42、单端阻抗法故障测距研究.doc

1、单端阻抗法故障测距研究- 1 -单端阻抗法故障测距的研究王茂清，郭宁明，覃剑（ 中 国 电 力 科 学 研 究 院 北 京 市 海 淀 区 清 河 小 营 东 路 15 号 100192）摘 要：分析了影响单端阻抗法测距的因素，通过 EMTP 软件仿真，研究了过渡电阻对单端阻抗法故障测距精度的影响。利用单端的数据估计过渡电阻的大小，再用过渡电阻的估计值对测距结果进行修正，提高了单端阻抗法的测距精度，减少了过渡电阻对测距精度的影响。关键词：过渡电阻 阻抗法 故障测距 EMTPAbstract：Factors which affect the accuracy of the single-ende

2、d fault location method based on impedence measurement is analysed,Especially researched the impact of transition resistance on the accuracy of single-ended fault location method based on impedence measurement. In the article,the transition resistance was estimated according to voltage and current d

3、atas of one end， then amend the result of the fault location to the use of estimate of the transition resistance.In this way,the accuracy of single-ended fault location based on impedence measurement was improved much,The inpact to the accuracy acused by the transition resistance was reduced.Key wor

4、ds:transition resistance , fault location method based on impedence measurement, transmission line fault location ，EMTP1 引 言行波测距装置在电力系统中已经得到了广泛应用，其原理是双端行波测距算法。双端测距算法的可靠性和测距精度都比较高，但是双端测距设备结构复杂，需要线路两端的数据进行同步。现有装置是通过对数据加入GPS时标进行同步的，增加了设备的制造成本和用户的维护成本。单端行波测距结构简单，不需要两端同步。但是对单端行波测距而言，一些线路结构和故障情况下无法进行单端行波测

5、距，单端行波测距法还存在测距死区问题 1。但是存在着可靠性不足的问题。为了提高可靠性，一种方法是通过阻抗法只作为辅助寻找波头。单端阻抗法可以用来辅助寻找故障波头，有着重要的研究价值。在各种故障中，过渡电阻对单相接地故障影响最大。所以，对单相短路接地的情况进行分析，研究对阻抗法测距精度有影响的因素。2 单 端 阻 抗 法 故 障 测 距 的 原 理单端阻抗法测距的原理类似于距离保护，是通过测量发生故障时线路的阻抗并与单位长度的线路阻抗相比较得到故障点到装置安装处的距离的测距方法。在单端阻抗法测距算法中，利用故障分量电流消除过渡电阻的影响的算法是一种效果比较好的算法。它能够在一定程度上降低过渡电阻

6、的影响。 下面介绍一下该算法的基本原理。单端阻抗法故障测距研究- 2 -E m E nZ mZ nR fZ l 1Z l 2I mI fI n图 1 单 相 接 地 故 障 图在图 1 中， Zm、Zn 分别为系统 M 端和 N 端的系统阻抗，Em,En 为 M 端和 N 端系统的电动势。假设线路的全长为 D，过渡电阻的大小为 Rf。线路发生单相短路接地时，线路与地之间存在着过渡电阻。一般认为过渡电阻是纯阻性的，并且是随着短路过程的发展变化的。电力系统包含着发电机，负荷，线路等组成部分，也包含了一些非线性的设备，比如异步发电机等，但是总的来分析的时候，在这里认为是一个线性的系统。当线路发生故障

7、时，根据叠加原理，可以将图 1 分解为非故障状态（如图 2）和故障状态（如图 3）的叠加 2。E m E nU fmnI m hI n hFR FZ lm Z lnZ mZ n图 2 非 故 障 状 态- U fmnI m gI n gFR FZ lmZ nZ mZ ln图 3 故 障 状 态 图则有： 。 mgIIhmfCI其中 Cm 是 m 端的分流系数， ，其中，D 为线路总长，d 为测量端到故障点()mlnZd的距离，Zl 为单位长度线路的阻抗。 由于其他两相的没有发生故障，故障电流为零（忽略了互阻抗的作用） ，所以：单端阻抗法故障测距研究- 3 -， 。 012mgmgII012mg

8、mgIIImg0、Img1 、Img2 分别为故障电流的零序、负序、正序分量。所以有： 012ffffII（1）且 。 012fffII（2）If0、If1、If2 分别为故障电流的零序、负序、正序分量。根据式（1）和（2） ，有：12003()3()3()2ffffmgfIIII C（3） 由于 Imh 是正常状态的电流，可以认为零序分量为零。所以 0()2mhfIIIC（4）令 03()2mgfaII可得 ： mIfaflmIRUZdC（5）对式（5）做出各电气量的相量图 3，如图 4：I mI f aI m Z l dU mI f a R f / C m图 4 各 电 气 量 的 相 量

9、 图单端阻抗法故障测距研究- 4 -其中， , mfa=UIargmlfIZdargmC根据相量图可的下式：asinsinmlIZd（6）asinmlUdIZ（7）根据式（5） 、 （6） 、 （7）可得下面迭代方程，进行迭代计算既可计算出故障距离 d。初值 02Dd迭代公式为：asin1mlkUdkIZ（8）其中：， ， argmlfaIZdkkmfa=UIargmkCk经过迭代计算，可以算出 d 的值。在式（7）中，有两个量是系统的参数，分别是：m 侧的系统阻抗 Zm 和 n 侧的系统阻抗 Zn。而 Zm 的值可以根据故障的负序网计算出来。单端阻抗法故障测距研究- 5 -U 2mnFR F

10、Z lmZ n 2Z m 2Z lnU a 2I a 2图 5 故 障 负 序 网如图 5 所示故障负序网，故障负序电流是由故障点流入系统的。所以， 。而系统的正2amUZI序阻抗和负序阻抗相差不大，可以近似认为 。12mZ对于 n 侧的系统阻抗 ，如果要根据 m 端的数据计算出来，条件并不充分。这里假设对端系统的系nZ统阻抗为常数，即 。c电力部门一般每年会进行一次阻抗验算，作为系统设计、保护整定的依据。对于一般用户，验算系统阻抗时，可以向电力调度部门取得接入点的系统阻抗，然后根据线路的长度、性质、变压器的参数计算出负荷端的阻抗。当无法取得接入点阻抗时，如接入点是 110kV 以上的变电站，

11、不妨将接入点的容量假定为无穷大（阻抗为 0） ，只计及用户变压器和线路的阻抗。在仿真计算中，我们采用假设对端系统的系统阻抗为常数，即 ，采用 来计算。对于无穷大系统，这种估算的误ncZcmZ差在可以接受的范围内。3 过 渡 电 阻 对 单 端 阻 抗 法 测 距 精 度 的 影 响阻抗法测距中不能准确确定的参数比较多，受到的影响因素比较多。主要的影响因素有：故障点的过渡电阻的大小，系统的运行方式的影响。由于过渡电阻的存在，有时对故障测距会带来严重的影响，并使这些装置产生较大的测距误差，从而引起装置的误动、拒动或引起故障测距装置输出错误的测量值。过渡电阻对这些装置的影响，尤其对双端输电线路影响最

12、大 4。在本文介绍的算法中，利用了故障前和故障后两组数据，理论上消除了过渡电阻的影响。但是，由于算法理由一些近似处理，也忽略了一些对结果影响较小的因素，所以过渡电阻对测距结果仍存在着一定的影响。为了研究过渡电阻对测距精度的影响，用PSCAD软件进行仿真并通过matlab编程计算，分析过渡电阻对测距精度的影响。假设线路总长度为 200km。根据过渡电阻的大小和两边系统阻抗，按照取短路点分别在线路距离 M 端 50km，100km 的地方，进行两组试验。第一组实验选取的故障点距离测距装置安装处的距离为 50km,第二组数据为故障点距离测距装置安装处的距离 100km。结果如表一表二所示。表 一 故

13、 障 点 距 离 测 距 装 置 50kmRf() Zm() Zn() 故障距离测量值（Km） 相对误差1 1+j*10 1+j*10 51.33 0.67%50 1+j*10 1+j*10 53.37 1.69%100 1+j*10 1+j*10 54.28 2.14%300 1+j*10 1+j*10 57.70 3.35%单端阻抗法故障测距研究- 6 -表 二 故 障 点 距 离 测 距 装 置 100kmRf() Zm() Zn() 故障距离测量值（Km） 相对误差1 1+j*10 1+j*10 99.28 -0.36%50 1+j*10 1+j*10 103.94 1.97%100

14、1+j*10 1+j*10 105.75 2.88%300 1+j*10 1+j*10 112.28 6.14%根据上面的数据可以看出，在金属性接地（过渡电阻 1）时，该算法具有较高的测距精度。特别是两单系统阻抗详尽的情况下，误差均在 1%以下。随着过渡电阻的增大，误差也越来越大。4 测 距 精 度 与 过 渡 电 阻 大 小 的 关 系 曲 线本文中介绍了以故障电流迭代法为原理的单端测距算法。在进行仿真计算中发现，该算法的精度随着过渡电阻的变化而变化。过渡电阻越大，测距误差也越大。但是该算法的测距误差是随着过渡电阻的增大单向变化的。在计算中，测距结果一般要比实际值要大，而且随着过渡电阻的增大

15、，测距结果与实际故障距离相差得越大。如果能找到误差大小与过渡电阻的关系，就可以利用过渡电阻的值来对该算法进行修正。而过渡电阻的值可以通过该算法进行估计。为了根据过渡电阻的大小调整故障区间的大小，需要解决两个问题。第一，要根据已知的单端数据估算出过渡电阻的大小。第二，需要得到测距精度与过渡电阻大小之间关系的曲线，并根据这个曲线拟合出二者之间的关系式。4.1 过 渡 电 阻 的 估 算在本文介绍的测距算法里，通过故障前后两组独立的数据，来消除过渡电阻的影响。过渡电阻的大小可以被估计出来。经过大量的仿真实验发现过渡电阻的估计误差不大。下面是过渡电阻的求解过程。在程序运行过程中有一个中间变量 Cm。该

16、算法在求解出故障距离 d 的同时，Cm 也被计算出来。利用 Cm 的值可以估算过渡电阻的大小。因为： c1/mlfmUZRCI所以：c11flmlmZI由于 Rf 一般为纯阻性，所以在计算中对上式中的 Rf 取实部。为了比较清楚的比较实际值与测量值的关系，将二者进行比较。可见，Rf 测量值与实际值相差不大，但随着过渡电阻的增大，误差也越来越大。取故障发生在中段 d=100km 为例。单端阻抗法故障测距研究- 7 -0501001502002503003501 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31RfRf测 量 值图 6 Rf 测量值与实际值比较4.2

17、 测 距 误 差 与 过 渡 电 阻 的 关 系 本文介绍的算法，测距的精度受到过渡电阻的影响很大。过渡电阻是影响测距精度的主要因素。经过大量的仿真计算，发现该方法的测距误差与过渡电阻的大小呈一次函数的关系。选取故障点位置为距离装置安装处 100km 对不同过渡电阻的情况进行 PSCAD 仿真，并用matlab 程序进行计算，得到了测距误差与过渡电阻的关系曲线。可见，测距误差与过渡电阻的大小基本呈一次函数的关系。经过对不同的过渡电阻情况下的仿真计算，得到了图 7 所示的关系曲线。相 对 误 差 与 过 渡 电 阻 的 关 系-2024680 100 200 300 400过 渡 电 阻相对误差

18、 相 对 误 差 %图 7 相对误差与过渡电阻的关系4.3 对 结 果 进 行 修 正测距误差与过渡电阻的大小基本呈一次关系。可以利用过渡电阻的测量值来对原测距结果进行修正。在故障发生在 100km 处时，通过仿真计算绘制出测距结果与过渡电阻的关系曲线如图 8 所示。单端阻抗法故障测距研究- 8 -故 障 测 距 结 果 与 过 渡 电 阻 的 关 系981001021041061081101121141160 100 200 300 400过 渡 电 阻故障测距结果故 障 距 离 实 测 值图 8 故障距离与过渡电阻的关系利用 matlab 对上面的一次函数的曲线进行拟合，可以得到经验公式：

19、。0.9475cfdR其中 d 是经过修正后的测距结果， 是原算法的测距结果。可以利用该公式和测得的过渡电阻的估cd计值对原算法的测距结果进行修正。对测距原算法的测距结果利用经验公式进行修正，结果如图 9 所示。其中 Rf 利用的是 4.1 中的估算值。0.9475cf修 正 后 的 测 距 结 果969798991001010 5 10 15 20 25 30 35过 渡 电 阻修正后结果图 9 修正后故障距离与过渡电阻的关系当过渡电阻的测量值小于 5 时，误差比较大，在 1%左右。在实际故障中，过渡电阻一般都是在 3 以上，对应的过渡电阻的测量值大于 5。在过渡电阻测量值大于 5 时，测距

20、误差在 0.1%以内。根据过渡电阻的测量值的大小，确定两个大小不同的时间窗口，用它来辅助单端行波法进行波头筛选，提高单端行波法的稳定性。5 结 论本文研究了过渡电阻对单端阻抗法故障测距精度的影响。通过估计过渡电阻的大小，再用过渡电阻的估计值对测距结果进行修正，提高了单端阻抗法的测距精度，减少了过渡电阻对测距精度的影响。经过修正后，测距误差在 1%以内，根据误差曲线，可以确定一个时间窗口。利用此窗口对行波波头单端阻抗法故障测距研究- 9 -进行选择，可以改进单端行波法的稳定性。参 考 文 献1覃 剑 ， 输 电 线 路 单 端 行 波 故 障 测 距 的 研 究 ， J.电 网 技 术 ， 第

21、29 卷 第 l5 期 .65-68.2葛 耀 中 新 型 继 电 保 护 与 故 障 测 距 原 理 与 技 术 M 西 安 ： 西 安 交 通 大 学 出 版 社 ， 2007.： 261-2623基 于 单 端 电 气 量 的 故 障 测 距 算 法 。 张 艳 霞 ， 李 志 果 .J.天 津 大 学 学 报 ， 第 39 卷 第 8 期 2006 年 8 月 ： 928-931。4王 果 ， 朱 大 鹏 一 种 可 避 免 过 渡 电 阻 影 响 的 故 障 测 距 新 方 法 .J.电 气 传 动 自 动 化 ， 2003， 25(3)： 62642005 年 8 月作 者 简 介 ： 王茂清（1983） ，男， 在读硕士研究生，主要进行电力系统故障测距方面的研究,Email: 。郭宁明（1979） ，男， 工程师，主要进行电力系统故障测距方面的研究,Email:。覃剑（1967-） ，男,博士,高级工程师,从事小波应用及电力系统和设备故障诊断研究,Email: 。