基于模量网络分析的接地极线路故障定位新算法_张钥朗.pdf

第 43 卷 第 7 期2023 年 7 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.7Jul.2023基于模量网络分析的接地极线路故障定位新算法张钥朗1，2，李小鹏1，3，卢继平2，滕予非1，3，庄祎4（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.重庆大学 电气工程学院 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044；3.电力物联网四川省重点实验室，四川 成都 610041；4.国网徐州供电公司，江苏 徐州 221005）摘要：针对直流接地极线路发生远距离、高阻接地故障时，现有故障定位算法精度低的问题，提出了一种基于模量网络分析的接地极线路故障定位新算法。基于线路的分布参数模型，建立了故障后接地极线路故障模量网络，在此基础上利用接地极线路量测端的电压、电流量计算沿线的电压、电流分布，进而得到故障点处的测量阻抗，根据故障点处测量阻抗虚部最小的特点进行故障定位。大量仿真结果表明，该算法可实现接地极线路全长范围内的准确定位，且不受故障位置和分布电容的影响，具有较高的故障定位精度。关键词：特高压直流输电；接地极线路；测量阻抗；故障定位；特征谐波中图分类号：TM761；TM721.1 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022110240 引言特高压直流输电（ultra-high voltage direct current，UHVDC）系统具有传输容量大、输电距离远、线路损耗低的优点，同时不存在无功平衡、频率稳定、系统同步等问题。因此，UHVDC被广泛应用于远距离大容量的电能传输以及非同步电网的异步互联13。UHVDC 系统处于双极大地回线运行方式下，接地极起到流通系统不平衡电流和钳制中性点电压的作用。若双极直流输电系统发生单极故障闭锁，则正常极会采用单极-大地回线方式运行，此时直流系统的运行电流会通过接地极线路流入大地4。为避免直流偏磁对换流站设备的影响和大电流入地威胁人畜安全，部分接地极线路的长度已超过 100 km。接地极线路采用同塔双回线路并联方式运行，随着接地极线路长度的增加，在恶劣的天气和地理条件下运行使得接地极线路很容易出现故障56。因此，实现快速、高精度的接地极线路故障定位，有利于及时清除接地极线路故障，提高直流系统的运行可靠性78。接地极线路的故障定位方法主要分为脉冲注入法、故障行波法和故障分析法。文献 9 利用模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）子模块可实现主动控制的特性，向接地极线路注入不平衡谐波分量，在此基础上以故障点接地电阻纯阻特性构造接地极线路故障测距算法。此方法精度较高，但仅针对柔性直流输电系统。文献 1011 通过周期性地向接地极线路注入脉冲，并利用故障点反射波完成故障定位，受其原理和注入脉冲的影响，该方法需安装额外的信号注入设备，且接地极线路发生近端故障和瞬时性故障时方法易失效。基于行波的算法根据故障暂态行波沿接地极线路传播的时间来估算故障位置，这种算法的定位精度取决于行波波头的准确识别和行波波速的计算精度12。文献13 提出利用形态学梯度变换检测故障行波中的突变点获取行波波头，进而实现接地极线路的单端行波测距。但 UHVDC 系统处于双极平衡运行方式下，接地极线路中的行波信号较弱难以准确检测，利用故障暂态行波的测距算法将难以适用。故障分析法14是基于接地极线路的线路参数和两端量测信号，获取沿线电压和等效阻抗的分布规律，从而利用规律特征得出故障点位置的方法。文献 14 利用接地极线路会流过不超过额定电流 1%的不平衡电流，提出了一种基于型等效线路模型的谐波分量测距函数。但该方法在接地极线路发生远距离、高阻故障时定位结果误差较大。文献 15-16 提出了根据故障点或极址点为全线电压最小值点的特点构造故障测距函数的方法，但仍然不适用于接地极线路远端故障。根据相关研究和实际工程调研发现，由于实际设备参数及双极触发角存在差异，接地极线路会流过一定的不平衡电流。本文通过建立接地极线路故障模量网络，利用不平衡电流蕴含的特征谐波分量计算接地极沿线电气量分布和测量阻抗，基于故障点测量阻抗虚部最小的特征提出了一种适用于接地极线路接地故障的定位算法。理论上该方法不受故障距离、分布电容的影响，PSCAD 和 MATLAB 仿真计算结果表明其具有较高精度。收稿日期：20220429；修回日期：20220811在线出版日期：20221125基金项目：四川省杰出青年科技人才项目（2021JDJQ0035）Project supported by the Science and Technology Project of Sichuan Province for Distinguished Young Scholars（2021JDJQ0035）190第 7 期张钥朗，等：基于模量网络分析的接地极线路故障定位新算法1 接地极线路模型在目前投运的 UHVDC 系统中，接地极线路通常采用两回导线并行架设，其具体结构如图1所示。图中：UM、IM分别为接地极线路首端（M端）的测量电压、电流；I、I分别为接地极线路、的入线电流。为了消除谐波分量在接地极线路末端的反射，提高沿线分布电压和电流的计算精度，在接地极线路末端装设一个匹配电阻Rp，其阻值等于接地极线路波阻抗。为了减少匹配电阻对实际运行的影响，在匹配电阻两端并联一个滤波频率等于特征谐波频率的 LC 带阻滤波器，其作用是为直流分量提供通路。在进行接地极线路故障定位时，部分文献采用简化的平行双回线模型，忽略了分布电容或线间耦合电感的影响，使得测距精度难以得到保证。为更准确地反映接地极线路沿线电压、电流的分布，必须考虑线路的分布电容和线间互感。本文利用图2所示的线路分布参数模型开展接地极线路故障定位。图中：Z=R+jL、Y=G+jC分别为线路的单位长度阻抗和导纳，R、L、G、C分别为线路单位长度电阻、电感、电导、电容，为系统角频率；x处的电压U1、电流I1分别记为首端电压、电流；x为计算点距线路首端的距离；U2、I2分别为计算点处的电压、电流。线路x处在 dx微元阻抗上的相量方程17如式（1）所示。|-dU1dx=()R+jL I1=ZI1-dI1dx=()G+jC U1=YU1（1）根据线路首端的边界条件可对式（1）进行化简，并求得距线路首端x处的电压U2和电流I2为：|U2=cosh()x U1-ZCsinh()x I1I2=-sinh()xZCU1+cosh()x I1（2）|=()R+jL()G+jCZC=()R+jL/()G+jC式中：为线路的传播常数；ZC为波阻抗。由于导线间存在复杂的电磁耦合会影响接地极沿线电压、电流分布的准确计算。因此，为了消除两回线路耦合效应的影响，本文基于二阶凯伦贝尔变换将接地极线路首、末两端电压电流矩阵解耦成相互独立的模分量4。以接地极线路正常运行为例，可以得到接地极线路首、末两端的零模分量和线模分量为：|UM0IM0UM1IM1=12|1 11-1|UMIMUMIM=12|2UMIM00|UN0IN0UN1IN1=12|111-1|UNINUNIN=12|2UNIN00（3）式中：U、I分别为电压、电流；下标、分别表示接地极线路回线、，下标M、N分别表示接地极线路的首、末端，下标0、1分别表示零模、线模分量，后同（例如UM0、UM1和IM0、IM1分别为线路首端电压和电流的零模、线模分量）。2 故障定位原理2.1故障定位原理及分析本文所提故障定位算法基于接地极线路解耦后的模量网络，并利用线路两端模量信号求取接地极沿线的电压分布和电流分布，再通过相模反变换可得接地极线路故障点电压和电流，最后根据故障点接地阻抗不显感性和容性的特征15，构造只包含一个未知量的故障定位函数，如式（4）所示。G()d=|Im()UF()dIF()d|（4）式中：UF()d、IF()d分别为接地极线路距首端d处的故障点F的电压、电流。接地极线路发生故障后，线路保护装置向运行人员发出保护告警信号，同时测距装置自动提取接地极线路量测端特征谐波量，并根据接地极线路阻抗和导纳参数进行全线的电压、电流分布计算，求解G()d取得最小值时所对应的距离d即为故障点位置。图1接地极系统结构Fig.1Structure of grounding electrode system图2线路的分布参数模型Fig.2Distributed parameter model of line191电 力 自 动 化 设 备第 43 卷2.2接地极线路模量网络分析与沿线电气量计算接地极线路发生单回线接地故障时的等效线路模型如图3（a）所示。设故障发生在回线，故障点F处距首端M的距离为d，过渡电阻为Rg，线路长度为l，故障点边界条件为：IF=0，UF=IFRg。其中：IF、IF分别为回线、上的故障点F处对应的电流；UF为回线上故障点F处对应的电压。匹配电阻在零模网络中等效为2Rp。根据上文的理论分析，2条接地极线路之间存在电磁耦合，为保证故障定位算法的精确性，需对接地极线路解耦。其中接地极线路首、末端电气量解耦参照式（3），故障点处的解耦变换如下：|UF0UF1=12|1 11-1|UFUF=12|UF+UFUF-UF|IF0IF1=12|1 11-1|IFIF=12|IF-IF（5）因此，接地极线路发生单回线接地故障的模量网络如图3（b）所示。图中：首端线模电压UM1=0，零模电压UM0=2 UM；故障点处线模电压和零模电压均不为0；IF1、IF1和IF0、IF0分别为线模和零模网络中故障点左、右侧的电流量。接地极线路解耦后，零模、线模分量相互独立且不存在电磁耦合，故可利用长线方程式（2）计算模量网络中任意一点处的电压、电流。基于解耦后的模量网络计算故障点零模电压UF0和线模电压UF1为：|UF0=cosh()0d UM0-ZC0sinh()0d IM0UF1=-ZC1sinh()1d IM1（6）式中：0、1、ZC0、ZC1的计算公式详见文献 4。在线模分量网络中，对于被故障点划分的2段线路，M端和N端电压可列出以下等式：|0=cosh()1d UF1+ZC1sinh()1d IF10=cosh()1x UF1-ZC1sinh(1x)IF1（7）进而求解式（7）可得：IF1=IF1-IF1=IF1coth()1d+coth()1xcoth(1d)（8）式中：x=l-d；IF1=cosh()1d IM1。联立式（6）、（8），利用相模反变换可得故障点电压和电流为：|2 UF=UF0-UF1=cosh()0d UM0-ZC0sinh()0d IM0+ZC1sinh()1d IM12 IF=IF0-IF1=-2IF1（9）利用式（9）计算得到故障点电压UF和故障点电流IF并代入式（4），最小阻抗虚部对应的距离d即为故障点位置。同理，接地极线路发生双回线接地故障时，故障点边界条件为：UF=UF=RgIF，IF=IF=IF/2。故障点处的解耦变换如式（10）所示，对应的故障等效电路和模量网络如图4所示。|UF0UF1=12|1 11-1|UFUF=|2 UF0|IF0IF1=12|1 11-1|IFIF=12|IF0（10）与单回线故障不同的是，发生双回线接地故障时线模分量为0，计算故障网络中故障点的电压和电流需利用零模分量网络完成。基于此，零模分量网络中的故障点电压和电流为：UF0=cosh()0d UM0-ZC0sinh()0d IM0IF0=IF0-IF0（11）图3单回线接地故障等效电路和模量网络Fig.3Equivalent circuit and modulus networkof single-line grounding fault图4双回线接地故障等效电路和模量网络Fig.4Equivalent circuit and modulus network ofdouble-line grounding fau