專利名稱:確定相對地故障的位置的系統和方法
技術領域:
本發明涉及電力網絡中單相接地故障的定位。
背景技術:
接地故障的定位是一個有挑戰性的任務,尤其是在大阻抗接地網絡中。有許多降低計算的故障位置估計的精度的因素,比如故障電阻和負載。配電網絡尤其具有挑戰性,因為它們具有特殊的特性,這些特性進一步復雜和挑戰故障定位算法。這些特性包括,例如,線路的非均勻性,分支和負載接頭的存在。
在現代基于微處理器的保護繼電器中,基于阻抗的故障定位算法已經變成工業標準。它們普及的原因是因為它們與其他功能使用相同的信號,因此它們易于實現。在定位短路故障時,它們的表現已被證實是令人滿意的,但是通常,它們不能夠定位小電流接地故障,即,在大阻抗接地系統中的接地故障。這是由于一個事實大阻抗接地網絡中的接地故障與短路故障在根本上是不同的。文獻Earth fault distance computation with fundamental frequency signals based onmeasurements in substation supply bay;Seppo Hanninen,Matti Lehtonen;VTTResearch Notes2153;Espoo 2002,揭示了一個現有技術的故障定位的方法的例子,所述方法用于在非接地、Petersen線圈補償以及小電阻接地網絡中定位單相接地故障的。文獻EP1304580揭示了一種方法,該方法用于在用Petersen線圈補償的電力網絡中,計算故障點到單極接地故障的距離。
一個影響基于阻抗的故障定位算法的準確性的重要因素是,負載電流和故障電阻的綜合影響。大多數現有技術的故障定位算法從測得的電流中除去了負載的成分。典型的差量(故障狀態值減去正常狀態值)、對稱成分或兩者的組合被用于此。差量還可以是因為例如Petersen線圈補償程度的變化而導致的差值。這有一個另外的好處是任何系統性的測量誤差都被排除。
現有技術的故障定位算法典型的基于假設負載被接到電力線(例如饋電線)的末端,即,故障總是假設位于負載點的前方。在真正的中壓饋電線中,這個假設很少正確。實際上,由于電壓降落的考慮,負載典型地位于饋電線的初始端或隨機地或多或少地分布于饋電線的整個長度。在這種情況下,現有技術的故障定位算法的準確性降低。
實際上,電力系統在幾何結構和負載上從來沒有完美地平衡。如果各相的相對地電容不相等,系統就產生穩態零序列量。如果兩相間的負載不相等,系統產生穩態負序列量。這些穩態序列量是故障定位算法額外的誤差源。典型的,系統穩態不平衡的影響通過運用差量可以被排除。基于從仿真和現場試驗得到的結果,看起來這至少不足以彌補某些算法。因此,重要的是算法的設計和測驗要使得在系統不平衡時具有魯棒性和穩定性。此外,現有技術基于阻抗的故障定位算法的應用通常被局限于有效接地或小阻抗接地系統。因此,這種算法不能被應用于高阻抗接地網絡。
發明內容
因此,本發明的一個目的是提供一種方法和實施該方法的設備以解決上述問題或至少緩解上述問題。本發明的目的通過一種以在獨立權利要求所描述的為特征的方法、系統、和計算機可讀存儲介質來達到。本發明的優選實施例通過從屬權利要求來揭露。
本發明是基于確定兩個可能故障位置備選方案的思想;一個是基于電力線的負載位于測量點和故障點之間的故障環模型,另一個是基于故障點位于測量點和電力線的負載之間的故障環模型。而且,故障環模型等式中的電壓和電流量優選為了故障定位的目的而最佳地被選擇。
本發明的方法和配置的一個優點是提高了故障定位的準確性。本發明適用于有效接地和小阻抗接地系統,也適用于高阻抗接地網絡。
以下將參考隨附的附圖,以優選實施例的方式對本發明做非常詳細的描述。其中 圖1是闡述可以應用本發明的電力網絡的圖; 圖2是電力線上單相接地故障的對稱分量等效圖; 圖3是電力線上單相接地故障的對稱分量等效圖;并且 圖4是闡述通過本發明的一個實施例推導等價負載距離。
具體實施例方式 本發明的方法和系統的應用不限于任何特殊系統,他們能夠連同不同的三相電力系統一起用于確定電力網絡中三相電力線上的單相接地故障的位置。電力線例如可以是饋電線,也可以是架空線或電纜或兩者的結合。本發明應用于其中的電力系統可以是電力傳輸網絡或配電網絡或該網絡的一部分,并且例如可以包括幾條饋電線。而且,本發明的應用不限于采用50Hz或60Hz基頻的系統或任何特殊電壓電平。
圖1是闡述可以應用本發明的電力網絡的簡化圖。本圖僅僅顯示了用于理解本發明所需的部件。示例的網絡可以是通過包括變壓器10和母線20的變電站饋送的中壓(例如20kV)配電網絡。舉例的網絡也可以包括電力線出線(outlet),即,饋電線,一個饋電線30被單獨的示出。其他可能的饋電線和其他網絡部件,除處理線30之外,被稱作“背景網絡”。該圖也示出了在線30初始端的保護繼電器單元40,和接地故障點F。保護繼電器單元40可以位于變電站內。應該注意的是,在網絡中可以有任何數目的饋電線或其他網絡元件。也可以有幾個饋電變電站。并且,例如,本發明可以用于不具有變壓器10的開關站。盡管為了清楚起見,該網絡是三相網絡,各相沒有在圖中示出。在圖1中的示例系統中,本發明的功能優選的位于繼電器單元40中。也可能僅僅是一些測量在單元40的位置執行,然后結果被傳送到在另一位置處的另一個單元或另一些單元以進行進一步的處理。換言之,單元40可以僅僅是測量單元而實際的繼電器單元可以位于遠離它的位置。
下面,應用本發明的三相電力系統的三相被稱為L1、L2、L3。各相L1、L2、L3的對應相電流為IL1、IL2、IL3,相電壓為UL1、UL2、UL3。被監控的電流值和電壓值優選地可以從包含連接到電力系統各相的電流和電壓換能器(未在圖中示出)的適合的測量配置來獲得。在許多現存的保護系統中,這些值容易得到,因此本發明的實施不必需要單獨的測量配置。如何獲得這些值與本發明的基本思想無關而取決于被監控的特殊電力系統。三相電力線30上的單相接地故障F和被監控的電力系統的該三相電力線的對應故障相L1、L2或L3可以通過例如與電力系統關聯的保護繼電器40來檢測。單相接地故障如何被檢測和對應的故障相如何被識別的特殊方式與本發明的基本思想無關。
本發明是基于利用基頻電壓和電流信號和兩種可替換的故障環模型確定從測量點(如,例如可能位于變電站內的繼電器40位置)到故障點F的兩種可替換的故障距離估計的思想。模型的不同之處優選在于考慮電力線如何載荷一種可選擇的模型假設故障位于負載之后,而另一種可選擇的模型假設故障位于負載之前。由此根據本發明,根據預定的標準將確定的兩個估計值中的其中一個選擇為測量點和故障點之間的距離。下面,給出一些可能的確定可選擇的故障距離估計的方式。然而,需要注意的是,本發明不局限于給出的示例性的等式或它們的組合。
通過本發明的一個實施例,在基于電力線的一個故障環模型的第一等式的基礎上,確定測量點和故障點之間的距離的第一估計值,在該模型中,電力線的故障位于測量點和故障點之間。圖2示出電力線上的單相接地故障的對稱元件等效圖,其中,故障點假設位于負載接頭之后。在闡述例子中的故障點假設在變電站的位置處。
用在圖2中的符號 Z1S=正序列電源阻抗 Z1T=供應變壓器的正序列阻抗 d=單位故障距離(d=0...1) Z1Fd=每相電力線的正序列阻抗 Z1Ld=每相負載的正序列阻抗 Z2S=負序列電源阻抗 Z2T=供應變壓器的負序列阻抗 Z2Fd=每相電力線的負序列阻抗 Z2Ld=每相負載的負序例阻抗 Z0T=供應變壓器的零序列阻抗(假設為三角形連接) Z0Tz=接地變壓器的零序列阻抗 Y0Bg=背景網絡的相對地導納 Y0Bg2=背景網絡的附加的相對地導納 Y0N=Petersen線圈的導納 Z0Fd=每相電力線的零序列阻抗 Y0Fd=電力線的相對地導納 RF=故障電阻 I1=在測量點測量的正序列元件電流 I1Ld=正序列元件負載電流 IF=故障點的故障元件電流 I2=在測量點測量的負序列元件電流 I2Ld=負序列元件負載電流 I0=在測量點測量的零序列元件電流 I0Fd=電力線本身的零序列元件電流 U1=在故障點測量的正序列元件電壓 U2=在故障點測量的負序列元件電壓 U0=在故障點測量的零序列元件電壓 s=等效負載的單位距離 基于闡述在圖2中的等效圖,可以得到下述等式 U0+U1+U2= s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF +d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF eq1 可替換的,等式1通過假設d·I0Fd/2不取決于故障距離d而得到簡化。可以得到下述等式 U0+U1+U2= s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+5·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·JF +d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF eq2 對于導體,適用Z2=Z1。普遍接受的假設是負載阻抗是純電阻性的,即,ZF=RF+jXF=RF。否則,XF/RF的比率應已知。
未知的d和ZF能夠通過將其分成實部和虛部,從等式1或等式2解決。
故障距離d能夠從等式1解決,其得出二階多項式。這種解決辦法給出兩個可替換選擇的故障位置估計d1和d2 A=-im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF) B=(-2*im(IF)*re(Z0FdI0)+2*im(Z2Fd*IF)*re(IF)- 2*im(IF)*re(Z2Fd*IF)- 2*im(IF)*re(Z1Fd*IF)+2*im(Z1Fd*IF)*re(IF)+2*im(Z0Fd*I0)*re(IF) C=2*im(IF)*re(U0)+2*im(IF)*re(U1)+2*im(IF)*re(U2)- 2*im(IF)*s*re(Z1Fd*I1)+2*s*im(Z2Fd*I2)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z1FdIF)*s- 2*im(IF)*s*re(Z2Fd*I2)-2*im(U0)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z2Fd*IF)*s- 2*im(U2)*re(IF)+2*s*im(Z1Fd*I1)*re(IF)-2*im(Z2Fd*IF)*s*re(IF)- 2*im(U1)*re(IF)-2*im(Z1Fd*IF)*s*re(IF) d1=(-B+sqrt(B*B-4*A*C))/(2*A) eq3a d2=(-B-sqrt(B*B-4*A*C))/(2*A) eq3b 對故障距離d的有效的第一估計值是d1或d2,使得0<d<1(實際上需要一定誤差范圍)。
可替換地,對于故障距離d的第一估計值能夠從等式2中解出,其產生一階多項式等式4 d=-2*(-1*im(IF)*re(U0)-1*im(IF)*re(U1)- 1*im(IF)*re(U2)+im(IF)*s*re(Z1Fd*I1)-1*s*im(Z2Fd*I2)*re(IF)- 1*im(IF)*re(Z1Fd*IF)*s+im(IF)*s*re(Z2Fd*I2)+im(U0)*re(IF)- 1*im(IF)*re(Z2Fd*IF)*s+im(U2)*re(IF)- 1*s*im(Z1Fd*I1)*re(IF)+im(Z2Fd*IF)*s*re(IF)+im(U1)*re(IF)+im(Z1Fd*IF)*s*re(IF ))/(2*im(IF)*re(Z1Fd*IF)+2*im(IF)*re(Z2Fd*IF)+2*im(IF)*re(Z0Fd*I0)+im(IF)*re( Z0Fd*I0Fd)-2*re(IF)*im(Z1Fd*IF)-2*re(IF)*im(Z2Fd*IF)-2*im(Z0Fd*I0)*re(IF)- 1*im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF)) RF的解可以從等式1中推導出,但是,從等式2得到的形式更簡單的等式,其結果是一階多項式等式5 RF=-1/3*(2*re(Z2Fd*IF)*s*im(Z0Fd*I0)+ 2*re(Z1Fd*IF)*s*im(Z0Fd*I0)-2*s*re(Z2Fd*I2)*im(Z2Fd*IF)- 2*s*re(Z2Fd*I2)*im(Z0Fd*I0)+2*re(U0)*im(Z0Fd*I0)- 2*s*re(Z2Fd*I2)*im(Z1Fd*IF)- 1*im(Z0Fd*I0Fd)*s*re(Z2Fd*I2)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(Z2Fd*IF)*s+re(Z0Fd*I0Fd)*s*im( Z2Fd*I2)-1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(Z1Fd*IF)*s+re(Z0Fd*I0Fd)*s*im(Z1Fd*I1)- 1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(Z2Fd*IF)*s- 1*im(Z0Fd*I0Fd)*s*re(Z1Fd*I1)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(Z1Fd*IF)*s+2*re(Z1Fd*IF)*s*im (Z2Fd*I2)+2*re(Z1Fd+IF)*s*im(Z1Fd*I1)+2*re(Z2Fd*IF)*s*im(Z2Fd*I2)+2*re(Z2Fd* IF)*s*im(Z1Fd*I1)+2*re(Z0Fd*I0)*s*im(Z2Fd*I2)+2*re(Z0Fd*I0)*s*im(Z1Fd*I1)- 2*re(Z0Fd*I0)*im(Z2Fd*IF)*s-2*re(Z0Fd*I0)*im(Z1Fd*IF)*s- 2*s*re(Z1Fd*I1)*im(Z1Fd*IF)-2*s*re(Z1Fd*I1)*im(Z2Fd*IF)- 2*s*re(Z1Fd*I1)*im(Z0Fd*I0)+2*re(U0)*im(Z2Fd*IF)- 1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U1)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(U1)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(U0)+im(Z0Fd*I0 Fd)*re(U2)-1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U0)- 1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U2)+2*re(U1)*im(Z1Fd*IF)-2*re(Z1Fd*IF)*im(U1)- 2*re(Z2Fd*IF)*im(U2)-2*re(Z0Fd*I0)*im(U0)-2*re(Z0Fd*I0)*im(U2)- 2*re(Z0Fd*I0)*im(U1)+2*re(U0)*im(Z1Fd*IF)+2*re(U1)*im(Z2Fd*IF)+2*re(U1)*i m(Z0Fd*I0)+2*re(U2)*im(Z1Fd*IF)+2*re(U2)*im(Z2Fd*IF)+2*re(U2)*im(Z0Fd*I0)- 2*re(Z1Fd*IF)*im(U0)-2*re(Z1Fd*IF)*im(U2)-2*re(Z2Fd*IF)*im(U0)- 2*re(Z2Fd*IF)*im(U1))/(-2*im(Z1Fd*IF)*re(IF)-2*im(Z2Fd*IF)*re(IF)- 2*im(Z0Fd*I0)*re(IF)- 1*im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z1Fd*IF)+2*im(IF)*re(Z2Fd*IF)+2*im(IF)*re( Z0Fd*I0)+im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)) 依照本發明的一個實施例,測量點和故障點之間的距離的第二估計值在基于電力線的故障環模型的第二等式的基礎上確定,在該模型中,故障點位于測量點和電力線的負載之間。圖3示出了電力線上單相接地故障的對稱元件等效圖,其中,故障點假設在故障接頭的前方。在闡述例中的故障點假設在變電站的位置上。基于在圖3中闡述的等效圖,可以得出以下等式 U0+U1+U2= d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2 +d·Z0Fd·(Z0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF eq6 可替換的,等式6通過假設d·I0Fd/2不取決于故障距離d而得到簡化。可以得到下述等式 U0+U1+U2= d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2 +d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF eq7 未知的d和ZF能夠通過利用其實部和虛部,從等式6和等式7求解。
故障距離d能夠從等式6解出,其得出二階多項式。這種解決辦法給出兩個可替換選擇的故障位置估計d1和d2 A=im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)-im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF) B=- 2*im(Z1Fd*I1)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z1Fd*I1)+2*im(IF)*re(Z2Fd*I2)+2*im(IF)*re( Z0Fd*I0)-2*im(Z2Fd*I2)*re(IF)-2*im(Z0Fd*I0)*re(IF) C=-2*im(IF)*re(U0)-2*im(IF)*re(U1)- 2*im(IF)*re(U2)+2*im(U0)*re(IF)+2*im(U1)*re(IF)+2*im(U2)*re(IF) d1=(-B+sqrt(B*B-4*A*C))/(2*A) eq8a d2=(-B-sqrt(B*B-4*A*C))/(2*A) eq8b 對故障距離d的有效的第二估計值是d1或d2,使得0<d<1(實際上需要一定的誤差范圍)。
可替換地,對于故障距離d的第二估計值能夠從等式7中解出,其得出一階多項式,等式9 d=2*(im(IF)*re(U0)+im(IF)*re(U1)+im(IF)*re(U2)- 1*im(U0)*re(IF)-1*im(U1)*re(IF)- 1*im(U2)*re(IF))/(2*im(IF)*re(Z1Fd*I1)+2*im(IF)*re(Z2Fd*I2)+2*im(IF)*re(Z0Fd* I0)+im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)-2*im(Z1Fd*I1)*re(IF)-2*im(Z2Fd*I2)*re(IF)- 2*im(Z0Fd*I0)*re(IF)-1*im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF)) RF的解可以從等式6中推導出,但是,從等式7得到的形式更簡單的等式,其結果是一階多項式等式10 RF=-1/3*(-2*im(U1)*re(Z2Fd*I2)-1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U1)- 2*im(U2)*re(Z1Fd*I1)-2*im(U2)*re(Z2Fd*I2)-2*re(Z0Fd*I0)*im(U2)- 1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U2)- 2*im(U0)*re(Z2Fd*I2)+2*im(Z1Fd*I1)*re(U0)+2*im(Z1Fd*I1)*re(U1)+2*im(Z1Fd* I1)*re(U2)+2*im(Z2Fd*I2)*re(U0)+2*im(Z2Fd*I2)*re(U1)+2*im(Z2Fd*I2)*re(U2)+ 2*re(U0)*im(Z0Fd*I0)+2*re(U1)*im(Z0Fd*I0)+2*re(U2)*im(Z0Fd*I0)+im(Z0Fd*I0F d)*re(U1)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(U2)-2*im(U0)*re(Z1Fd*I1)-2*re(Z0Fd*I0)*im(U0)- 2*im(U1)*re(Z1Fd*I1)-1*re(Z0Fd*I0Fd)*im(U0)+im(Z0Fd*I0Fd)*re(U0)- 2*re(Z0Fd*I0)*im(U1))/(2*im(IF)*re(Z1Fd*I1)+2*im(IF)*re(Z2Fd*I2)+2*im(IF)*re( Z0Fd*I0)+im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)-2*im(Z1Fd*I1)*re(IF)-2*im(Z2Fd*I2)*re(IF)- 2*im(Z0Fd*I0)*re(IF)-1*im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF)) 依照本發明的一個實施例,電壓變量和電流變量優選按照以下來選擇 U1=正序列電壓分量=(UL1+a·UL2+a2·UL3)/3 U2=負序列電壓分量=(UL1+a2·UL2+a·UL3)/3 U0=零序列電壓分量=(UL1+UL2+UL3)/3 I1=正序列電流分量=(IL1+a·IL2+a2·IL3)/3 I2=負序列電流分量=(IL1+a2·IL2+a·IL3)/3 I0=零序列電流分量=(IL1+IL2+IL3)/3 IF=K1·I0或者可替代的IF=I2 I0Fd=(K1-1)·I0或者可替代的I0Fd=(I2-I0) 這里 a=cos(120°)+j·sin(120°) K1=電流分配因子 依照本發明的實施例,有兩個利用等式eq3a、eq3b和eq8a、eq8b或eq4和eq9來計算故障距離的可替換選擇的原則。
通過本發明的第一可替換選擇的原則,故障距離可以基于接地故障期間的變化前和變化后的電壓值和電流值來計算。該變化可能由于接通或斷開與Petersen線圈并聯的附加電阻,改變Petersen線圈的補償度,或是由于故障期間背景網絡的開關操作,其減少或增加了故障電流。在這種情況下,電壓和電流優選地按以下來選擇 U1=ΔU1 U2=ΔU2 U0=ΔU0 I1=ΔI1 I2=ΔI2 I0=ΔI0 IF=ΔIF I0Fd =ΔI0Fd 這里,Δ=變化前的值-變化后的值。
這種替換選擇的好處是,負載電流的影響實際上被完全消除。系統和負載的不對稱性的影響也被消除。并且,任何系統性的測量誤差被消除。缺點是,在接地故障過程中需要有一個變化條件。
根據本發明的第二可替換選擇的原則,故障距離可以基于故障前的電壓和電流以及故障中的電壓和電流來計算。在這種情況下,電壓和電流優選地按以下來選擇 U1=U1 U2=U2 U0=U0 I1=I1 I2=ΔI2 I0=ΔI0 IF=ΔIF I0Fd =ΔI0Fd 其中,Δ=故障前的值-故障值。
由于零序列電流中的穩態非對稱典型地可以被忽略,因此對零序列電流來說差量不絕對被需要。負序列電流量也能夠沒有差量就計算出,尤其是在穩態負序列電流小的情況下(即,負載不是很不平衡)。因此,ΔI0和/或ΔI2可以分別被I0和/或I2代替。
這個可選擇方式的好處是,在接地故障的過程中不需要有變化。系統和故障的不對稱性也可以被消除。缺點是正確的結果需要故障電流超過負載電流。足夠的負載電流量幅度即使在全國性故障的情形下也能夠獲得,其中,兩個單相接地故障同時在不同的饋電線或不同的相發生。這種故障也可以通過首先確定在單相接地故障期間的故障相,接著在變電站的另一相和另一饋電線上制造另一個接地故障而人工獲得。雙接地故障的持續時間可以非常短,幾個周期已經足夠用于故障距離計算。
前述等式假設在L1相有接地故障狀況。如果故障發生在L2或L3,正序列和負序列分量需要經過相位調整。這可以基于熟知的對稱分量理論來實施。以L1相為參考 L1U2=U2 I2=I2 U1=U1 I1=I1 L2U2=a·U2 I2=a·I2 U1=a2·U1 I1=a2·I1 L3U2=a2·U2 I2=a2·I2 U1=a·U1 I1=a·I1 依照本發明的一個實施例,電流分配因子K1可以通過如下等式計算 這里, Y0F=電力線的視在零序列導納 Y0BG=背景網絡的視在零序列導納 Y0F可以通過利用預定的導體數據來確定 這里, RL0F=代表電力線的漏電損失的電阻 XC0F=電力線的相對地容性電抗 參數XC0F可以基于被保護饋電線的相對地電容計算得出 這里,C0F=被保護饋電線每一相的總相對地電容。
如果電力線的接地故障電流的幅值Ief已知,每一相的對應接地電容可以用以下公式計算出 這里,Uv=相對地電壓的幅值。
典型地,參數RL0F的確切值是未知的,但是,基于現場記錄,可以使用10......30·XC0F的近似值。因為Y0F總是顯著地呈容性,因此知道RL0F的確切值不是必須的。
可替換的,Y0F的值能夠由測量值確定 這里 ΔI0=(I0fault-Iprefault)=在測量點測量的零序列電流分量的差量 ΔU0=(U0fault-Uprefault)=在測量點測量的零序列電壓分量的差量 只要在被保護的饋電線之外發生了接地故障,(等式13)的測量就可以執行。然而,注意,計算出的值與饋電線的電流開關狀態相匹配,從而如果被保護饋電線的開關狀態改變,則所述值將不再有效。在這種情況下,優選的,測量應該被重復操作。
Y0BG的值可以通過采用在電力線上的單相接地故障期間測量到的零序列量計算出 Y0BG的值描述了背景網絡的性質。電抗部分與故障電流的幅值成正比,電阻部分描述了電阻性漏電損失的幅值。
由于零序列電流中的穩態不對稱通常被忽略,對于等式(eq13)和(eq14)中的零序列電流來說差量不是絕對需要。然而,各相的相對地電容中的不平衡產生了穩態零序列電壓,在高阻抗接地網絡中應該通過差量消除該零序列電壓。
依據本發明的一個實施例,電力線的負載通過模型化而被考慮。優選地,負載被模型化為具有位于離測量點的距離為s
的假想負載接頭。參數s代表等效的負載距離,其可以通過計算的方式或在初級網絡中的測量的方式確定。
實際上,負載隨時間和地點而變化,因此,s的值不完全恒定。由于實際上不同相的負載不是完美的平衡的,兩相間的s也有微小的變化。因此,優選的,在不同的負載情景下來確定s,從而s的變化可以被估計出來。優選的,代表最典型的負載情況的值應該被作為s的值。
依照本發明的一個實施例,等效負載距離s通過計算來確定。圖4將參數s的推導和含義直觀化。在示例性的情況下,該負載假設均勻地沿著電力線分布。在圖4中,實曲線顯示了實際的電壓降落。該電壓降落的最大值顯現在線的末端,其用Udrop(real)來表示。現在,如果這條線的全部負載集中為一個負載接頭,并位于從等式eq9計算出的與變電站之間距離s的地方,則產生的最大電壓降落將等于實際的最大電壓降落Udrop(real)。圖4中的虛線顯示了當全部負載位于距離測量點s的地方時的電壓降落。
等效負載距離(參數s)的計算可以基于在兩個不同的負載情況下計算沿著電力線產生的電壓降落。參數s是這兩個不同負載情況下的電壓降落的商 其中, Udrop(real)=電力線的實際最大電壓降落 Udrop(s=1)=當所有的負載接頭在電力線的末端時假設的電壓降落。
當實際的負載分布位于徑向饋電線的最遠端時,產生實際最大電壓降落Udrop(real)。例如,該值可以從網絡計算程序中取得。
當與實際最大電壓降落相對應的負載連接在饋電線的最遠點的一個單點上時,產生假設的電壓降落,Udrop(s=1)。電壓降落可以通過下述簡單的等式計算得出 這里,Z1=從測量點到電壓降落最大的點的正序列阻抗 S=電力線的全部視在負載(=P+j·Q) P=視在負載的實部,有功功率 Q=視在負載的虛部,無功功率 U=測量點的額定電壓(相對相) 下面,給出如何計算等效負載距離的例子在該例中,電力線的全部負載是S=1.430+j·0.265MW(U=20.5kV)。從測量點到電壓降落最大的點的正序列阻抗是Z1=12.778+j·12.871歐。從網絡計算程序得到的相應的最大電壓降落Udrop(real)=3.61%。相應于全部負載位于線路末端的單點的情形的假設電壓降落可以按照以下得出 利用等式(eq15),等效負載距離值為 依據本發明的一個實施例,等效負載距離s通過測量的方式確定。參數s的測量可以通過在最大實際電壓降落發生的電力線的最遠點(d=1)處制造一個單相接地故障(RF=0歐)而實施。參數s可以利用從圖2中描述的等效圖推導出的等式eq1或eq2計算得出。未知的s(和ZF)可以通過將eq1或eq2分成實部和虛部而由eq1或eq2解決。s的解可以從eq1中推導出,但,一個作為結果而從eq2得出的等式的更簡單的形式是一階多項式Eq17 s=-0.5*(-2*im(IF)*re(U0)-2*im(IF)*re(U1)- 2*im(IF)*re(U2)+2*im(U1)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z1Fd*IF)-2*im(Z2Fd*IF)*re(IF)- 2*im(Z1Fd*IF)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z2Fd*IF)- 1*im(Z0Fd*I0Fd)*re(IF)+2*im(IF)*re(Z0Fd*I0)+im(IF)*re(Z0Fd*I0Fd)+2*im(U0)*re (IF)-2*im(Z0Fd*I0)*re(IF)+2*im(U2)*re(IF))/(im(IF)*re(Z1Fd*I1)- 1*im(Z2Fd*I2)*re(IF)-1*im(IF)*re(Z1Fd*IF)+im(IF)*re(Z2Fd*I2)- 1*im(IF)*re(Z2Fd*IF)- 1*m(Z1Fd*I1)*re(IF)+im(Z2Fd*IF)*re(IF)+im(Z1Fd*IF)*re(IF)) 依照本發明的一個實施例,優選的,如先前描述的那樣選擇變量,但是調整d=1。
如果由于沒有足夠的網絡數據和/或測量數據而不能應用等式(eq15......eq16),那么可以取而代之地使用一個初始值s=0.5。其假設負載沿著饋電線均勻分布。然而,必須注意到,與“真”值的偏離將導致在故障距離估計時產生誤差。基于計算機仿真和現場測試,s的每單位X的偏離將導致在故障距離估計時的每單位X的誤差。例如,如果“真”值=0.4,但是0.3或0.5被用作參數s的值,那么在故障距離估計時,預期將產生每單位±0.1的誤差。如果s被設置得比真s值小,估計的誤差距離將變得太小。如果s被設置得比真s值大,估計的誤差距離將變得太大。注意,參數s只影響eq3a,eq3b和eq4,其中,故障位于負載之后。
通過幾個參數設置組和基于負載監控和網絡配置來改變s的值,負載變化可以被處理。這可以自動的實行。
依照本發明的一個實施例,當從等式eq3a、eq3b和eq8a、eq8b或eq4和eq9中獲得兩個可替換選擇的故障距離d的估計值時,將基于如下標準選擇正確結果d 利用等式eq3a、eq3b和eq8a、eq8b(首先通過要求0<d<1選擇正確的根,優選的具有一定的誤差范圍) 如果s<d_eq3<1,則d=d_eq3,否則d=d_eq8,或者可替換的 如果0<d_eq8<s,則d=d_eq8,否則d=d_eq3 這里 d_eq3=從等式eq3a和eq3b得出的在測量點和故障點之間的距離的第一估計值。
d_eq8=從等式eq8a和eq8b得出的在測量點和故障點之間的距離的第二估計值。
利用等式eq4和eq9 如果s<d_eq4<1,則d=d_eq4,否則d=d_eq9,或者可替換的 如果0<d_eq9<s,則d=d_eq9,否則d=d_eq4 這里 d_eq4=從等式eq4得出的在測量點和故障點之間的距離的第一估計值。
d_eq9=從等式eq9得出的在測量點和故障點之間的距離的第二估計值。
在故障距離是以故障前和故障時的電壓和電流值為基礎來計算的情況下,選擇邏輯典型的只有當具有零故障電阻的接地故障電流超過負載電流幅值的時候才適用。否則,該選擇邏輯不能可靠的運行。可以通過提高與負載電流幅值相關的故障電流的幅值來提高正確度。這可以通過例如在一個自動重合時序的死區時間期間背景網絡中的開關操作來實行。
在實際中,在接地故障中總是包含一些故障電阻,不具有故障電阻的故障電流可以利用下述等式被計算出來 這里 Ie=沒有故障電阻的情況下估計的接地故障電流的幅值 Ief=在故障電阻=abs(IF*3)的情況下估計的接地故障電流的幅值 U=額定相對相電壓的幅值 RF=從eq5或eq10估計的故障電阻 故障前相電流和從等式17中得到的故障電流的比值可以被計算出來并和故障電阻的估計值一起用于評判估計負載距離的正確性。基于仿真和現場試驗,如果基于故障前和故障時的電壓和電流的值來計算故障距離,只有當從eq17中得出的故障電流超過故障前的相電流時,故障距離的估計才是正確的。
對于一個可靠的故障位置估計,可以進行下述附加的檢查 d的值為正 d的值在0...1之間(具有一定的誤差范圍) d的值具有穩定的時間行為 估計的故障電阻在一定的限定值之下。基于現場試驗,能被檢測到的最大的故障電阻也許是幾千歐姆。然而,大的故障電阻值通過減小估計而影響故障距離的估計。
依照本發明的一個實施例,用于確定三相電力線上的相對地故障的距離的系統可以這樣實施,它包括檢測電力線上的故障的檢測單元,識別電力線的一個或幾個故障相的識別單元,以及確定上述測量點和故障點之間的距離的確定單元。在這里,術語“單元”一般指物理或邏輯實體,比如,物理裝置或該物理裝置的一部分或軟件程序。上面描述的本發明的其他實施例可以例如用計算單元或一個或多個附加單元實施。上面提到的檢測單元、識別單元和計算單元以及可能的附加單元可以是物理上分離的單元或作為一個整體實施。舉例來說,一個或多個這樣的單元可以位于圖1中的保護繼電器單元40中。
當通過可能已經存在于被保護的系統內的一個或多個單獨的單元來執行故障檢測和故障相識別時,本發明可以通過從這些單元接收故障檢測信息和故障相的指示的裝置來實施。依據本發明的一個實施例,該裝置被配置成響應接收到的關于電力線上的故障和電力線的一個或多個故障相的指示,來確定以上描述的相對地故障的距離。該裝置也可以被配置成實施以上描述的本發明的其他實施例。
依照本發明的實施例的系統和裝置可以例如通過計算機或具有適合的軟件的相應的數字信號處理設備來實施。這種計算機或數字信號處理設備優選的包含至少一個提供用于算術運算的存儲區域的存儲器和處理器,例如通用數字信號處理器(DSP),用于執行該算術運算。也可能利用一個或多個特別的集成電路或相應的元件和設備以執行依照本發明的各種實施例的功能。
本發明可以在現有的系統元件中執行,例如,各種保護繼電器或繼電器配置,或者通過使用分離的集中或分布方式的專用元件和設備。現有的用于電力系統的保護裝置,例如保護繼電器,典型的包括可以用于依照本方明實施例的功能中的處理器和存儲器。因此,例如在現存保護設備中用于執行本發明的實施例所需的所有的修改和配置,,可以按照軟件程序來執行,其可以通過附加的或更新的軟件程序來執行。如果本發明的功能通過軟件來執行,這種軟件可以由包括計算機程序代碼的計算機程序產品來提供,當在計算機上運行該計算機程序代碼時,將使得計算機或相應的配置來執行依照上面描述的本發明的功能。這種計算機程序代碼可以存儲在計算機可讀介質上,例如,合適的存儲裝置,舉例來說,閃存或盤式存儲器,計算機程序代碼從該存儲裝置裝載到執行所述程序代碼的一個或多個單元。另外,這種實施本發明的計算機程序代碼可以被加載到通過例如合適的數據網絡來執行所述計算機程序代碼的一個或多個單元中,并且,可以代替或更新可能存在的程序代碼。
對于本領域技術人員來數,明顯的,隨著技術的進步,本發明構思可以通過多種方式來實施。本發明和其實施例不局限于上面描述的例子,而是可以在權利要求的范圍內變化。
權利要求
1、一種用于確定電力系統的三相電力線上的相對地故障的距離的方法,該方法包括
監測三相電力線在測量點的電流量和電壓量;
檢測三相電力線上的相對地故障和三相電力線的故障相,其特征在于該方法包括
以檢測的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第一等式為基礎,確定測量點和故障點之間的距離的第一估計值,在該故障環模型中,電力線的負載位于測量點和故障點之間;
以檢測的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第二等式為基礎,確定測量點和故障點之間的距離的第二估計值,在該故障環模型中,故障點位于測量點和電力線的負載之間;并且
依照預定的標準選擇確定的兩個估計值中的一個作為測量點和故障點之間的距離。
2、如權利要求1的方法,其特征在于第一等式為
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里,
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=每一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
3、如權利要求2的方法,其特征在于第二等式是
U0+U1+U2=
d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF。
4、如權利要求1的方法,其特征在于第一等式是
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=每一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
5、如權利要求4所述的方法,其特征在于,第二等式是
U0+U1+U2=
d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZP·IF。
6、如權利要求1-5之一的方法,其特征在于依據下述標準來施行選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果s<de1<1,則d=de1,否則d=de2
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
7、如權利要求1-5之一的方法,其特征在于通過下述標準來施行選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果0<de2<s,則d=de2,否則d=de1
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
8、一種包含計算機程序編碼的計算機程序產品,其中,程序編碼在計算機上的執行使得計算機執行依照權利要求1到7任一項的方法的步驟。
9、一種用于確定電力網絡的三相電力線上的相對地故障距離的系統,該系統包括
用于監控三相電力線(30)在測量點(40)的電流量和電壓量的裝置;
用于檢測三相電力線(30)上的相對地故障(F)的裝置;和
識別三相電力線(30)的故障相的裝置,其特征在于該系統進一步包括
用于以監控的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第一等式為基礎,確定測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第一估計值的裝置,在該故障環模型中,電力線的負載位于測量點和故障點之間;
用于以監控的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第二等式為基礎,確定測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第二估計值的裝置,在該故障環模型中,故障點位于測量點和電力線的負載之間;并且
用于依照預定的標準選擇兩個估計值中的一個作為測量點和故障點之間的距離的裝置。
10、如權利要求9的系統,其特征在于,第一等式是
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Pd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里,
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=每一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
11、如權利要求10的系統,其特征在于第二等式是
U0+U1+U2=
d·X1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF
12、如權利要求9的系統,其特征在于第一等式是
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=母一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
13、如權利要求12的系統,其特征在于第二等式是
U0+U1+U2=
d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+I0Pd/2)+3·ZF·IF
14、如權利要求9-13任一項的系統,其特征在于用于選擇的裝置被配置成依照下述標準來選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果s<de1<1,則d=de1,否則d=de2
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
15、如權利要求9-13任一項的系統,其特征在于用于選擇的裝置被配置成依照下述標準來選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果0<de2<s,則d=de2,否則d=de1
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
16、一種用于確定電力網絡的三相電力線上的相對地故障的距離的設備,該設備(40)包括
用于監控三相電力線(30)在測量點(40)的電流量和電壓量的裝置,其特征在于該設備(40)包括
用于確定的裝置,響應于在該設備中接收的關于三相電力線上的故障(F)和三相電力線的故障相的指示,以監測的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第一等式為基礎來確定測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第一估計值,在該故障環模型中,電力線的負載位于測量點和故障點之間,和以監測的電流量和電壓量的值和將電流量和電壓量與距離關聯起來并基于電力線的故障環模型的第二等式為基礎來確定測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第二估計值,在該故障環模型中,故障點位于測量點和電力線的負載之間;并且
用于依照預定的標準選擇兩個估計值中的一個作為測量點(40)和故障點(F)之間的距離的裝置,。
17、如權利要求16的設備,其特征在于第一等式是
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里,
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=每一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
18、如權利要求17的設備,其特征在于第二等式是
U0+U1+U2=
d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+d·I0Fd/2)+3·ZF·IF。
19、如權利要求16的設備,其特征在于第一等式是
U0+U1+U2=
s·Z1Fd·I1+(d-s)·Z1Fd·IF+s·Z2Fd·I2+(d-s)·Z2Fd·IF
+d·Z0Fd-(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF
這里
d=從測量點到故障點的單位故障距離
U0=在測量點測量的零序列分量電壓
U1=在測量點測量的正序列分量電壓
U2=在測量點測量的負序列分量電壓
Z1Fd=每一相電力線的正序列阻抗
Z2Fd=每一相電力線的負序列阻抗
Z0Fd=每一相電力線的零序列阻抗
ZF=故障阻抗
I1=在測量點測量的正序列分量電流
IF=在測量點的故障分量電流
I2=在測量點測量的負序列分量電流
I0=在測量點測量的零序列分量電流
I0Fd=電力線本身的零序列分量電流
s=等效負載的單位距離。
20、如權利要求19的設備,其特征在于第二等式是
U0+U1+U2=
d·Z1Fd·I1+d·Z2Fd·I2+d·Z0Fd·(I0+I0Fd/2)+3·ZF·IF
21、如權利要求16-20之一的設備,其特征在于用于選擇的裝置被配置成依照下述標準來選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果s<de1<1,則d=de1,否則d=de2
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
22、如權利要求16-20任一項的設備,其特征在于用于選擇的裝置被配置成依照下述標準來選擇確定的兩個估計值之一作為測量點和故障點之間的距離d
如果0<de2<s,則d=de2,否則d=de1
這里
de1=以第一等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第一估計值
de2=以第二等式為基礎而確定的測量點和故障點之間的距離的第二估計值
s=等效負載的單位距離。
23、如權利要求16至20任一項的設備,其特征在于,該設備是保護繼電器。
全文摘要
一種用于確定在三相電力線(30)上的相對地故障的距離的方法、系統和設備,該設備(40)被配置成以基于電力線的故障環模型的第一等式為基礎來確定測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第一估計值,在該模型中,電力線的負載位于測量點和故障點之間;以基于電力線的故障環模型的第二等式為基礎來確定用于測量點(40)和故障點(F)之間的距離的第二估計值,在該模型中,故障點位于測量點和電力線的負載之間;并且,依照預定的標準從確定的兩個估計值中選擇其中一個作為測量點和故障點之間的距離。
文檔編號G01R31/08GK101251568SQ20071016918
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月29日 優先權日2006年12月29日
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