(國網寧夏電力有限公司經濟技術研究院，寧夏 銀川 750001)

0 引 言

輸電線路將電能從發(fā)電廠輸送到用戶側，是電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]。但由于往往處于野外或惡劣環(huán)境下，輸電線路經常會受到各種電氣故障和環(huán)境的影響，如雷擊或暴風雨天氣下導線相互接觸、動物或樹木與輸電線路接觸以及絕緣故障等[2]。當輸電線路發(fā)生故障時，必須盡快對故障進行定位和消除，以減少用戶所面臨的電能質量問題的持續(xù)時間，并防止對輸電網絡其余部分造成進一步的影響[3]。

通常，繼電保護設備會在故障時動作斷開故障線路，并記錄設備電流、電壓和狀態(tài)信號。從智能電子設備(intelligent electronic devices, IEDs)或數(shù)字故障記錄器(digital fault recorders, DFRs)等獲得的故障記錄需要進行預處理，以獲得所需的有用故障數(shù)據，隨后可分析該數(shù)據并將其用于故障定位算法[4]。輸電線路的中斷會導致周圍其他輸電線路的堵塞加劇，還會降低不同區(qū)域間功率傳輸?shù)撵`活性。相鄰輸電線路的負荷增加超過其額定容量可能進一步導致線路跳閘，產生級聯(lián)效應，最終發(fā)生停電事故[5]。因此，在輸電線路停運的情況下，一個地區(qū)的電力系統(tǒng)是很難長時間維持的，而準確無延遲地定位故障位置對于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性來說則是至關重要[6]。

現(xiàn)代數(shù)字繼電器普遍采用基于阻抗的故障定位算法進行故障位置估計，這一方法簡單易用，當故障條件與算法開發(fā)過程中的假設相匹配時，它們能夠提供合理的故障位置估計[7]。但基于阻抗的故障定位方法的準確性會受到包括負載、線路之間的耦合、CT飽和、線路模型不準確、提取故障電流和電壓不準確、存在3條終端線、分接徑向線等[8]在內的影響。

基于以上分析，提出一種基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的輸電線路短路點定位方法，該方法利用電力系統(tǒng)的短路模型實現(xiàn)手動故障定位程序的自動化。通過在測試電路中實現(xiàn)各種故障情況下的故障定位技術，驗證了所提方法的性能，并證明了所提方法對干擾故障定位算法精度的常見因素(如存在相互耦合和故障電阻)的適用性。

1 基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點定位

1.1 定位方法流程

電力公司利用幾種不同的商業(yè)電力系統(tǒng)仿真和故障分析平臺(simulation and fault analysis platforms, SFAP)對輸電網絡及其保護系統(tǒng)進行建模。網絡約簡是大多數(shù)電力系統(tǒng)分析和保護工程軟件的一個常見特征。利用這一特性，可以建立一個包含電力系統(tǒng)網絡不同部分的等效電路簡化庫。簡化等效電路庫需要在電力系統(tǒng)仿真軟件(power system simulation software, PSSS)中建模，該軟件可以由外部軟件驅動，從而能夠自動驅動和模擬不同的故障場景。

來自故障記錄設備的信息使用控制處理軟件(control and processing software, CPS)進行處理，CPS讀取故障記錄，并根據DFR位置從等效電路庫中選擇適當?shù)暮喕刃щ娐?，所選的并在PSSSS中建模的等效電路用于進行故障分析，將故障分析得到的數(shù)據與DFR得到的數(shù)據進行比較，從而估計出故障位置。

當接收到故障記錄時，CPS首先從DFR讀取故障記錄，執(zhí)行故障記錄的預處理步驟，從故障記錄中提取故障電流、故障電壓、故障發(fā)生的瞬間以及DFR的位置。然后，從電路庫中識別正確的等效電路，一旦識別出等效電路便可以在PSSS中對選定的等效電路沿線路長度在不同位置對故障進行模擬，并獲得故障電流和電壓。最后將模擬數(shù)據與從數(shù)據文件夾中獲取的故障記錄中的實際故障電流進行比較，根據比較中的最佳匹配來提供故障位置估計。

1.2 故障定位方法的原理

每個事件報告都有很多標識信息，可用于識別記錄該特定事件報告的繼電器，一旦識別出繼電器，就可以選擇聚焦于繼電器所在區(qū)域的等效電路進行分析。當CPS接收到故障記錄時，即識別出適當?shù)暮喕刃щ娐?，其中包含來自簡化等效電路庫的故障線路，該庫包含電力系統(tǒng)網絡的各個部分。CPS可以利用故障記錄中存在的故障記錄器信息來識別適當?shù)暮喕刃щ娐贰Ｒ坏┻x擇了適當?shù)暮喕刃щ娐?，就可以在各種故障情況下，沿著簡化等效電路中的每條線路進行故障模擬。這似乎是一個冗長而費時的過程，但應用簡化的等效電路可以大大提高故障定位的效率。在每一個模擬場景中，可以得到所有母線和線路的電流，并以相量格式存儲電流，降低了該方法的內存需求。

下一步是從事件報告中提取故障電流相量，然后將故障記錄計算出的故障電流與從模擬場景中獲得的所有電流值進行比較。模擬場景與故障錄波器記錄的故障電流密切匹配，從而給出故障位置估計。以任何監(jiān)測位置模擬故障電流與實際記錄的故障電流之間包含最小歐氏距離(當相量以直角坐標表示時)的模擬故障情景表示最接近的匹配。每條線路中模擬的不同位置和故障電阻值的數(shù)量取決于計算機計算和存儲能力，模擬的場景數(shù)量越多，故障位置估計的精度就越高。保護工程師計算機的計算能力和內存可用性以及所需的精度，在簡化等效電路中每條線路上模擬的場景數(shù)量需要由執(zhí)行系統(tǒng)研究的保護工程團隊進行配置。與較短的線相比，長線具有更多的模擬場景數(shù)。

由于在每個模擬場景中存儲了流經所有線路和母線的電流，因此不僅可以利用流經故障線路的故障電流來識別故障位置，還可以使用流過相鄰母線和線路的電流來識別故障位置。這提供了巨大的優(yōu)勢，如可用相鄰線路中繼電器記錄的事件報告驗證由故障線路中的故障電流估計的故障位置。此外，若故障線路的故障記錄受到CT/VT誤差的影響，則可以使用線路另一端或相鄰線路的故障記錄來識別故障位置。

2 故障定位方法的實現(xiàn)與驗證

2.1 實施框架

為了進行故障定位，在形成簡化等效電路時，通常會遇到4個主要部件，分別是發(fā)電機、輸電線路、連接母線和兩條線路之間的相互耦合，所有這些組件都可以在PSSS中建模，并且獨立于整個系統(tǒng)模型可用的實用程序所使用的軟件。

2.2 測試電路

采用SFAP中可用的一個示例電路對所提方法進行分析和驗證。該電路包含103條母線，187條支路或線路，26組耦合線路，2組耦合母線。從這種大電路模型中可以得到多個聚焦于不同區(qū)域的簡化等效電路。對由該大電路發(fā)展而來的簡化等效電路進行故障分析，用簡化等效電路法證明所提基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點定位方法的能力。

2.3 等效電路

大多數(shù)商用電力系統(tǒng)分析軟件都提供了一個網絡簡化模塊。盡管可以使用任何電路縮減方法，但這種情況下使用的電路縮減形式會根據需要減少母線數(shù)量，并引入等效源和線路阻抗，以模擬縮減后的原始短路特性。此外，在模擬整個簡化等效電路的故障場景時，可以忽略電路簡化后新創(chuàng)建的等效線路阻抗上的故障，因為這些線路實際上并不存在于原始電力系統(tǒng)中。

在驗證時，形成了僅包括母線40、2876、156、152、150、153和160的簡化等效電路。選擇電路的這一部分進行測試是因為它包含1.1節(jié)討論的輸電系統(tǒng)的所有主要部件，包括母線連接和線路之間的相互耦合，且不包括發(fā)電機。這有助于驗證在網絡縮減期間是否創(chuàng)建了適當?shù)牡刃щ娫?，以保持系統(tǒng)的短路特性。電路在母線40和母線156、母線150和母線153、母線152和母線153、母線153和母線160、母線153和母線156以及母線156和母線2876之間有線路連接，其他線路將這些母線中的一些連接到電路的其余部分，但它們在電路縮減時將被移除。母線150和母線153之間以及母線152和母線153之間的線路相互耦合，母線150和母線152之間有一個母線聯(lián)絡開關連接，是閉合的。

2.4 測試電路驗證

當故障記錄到達目標文件夾時，從故障記錄中獲取穩(wěn)態(tài)故障電壓和電流將SFAP中使用全電路模型模擬故障場景時獲得的故障電流輸入到CPS中，并在CPS中執(zhí)行搜索查找算法，在CPS接收到故障信號時，使用簡化的等效電路來識別故障位置。當CPS接收到一組故障電流時，即可通過有關故障記錄器的信息來識別要使用的簡化等效電路。然后，在等效電路中存在的所有線路上模擬各種故障情況，并將模擬得到的故障電流與目標故障電流中相匹配。

SFAP中用于分析的全電路模型是一種不考慮負載電流的經典短路模型，這對于本測試算例場景也是適用的，因為所提方法適用于輸電線路。與故障電流的大小相比，負載電流的影響可以忽略不計。因此，在使用各種基于阻抗的方法估計故障位置時，預設電流為0 pu，預設電壓為1 pu。

1)場景1：等效電路驗證

表1給出了SFAP中實現(xiàn)的全電路模型中獲得的故障電流以及CPS使用搜索和查找算法在PSSS簡化等效電路中找到的匹配。

考慮的第1個故障情況是母線153和母線156之間距離母線153側的20%線路長度處的線路A相單線接地故障，故障電阻為0 Ω。之所以選擇這條線路，是因為它代表了一種最常見的情況，即線路是網絡的一部分，并且在線路兩端具有互連。當線路出現(xiàn)故障時，故障電流可從線路兩端流入故障點。由表1可以看出，SFAP中存在的完整電路模型中，從母線153流入故障點的A、B、C三相線路電流分別為4 693.02∠-76.7°、7.94∠-97.3°、7.94∠-97.3°A；從母線156流入故障點的A、B、C三相線路電流分別為1 245.27∠-73.7°、7.94∠-82.7°、7.94∠-82.7°A?？梢园l(fā)現(xiàn)，所提方法能夠精確地識別從模擬簡化等效電路中的故障場景獲得的電流值與目標電流之間

表1 等效電路驗證

表2 分接點前三端線路故障

表3 分接點后三端線路故障

表4 耦合線路故障

的匹配，從而精確地確定故障位置點。

2)場景2：三端線路故障

場景2說明了所提方法在三端線路上任意位置定位故障的能力。母線153和母線40之間的線路在母線156處分接到母線2876。在153號母線處測得的故障記錄用于基于阻抗的算法估計故障位置。表2為在分接點(總線156)之前的三端線路上產生的故障情況，故障點在母線153和母線156之間的線路上?；谧杩沟墓收隙ㄎ凰惴軌虍a生合理的結果，而所提算法得到了更準確的結果。表2中基于阻抗的故障定位算法顯示的故障位置為占母線153和母線156之間線路長度的百分比，因為故障在分接點之前。而對于故障發(fā)生在分接點之后這種情況，表3中基于阻抗的故障定位算法將故障位置顯示為母線153和母線2876之間線路長度的百分比，因為故障位于分接點之后，并且高估了故障位置。然而，在簡化等效電路中，將三端線路建模為從母線153、母線40和母線2876到分接頭點(母線156)的3條獨立線路，因此，它能將故障位置識別為母線156和母線2876之間的線路上的故障，如表3所示。

如前所述，基于阻抗的故障定位算法無法在故障超過分接頭點時準確估計故障位置。而所提方法即使在故障超過分接頭點且具有非零故障阻抗的情況下也能準確地找到故障位置。

3)場景3：相互耦合線路上的故障

場景3證明了與其他常用的基于阻抗的方法相比，所提方法在相互耦合線路上定位故障的效率。母線150和母線153之間以及母線152和母線153之間的線路相互耦合。從表4所示的結果來看，當存在故障電阻時，基于阻抗的算法的故障位置估計誤差更為明顯。另一方面，所提算法具有較強的魯棒性，即使在存在故障阻抗的情況下，也能為互耦線路中的故障提供準確的故障定位。

針對上述每個場景模擬了很多測試用例，并展示了選定的幾個測試用例。表1至表4所示的結果表明，與常用的基于阻抗的故障定位算法相比，所提算法的優(yōu)越性及其所具有的潛力。由于故障定位程序依賴于數(shù)據庫中存在的系統(tǒng)模型，因此當電力系統(tǒng)中存在系統(tǒng)狀態(tài)或拓撲變化時，有必要相應地更新簡化等效電路庫。計算的速度和復雜性不是問題，因為分析是離線分析，而不是實時分析。此外，由于采用了唯一的簡化等效電路代替了全電路模型，大大降低了計算機系統(tǒng)的計算負擔，可以快速模擬各種故障情況。

2.5 故障電阻

所提出的方法能夠模擬電力系統(tǒng)的狀況和故障情景，從而獲得高精度的結果。因此，系統(tǒng)的建模和故障場景越好以及任何可能做出的假設越少，故障位置估計就越準確。在模擬故障情況時，一個關鍵的未知因素是故障阻抗，因為它會影響故障電流和故障電壓。故障阻抗在自然界中通常是電阻性的，由樹木和動物等物體引起，單相接地故障是最常見的輸電線路故障情況。單相接地故障的故障相電流可寫為

(1)

式中：VF為故障點前電壓；I0、I1、I2為流過電路的各序電流；Z0、Z1、Z2為電路各序阻抗；ZF為故障阻抗。

由式(1)可知，故障電阻的變化會影響故障電流的實部和虛部分量或故障電流相量的大小和角度。此外，由于故障阻抗本質上是電阻性的，因此在沿輸電線的不同距離設置故障(輸電線本質上主要是感性的)時，由于不同的電阻值而獲得的故障電流相量不會重疊。如圖1和圖2所示。

圖1顯示了在母線153和母線156之間的輸電線上，故障電流分布隨故障電阻的變化情況，監(jiān)視器放置在母線153處，監(jiān)視故障線路。對于每個故障電阻值，在整個輸電線路的不同位置設置A相單相接地故障，并繪制了由此產生的A相故障電流，該圖采用離散電阻值來驗證所提概念。可以觀察到，改變故障電阻會導致線路偏向于相應的金屬性故障情況，并且不與任何其他情況重疊，確保采用所提方法進行的故障位置估計不會受到故障阻抗的影響。無論線路是否耦合，都會表現(xiàn)出此特性。考慮另一個輸電線與另一條線耦合的例子，圖2為母線152和母線153之間相互耦合的輸電線上的故障電流隨電阻的變化情況，監(jiān)視器置于母線153處，測量故障線路中的電流。可以看出，在這種情況下也表現(xiàn)出類似的特征。因此，可以得出結論，故障電阻的存在并不影響所提出的故障定位算法對故障的定位。此外，還可以通過故障電流識別出故障阻抗。

圖1 故障電流隨電阻變化(線路153—156)

圖2 故障電流隨電阻變化(線路152—153)

3 結 語

提出了一種基于系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真模擬的短路點自動定位方法。利用簡化等效電路提高了故障定位的效率，有助于故障定位過程的自動化。該方法的主要優(yōu)點是通用性強，可以克服目前廣泛使用的基于阻抗的故障定位算法的缺點。任何電力系統(tǒng)網絡配置及其設備都可以建模，并且可以反映實際電力系統(tǒng)特性，而無需做出任何假設。在所提方法中，可以對諸如三端線路等復雜配置和互耦現(xiàn)象等進行建模，并將其用于故障定位，而在常用的基于阻抗的故障定位算法中，是不能直接利用這些參數(shù)的。所提方法可以靈活地包含系統(tǒng)的所有可用信息，這使得該方法具有高度的準確性。