專利名稱：多末端故障定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統的故障定位系統，特別涉及一種雙末端乃至多末端故障定位系統。
背景技術：
精確計算的故障定位信息對于一個電力系統的正常運行是很重要的。可由自動保護系統、系統操作員以及電力系統保護工程師來使用該故障定位信息。故障定位影響電力系統運行的一個顯著方面涉及沿輸電線查找故障點所需的時間。另一方面涉及由于故障而導致斷路器打開之后的復閉性能。
單末端故障定位，即由輸電線上的一個單繼電器提供的信息計算出的故障定位，在當前最通用的基于微處理器的保護繼電器中已成為一種標準的功能部件。在許多數字故障記錄器系統中也提供故障定位能力作為一種選擇。單末端故障定位技術通常利用輸電線基于阻抗的計算方法且該技術通常簡單而快捷，并不需要與保護線路上的其它末端設備，如一個下游的繼電器，進行通訊。
然而，大家公認的是單末端系統的故障定位結果中存在大量的錯誤。發生此種錯誤的情形包括如下幾種在相鄰的輸電線之間存在強的零序相互耦合、電力系統包括多個遠程終端特別是包括了三終端輸電線的情形，在向輸電線供電的電源和輸電線本身之間存在大的相角差，或輸電線是非換位的。
更具體地說，通常存在兩種類型的單末端故障定位系統，一種使用基于電抗的計算方法，而另一種使用通稱為基于Takagi的計算方法。在電抗方法中，故障定位系統首先測量線路的視在阻抗，然后求出視在阻抗的電抗(虛數部分)與整個線路上的已知電抗之比。該比率實際上和單末端終端到故障點的距離成比例。電抗方法在均勻的電力系統中運行相當正常，在上述均勻電力系統中故障不會導致顯著的故障電阻或者負載流量。電抗計算方法不考慮或者不試圖對錯誤進行補償，而這些錯誤在上述這些情形中會導致顯著的故障電阻或者負載流量。
在T.Takagi等人撰寫的、標題為“使用一個終端電壓和電流數據的新故障定位器的發展”、收錄在PAS中的IEEE on PAS，PAS-s101，1982年8月第8期第2842～2898頁的論文中對Takagi方法進行了描述，該方法力圖對這些特定的錯誤源進行補償。然而Tagaki方法一般要求知道保護線路故障相部分的故障前相位電流。如果故障定位計算系統沒有精確的故障前數據，故障定位結果將會受到嚴重的影響。進一步而言，非均勻的電力系統也可導致產生故障定位信息中的錯誤。錯誤的數量依賴于下列各因素故障的任一方的系統相角的差異、故障電阻的大小以及負載流量的方向。在故障電阻的較高值時錯誤最顯著。對基于阻抗的故障定位方法的全面評價可在由Edmund O.Schweitzer III編寫、標題為“基于阻抗的故障定位經驗的回顧”一文中找到，上述論文被收錄在1990年10月16日的第十四期Iowa-Nebraska系統保護研討會論文集中。
當作出對非均勻系統錯誤的補償時，該補償包括通過一個選定的因子ejT的頂部線路電抗特征計算的“傾斜”，其中T是一個等于特定故障定位的所需位移角的值，這個和其它的補償技術都不是很有效。例如電抗傾斜方法僅對保護線路上的一個點有效。
單末端故障定位方法的基本難點在于并不知道流經故障電阻的總電流，而它們必須對此進行補償。然而對該特定的難點的基本解決方法是使所有繼電器相互之間進行通訊并在故障定位計算中起一定作用，其中上述繼電器保護一個特定線路的。例如，對于一個在其兩個末端具有兩個繼電器的單保護線路，從兩個繼電器上可以得到關于該線路的電力信號的信息，然后利用其作出故障定位的判斷。通常將其稱之為雙末端故障定位。該方法相對于單末端(單個繼電器)方法可以顯著地提高故障定位信息的精確度，但需要來自遠程繼電器的大數據量的通訊以及本地和遠程繼電器(線路的兩個末端)之間的數據(稱之為數據集合)的相位校準。
數據通訊顯著加強了故障定位計算的時間，因此它不可能實時地完成，這是該方法的一個顯著的運行缺點。可通過多種方法來完成數據的校準，包括將每一個繼電器中的采樣時鐘與一個單時間源(如來自衛星)校準(同步)或者將一個繼電器作為參考，使得其它繼電器與其同步，但這種方法為整個系統增加了運行時間和成本。進一步而言，在一段時間內保持同步是非常困難的并且校準的結果并不是很精確。
然而遺憾的是常規雙末端故障定位系統也具有顯著的缺點。其中一個缺點關系到平行線路應用中的零序相互耦合的影響，該缺點不僅影響單末端計算，也影響使用相位量的雙末端系統。如果計算包括相位電壓值，該相位電壓值包括零序量，則在故障線路和平行線路之間的零序量的相互耦合將導致故障定位結果的不精確。隨著進行計算的繼電器到故障點之間的距離的增加，錯誤會變得更為顯著。試圖對零序相互耦合進行的補償會對繼電器的設計和整個保護方法增加很大的難度。
上面簡要提及的常規雙末端系統的另一個顯著的缺點是從一個遠程終端(繼電器)到進行故障定位確定的本地終端的數據通訊。這樣大量的數據必須從遠程終端處進行傳送，通常涉及在一個初始故障識別之后的完整的事件報告記錄。事件報告是一個常規的術語，意思是電力信號的電壓、電流和其它數據的完整集合，它覆蓋了在故障發生之前不久到電力中斷結束的一個時間段。
事件報告中的信息是相當重要的，并且包括須傳送給本地終端然后與本地數據集合相校準的數據集合。該數據集合一般包括電力信號的所有三相的電壓和電流信息。這是一個相當大的數據量并需要相當的時間對其進行傳送，這樣導致了故障初始化之后本地繼電器作出的故障定位確認的顯著滯后。該滯后對電力系統的整個所需的運行有顯著的影響。
一旦接收到了遠程數據，如上所述必須對其進行校準。如果校準包括故障前數據，則該故障前數據必須是有效的。如果校準包括故障數據，則將增加計算的負擔，因為必須使用一個迭代計算方法。
因此希望具有一個雙末端故障定位系統，該系統在最小計算負擔下可以提供精確的故障定位信息并且基本上實時地作出故障定位確定。也希望該系統可在線路(多末端)上有附加終端的情況下運行。
發明概述因此本發明涉及一種對在其上具有第一和第二終端的輸電線路上的故障進行定位的系統，包括在故障發生時獲得關于每一個終端位置的輸電線上的電力信號的選定信息的設備，上述信息包括逆序電流的幅值和逆序阻抗的幅值和相角值，以及用于從選定的信息確定輸電線上故障位置點的裝置。
圖1是本發明系統的方塊圖。
圖2和3是一個系統框圖(圖2)和一個數據表(圖3)，其展示了本發明的另一個實施例的運行結果。
圖4、5、6是展示圖1實施例的結果的一個系統框圖(圖4)和兩個圖表(圖5、6)。
圖7是展示本發明系統的一個三終端應用的線路圖。
圖8是圖7中的三終端系統的順序連接圖。
圖9是圖8的一個等價的逆序網絡圖。
圖10A、10B和10C是展示了在一個發生故障的輸電線上使用本發明系統控制開關的圖表。
本發明的優選實施方式在圖1中展示了本發明的一個實施例。本發明的一個重要方面是僅利用來自所有線路末端選定的逆序量定位接地故障，其中選定的逆序數據不需要與本地繼電器數據相校準。例如對于一個單線路而言，使用來自線路上的、其間發生故障的兩個保護繼電器的逆序量。
通過對于各相使用包括零序量的逆序量而不是相位電壓，消除了與零序相互耦合相聯系的固有的系統難度。進一步而言，逆序源阻抗和電流(絕對值)量不需要對兩終端(雙末端)輸電線的數據集合進行校準，即遠程終端數據和本地終端數據的校準。用于確定本發明故障定位的方程僅使用這些來自遠程終端的特定量，該特定量不需要與本地終端的相似量進行校準。上文已述并在下文詳論的兩個量是|I2|(絕對值)和逆序源阻抗Z2的一個計算值。
眾所周知，當從保護線路的兩個末端處觀察時，在一個發生故障的線路上的故障電壓相等。因此在線路的一個末端的一個繼電器S(本地源)處V2F＝I2S·(Z2S+m·Z2L) (1)其中V2F是逆序故障電壓，I2S是逆序源電流，Z2S是本地逆序源阻抗，m是從繼電器S到故障點的歸一化距離(per unit distance)，Z2L是逆序線路阻抗(在繼電器S和R之間整個保護線路的阻抗)。在線路的另一端處的繼電器R(遠程)上V2F＝I2R·(Z2R+(1-m)·Z2L) (2)其中I2R和Z2R是遠程終端上的逆序電流和阻抗。因為方程(1)和方程(2)產生一個相同的結果，即繼電器S處的V2F等于繼電器R處的V2F，所以兩個方程可以被合并并被整理成I2R=I2S·(Z2S+m·Z2L)(Z2R+(1-m)·Z2L)---(3)]]>如上所示，不必對繼電器S和繼電器R的數據集合即來自兩個繼電器的數據進行校準來確定發生故障的位置，因為僅使用選定的逆序各數值量(不是相角值)。因此|I2R|=|I2S·(Z2S+m·Z2L)(Z2R+(1-m)·Z2L)|---(4)]]>|I2R|=||I2S·(Z2S+m·Z2L)||(Z2R+(1-m)·Z2L))|---(5)]]>|I2R|=|(I2S·Z2S)+m·(I2S·Z2L)||(Z2R+Z2L)-m·(Z2L)|---(6)]]>為了簡化上述方程6，可使用下列任意變量，其中每一個變量都具有一個實部和一個虛部I2S·Z2S＝a+jbI2S·Z2L＝c+jdZ2R+Z2L＝e+jfZ2L＝g+jh將上述變量代入到方程(6)中得到如下表達式|I2R|=|(a+jb)+m·(c+jd)||(e+jf)-m·(g+jh)|---(7)]]>方程(7)可以被整理成|I2R|=|(a+mc)+j·(b+md)||(e-mg)+j·(f-m·h)|---(8)]]>然后對方程兩邊同時平方|I2R|2=(a+mc)2+(b+md)2(e-mg)2+(f-m·h)2---(9)]]>將方程(9)展開并整理成為如下的級數表達式(a+m·c)2+(b+m·d)2＝|I2R|2·[(e-m·g)2+(f-m·h)2]m2·(c2+d2)+2·m·(a·c+b·d)+(a2+b2)＝|I2R|2·[m2·(g2+h2)-2·m(e·g+f·h)+(e2+f2)m2[|I2R|2·(g2+h2)-(c2+d2)]+m[-2|I2R|2(e·g+f·h)-2(a·c+b·d)]+[|I2R|2(e2+f2)-(a2+b2)]＝0上面最后一個方程具有二次方程A·m2+B·m+C＝0的形式，其中A、B、C是變量，m是到故障點的歸一化值。設A、B和C等于方程中某一選定的值時，可以將最后一個方程進行簡化A＝|I2R|2(g2+h2)-(c2+d2)B＝2|I2R|2(eg+fh)-2(ac+bd)C＝|I2R|2(e2+f2)-(a2+b2)上述的重新整理適合于如下的一般二次方程m=-B±B2+4AC2A---(10)]]>其中m是一個關鍵值，為兩個終端之間以繼電器S為基準的故障位置的歸一化值(per unit value)。因為方程中的正負量，這樣在結果中具有兩個可能的故障位置，其中一個是實際存在的，另一個是通常不存在的。一旦知道m的值后，涉及m值和兩個繼電器之間的總的線路長度的一個簡單計算可以得出用于計算的本地繼電器S到故障發生處的距離，其中是上述本地繼電器進行的計算。
可以看到，對于兩終端(雙末端)線路的運用，遠程繼電器必須發送的信息僅為下面的逆序量|I2|、|Z2source|和∠Z2source
上述信息從遠程繼電器R處傳送過來并與來自本地繼電器S的相同信息一起來作出故障定位確定。與常規雙末端故障定位系統所需的數據相比這會使用較少的數據。因此利用本發明可以實時地來確定故障發生點。這可導致對保護系統的運行作相當大的改進，包括復閉運行的改進。
圖1展示了實施上述過程來確定故障發生點的一個系統的基本方塊圖。在圖1中，焦點是本地繼電器S，信息是來自一個遠程繼電器R。然而，計算也可以在遠程繼電器中進行。
電壓和電流值可以由本地繼電器S從輸電線處得到。電壓的所有三個相位VA、VB、VC和電流的三個相位IA、IB、IC均從輸電線處得到。在圖1中用標記13概括地表示。這些量太高不能直接對其進行處理，所以將它們輸入到一組變壓器14上，在此它們被降低到可以處理的水平。從變壓器14出來的電壓和電流值被輸入到一個多路復用器和A-D轉換電路16中。多路復用器/A-D轉換器16的輸出被輸入到一個數字濾波器18上。在本地繼電器S內的一個微控制器20中進行數字濾波。
可以理解的是從輸電線獲得電壓和電流值的設備以及變壓器14、多路復用器/A-D轉換器16都是常規設備，因此不對它們作進一步的討論。數字過濾器18也同樣如此。
從數字濾波器18出來的過濾后的信息被輸入到一個計算塊22中，在計算塊22中對來自過濾器18的每一電壓值和電流值的相幅和相角進行計算。接下來，計算出來自相量的順序電壓和電流量。然后將計算塊22的輸出輸入到被稱之為事件報告塊24中。在事件報告塊24中，來自計算塊22的信息首先被格式化成常規的事件報告。然后在屬于事件報告塊24一部分的一個緩沖存儲器中使該信息連續地循環。
事件報告塊24的另一個輸入來自保護和事件報告觸發塊26。觸發塊26也對來自過濾器塊18的電壓和電流的相幅和相角以及來自塊28的設定作出響應。該設定是通過繼電器的用戶來建立的，如通過前面板輸入或串口命令。將來自過濾器18的測量到的電壓和電流值與保護和事件觸發塊26的保護部分的預先設定值相比較。由塊26作出的任何結論性的故障確定被輸入到事件報告塊24中作為“觸發”信號。觸發信號表明在存儲器中循環的數據何時需要的存儲，因為該數據覆蓋了故障條件的前后時間。該被存儲的信息成為事件報告。
在此點處，繼電器的常規保護行為被初始化，包括打開一個或多個斷路器；也對故障定位確定進行了初始化。
然后將來自塊24的事件報告內的信息輸入到一個中間故障選定邏輯塊30中，該邏輯塊30可確定大約故障發生期間中間時刻電壓和電流的值。該步驟可確保精確的故障數據。故障開始時的電壓和電流可能不穩定，而故障結束時的電壓和電流可能受斷路器運行的影響。塊24中的事件報告的形成和故障中間時刻(mid-fault)信息的識別是常規的操作，因此不對其作進一步的論述。
然后將來自塊30的故障中間時刻信息輸入到一個計算塊32中，在該計算塊32中計算出了本發明系統中重要的電力參數值(powerquantity)即逆序阻抗Z2和逆序電流I2。如在塊30中所示，Z2和I2的值最初是復數矢量形式(極坐標量)。Z2值以一個相幅和相角的形式與逆序電流的絕對值|I2|分別沿著線路33和35被返回到保護和事件報告觸發塊26中。然后塊26在輸出線路34上將該信息送出到一個串口塊36中。串口塊36通常是一個通用的異步接收-傳輸設備(UART)。UART36的輸出被輸入到一個數據口38并由此通過一個合適的通訊線路39傳送給遠程繼電器R。
來自塊32的計算出的Z2和I2值在一個輸入端被輸入到一個故障定位計算塊40中，該計算塊40可根據上面論述的計算方法確定出m的值。實施例中的計算塊40確定出m值、距離繼電器S的實際的故障發生位置以及總的故障電流(IF)和故障電阻(RF)。上面詳細討論了m值的確定；在下文中將對IR和RF的確定進行討論。
如上所述，本發明的系統是雙末端的，即它是用來自遠程終端(除了本地終端之外)的信息進行故障的確定。因此，Z2和|I2|從遠程繼電器傳送過來，更具體地說，就是|Z2R|、∠Z2R和|I2R|。該信息是通過數據口38經通訊線路39從遠程終端處接收來的，然后通過UART36從而進入到接收數據緩沖器42中。
緩沖器42暫時將數據存儲起來，然后將數據直接輸入到一個“變換數據”塊44中，在實施例所示的該“變換數據”塊44對逐位發送的傳送數據進行重新組合使其成為一數據流，即該“變換數據”塊將數據變為其最初的字節形式。然后將來自塊44的信息輸入到計算塊40中作為其另一個輸入。這樣，計算塊40使用來自線路的兩個末端(本地繼電器S和遠程繼電器R)的逆序值來確定發生故障的位置。然后將故障定位信息返回到線路45上的保護塊26中，由此該信息通過輸出線路34被返回給遠程終端和合適的顯示器或其他設備。
m值和故障定位的計算可以基本上被實時地完成，因為可以特別快地得到來自遠程繼電器的所需信息以及很快地完成所需的計算。進一步而言，通過使用逆序源值，基本上可以將V2和I2之間的相角值抵償掉，這樣就不必將來自遠程繼電器的數據集合信息與源(本地)繼電器上的數據集合信息進行校準，即使其同步。
上面所述的系統通常是優選的，因為得到所需故障信息所必需的是傳輸相對較少數據量和單個計算。然而應當理解的是，還有其它故障確定的方法，該方法使用選定的逆序量。下面描述的另一種可選方法具有前述實施例的許多優點，但是要求用于故障定位計算的額外時間，這是因為要與遠程繼電器進行大量的數據交換。
如上所述，當從保護的線路的兩個末端觀察時，逆序量(以及順序和零序量)故障電壓V2F是相等的。重復一下，在源繼電器S處V2F＝I2S·(Z2S+m·Z2L) (11)在繼電器R處V2F＝I2R·(Z2R+(1-m)·Z2L)) (12)在該實施例中，m的一個初始值如0.5是由計算塊選定的。然后利用方程11和12使用m值以及I2S、V2S、I2R、V2R的計算出的逆序值和Z2L的已知值，在繼電器S處，也在繼電器R處對V2F進行計算。然后比較|V2S|和|V2R|的|V2F|值，即|V2FS|-|V2FR|。如果所得ΔVF是負值，則m的初始值就太小了，即在故障發生時電流和阻抗的計算值的m大于0.5。
假定初始確定值是負的，則下次選定的值是m取位于0.5和1.0之間的0.75。然后執行相同的計算和比較。每一個連續的迭代所得ΔVF都要接近于0。當ΔVF等于0時，在此點處選定的m值是真正的m值。圖2中展示了使用該方法的一個例子，上述例子是處于如圖3所示的一個選定故障條件下的。圖3展示了在一個特定的系統上一個特定故障的事件報告信息。可以理解的是在此處順序值的信息與逆序值的信息是相同的。可以看到圖1中的過程使用了7次迭代從而達到了正確值m＝0.6。在上述例子中迭代方式是選擇在前值之間的一個中間m值，但也可以選擇其它的迭代方式。然而該實施例的主要缺點是耗費時間，即它要求多次連續的計算。在優選的實施例中，只需要一次計算。
圖4展示了一個兩終端、近乎均勻的系統。其中“均勻”的意思是源S、源R和傳輸線路具有相同的相位角。在一個典型的非均勻系統中，兩個源的相位角將有顯著的不同，通常大于5°。圖5和圖6展示了繼電器60和62相距100英里的條件下在本發明系統和在前的單末端系統之間的故障定位精確度的差別。在圖5中展示了圖4中的系統，故障發生在與繼電器60相距25英里的點64處。圖5中的線66表明由本發明得出的計算結果是故障發生位置非常接近相距繼電器60的25英里處。由線68表示的傳統的單末端故障定位結果提供的位置大約在23.75英里處，其于實際的故障發生位置有很大的差別。單末端系統的誤差隨著距離的增加而增加。如果從另一末端進行計算，本發明將非常接近理想答案75英里，而傳統的單末端方法將得出85英里這一結論，一個相當大的誤差。
圖6展示了圖4的系統中在距離50英里的點70處的一個故障的結果。線72表示本發明的結論，而線74表示常規單末端系統的結論。
使用常規方法的可能的誤差是非常值得注意的，因為它傾向于實際降低部分線路服務人員在結果精確度上的信心。本發明的誤差通常小于線路長度的1％。在非均勻EHV(超高壓)傳輸系統中使用本發明也可得到相似的結果。使用上述的實施例中的任一個都可以得到精確的結論。
申請人的發明也可以應用到三終端線路上，例如圖7中所示的。在現有的電力系統中三終端線路是很罕見的。電力公司將具有一個電源Z的線路80(線路部分5)與具有兩個電源Y和X的現有兩終端線路84(線路部分1和2)相連接，從而產生三終端線路，意思是具有三個電源的線路。當故障發生時，所有三個電源都提供了故障能量。對于更為復雜的三終端線路，其精確故障定位會變得更加復雜。圖7的系統也包括了展示典型場條件的平行線路結構(線路部分3、4、6)。
如果單末端故障定位設備位于每一線路的末端，在故障期間其線路段與另一線路段不平行的繼電器可得到最精確的故障定位。例如，如果一個單線路接地故障發生在圖7中的線路90(線路部分1)上，來自繼電器92的故障定位信息會比由繼電器94或96處得到的故障定位信息更為精確。
在所示的實施例中，通過觀察逆序網絡環境中的三終端線路可得到更為精確的計算。圖8中所示的程序表是基于單線路接地(SLG)故障的，該故障與母線100相距m歸一化距離，上述母線100與電源X相連接。當故障處于分接頭點97時，大家知道繼電器94和繼電器96將會得到相同的V2F和V2TAP值(分接頭點97處的電壓)。可如下計算在線路部分90上的故障定位在繼電器92處 V2TAP@1＝V2@1-Z2L1·I2@X在繼電器94處 V2TAP@2＝V2@2-L2L2·I2@Y在繼電器96處 V2TAP@3＝V2@3-Z2L3·I2@Z其中I2是在三個電源X、Y和Z的數值，用1、2和5分別表示繼電器92、94和96的電壓和阻抗值。
對于線路部分90上的故障，繼電器94處的V2TAP等于繼電器96處的V2TAP。每一個繼電器計算出V2TAP并將其傳送給另兩個繼電器，一旦每個繼電器接收到來自另外繼電器的V2TAP電壓，則初步選定不十分匹配的特定V2TAP信號。例如在圖7中所示的例子中，繼電器94和96處的V2TAP最為匹配。
一旦發生故障的線路部分被這樣識別出來，另兩個線路部分的平行組合即被轉換成為一個單阻抗。該轉換是簡單的V2TAP/I2Y+I2Z。然而繼電器94和96的I2Y和I2Z不能簡單的相疊加，這是因為它們的采樣時鐘不是對齊的(aligned)。然而我們知道相角(繼電器92處的V2TAP)/(繼電器96處的V2TAP)等于繼電器92和96之間的校準相角。一旦知道了該相角后，則可使用繼電器92和96的逆序電流來計算點97(分接頭點)處的視在逆序源。圖8中示出了圖7的三終端線路實例的一個順序連接圖表。圖9中示出了相當的逆序網絡圖表。
在三終端線路中，由每一個繼電器發送給其他各繼電器中的的最少信息為1.|I2RELAY|2.∠I2RELAY3.|V2TAP|4.∠V2TAP在故障定位計算之前，每一個繼電器將對上述這些參數量執行如下步驟。首先，對由各繼電器計算出的V2TAP量進行比較。這些繼電器在此處稱為遠程繼電器1和2。具有大約相同V2TAP的兩個繼電器是不與發生故障的線路部分相聯系的。由遠程繼電器1和2的相應V2TAP相角可確定出該兩個繼電器之間的校準相角。具有|I2RELAY|值的繼電器被用作基準繼電器。隨后以上面確定的校準相角對非參考遠程繼電器逆序電流的相角進行調整。基準遠程繼電器的逆序電流隨后被疊加到非基準遠程繼電器的調整后的逆序電流的相角上。該值被稱為I2TAP。然后由V2TAP/I2TAP計算出Z2TAP。
上述用于兩終端線路的二次方程在此仍是適用的，對于三終端線路具有如下的置換Z2TAP+Z2L＝e+jf和I2R＝I2TAP。
因為三個繼電器中的每一個都具有所需的數據，所以它們都可計算出精確的m值。本發明的系統可對三終端線路基本上實時地計算出精確的故障定位結果。對于現存的故障定位系統而言這是一個極大的優點。
一旦知道了故障定位信息，則可計算出故障電阻(RF)。這是本發明系統的一個附加特性。一般而言即使可使用故障電阻來確定一個特定線路配置的保護繼電器被設定的靈敏性，故障電阻也是未知的。目前這些設定是在故障電阻未知的情況下保守地完成的。精確的知道線路上以往故障的故障電阻的變化過程可以提高線路的保護設定(距離和方向性接地故障)的精確度。除了用于建立距離和方向性接地故障靈敏性外，故障電阻值也可用于跟蹤過去曾發生在一個特定保護線路上的最大故障電阻。這樣有利于安全工程師來研究故障。
在計算故障電阻RF時，如在一個位于距繼電器m歸一化距離的A接地故障的例子中，由繼電器測量的A相電壓可表示為VA＝m·Z1L·(IAS+K0·IR)+RF·IF(13)
其中RF是重要的量。為了解出RF和A相(RAF)，方程中的所有其他量都乘以(M·Z1L·(IAS+K0·IR))*，略去虛數部分，結果如下RAF=Im[VA·(Z1L·(IA+k0·IR))*]Im[IAF·(Z1L·(IA+k0F·IR))*]---(14)]]>其中IAF＝ITOTAL，ITOTAL是A相接地故障通過RF的電流。B和C相接地故障的方程與上面所示的A相接地故障的方程相似。
現在，為了計算ITOTAL，如下使用故障定位、本地和遠程源信息以及復制(replica)線阻抗I2S=ITOTAL·[(1-m)·Z2L+Z2R][Z1S+Z1L+Z1R]---(15)]]>現解ITOTAL(通過故障電阻RF的總電流)ITOTAL=I2S·[Z1S+Z1L+Z1R][(1-m)·Z2L+Z2R]---(16)]]>其中Z1L和Z2L是復制(replica)線阻抗量。
對于三終端線路，在方程16中用Z2TAP代替了Z2R。上述系統已被證明在計算RF和ITOTAL的精確值時非常有效。
在過去，由對每一個單個傳輸線路(每一相位中的一個)的位置相對于在線路之下的地面進行周期性調換來平衡電力傳輸線路上的電壓和電流。為了平衡相位線而進行上述工作。單個相位線的調換包括沿著線路在選定距離間隔上相對于地面改變每一個相位線的相對位置，即單個A相、B相、C相的物理位置在傳輸線路塔架上三個間隔垂直位置之間有規律地旋轉。也可在水平線路之間發生調換，其中每一個相位線在一個傳輸線路塔架的三個不同水平位置之間有規律的轉動。
然而在實際操作中傳輸線路是不轉動的，這是因為發現在調換點處傳輸線路故障發生的幾率較大。不進行調換確實能減少故障的發生；然而它也導致了不平衡的相位線路以及正常負載和故障發生時的雜散(errant)逆序和零序電流。在此情況下，IA2和IA0(逆序和零序電流)與由常規的穩態故障定位方法計算出來的結果不一致。輸電線的不調換可在使用逆序線路阻抗量的故障定位系統中引起可能的故障定位誤差。
在現存的故障定位系統中沒有對由不調換導致的影響進行考慮和補償。由于雜散的不平衡電流是一個相當復雜的情形，一般可通過如下方式對其影響進行補償從故障產生的逆序電流中減去故障前逆序電流值而得到最后的逆序電流。在上面的方程中，最后的逆序電流是簡單地代替了IA2。如果線路是對稱的，故障前I2總是為0。
這樣本發明的多末端故障定位器系統可產生一個輸出，該輸出可表示故障定位、故障電阻(RF)、總故障電流(IF)。當然，當系統操作員指示線路維護人員沿線到達正確位置以進行維修時，故障定位信息具有即時的用途。如上解釋的那樣，精確的信息對于系統運行以及特別是在復雜地形處的維修人員的士氣和信心很重要。
然而實時的精確故障定位信息也可以應用到其它領域，特別是發生故障線路上的斷路器和/或開關的控制。圖10A、10B、10C展示了一個包括負載112和114以及開關116～119的保護線路110。在該例子中，故障發生在線路中部(mid-line)的點122處。
在常規的線路控制技術下，給定時間內開關116～119對開關任一側接近于0的電壓進行響應而將開關打開，例如在由于故障的原因繼電器124使斷路器126跳閘時，這就會發生。當實際中不必對故障進行響應時，常規的復閉機制將最終導致開關116被打開一段時間。在此情形下，由負載112服務的顧客受到了不必要的影響。
在本發明中，故障定位信息向繼電器124內的比較器邏輯塊產生一個輸出。繼電器124將故障定位信息與兩個閾值相比較，上述兩個閾值代表了開關117和118之間的距離。如果故障定位信息位于兩個閾值之間，繼電器124將向開關117和118發送跳閘命令。結果是負載112和114被很快的恢復。在電力系統保護方案中使用精確故障定位的其它例子對于本領域技術人員而言是顯而易見的。
因此，本發明描述和展示了故障定位系統，該系統使用了逆序量，特別是|I2|和Z2(幅值和相角)。該系統不僅克服了現有系統的許多缺點，而且由于與遠程終端相對較小的信息交換，具有能實時地得到結果的優點。進一步而言，該系統也可被應用在三終端線路的故障定位上。這樣在多末端的故障定位器領域是一個顯著的進步。
雖然在此為了說明起見披露了本發明的一個優選實施例，但可以理解的是在不脫離本發明精神的情況下，對該實施例作出的各種變化、修改和替代都處于由后附的權利要求書限定的本發明的精神范圍之內。
權利要求
1.一種在其上具有第一和第二終端的輸電線上對故障進行定位的系統，包括在故障發生時獲得關于每一個終端位置的輸電線上的電力信號的選定信息的設備，上述信息包括逆序電流的幅值和逆序阻抗的幅值和相角值；和用于從選定的信息自動確定輸電線上故障位置點的裝置。
2.如權利要求1所述的系統，其中確定裝置包括用于計算故障發生處在總線路長度上的分數值m的設備，然后使用數值m和輸電線的已知長度來確定發生故障的輸電線上的一個距離點。
3.如權利要求1所述的系統，其中第一終端是一個確定所述故障定位點的本地終端，第二終端是一個遠程終端；其中來自遠程終端的選定信息不與來自本地終端的選定信息進行校準。
4.如權利要求2所述的系統，其中m值的計算是基于下列表達式，該表達式包括逆序故障電壓V2F的第一和第二等價方程I2S(Z2S+m·Z2L)＝I2R(Z2R+(1-m)Z2L)＝V2F其中I2S等于計算m值的輸電線上一個本地終端處的逆序電流，Z2S等于本地終端處的逆序阻抗，I2R等于輸電線上一個遠程終端處的逆序電流，Z2R等于遠程終端處的逆序阻抗，其中Z2L是這兩個本地和遠程終端之間的輸電線上的逆序阻抗。
5.如權利要求2所述的系統，其中輸電線具有雙末端配置。
6.如權利要求2所述的系統，其中關于電力信號的選定信息是在故障發生期中及時地獲得的。
7.如權利要求2所述的系統，包括獲得輸電線上所有三個相位的電壓和電流信息的裝置和使該信息在一個緩沖器中循環的裝置以及進一步包括對輸電線上的一個故障的指示進行響應從而在大約故障發生期內暫時存儲所述電壓和電流信息的裝置。
8.如權利要求4所述的系統，其中m值的計算包括將所述逆序電流和阻抗信息整理成為二次方程的形式并解所述二次方程而得到m的值。
9.如權利要求7所述的系統，其中確定裝置使用所述電壓和電流信息來產生逆序電流和阻抗值。
10.如權利要求2所述的系統，包括基本實時地將逆序電流和逆序阻抗量及相角傳送給遠程終端的裝置
11.如權利要求2所述的系統，其中輸電線具有與三個輸電線部分相聯系的三個終端，并包括用于調整說明所述三個終端的故障定位的確定的裝置。
12.如權利要求11所述的系統，其中用于調整的裝置包括確定哪一個輸電線部分在分接頭點處電壓不匹配的裝置和用于將剩余的兩個線路部分轉換成一個單阻抗值的裝置，其中三個輸電線連接在所述分接頭點處。
13.如權利要求2所述的系統，其中計算裝置包括用于自動選定m的連續值并解第一和第二方程直到其結果基本相等的裝置。
14.如權利要求2所述的系統，包括用于計算來自故障定位信息的故障電阻(RF)值的裝置。
15.如權利要求1所述的系統，包括對故障定位信息進行響應的裝置，該信息應用于輸電線的一個保護系統的運行。
16.如權利要求14所述的系統，包括使用故障電阻值來計算總故障電流ITOTAL的裝置。
全文摘要
在一個故障定位系統中,在多末端輸電線上的每一個終端位置處得到關于電力信號的選定信息。保護繼電器通常位于終端位置。選定的信息包括故障發生期中的電力信號的逆序電流的幅值和逆序阻抗的幅值及相角。本發明提供了從逆序值計算出總線路長度的一個分數值m的裝置,以及由故障定位計算終端使用該m值和兩個終端之間的總長度,從而計算出距發生故障之處的距離的裝置,上述m值表示了發生故障的線路上的點。
文檔編號G01R31/08GK1350642SQ00806402
公開日2002年5月22日 申請日期2000年2月22日 優先權日1999年2月24日
發明者J·B·羅伯茨, G·本穆亞爾, D·楚奧巴拉斯 申請人:施魏策爾工程實驗公司