专利名称：：一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法
技术领域：
：本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，具体涉及一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法。
背景技术：
：单相重合间技术是现代超/特高压电网快速恢复供电和维持系统稳定的有效措施。但是，现有的单相重合闸的动作存在盲目性，单相故障跳闸后经固定时限o.5s1.5s后自动重合，存在重合于永久性故障带来的二次短路冲击危险；同时，在超/特高压线路的不成功重合的情况下，短时间内二次跳闸的不同步将产生危险的过电压，严重威胁电气主设备的安全和系统运行的稳定性。为了避免盲目重合带来的潜在危险，就必须做到重合前确定线路是瞬时性故障还是永久性故障，实现瞬时性故障重合而永久性故障不重合，即自适应重合闸。自适应重合闸其核心就是区分瞬时性故障和永久性故障，现有判别方法主要包括基于恢复电压特性和基于瞬时性故障电弧特性两类。前者利用了电容耦合电压特性来区分瞬时性故障和永久性故障，其灵敏度和耐过渡电阻能力受线路长度影响；后者主要利用故障一次、二次电弧阶段暂态信号的谐波特征来区分瞬时性故障和永久性故障，其判别精度与电弧熄弧过程、高频信号获取精度以及故障状态密切相关，难以实用化。此外，伴随着快速保护装置和高速断路器在超/特高压输电系统的应用，故障一次、二次电弧阶段存在时间大大缩短，且高补偿度并联电抗器的投入，不论是电弧阶段还是恢复电压阶段对应故障相端电压幅值低，甚至不到线路额定电压的5%，线路电压互感器测量断开相端电压的可信度降低，同时判别结果可靠性降低。
发明内容本发明的目的在于提供一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法，能够基于恢复电压阶段的稳定可靠电气量，利用断开相并联电抗器电流的低频自由分量幅值特性，更为可靠地识别输电线路的单相永久性故障，解决现有方法的可靠性低、判别时间长、实用性差的问题。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法，其输电线路的至少一端设置有三相并联电抗器和中性点小电抗器，其特征在于，包括以下步骤(1)采集三相并联电抗器的实时电流Ut)，其幅值为1_，其中小=A、B、C，有且仅有一相满足公式彡(0.70080)L时确定为单相故障及其对应故障相别，其中ILe为三相并联电抗器的正常工作电流幅值；并且当单相故障相的实时电流幅值ITw，满足公式((0.40050)L=A、B、C时，判定该故障相处于跳闸断开状态，为断开相；(2)计算瞬时性故障时断开相并联电抗器电流的低频自振分量频率LP、Ln分别为并联电抗器及中性点小电抗器的等值电感，Cffl,C0分别为线路全长相间电容及对地电容；(3)预设线路瞬时性故障熄弧后断开相并联电抗器电流(t)的最小二乘拟合模型为=V]1'SinCoi/+^)+/;sinC/+^)，其中，L为断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值，I1为工频分量幅值，λ^为低频自由振荡分量衰减时间常数的倒数，θ^为低频自由振荡分量初相位，Q1为工频分量初相位，为低频自由振荡分量频率，(O1为工频；令6★为1，简化最小二乘拟合模型为ιφ(t)=[ILcosθLsin(coLt)+ILsinθLcos(ωLt)]+[I1cosθj8η(ω1)+Ι1sinθlcos(ωjt)]对于采样值‘U1)、(t2)、…、i“(tN)构成N个方程，可表示成以下矩阵方程形式=其中A为系数矩阵，X为待求参数矩阵，包含4个待求参数；B为由断开相并联电抗器的实时电流(t)的采样值构成的常数矩阵；N彡4；求解待求参数矩阵X=[ILcosθl，IlsinθL,I1cosθI1sinθJt；由下式ΓflL=yl(ILCOS0Lf+(ILS1n0LfV-Iz1=V(J1CosiJ1)2+(/!SiniJ1)2计算获取断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值L和工频分量幅值I1;(4)如果込<KkI1,其中可靠系数Kk=0.10.3，将断开相判为永久性故障，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。本发明的进一步改进在于，步骤⑷中，如果Il<KkI1持续成立100200ms，将断开相判为永久性故障，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。本发明提出的输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法，基于断开相并联电抗器电流的低频自由分量幅值特性，利用断开相并联电抗器电流的低频自由分量幅值的最小二乘计算结果，实现瞬时性故障和永久性故障区分。该方法可以用于一端/两端带并联电抗器的输电线路进行单相故障性质识别，原理上不受故障点位置、过渡电阻、负荷电流的影响，能够在故障相跳闸后至重合前较长时间内持续判断。与现有技术相比，本发明具有以下显著优点(1)仅利用断开相并联电抗器电流量，保证了利用电气信号的高可靠性，且不受通道影响，对于双端带并联电抗器线路两侧均可独立实现单相故障性质的判别。对于带并联电抗器的输电线路来说，并联电抗器侧通常配备变比小的测量精度高的电流互感器，测量断开相并联电抗器幅值小的电流量具有较高的精度，相对电压量判别方法更具有工程实用意义。(2)预设并联电抗器电流的最小二乘拟合模型，利用较短的数据窗即可快速计算断开相并联电抗器电流的低频自由分量初始幅值和工频分量幅值；不受瞬时性故障时拍频特性的影响，较好地解决了现有判别算法提取工频分量需要较长数据窗的不足。(3)该方法具有良好的适用性，适用于一端、两端带并联电抗器线路在不同位置、不同过渡电阻、不同补偿度下的单相故障的永久性故障判别。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明图1为输电线路具有电抗器保护的硬件结构框图。具体实施例方式参照图1，输电线路丽两端的电抗器分别装设了电抗器保护分别，电流互感器TA1、TA2分别检测M端、N端三相并联电抗器的实时电流。虚线框内为硬件结构，由数据采集系统、微机主系统、输入输出系统三部分构成，本发明的方法通过编制程序由微机DSP主系统实现。以N侧为例，输入量为三相并联电抗器电流量，由并联电抗器侧电流互感器TA2获取，得到的三相并联电抗器电流的模拟量经前置低通滤波、采样保持和A/D转换后，送到微机DSP主系统，通过本方法首先进行故障选相，确认单相故障且跳闸，之后计算出断开相并联电抗器电流的低频自振分量初始幅值；然后根据低频自振分量初始幅值计算结果，判断线路发生的单相故障是瞬时性故障还是永久性故障。本发明的具体步骤如下(1)故障相及跳闸状态确认采集三相并联电抗器的实时电流Ut)，其幅值为Ifl4i,其中Φ=A、B、C，有且仅有一相满足公式Ifl4i彡(0.700.80)Ι。确认单相故障及故障相别，其中ILe为三相并联电抗器的正常工作电流幅值；并且当单相故障相的实时电流幅值ITw，满足公式ITL$^(0.400.50)I。Φ=A、B、C时，判定该故障相处于跳闸断开状态，为断开相。由于本发明为输电线路单相重合闸的永久性故障判别，对于相间故障不能适用。因此，在线路故障后，快速可靠的确认单相故障及跳闸状态尤为重要，对于相间故障则不进行单相故障性质判别按现有重合策略动作。a)单相故障相别确认线路发生故障后，故障相电压较正常工作电压有所减小，对应的故障相并联电抗器电流较正常工作电流亦有所减小；而对于非故障相并联电抗器电流则与正常工作电流接近。据此特点，给出式⑴进行单相故障相别判别。即其中ΙΜ为三相并联电抗器电流初始幅值；I。为三相并联电抗器正常工作电流幅值。只有三相并联电抗器电流Ifl4i有且仅有一相满足式(1)，则判为单相故障且确认故障相别；否则，判为非单相故障不进行单相永久性故障判别。b)单相故障跳闸状态确认待单相故障相跳闸后，故障相并联电抗器端电压较正常工作电压要小，而非故障相并联电抗器电流幅值与正常工作电流接近。给出式(2)进行故障相跳闸状态确认Itl4i彡(0.400.50)ILe(Φ=A、B、C)(2)其中为三相并联电抗器电流幅值；I。为三相并联电抗器正常工作电流幅值。只有三相并联电抗器电流有且仅有故障相满足式(2)，则判为故障相已经跳闸；否则，单相故障未跳闸或为区外故障，则不进行单相永久性故障判别。(2)故障性质判别超/特高压输电线路发生永久性故障时，由于故障点一直存在，线路对地电容可靠放电，断开相并联电抗器电流主要以工频分量为主，不含低频自由分量。而在瞬时性故障时，待故障点电弧熄灭后断开相回路由并联电抗器与线路电容构成的LC振荡回路产生了频率接近工频的低频自由分量，对应的断开相并联电抗器电流包含了低频自由分量和工频分量两种周期分量。由前面的分析可知，低频自由分量的存在是导致瞬时性故障电流存在拍频现象的直接原因，而永久性故障时仅包含工频周期分量。因此，根据低频自由分量这一特点可实现单相故障瞬时性和永久性故障的区分。a)计算低频自振分量频率ωL对于绝大多数并联电抗器的线路来说，由于电抗器参数为固定常数参数，自由分量频率仅由瞬时性故障熄弧等值回路的固有物理参数决定，基本不受系统阻抗及故障点位置变化影响，该自由振荡频率可离线准确计算。可按式(3)计算得到=JL"+1L"(3)、Lp(Lp+3LJ(2Cm+C。)其中Lp,Ln为并联电抗器及中性点小电抗器的等值电感；Cffl,C0为线路全长相间电容及对地电容。b)计算断开相并联电抗器电流各分量幅值I。I1理论上，瞬时性故障时断开相并联电抗器电流量的低频自由振荡分量的幅值込接近或大于工频分量的幅值I1；而永久性故障时，断开相并联电抗器电流量以工频周期分量为主要形式，不存在低频自由振荡分量，此时对应的低频自由振荡分量幅值L应接近0。实际上，自由振荡分量频率的计算误差会影响工频、自由振荡分量幅值计算精度，因此采用了具有良好稳定性的最小二乘拟合方法，可在一定程度上减小自由振荡分量频率误差带来的影响。预设线路瞬时性故障熄弧后并联电抗器电流iw(t)的最小二乘拟合模型，即I14(I)=IlSinCoi/+0L)+11sin^/+θχ)(4)式(4)中，込为低频自由振荡分量初始幅值，I1为工频分量幅值，λL为低频自由振荡分量哀减时间常数Ts的倒数，Θ^为低频自由振荡分量初相位，Q1为工频分量初相位，为低频自由振荡分量角频率，Q1为工频。超/特高压输电系统瞬时性故障时的低频自由振荡分量哀减时间较长，对于短数据窗算法则可忽略幅值哀减的影响，可近似取1。由此，令为1，简化最小二乘拟合模型式(4)为为如下形式ιφ(t)=[ILcosθLsin(coLt)+ILsinθLcos(ωLt)]+[I1cosθj8η(ω1)+Ι1sinθjcos(ωjt)](5)显然，瞬时性故障时断开相并联电抗器电流iw(t)每一时刻的采样值都满足式(5)。对于采样值Ut1Ki^(t2)、…、UtN)构成N个方程，可表示成以下矩阵方程形式其中X=[ILcosθl，IlsinθL,I1cosθ工，I1sinθJtB=[iL4)(ti)，iL4)(t2)，…，iL4)(tN)]TA为系数矩阵，可离线计算完成；X为待求参数矩阵，包含4个待求参数；B为由断开相并联电抗器的实时电流(t)的采样值构成的常数矩阵；N^4。理论上，对于式(6)中的参数可由4个独立的线性方程完成，但通常为了提高计算精度而采取扩大矩阵A规模的冗余方法。对应的矩阵X的求取可由式(7)完成|.V|=|,1Π/i|(7)4x17Vx4jVxI式(7)中，[i/为广义逆矩阵，其具体计算方法可参照相关数学方法完成，不再赘述。由式(7)可求得矩阵X中的ILcosθl>ILsinθL>I1Cosθ”I1Sinθ即可由式(8)求出断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值l·及工频分量幅值I1丨"—“丨―(8)c)永久性故障判别永久性故障判据Il<KkI1(9)考虑各种误差及裕度，其中可靠系数Kk=0.10.3。将断开相并联电抗器电流低频自振分量初始幅值L和工频分量幅值I1的计算结果代入式(9)进行判断。当式(9)成立时，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。为了提高上述判据的可靠性，如果Il<KkI1持续成立IOOms200ms，判为永久性故障，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。权利要求一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法，其输电线路的至少一端设置有三相并联电抗器和中性点小电抗器，其特征在于，包括以下步骤(1)采集三相并联电抗器的实时电流iLφ(t)，其幅值为IFLφ，其中φ＝A、B、C，有且仅有一相满足公式IFLφ≤(0.70～080)ILe时确定为单相故障及其对应故障相别，其中ILe为三相并联电抗器的正常工作电流幅值；并且当单相故障相的实时电流幅值ITLφ，满足公式ITLφ≤(0.40～050)ILeφ＝A、B、C时，判定该故障相处于跳闸断开状态，为断开相；(2)计算瞬时性故障时断开相并联电抗器电流的低频自振分量频率ωL，<mrow><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>P</mi></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mn>2</mn><mi>L</mi></mrow><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mi>P</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>L</mi><mi>P</mi></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mn>3</mn><mi>L</mi></mrow><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mrow><mn>2</mn><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></msqrt></mrow>其中LP、Ln分别为并联电抗器及中性点小电抗器的等值电感，Cm、C0分别为线路全长相间电容及对地电容；(3)预设线路瞬时性故障熄弧后断开相并联电抗器电流iLφ(t)的最小二乘拟合模型为其中，IL为断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值，I1为工频分量幅值，λL为低频自由振荡分量衰减时间常数的倒数，θL为低频自由振荡分量初相位，θ1为工频分量初相位，ωL为低频自由振荡分量频率，ω1为工频；令为1，简化最小二乘拟合模型为iLφ(t)＝[ILcosθLsin(ωLt)+ILsinθLcos(ωLt)]+[I1cosθ1sin(ω1t)+I1sinθ1cos(ω1t)]对于采样值iLφ(t1)、iLφ(t2)、…、iLφ(tN)构成N个方程，可表示成以下矩阵方程形式<mrow><munder><mrow><mo>[</mo><mi>A</mi><mo>]</mo></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>&times;</mo><mn>4</mn></mrow></munder><munder><mrow><mo>[</mo><mi>X</mi><mo>]</mo></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>&times;</mo><mn>1</mn></mrow></munder><mo>=</mo><munder><mrow><mo>[</mo><mi>B</mi><mo>]</mo></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>&times;</mo><mn>1</mn></mrow></munder></mrow>其中<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>sin</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>sin</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>cos</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>sin</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>cos</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mi>N</mi></msub></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>t</mi><mi>N</mi></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>sin</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mi>N</mi></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>cos</mi><mi>&omega;</mi></mrow><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mi>N</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>X＝[ILcosθL，ILsinθL，I1cosθ1，I1sinθ1]T，B＝[iLφ(t1)，iLφ(t2)，…，iLφ(tN)]T，A为系数矩阵，X为待求参数矩阵，包含4个待求参数；B为由断开相并联电抗器的实时电流iLφ(t)的采样值构成的常数矩阵；N≥4；求解待求参数矩阵X＝[ILcosθL，ILsinθL，I1cosθ1，I1sinθ1]T；由下式<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub><mi>cos</mi><msub><mi>&theta;</mi><mi>L</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub><mi>sin</mi><msub><mi>&theta;</mi><mi>L</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mi>cos</mi><msub><mi>&theta;</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>&theta;</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mtd></mtr></mtable></mfenced>计算获取断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值IL和工频分量幅值I1；(4)如果IL＜KkI1，其中可靠系数Kk＝0.1～0.3，将断开相判为永久性故障，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。FDA0000021381070000012.tif,FDA0000021381070000013.tif2.根据权利要求1所述的输电线路单相重合间前的永久性故障快速识别方法，其特征在于，步骤(4)中，如果1<1(1;11持续成立100200ms，将断开相判为永久性故障，发出重合闸闭锁命令；否则，判为瞬时性故障，发出重合闸命令。全文摘要本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，公开了一种输电线路单相重合闸前的永久性故障快速识别方法，其输电线路至少一端设置有三相并联电抗器和中性点小电抗器，具体步骤为首先，采集三相并联电抗器的实时电流iLφ(t)，进行单相故障相别及跳闸状态确认；然后，通过预设线路瞬时性故障熄弧后断开相并联电抗器电流iLφ(t)的最小二乘拟合模型，求出断开相并联电抗器电流的低频自由振荡分量初始幅值IL和工频分量幅值I1；最后，根据永久性故障判据IL＜KkI1、Kk＝0.1～0.3，进行单相故障性质判别。文档编号G01R31/08GK101860000SQ20101017282公开日2010年10月13日申请日期2010年5月14日优先权日2010年5月14日发明者刘巍,宋国兵,石光,索南加乐,邵文权,郭耀珠申请人:河南电力试验研究院;西安交通大学