基于电流比的单相断线故障定位方法研究

何文帅

(东北农业大学 电气与信息学院，哈尔滨 150030)

0 引 言

输电线路所处环境复杂，极易受到绝缘、环境、气象和人力、牲畜的影响，导致近年来断线事故多发。若无法快速切除故障，系统则变为非全相运行，发电机及各用电设备出现过热甚至损坏，断落的线路接地可能引起触电，损害生命财产安全[1-2]。

断线故障的定位和保护整定问题已经逐渐引起重视。文献[3]分析了实际电网发生单相断线故障时各装置动作原理，介绍了省地调对故障的识别、判断和处理的方法和过程。文献[4]提出了基于负序分量的断线故障定位方法，但负序分量的获取方式较为局限。文献[5]提出了一种基于零序电压幅值的断线故障保护方法。文献[6]以分布式测量值为基础，将负载侧电路等效计算得出故障后负载侧的电压特征，提出基于相间电压幅值的单相断线定位方法。上述方法在电气量获取和处理上存在局限，判据阈值混叠，使得误判、漏判情况时有发生。综上所述，准确实用的断线故障定位方法还亟待深研。

该文首先从电气量特征上分析线路断线故障前后新息特征，构建断线故障的新息识别判据。针对电气量获取中存在的数据缺失、坏数据等问题，采用连支推算方法加以处理形成准确新息后，构建断线故障定位的新息图判据，并提出输电线路断线故障的电流比值定位方法。最后，通过仿真分析验证定位方法的合理性和可行性。

1 故障新息图原理

系统电气量当前时刻的测量值与根据上一时刻状态估计结果得到的预报值之差即为新息，本文以故障前后的线路电流和各节点电压为研究对象，用故障后一时刻电流、电压测量值减去故障前一时刻电流、电压预报值计算电流、电压新息，如式(1)所示：

ΔXi=Xi(t+1)-Xi(t)

(1)

式中：ΔXi为新息；i(t+1)为t+1时刻的电气量；Xi(t)为t时刻的电气量。

根据回路电流法和图论知识，以及上一时刻系统拓扑结构，选取树支支路和连支支路后，根据连支支路新息可以推算出全网支路的新息，即为连支推算新息。对于实际计算，可由回路关联矩阵C和已知的连支新息Xlink程序计算得出，如式(2)所示：

Xrec=CXlink

(2)

式中：Xrec为支路ij的修正预估比；Xlink为连支新息向量。

通过连支计算全网络的推算新息值得到了一种获得树支新息的方法，用树支本身的测量值和预报值也可以得到树支新息，通过2种新息的差异即可初步判断系统所发生的不正常事件。

为使识别结果更加清楚，定义修正预估比为支路修正向量和对应预报向量之比，用于识别定位网络中发生的结构变化：

(3)

式中：Rij为支路ij的修正预估比；Xcor为预报值的修正值；Xpre为预报值。

预估比值将拓扑变化引起的前后两时刻支路电流差异放大，当支路由k时刻闭合运行到k+1时刻变为断开状态运行时，k+1时刻支路修正电流值约为0，而根据k时刻的闭合状态进行估计得到的预报值不为0，因此两者的比值近似为0。

2 单相断线故障新息特征分析

如图1所示，故障前A相电流为负荷电流IA，L，当A相ij处发生断线时，A相电流为0，断口处B、C两相电压未发生明显变化。

图1 断线故障示意图

由对称分量法分析可知，单相断线时各相电流新息幅值表达式如式(4)所示。

(4)

对于实际运行电网将测量误差考虑在内，由式(4)可得出如下结论：对于发生单相断线故障的系统，故障相电流新息幅值最大，约等于负荷电流，非故障相电流新息幅值稍小，大致为0.15倍负荷电流；多数非故障线路电流新息基本为0，但部分非故障线路受潮流变化影响导致电流新息也不为0，但新息幅值很小。因此，当某条线路的电流新息幅值较大时，可初步判断系统发生故障，应迅速启动故障定位装置。

3 基于新息的保护判据

对于发生断线故障的线路，运行状态由t时刻闭合变为t+1时刻断开，发生明显的拓扑变化，而在故障未切除时遥信系统不会报告这种拓扑变化，始终显示线路处于闭合状态，即产生了B类拓扑错误，由新息图方法可知，可以通过求取修正预估比来辨识此类错误，进而实现断线故障的定位。同时由于拓扑错误的产生，使得新息网络中故障线路出现新息电势源，而非故障线路不存在拓扑变化故不存在电势源，这使得故障线路的电压新息幅值远大于其他线路。因此，当某条线路的电压新息幅值远大于其他线路时，也可初步判断系统发生故障，应迅速启动故障定位装置。

当故障发生时，靠近故障点的母线电压新息大于其他母线，故障线路的电流新息远大于其他线路，因此可以用电流新息和电压新息幅值的大小作为判断依据，启动故障定位算法。以i侧保护为例，将故障前t时刻保护安装处的三相电流作为预报值，故障后的t+1时刻同一位置的三相故障电流作为测量值，得到电流新息构造分相保护判据，如式(5)所示：

ΔIφ>Kset

(5)

式中：ΔIφ为支路电流新息；Kset为阈值。

由于发生断线后，该线路的继电保护装置并未动作，但实际线路已经处于开断运行，形成了由闭合到断开通信系统未报告的拓扑错误。这样基于新息图识别拓扑错误的方法，分别计算A、B、C三相的修正预估比，就可以识别发生断线的线路和故障相。

当通信系统数据准确，系统中不存在其他不正常事件时，仅利用新息就可以识别出断线支路和故障相。对于某一系统网络来说，正常运行时各条线路流过的负荷电流相差不大；断线故障发生后故障线路的故障相支路流经的电流由负荷电流突变为0，故障线路的非故障相电流受电压影响也会减小但仍有电流流过，而其他未发生断线故障的线路流过的电流仍然近似等于负荷电流。因此，将断线故障后k+1时刻电流值与断线前k时刻支路电流值对应作差，得到各支路各相的电流新息，就会发现故障线路故障相的电流新息幅值最大，根据此幅值最大的电流新息即可识别出故障支路。但实际系统中通信数据并不完全可靠，存在通信坏数据和数据缺失等情况，因此可利用新息图方法中连支推算使测量冗余和辨识坏数据的优势，进一步研究断线故障相定位的问题。

通过连支推算新息可弥补测量不足，应对数据缺失和通信坏数据等问题，进一步排除连支坏数据和负荷突变等不正常事件的影响，引入修正向量和修正预估比等方法进行故障定位。由连支推算新息向量和预估预报向量合成修正向量，对测量向量进行修正。修正后能更好地反映k+1时刻运行网络的实际情况，提供识别断线故障的有力工具。对于发生断线故障支路的故障相，其电流真实测量值应该为0， 得出该线路的修正预估比为0；对于非故障线路，修正向量与预报向量近似相等故其修正预估比近似为1。对于故障支路的非故障相，k+1时刻修正向量不为0，但与k时刻所做出的预报向量有差异，所以修正预估比为不等于0也不等于1的某一数值。因此，考虑误差后三相修正预估比中存在近似为0的支路，即为发生断线故障的支路。

4 仿真分析

在PSASP综合分析程序中建立9节点系统网络，其拓扑结构和线路编号如图2所示，其中包括3个电源、8条输电线路和变压器等。3台变压器正序电抗分别取为0.057 6、0.062 5、0.058 6，零序电抗分别取为0.057 6、0.062 5、0.058 6。在暂态稳定模块设置网络故障，设置系统频率为50 Hz，计算总时间为5 s，步长为0.01 s，将结果以文件形式输出。电流计算时选取支路4-5、4-6、5-7、5-8、5-9为树支，其余为连支，计算各支路电流新息与电压新息，验证算法的正确性。

图2 9节点系统结构图

设置0.1 s时，在线路6-9的中点处发生A相断线故障，根据故障情况设置系统相关参数，对故障情况进行模拟。故障后各线路电流新息如表1所示。

表1 线路电流新息

由新息特征知系统可能发生故障，依据保护判据启动保护装置，进行故障定位。仿真定位结果如图3所示。根据定位结果可以看出，线路4的A相位电流比接近于0,B和C相位预测比接近于1。因此确定4号线断线，故障类型为A相断线故障。

图3 故障定位结果

5 结 语

基于新息图方法，分析了断线故障前后线路电流的新息特征。冗余新息值有助于验证结果的正确性，在通信错误导致数据不良的情况下，可以有效地定位故障线路。提出了一种利用故障前后电流新息比值来判断故障位置的方法，该方法只需要故障前后线路电流值，通过计算比值即可判断故障区域。该方法所需通信量小，无需电压信息，能够满足快速故障选相要求，提高了断线故障定位算法的容错性。