基于多源信息的输电线路故障定位新方案

马伟，吴靖，章玮明，丁冬，林森

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009）

基于多源信息的输电线路故障定位新方案

马伟，吴靖，章玮明，丁冬，林森

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009）

鉴于快速、准确地定位输电线路上的故障点对保障电力系统的安全稳定运行至关重要，提出了一种基于多源信息的输电线路故障定位新方案。该方案借助区域集中式广域保护系统采集保护区域内的拓扑信息、网络参数和电流信息，当输电线路发生故障后，依据故障线路等值模型和叠加原理，通过电网中的节点注入电流和线路电流求解故障稳态模型中线路电流；在此基础上，通过定义线路平均故障距离实现了故障点定位。基于新英格兰10机39节点系统的仿真结果表明，本方案不受故障类型、过渡电阻、故障点位置等因素的影响，能够准确地定位保护区域内线路上的故障点。

广域保护；多源信息；故障定位；过渡电阻；故障类型

0 引言

随着大规模新能源的接入和交直流混合超/特高压互联大电网的发展，电网结构愈加复杂、运行方式愈加多变，各级输电线路负荷较重，出现故障的概率逐渐增加[1-3]。在输电线路发生故障后，快速、准确地定位电网中故障位置，对保障电网的安全稳定运行至关重要[4-6]。

鉴于基于单端信息的故障定位测距误差易受过渡电阻、运行方式等因素的影响[7]，国内外学者在对电网故障研究的基础上，提出了基于广域测量系统的多种故障定位的方法和原理。文献[8]利用所有的故障类型中均存在正序网络的特点，利用电压相量进行故障定位，但计算过程中需要以较小的步长遍历各条线路，计算量大。文献[9]通过确定故障界定集，依据故障发生后故障界定集与支路电流测量值之间的贴近度来确定故障位置，其特点是网络结构发生变化后，故障界定集能够进行相应的更新。文献[10]依据电网的拓扑结构和相量测量单元配置规则，分析各个关联域内的差动电流故障稳态分量，通过计算关联域内的故障关联因子确定故障位置。

在此提出了一种基于多源电流信息的输电线路故障定位新方案，该方案利用区域集中式广域保护系统采集保护区域内的拓扑信息、网络参数和电流信息。当输电线路发生故障后，依据故障线路等值模型和叠加原理，通过电网中的节点注入电流和支路电流求解故障稳态模型中支路电流，在此基础上，计算电网中各线路的平均故障距离，以实现故障定位。基于新英格兰10机39节点系统的仿真结果，验证了本方案的有效性与准确性。

1 区域集中式广域保护系统

在国内外发生的多次大停电事故中，传统继电保护的不合理动作通常是事故诱发和扩散的主因。随着同步测量、智能变电站等关键技术的日臻成熟，利用电网多源信息构建广域保护可彻底摆脱传统保护逐级逐段延时配合、可靠性灵敏性相互妥协以及故障过负荷难以区分的困境[2]。目前，广域保护系统构成模式包括广域集中式、区域集中式、站域集中式、IED（智能电子设备）分布式[11]。

区域集中式广域保护是根据电网拓扑结构、通信量及延时、地理环境等方面考虑，将电网可划分为多个保护区域，每个区域包括1个主站和若干个子站[12-13]。子站负责本站的电气量、逻辑量等信息收集，并将相关信息上送至主站，保护主机根据接收到的信息实现故障元件识别与智能决策功能。当保护区域内发生故障后，保护主机根据跳闸策略向保护区域内的相关子站发送跳闸指令，子站收到跳闸指令后方可跳闸[14]。

区域集中式广域保护系统结构模式如图1所示。该模式配置简单、汇集的信息性针对性强，能够多角度识别系统故障；同时，系统可靠性与复杂度、保护主机工作负担、保护执行速度、建设投资成本等方面均较为均衡，合理可行。

图1 区域集中式广域保护系统

2 故障定位方案

2.1 基本原理

对于有b条线路的保护区域，假设在距线路m-n的母线m为αLmn处发生短路故障，其故障模型如图2所示。其中，该模型采用集中参数，Lmn为线路m-n的长度，且0≤α≤1，线路阻抗为z，母线两端对地导纳分别为ym，yn。

图2 故障线路模型

依据电路理论知识，列写节点电压方程：

因此，故障线路m-n等效节点电压方程的等效模型如图3所示。

图3 故障线路等值模型

与图2对比可看出，故障支路等值模型将故障点的电流分配到线路两端，电流值的大小跟故障点的位置有关，且系统节点导纳矩阵在故障前后不变。

依据图3可知，t时刻故障稳态网络中支路电流列向量I可表示为[9]：

由图3可知，故障稳态网络仅在故障支路m-n的母线节点m和n有注入电流，即节点注入电流列向量JS中仅在与节点m和n对应的位置有非0值，其余元素均为0，即：

将式（4）带入式（3）可得

若将发电机节点和负荷节点用节点注入电流表示，在不计及系统中电力电子等非线性元件的前提下故障网络可看作为线性网络[15]。依据叠加原理，故障状态网络可以由无故障状态网络、故障暂态网络和故障稳态网络三部分构成。故障状态指故障发生后系统的实际状态，线路电流矩阵为IM2，节点注入电流矩阵为JM2。无故障状态指系统发生故障前的稳定运行状态，节点电压矩阵为UM1，线路电流矩阵为IM1，节点注入电流矩阵为JM1，则：

式中：Y为节点导纳矩阵；Yb支路导纳矩阵；A为节点支路关联矩阵。

用支路相关因子矩阵C表示无故障状态网络中支路电流矩阵IM1为：

故障暂态是指故障发生后由母线节点注入电流变化引起的暂态过程。设故障暂态网络中的节点电压为UT，支路电流相量为IT，则

式中：JT为故障前后节点注入电流变化量，且JT=JM2-JM1。

同理，故障暂态网络中支路电流相量IT为：

故障稳态是由故障点附加电源引起的状态，t时刻网络支路电流相量IS为：

将式（7）和式（9）代入式（10）得：

2.2 故障定位算法

由2.1节内容可知矩阵I和矩阵IS相等，即I=IS，根据矩阵相等的性质，矩阵元素满足如下关系：

式中：I[i]，I[j]分别表示矩阵I中的第i个和第j个元素；IS[i]，IS[j]分别表示矩阵IS中第i个和第j个元素。

依据式（5），I[i]和I[j]的可表示为

式中：Dm[i]，Dm[j]分别表示矩阵Dm中的第i个和第j个元素；Dn[i]，Dn[j]分别表示矩阵Dn中的第i个和第j个元素。

将式（13）带入式（12）得：

因此，根据支路j和支路i的稳态故障电流所求得的故障点在故障线路上的相对距离为：

假设故障线路编号为i，对于含有b条线路的保护区域而言，各线路对故障线路i可求出b-1个故障距离α值，且存在：

3 仿真验证

采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建如图4所示的IEEE新英格兰10机39节点系统作为仿真模型[16]。以母线3所属变电站为中心站为例，其保护区域内包括线路18-17，线路2-3，线路3-4，线路4-5，线路4-14和线路3-18等5条线路[12]。

图4 新英格兰10机39节点仿真系统

3.1 不同线路上发生故障

在线路18-17上距母线18为40%处发生故障时，本方案的仿真结果如表1所示；在线路3-4上距母线3为70%处发生故障时，本方案的仿真结果如表2所示。

表1 线路18-17上距母线18为40%处故障后仿真结果

表2 线路3-4上距母线3为70%处故障后仿真结果

3.2 在不同位置发生故障

在线路4-14上距母线4不同位置发生故障时，本方案的仿真结果如表3所示。仿真结果表明，不论在线路近端或远端发生故障时，本方案不受故障位置和故障类型的影响，均能够较精确地识别故障点。最大误差出现在距母线4为90%处发生CA相间故障时，其值为0.231 9%。

表3 线路4-14上不同位置故障的仿真结果

3.3 经不同过渡电阻发生故障

文献[17]指出，220 kV与500 kV输电线路故障时过渡电阻分别可达到100 Ω和300 Ω，因此，将高阻故障时过渡电阻选为300 Ω。在线路2-3上距母线3为80%处经不同过渡电阻发生故障时，本方案的仿真结果如表4所示。

仿真结果表明，经不同过渡电阻发生故障时，本方案均能够准确的识别故障位置，精度高，且不受故障类型的影响。最大误差出现在经300 Ω过渡电阻发生A相接地故障时，其值为-1.427 3%。

表4 线路2-3经不同过渡电阻故障时仿真结果

4 结论

依托区域集中式广域保护系统结构，提出了一种基于多源电流信息的输电线路故障定位新方案。当输电线路发生故障后，依据故障线路等值模型和叠加原理，通过电网中的节点注入电流和支路电流求解故障稳态模型中支路电流，在此基础上，计算电网中各线路的平均故障距离，以实现故障定位。该方案具有如下特点：

（1）不受故障点位置的影响，能准确地定位保护区域内的故障点。

（2）不受过渡电阻的影响，在高阻故障下能够较精确地定位故障。

（3）不受故障类型的影响，适用于各种类型故障。

（4）仅利用电流相量进行计算，算法简单，计算量小。

[1]余怡鑫，栾文鹏．智能电网述评[J]．中国电机工程学报，2009，29（34）∶1-8．

[2]王增平，姜宪国，张执超，等．智能电网环境下的继电保护[J]．电力系统保护与控制，2013，41（2）∶13-18．

[3]吕诗宁，颜拥，丁麒，等．能源互联网中的区块链应用：优势、场景与案例[J]．浙江电力，2017，36（3）∶1-4．

[4]王波，任雷，王威，等．面向调度应用的输电线路故障定位优化方案研究[J]．浙江电力，2014，33（5）∶1-5．

[5]MA J，SHI Y X，MA W，et al．Location method for interline and grounded faults of double-circuit transmission lines based on distributed parameters[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30（3）∶1307-1316．

[6]廖先泽，庄圣贤，施孟阳．基于智能变电站站域保护的研究[J]．浙江电力，2015，34（5）∶6-9．

[7]陈旭，朱永利，郭小红，等．基于相位特性的高压输电线路双端非同步故障测距算法[J]．电力系统自动化，2015，39（22）∶152-156．

[8]王波，江全元，陈晓刚，等．基于同步电压相量的故障定位新方法[J].电力系统自动化，2009，33（11）∶33-37．

[9]马静，李金晖，李金龙，等．快速适应电网结构变化的广域后备保护新方法[J]．电网技术，2011，35（7）∶214-221．

[10]马静，李金龙，王增平，等．基于故障关联因子的新型广域后备保护[J]．中国电机工程学报，2010，30（31）∶100-106．

[11]姜宪国，王增平，李琛，等．区域自治式后备保护分区方案[J]．电工技术学报，2013，23（1）∶234-241．

[12]李振兴，尹项根，张哲，等．有限广域继电保护系统的分区原则与实现方法[J]．电力系统自动化，2010，34（19）∶48-52．

[13]李振兴，尹项根，张哲，等．分区域广域继电保护的系统结构域故障识别[J]．中国电机工程学报，2011，31（28）∶95-103．

[14]马静，王希，王增平．圆网格式保护区域交叠全覆盖分区新方法[J]．电力自动化设备，2012，32（9）∶50-54．

[15]徐慧明，毕天姝，黄少锋，等．计及暂态过程的多支路切除潮流转移识别算法研究[J]．中国电机工程学报，2007，27（16）∶24-30．

[16]MA J，MA W，YAN X，et al．A new adaptive backup protection scheme based on intelligent electronic devices[J]．Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering，2015，38（2）∶77-78．

[17]朱声石．高压电网继电保护原理与技术[M]．3版．北京：中国电力出版社，2005．

[18]高艳丰，黄晓胤，闫红艳，等.输电线路雷击故障的综合识别研究[J].广东电力，2016，29（3）∶93-98.

（本文编辑：陆莹）

A New Fault Location Scheme for Transmission Lines Based on Multi-source Information

MA Wei，WU Jing，ZHANG Weiming，DING Dong，LIN Sen
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Quick and accurate fault location of transmission line is key to ensure operation safety and stability of power system.This paper presents a new fault location scheme for transmission lines based on multi-source information.By dint of a regional centralized wide area protection system，the scheme collects topology information，network parameters and current information within the protection areas.Based on the equivalent model of fault transmission line and the superposition principle，line current in fault steady-state model is calculated by utilizing node injection current and line current in the network when fault occurs.On this basis，the fault location is realized by defining the average fault distance.Simulation results based on the New England 10-machine 39-bus system show that the proposed scheme is not affected by factors such as fault type，transition resistance，fault location，and can accurately locate the fault point on the lines in the protection zone.

wide-area protection；multi-source information；fault location；transition resistance；fault type

10.19585/j.zjdl.201708005

1007-1881（2017）08-0024-05

TM75

A

2017-06-02

马伟（1989），男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护。