障时混合线路上定位函数的相位特性；图8为负荷电流和过渡电阻对架空线I段上25km处ABG故障测距结果的影响；图9为过渡电阻和故障位置对中间电缆线路上AG故障测距结果的影响；图10为过渡电阻和故障位置对架空线II段上AG故障测距结果的影响；图11为负荷电流和故障位置对混合线路上ABCG故障测距结果的影响。
具体实施例方式本发明提供一种利用定位函数相位特性实现高压电缆_架空线混合线路故障定 位的测距方法。先采集故障后混合线路系统两端的正序电气量数据，将整个混合线路等效 成一等长线路；然后由混合线路系统两端的正序电气量数据推导出定位函数，根据定位函 数相位的大小确定包含故障点的最小故障等分区；最后在故障等分区内再次利用定位函数 的相角大小精确测出混合线路的故障距离。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说 明。实施例1如图1所示B型混合线路类型作为分析及仿真对象为例，具体是作为一个简单的 双端系统，当线路上任何一点发生故障时，运用对称分量法将故障网络分解为正、负、零序网络；对于三相对称性故障或三相不称性故障，都存在正序网络，因此，在本发明中，利用正 序电压、正序电流进行混合线路故障测距。假设在B型混合线路上发生故障，故障点位置有3种形式架空线I段、中间电缆 线路、架空线II段。一、架空线I段故障时混合线路上任一点处的定位函数及其相位特性图2为架空线I段故障时混合线路的正序序网图。其中，f>mkl、Zmkl和《kl、人k,分 别为m、η端的正序电压、正序电流；c节点为架空线I段和中间电缆线路的连接点；t节点 为架空线II段和中间电缆线路的连接点。架空线I段故障时架空线I段内任何一点k处 定位函数表达式如式(1)所示。
《lkl、ImJHUnkl,人3由式⑵算得；其中力mkl、ImJWUm , Znkl分别为m、n
端正序电气量，推导出的架空线I段上k点处的正序电压、正序电流；lmf、Imk分别为架空线 I段内故障位置f、参考位置k距m端的距离；1。,为中间电缆线路的长度；lm。、、分别架空 线I段和架空线II段的长度；Zu、rL1分别为架空线I段和架空线II段的波阻抗、传播常 数；Zc^rca分别为中间电缆线路的波阻抗、传播常数。架空线I段故障时中间电缆线路内任何一点处的定位函数如式(3)所示。
其中，Ifc为架空线I段内故障位置f距c节点的距离；lmk、Ick分别为中间电缆线 路内所选参考位置k距m端、c节点的距离办mkl、/mk,和么kl、Znkl分别为m、n端正序电气 量推导出的中间电缆线路上k点处的正序电压、正序电流，且由式(4)算得。架空线I段故障时架空线II段内任何一点处的定位函数如式(5)所示。 式中 其中，lf。为架空线I段内故障位置f距C节点的距离；lmk、ltk分别为架空线II段内所选参考位置k距m端、t节点的距离；i>mk,、ImJWUnu、/nk,分别为m、n端正序电气量推导出的架空线II段上k点处的正序电压、正序电流，且由式(6)算得。

架空线I段故障时混合线路上定位函数相位特性如图3所示。在混合线路上，当 Imf > Imk时，定位函数相角大于零；当Imf > Ifflk时，定位函数相角大于零；当Imf < Ifflk时， 定位函数相角小于零；当且仅当Imf = Imk时，定位函数的相角才等于零。其中，lmf、lmk分别 为混合线路上故障位置f、参考位置k到架空线I段m端的距离。二、中间电缆线路故障时混合线路上任一点处的定位函数及其相位特性图4为中间电缆线路故障时混合线路的正序序网图。则中间电缆线路故障时架空 线I段内任何一点处定位函数表达式如式(7)所示。 其中，穴kl、imkimunkl、Znkl分别为m、η端正序电气量推导出的架空线I段上k 点处的正序电压、正序电流，且由式⑵算得；l。f为中间电缆线路内故障位置f距c节点的 距离；lmk、Ick分别为架空线I段内所选参考位置k距m端、c节点的距离。中间电缆线路故障时中间电缆线路内任何一点处定位函数表达式如式⑶所示。 其中，Ifflf, Imk分别为中间电缆线路内故障位置f、所选参考位置k距m端的距离； Umkl , ImkxmM > /nkl分别为m、n端正序电气量推导出的中间电缆线路上k点处的正序电 压、正序电流，且由式⑷算得。中间电缆线路故障时架空线II段内任何一点处的定位函数如式(9)所示。 其中，Itf为中间电缆线路内故障位置f距t节点的距离；lmk、Itk分别为架空线II 段内所选参考位置k距m端、t节点的距离；Gmkl、Zmk,和么kl、/ kl分别为m、n端正序电气 量推导出的架空线II段上k点处的正序电压、正序电流，且由式(6)算得。
中间电缆线路故障时混合线路上定位函数相位特性如图5所示。在混合线路上， 当Imf > Imk时，定位函数相角大于零；当Imf < Imk时，定位函数相角小于零；当Imf = Imk时， 定位函数的相角才等于零。其中，Imf、Ifflk分别为混合线路上故障位置f、参考位置k到架空 线I段m端的距离。三、架空线II段故障时混合线路任一点处的定位函数及其相位特性图6为架空线II段时混合线路的正序序网图。则架空线II段故障时架空线I段 内任何一点处定位函数表达式如式(10)所示。
其中，Itf为架空线II段内故障位置f距t节点的距离；lmk、l。k分别为架空线I段 内所选参考位置k距m端、C节点的距离、imkimunk]、/llk]分别为m、n端正序电气量 推导出的架空线I段上k点处的正序电压、正序电流，且由式(2)算得；架空线II段故障时中间电缆线路内任何一点处定位函数表达式如式(11)所示。 其中，lmk、ltk为中间电缆线路内所选参考位置k距m端、t节点的距离；Itf为架空 线II段内故障位置f距t节点的距离心ki、/^Pf>kl、/kl分别为m、n端正序电气量推
导出的中间电缆线路上k点处的正序电压、正序电流，且由式(4)算得。架空线II段故障时架空线II段内任何一点处的定位函数如式(12)所示。 其中，Ifflf, Imk分别为架空线II段内故障位置f、所选参考位置k距m端的距离； Umu , Imjmnk] > /nkl ·分别为m、η端正序电气量推导出的架空线II段上k点处的正序电 压、正序电流，且由式(6)算得。架空线II段故障时混合线路上定位函数相位特性如图7所示。在混合线路上，当 Imf > Imk时，定位函数相角大于零；当Imf < Imk时，定位函数相角小于零；当且仅当Ifflf = Ifflk 时，定位函数的相角才等于零。其中，IX、Imk分别为混合线路上故障位置f、参考位置k到 架空线I段m端的距离。四、算法具体步骤综上所述，无论故障位置是位于架空线I段或中间电缆，还是位于架空线II段上，定位函数的相位特性都满足当Ifflf > Ifflk时，定位函数相角大于零；当Ifflf < Ifflk时，定位函 数相角小于零；当Ifflf = Ifflk时，定位函数的相角等于零。因此，利用混合线路上参考位置与 故障位置匹配时定位函数相角等于零这一特征进行故障测距。具体测距算法步骤如下(1)提取故障后混合线路系统两端(m、η端)的三相电压与电流相量，[>mA、UmB、 tc、L·、4B > 4。和《八、Α*、 ‘、/ηΑ、/ηΒ、/nC分别为故障后!!!、!！端的三相 电压与电流相量。根据对称分量法分别求出m、η端的正序分量Gml、Z11^PK;(2)将混合线路等效为一条长为Ix的长线路，则初始包含故障点的区域为(lbegin，
lend) = (0，1X)；(3)将包含故障点的区域为(lbegin，Iend)进行η等分；(4)利用系统m、η端测量到的电气量从两端进行推导，得出(3)所确定的区域内 每一等分点处的正序电压、正序电流；(5)由(4)推导出定位函数，并以此求出每一等分点处的定位函数的相角；(6)由(5)计算的定位函数相角的大小判断等分点与故障点的位置关系1)定位函数相角大于零，参考位置位于故障位置左侧；2)定位函数相角小于零，参考位置位于故障位置右侧；3)定位函数相角等于零，参考位置和故障位置匹配时；由此判据找到两个相邻等分点k和k+Ι，其定位函数相角分别大于零及小于零， 则此时包含故障点的区域(lbegin，Iend) = (lk, lk+1)。设定一最小等分区域阀值Δ Isrt，重复 (3) (5)直至Imd-Ibegin < Δ Isrt，则能够得出包含故障点的最小等分区域(Ibeginm，Iendffl)；(7)由(6)计算的最小包含故障点的等分区确定故障位置4)确定步长Δ1;5)参考位置Imk从Ibeginm开始以Δ 1为步长递增至Iendm,计算各点处的定位函数的 相角；6)寻找确定最优参考位置Imk，使其满足在Imk-A 1处定位函数相角大于零，在Imk 处定位函数相角小于零；则故障位置f距m端的故障距离Imf = Imk-A 1/2。本发明搜索范围为
其中，「y表示比X大且最接近的整数，1 =
lmc+lct+lnt)，为提高测距精度Δ 1取足够小且Num合理取较大值时，Nu+VNum-邮念⑷很小。表1 采样频率和故障位置对AG故障测距结果的影响 五、计算结果及分析利用PSCAD仿真软件搭建缆线混合模型，不同故障点和采样频率对A相金属性接 地故障测距结果的影响情况如表1所示。结果表明，不同的采样频率下，本算法均能够准确测距，本发明针对混合线路的测 距克服了故障位置受采样频率的影响。混合线路连接点附近A相经高阻接地故障时测距结果如表2所示。表2 混合线路连接点附近高阻故障时本发明的测距结果 结果表明，在连接点附近0.5km处高阻接地故障时，最大相对测距误差不超过-1. 191%。因此，本发明无测距死区，测距精确度高。负荷电流和过渡电阻对架空线I段上25km处AB两相短路故障测距结果的影响情 况如图8所示。其中，过渡电阻取0 60Ω，πι侧系统电源相角取-90° 90°，结果表明， 相对测距误差在-0. 4% 0. 4%之间，具有很高的测距精度，因此，本发明针对混合线路的 测距克服了负荷电流和过渡电阻的影响。过渡电阻和故障位置对中间电缆线路上A相接地故障测距结果的影响情况如图 9所示。其中，过渡电阻取0 60 Ω，故障位置取70 100km，结果表明，相对测距误差 在-0.6% 1. 18%之间，具有很高的测距精度，因此，本发明针对混合线路的测距克服了 过渡电阻和故障位置的影响。过渡电阻和故障位置对架空线II段上A相接地故障测距结果的影响情况如图10 所示。其中，过渡电阻取O 300 Ω，故障位置取100 170km，结果表明，相对测距误差 在-0. 5% 1. 3%之间，具有很高的测距精度，因此，本发明针对混合线路的测距克服了过 渡电阻和故障位置的影响。负荷电流和故障位置对混合线路上ABCG故障测距结果的影响情况如图11所示。 其中，m侧系统电源相角取-90° 90°，故障位置取0 170km，结果表明，本发明相对测 距误差在-0. 3% 0. 72%之间，具有很高的测距精度，因此，本发明针对混合线路的测距 克服了负荷电流和故障位置的影响。综上结果表明，该方法针对混合线路的测距具有很高 的准确性和有效性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种利用定位函数相位特性实现高压电缆 架空线混合线路故障定位的测距方法，其特征在于，先采集故障后混合线路系统两端的正序电气量数据，将整个混合线路等效成一等长线路；然后由混合线路系统两端的正序电气量数据推导出定位函数，根据定位函数相位的大小确定包含故障点的最小故障等分区；最后在故障等分区内再次利用定位函数的相角大小精确测出混合线路的故障距离。
2.根据权利要求1所述的利用定位函数相位特性实现高压电缆-架空线混合线路故障 定位的测距方法，其特征在于，具体步骤如下(1)提取故障后混合线路系统m、η两端的三相电压与电流相量，&mA、[jmB、 Gmc、L·、(B、4c和《A、《B、《C、L、L^ Znc分别为故障后m、η端的三相 电压与电流相量，根据对称分量法分别求出m、η端的正序分量Pm1、/⑷和乂, Jnl ；(2)将混合线路等效为一条长为1·的长线路，初始包含故障点的区域为(lbegin，Imd)= (0，IJ ；(3)将包含故障点的区域为(lbegin，Iend)进行Num等分；(4)利用系统m、η端测量到的电气量从混合线路系统两端进行推导，得出(3)所确定 的区域内每一等分点处的正序电压、正序电流；(5)由(4)推导出定位函数，并以此求出每一等分点处的定位函数的相角； (6)由(5)计算的定位函数相角的大小判断等分点与故障点的位置关系1)定位函数相角大于零，参考位置位于故障位置左侧；2)定位函数相角小于零，参考位置位于故障位置右侧；3)定位函数相角等于零，参考位置和故障位置相匹配；由此判据找到两个相邻等分点k和k+Ι，其定位函数相角分别大于零及小于零，则此时 包含故障点的区域(lbegin，Imd)=(“，‘丨设定一最小等分区域阀值八^…重复(3) (5) 直至。-Ibegin < Δ Isrt，则能够得出包含故障点的最小等分区域(Ibeginm，Iendffl)；(7)由(6)计算的最小包含故障点的等分区确定故障位置1)确定步长Δ1 ；2)参考位置ImkWlbeginm开始以Δ 1为步长递增至Imdm,计算各点处的定位函数的相角；3)寻找确定最优参考位置Imk，使其满足在Imk-Al处定位函数相角大于零，在Imk处定 位函数相角小于零；则故障位置f距m端的故障距离Imf = Ifflk- Δ 1/2 ；在步骤(5)中，高压电缆_架空线混合线路上任何一点k处的定位函数为 其中，Gmk,、L^Unkl , Inkl分别为m、η端正序电气量推导出的混合线路上k点处的 正序电压、正序电流；步骤(6)中的AlseJg据实际精度要求灵活进行区间大小的设定；步骤(7)中的故障位置可以是位于架空线I段、中间电缆或位于架空线II段上，定位 函数的相位特性都满足当Imf > Ifflk时，定位函数相角大于零；当Imf < Ifflk时，定位函数相角小于零；当Imf = Ifflk时，定位函数的相角才等于零；其中，Imf、Ifflk分别为混合线路上故障 位置f、参考位置k到架空线I段m端的距离；步骤(7)中的Δ 1根据实际测距精度和实际测距速度要求灵活设定。
全文摘要
本发明公开了属于电力系统继电保护技术领域的涉及采用定位函数相位特性实现高压电缆-架空线混合线路故障测距的方法。先采集故障后混合线路系统两端的正序电气量数据，将整个混合线路等效成一等长线路；然后由混合线路系统两端的正序电气量数据推导出定位函数，根据定位函数相位的大小确定包含故障点的最小故障等分区；最后在故障等分区内再次利用定位函数的相角大小精确测出混合线路的故障距离。本发明精确测定故障位置，可缩短故障排查时间，加快恢复供电，对电力系统的安全和经济运行具有非常重要的意义。
文档编号G01R31/08GK101907677SQ20101021703
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者叶东华, 曾惠敏, 林富洪, 王增平, 马静 申请人:华北电力大学