基于電流比的單相斷線故障定位方法研究

何文帥

(東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱 150030)

0 引 言

輸電線路所處環境復雜，極易受到絕緣、環境、氣象和人力、牲畜的影響，導致近年來斷線事故多發。若無法快速切除故障，系統則變為非全相運行，發電機及各用電設備出現過熱甚至損壞，斷落的線路接地可能引起觸電，損害生命財產安全[1-2]。

斷線故障的定位和保護整定問題已經逐漸引起重視。文獻[3]分析了實際電網發生單相斷線故障時各裝置動作原理，介紹了省地調對故障的識別、判斷和處理的方法和過程。文獻[4]提出了基于負序分量的斷線故障定位方法，但負序分量的獲取方式較為局限。文獻[5]提出了一種基于零序電壓幅值的斷線故障保護方法。文獻[6]以分布式測量值為基礎，將負載側電路等效計算得出故障后負載側的電壓特征，提出基于相間電壓幅值的單相斷線定位方法。上述方法在電氣量獲取和處理上存在局限，判據閾值混疊，使得誤判、漏判情況時有發生。綜上所述，準確實用的斷線故障定位方法還亟待深研。

該文首先從電氣量特征上分析線路斷線故障前后新息特征，構建斷線故障的新息識別判據。針對電氣量獲取中存在的數據缺失、壞數據等問題，采用連支推算方法加以處理形成準確新息后，構建斷線故障定位的新息圖判據，并提出輸電線路斷線故障的電流比值定位方法。最后，通過仿真分析驗證定位方法的合理性和可行性。

1 故障新息圖原理

系統電氣量當前時刻的測量值與根據上一時刻狀態估計結果得到的預報值之差即為新息，本文以故障前后的線路電流和各節點電壓為研究對象，用故障后一時刻電流、電壓測量值減去故障前一時刻電流、電壓預報值計算電流、電壓新息，如式(1)所示：

ΔXi=Xi(t+1)-Xi(t)

(1)

式中：ΔXi為新息；i(t+1)為t+1時刻的電氣量；Xi(t)為t時刻的電氣量。

根據回路電流法和圖論知識，以及上一時刻系統拓撲結構，選取樹支支路和連支支路后，根據連支支路新息可以推算出全網支路的新息，即為連支推算新息。對于實際計算，可由回路關聯矩陣C和已知的連支新息Xlink程序計算得出，如式(2)所示：

Xrec=CXlink

(2)

式中：Xrec為支路ij的修正預估比；Xlink為連支新息向量。

通過連支計算全網絡的推算新息值得到了一種獲得樹支新息的方法，用樹支本身的測量值和預報值也可以得到樹支新息，通過2種新息的差異即可初步判斷系統所發生的不正常事件。

為使識別結果更加清楚，定義修正預估比為支路修正向量和對應預報向量之比，用于識別定位網絡中發生的結構變化：

(3)

式中：Rij為支路ij的修正預估比；Xcor為預報值的修正值；Xpre為預報值。

預估比值將拓撲變化引起的前后兩時刻支路電流差異放大，當支路由k時刻閉合運行到k+1時刻變為斷開狀態運行時，k+1時刻支路修正電流值約為0，而根據k時刻的閉合狀態進行估計得到的預報值不為0，因此兩者的比值近似為0。

2 單相斷線故障新息特征分析

如圖1所示，故障前A相電流為負荷電流IA，L，當A相ij處發生斷線時，A相電流為0，斷口處B、C兩相電壓未發生明顯變化。

圖1 斷線故障示意圖

由對稱分量法分析可知，單相斷線時各相電流新息幅值表達式如式(4)所示。

(4)

對于實際運行電網將測量誤差考慮在內，由式(4)可得出如下結論：對于發生單相斷線故障的系統，故障相電流新息幅值最大，約等于負荷電流，非故障相電流新息幅值稍小，大致為0.15倍負荷電流；多數非故障線路電流新息基本為0，但部分非故障線路受潮流變化影響導致電流新息也不為0，但新息幅值很小。因此，當某條線路的電流新息幅值較大時，可初步判斷系統發生故障，應迅速啟動故障定位裝置。

3 基于新息的保護判據

對于發生斷線故障的線路，運行狀態由t時刻閉合變為t+1時刻斷開，發生明顯的拓撲變化，而在故障未切除時遙信系統不會報告這種拓撲變化，始終顯示線路處于閉合狀態，即產生了B類拓撲錯誤，由新息圖方法可知，可以通過求取修正預估比來辨識此類錯誤，進而實現斷線故障的定位。同時由于拓撲錯誤的產生，使得新息網絡中故障線路出現新息電勢源，而非故障線路不存在拓撲變化故不存在電勢源，這使得故障線路的電壓新息幅值遠大于其他線路。因此，當某條線路的電壓新息幅值遠大于其他線路時，也可初步判斷系統發生故障，應迅速啟動故障定位裝置。

當故障發生時，靠近故障點的母線電壓新息大于其他母線，故障線路的電流新息遠大于其他線路，因此可以用電流新息和電壓新息幅值的大小作為判斷依據，啟動故障定位算法。以i側保護為例，將故障前t時刻保護安裝處的三相電流作為預報值，故障后的t+1時刻同一位置的三相故障電流作為測量值，得到電流新息構造分相保護判據，如式(5)所示：

ΔIφ>Kset

(5)

式中：ΔIφ為支路電流新息；Kset為閾值。

由于發生斷線后，該線路的繼電保護裝置并未動作，但實際線路已經處于開斷運行，形成了由閉合到斷開通信系統未報告的拓撲錯誤。這樣基于新息圖識別拓撲錯誤的方法，分別計算A、B、C三相的修正預估比，就可以識別發生斷線的線路和故障相。

當通信系統數據準確，系統中不存在其他不正常事件時，僅利用新息就可以識別出斷線支路和故障相。對于某一系統網絡來說，正常運行時各條線路流過的負荷電流相差不大；斷線故障發生后故障線路的故障相支路流經的電流由負荷電流突變為0，故障線路的非故障相電流受電壓影響也會減小但仍有電流流過，而其他未發生斷線故障的線路流過的電流仍然近似等于負荷電流。因此，將斷線故障后k+1時刻電流值與斷線前k時刻支路電流值對應作差，得到各支路各相的電流新息，就會發現故障線路故障相的電流新息幅值最大，根據此幅值最大的電流新息即可識別出故障支路。但實際系統中通信數據并不完全可靠，存在通信壞數據和數據缺失等情況，因此可利用新息圖方法中連支推算使測量冗余和辨識壞數據的優勢，進一步研究斷線故障相定位的問題。

通過連支推算新息可彌補測量不足，應對數據缺失和通信壞數據等問題，進一步排除連支壞數據和負荷突變等不正常事件的影響，引入修正向量和修正預估比等方法進行故障定位。由連支推算新息向量和預估預報向量合成修正向量，對測量向量進行修正。修正后能更好地反映k+1時刻運行網絡的實際情況，提供識別斷線故障的有力工具。對于發生斷線故障支路的故障相，其電流真實測量值應該為0， 得出該線路的修正預估比為0；對于非故障線路，修正向量與預報向量近似相等故其修正預估比近似為1。對于故障支路的非故障相，k+1時刻修正向量不為0，但與k時刻所做出的預報向量有差異，所以修正預估比為不等于0也不等于1的某一數值。因此，考慮誤差后三相修正預估比中存在近似為0的支路，即為發生斷線故障的支路。

4 仿真分析

在PSASP綜合分析程序中建立9節點系統網絡，其拓撲結構和線路編號如圖2所示，其中包括3個電源、8條輸電線路和變壓器等。3臺變壓器正序電抗分別取為0.057 6、0.062 5、0.058 6，零序電抗分別取為0.057 6、0.062 5、0.058 6。在暫態穩定模塊設置網絡故障，設置系統頻率為50 Hz，計算總時間為5 s，步長為0.01 s，將結果以文件形式輸出。電流計算時選取支路4-5、4-6、5-7、5-8、5-9為樹支，其余為連支，計算各支路電流新息與電壓新息，驗證算法的正確性。

圖2 9節點系統結構圖

設置0.1 s時，在線路6-9的中點處發生A相斷線故障，根據故障情況設置系統相關參數，對故障情況進行模擬。故障后各線路電流新息如表1所示。

表1 線路電流新息

由新息特征知系統可能發生故障，依據保護判據啟動保護裝置，進行故障定位。仿真定位結果如圖3所示。根據定位結果可以看出，線路4的A相位電流比接近于0,B和C相位預測比接近于1。因此確定4號線斷線，故障類型為A相斷線故障。

圖3 故障定位結果

5 結 語

基于新息圖方法，分析了斷線故障前后線路電流的新息特征。冗余新息值有助于驗證結果的正確性，在通信錯誤導致數據不良的情況下，可以有效地定位故障線路。提出了一種利用故障前后電流新息比值來判斷故障位置的方法，該方法只需要故障前后線路電流值，通過計算比值即可判斷故障區域。該方法所需通信量小，無需電壓信息，能夠滿足快速故障選相要求，提高了斷線故障定位算法的容錯性。