張 海，黃少鋒，郝曉輝

(1.華北電力大學(xué) 電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，北京102206;2.石家莊供電公司，河北 石家莊050000 )

0 引 言

同桿雙回線是電網(wǎng)的重要組成部分，并且也是我國新建的超高壓和特高壓輸電線路電力傳輸首選的輸電形式［1，2］。同桿雙回線的廣泛使用使得線路上的故障情況更加復(fù)雜，其中跨線故障種類繁多，具有不同于傳統(tǒng)單回線故障的故障特征，給故障選相帶來了困難［3］。深入研究雙回線故障的特征，對提高保護裝置的選相能力具有重要意義。

故障選相需要依據(jù)各種故障的特征來有效區(qū)分故障相，保護裝置采集到故障特征信息的多少對保護選相的可靠性以及可靠選相的范圍有明顯的影響。保護裝置獲得的故障特征信息與故障形式、過渡電阻、系統(tǒng)參數(shù)、故障位置等因素有關(guān)，另外還與利用哪些電氣量進行選相的選相方式有關(guān)。利用單端電氣量的選相方式數(shù)據(jù)傳輸通道短，保護維護方便，但在線路末端短路時故障特征信息不足，難以可靠選相，其中利用單端單回線的電氣量時還存在信息裕度不足的問題，給跨線故障選相帶來了困難;利用雙端電氣量的選相方式可以獲得較完整的故障信息，能夠保證故障在任何位置時準確選相，但需要雙回線兩端鋪設(shè)數(shù)據(jù)傳輸通道，建設(shè)和維護成本高。目前各種選相方式均有研究，也出現(xiàn)了不少選相原理和選相算法［4～10］。

六序分量分析法是對稱分量法在雙回線網(wǎng)絡(luò)上的拓展，將參數(shù)對稱的同桿雙回線的互感解耦，并分解成3 個同序分量和3 個反序分量，利用故障邊界條件進而可求解出線路的故障電氣分量，是分析同桿雙回線故障的有力手段［2］。本文利用六序分量分析法對同桿雙回線故障下線路主要電氣量的特征及變化規(guī)律進行了研究，分析并對比了基于不同測量電氣量的故障選相方式的優(yōu)缺點，結(jié)合保護實踐對各種選相方式的應(yīng)用進行了探討。

1 同桿雙回線的六序分量模型

1.1 研究的同桿雙回線模型

本文研究的同桿雙回線模型如圖1 所示，雙側(cè)是對稱電源，其中m 側(cè)系統(tǒng)1 的電勢為，其正序、負序與零序等效阻抗分別為Zms1，Zms2和Zms0;n 側(cè)系統(tǒng)2 的電勢為，其正序、負序與零序等效阻抗分別為Zns1，Zns2和Zns0。線路I 與線路II 全程同桿并架，兩條輸電線路長度、材質(zhì)、型號、分裂方式等都一樣，長度為L，其每相線路的自阻抗為ZL，每回線路的相間互阻抗為ZM，兩回線的線間互阻抗為。故障發(fā)生于雙回線上k 點處，距母線m 距離占雙回線長的比例為p。

圖1 同桿雙回線模型Fig.1 Model of common-tower double-circuit line

1.2 雙回線的六序分量模型

六序分量分析法在對稱分量法的基礎(chǔ)上，通過六序分量變換消去平行雙回線的相間互感和線間互感，將雙回線中的各相分量分解為三個同序(以T 表示)分量和三個反序 (以F 表示)分量，然后利用故障邊界條件可求解得到故障六序分量進而得到故障下各電氣量的相分量［6］。

將同、反序分量變換和對稱分量變換結(jié)合起來，得到六序分量變換矩陣為

則相電流分量和六序分量之間的關(guān)系為

同桿并架雙回線的六序分量網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示。

圖2 中僅同相量的正序網(wǎng)存在電源，其他序網(wǎng)均為無源網(wǎng)。同序網(wǎng)中雙回線以外兩側(cè)系統(tǒng)的各序阻抗均為序阻抗的2 倍，反序網(wǎng)則將兩側(cè)系統(tǒng)阻抗完全旁路，即反序電流僅在回線之間的回路中。計算可得到故障下各序網(wǎng)的阻抗:

圖2 六序分量網(wǎng)Fig.2 Six-sequence component network

由式 (3)可知，故障下各序網(wǎng)的阻抗都是故障位置參數(shù)p (0≤p≤1)的2 次函數(shù)，只是對應(yīng)的極值點不同，見圖3。

圖3 故障口六序阻抗曲線Fig.3 Six-sequence impendence curves of fault port

從圖3 的阻抗曲線可見，反序網(wǎng)的各序阻抗隨故障點的改變具有一致的變化規(guī)律，并且均在雙回線中點取極大值;而同序網(wǎng)的各序阻抗隨故障點的變化規(guī)律則受兩端系統(tǒng)阻抗的影響，各序極值點對應(yīng)的故障點一般不在同一故障點，在兩端均為大系統(tǒng)時才近似認為與反序網(wǎng)具有相同的變化規(guī)律。

2 雙回線故障的六序分量分析

2.1 故障下的六序電流特征

式 (2)顯示了線路電流相分量與六序電流分量的關(guān)系，對于雙回線一側(cè) (以m 側(cè)為例)各相序電流與各序電流的關(guān)系式可以表示為

式中:

其中，CmT0，CmT1，CmT2，CmF0，CmF1，CmF2分別為m 側(cè)各序電流分配系數(shù)，可以表示為

從式 (4)可知故障下同序電流分布于整個系統(tǒng)，而反序電流則僅僅分布于故障雙回線內(nèi)部。此外，同序電流與反序電流還有許多不同點，見表1。

當發(fā)生的故障是同名相跨線故障時，反序電流分量全為零;或當故障位于雙回線之外時，反序電流分量也全為零。這也說明反序電流分量能夠反映故障下兩回線故障接線的相對對稱性。

表1 電流的特點Tab.1 Features of currents

另外T，F(xiàn) 網(wǎng)各同名序分量一般不相等，僅在發(fā)生單回線故障時各同名序的總電流分量才對應(yīng)相等或相反。但從雙回線的單側(cè)來看，由于同序網(wǎng)與反序網(wǎng)的電流分配系數(shù)一般不同，該對應(yīng)關(guān)系往往不能滿足，因此僅利用單端電流量無法利用此特征區(qū)別單回線故障和跨線故障。

2.2 故障下的六序電壓特征

兩回線的相電壓與六序電壓分量也有類似式(2)的關(guān)系，即

對于故障點k 到m 側(cè)母線之間的雙回線路，其上某點x 處的六序電壓分量為(以a 相為參考相，且

對于故障點k 到n 側(cè)母線的雙回線各序電壓也有類似的表達式(從略)。從式(6)可知，電壓分布與電流分布的規(guī)律類似，同序電壓分布于整個系統(tǒng)，反序電壓僅分布于故障雙回線。表2 羅列了同序電壓與反序電壓的一些特點。

表2 電壓的特點Tab.2 Features of voltages

實際中的電力系統(tǒng)電壓測量裝置一般都安裝于線路首末端處，無法測到反序電壓分量，所以依靠電壓無法甄別雙回線上具體的故障相序。不過由于同序分量具有與同序電流相同的故障特征，因此可以用來判斷故障相別、故障是否不對稱以及故障是否接地等情況。

3 雙回線故障選相方式

實際電力系統(tǒng)的PT，CT 互感器一般都安裝于線路首末端處，選取哪些電氣量作為保護選相的測量電氣量會影響到選相原理的設(shè)計、故障特征的提取、可靠選相的范圍以及投資成本等多個方面。目前主要考慮的選相方式有4 種——基于單回線單端量的選相方式、基于雙回線單端量的選相方式、基于單回線雙端量的選相方式和基于雙回線雙端量的選相方式。

3.1 基于單回線單端量選相方式

利用單回線單端電氣量選相是目前最期望的選相方式，希望在現(xiàn)有保護方式的基礎(chǔ)上直接實現(xiàn)跨線故障選相，避免對傳統(tǒng)保護方式進行大的調(diào)整。這種方式下的故障選相只考慮識別本回線的故障相，不考慮對側(cè)回線的故障狀態(tài)。保護裝置只測量本側(cè)回線的3 個端電壓和3 個相序的電流。

在這種方式下，單端單回線的3 個測量電壓是同序電壓，不含反序分量，如式(7)所示(以m側(cè)為例);而3 個相電流的6 序分量的成分無法提取，僅能分解成T 電流和F 電流的正、負、零序和分量或差分量，如式(8)所示。

式中:i =a，b 或c。

電壓分量中無反序分量，因此兩回線的同名相電壓完全相同?？梢岳秒妷哼x出故障相別、判斷故障是否接地，但無法直接選出具體的故障相序。

電流分量中由于無法將同、反序分量分別提取出來，所以除了單回線故障和同名相故障，很多情況下難以利用電流序分量進行準確選相。單回線故障時，各序總的T 和F 故障電流分量相等，m側(cè)有:

即直接從單回線提取三序電流的故障分量與T 序電流故障分量成正比;在同名相跨線故障下，F(xiàn) 分量電流全為零，此時直接從單回線提取三序電流的故障量就是T 序電流故障分量。這兩種情況可利用三序電流分量準確的選相，而其他跨線故障時，T 網(wǎng)各序分量與F 網(wǎng)各序分量均無一致的線性關(guān)系，則不能利用正負零序三電流分量選相。利用電流相分量在近端故障時能夠可靠選相，但遠端故障時故障相的非故障同名相序與故障同名相序的電流幅值接近，容易誤選相。

僅僅利用單端單回線電氣量從定量的角度來說具有較為明顯數(shù)據(jù)冗余度不足，其測量結(jié)果在某些跨線故障下容易產(chǎn)生較大誤差，可能影響定性分析結(jié)果的適用范圍。目前僅利用單回線單端量實現(xiàn)可靠選相還存在困難，需要結(jié)合電壓并利用多種原理綜合選相。不僅流程復(fù)雜，而且有的判據(jù)只能反映部分類型的跨線故障或只適用于近端故障情況，難以區(qū)分更為復(fù)雜跨線故障或保證保護范圍［11］。

3.2 基于雙回線單端量選相方式

利用單端雙回線電氣量可以獲得6 個電流量和3 個電壓量，電氣量的增多意味著保護裝置可以提取更多的故障特征分量，不僅有利于衍生出更多的選相原理，同時也有利于將兩回線的保護綜合設(shè)計，消除現(xiàn)有雙回線上各回保護因彼此孤立而帶來的誤動風(fēng)險。

這種方式下，測量電壓只含同序電壓分量，同名相電壓相等，無法選出故障相序，但可選出故障相別、判斷故障是否接地。從雙回線的6 個電流相分量中可以很容易的提取出6 序電流分量，從而可以利用正、反序電流的特征進行故障選相，并可以區(qū)分所有類型的雙回線故障。由于電流分配系數(shù)的影響，故障位于線路末端時電流的故障特征分量變小，尤其反序電流分量減小更快，再加上實際中兩回線可能因各相阻抗參數(shù)輕微的不對稱產(chǎn)生的不平衡電流，無法可靠選相，需要通過設(shè)置門檻縮短保護范圍，確保不誤選相。

基于雙回線單端量選相方式的數(shù)據(jù)冗余度明顯好于基于單回線單端量的選相方式，配合保護能夠?qū)崿F(xiàn)保護I 段的可靠選相。并且其不需長的數(shù)據(jù)通道，應(yīng)用成本低，易于實現(xiàn)。盡管目前實踐中利用雙回線電氣量構(gòu)建保護還受現(xiàn)實條件的制約，但隨著電網(wǎng)信息共享化，就近獲取單端雙回線電氣量將被允許，利用雙回線單端電氣量的選相方式很容易實現(xiàn)。

3.3 基于單回線雙端量選相方式

利用單回線雙端量可以獲得雙回線兩端6 個電流量和6 個電壓量。6 序電流無法提取，得不到獨立的6 序電流分量，無法利用6 序電流特征選相，但兩端同名相電流求和可以得到完整的故障電流相分量，且不受故障位置和電流分配系數(shù)影響，因此可以利用相電流的故障分量進行選相。這是雙端電氣量最突出的優(yōu)勢，包含了強烈的電流故障特征。

這種方式下可以利用兩側(cè)相電流之和選相(構(gòu)成縱聯(lián)差動保護)，也可以先兩側(cè)分別選相再綜合比較各側(cè)選相結(jié)果得到最終選相結(jié)果等方式選相［4］，并能夠保證雙回線全長范圍內(nèi)的可靠選相。這種方法需要交換雙回線兩端的信息量，需要專門的數(shù)據(jù)通道，對通道的可靠性以及兩端信息量的同步等方面有嚴格要求，而且投資較高。

在實際中，利用單回線雙端電流量選相的縱聯(lián)差動保護已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于其選相原理簡單可靠，縱聯(lián)差動保護已成為高電壓等級輸電線路的主保護。

3.4 基于雙回線雙端量選相方式

在這種選相方式下，雙回線被作為一個整體進行保護，選相裝置能夠獲得雙回線所有電流量和兩端的電壓量。其數(shù)據(jù)冗余度得到很大提高，可以衍生出多種選相原理，故障選相更加容易，能保證雙回線全線準確選相。

與利用單回線雙端量選相方式相同的是這種方式也需要數(shù)據(jù)通道，并且要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，建設(shè)成本高。隨著電力系統(tǒng)信息共享的發(fā)展，在未來電氣信息高度數(shù)字化的時代，這種選相方式將會得到普遍應(yīng)用，為保護裝置提供可靠的選相結(jié)果，并對構(gòu)建故障下準三相運行方式、優(yōu)化雙回線運行起重要作用。

4 幾種選相方式比較

表3 對論文所述的幾種選相方式分別從數(shù)據(jù)冗余度、選相可靠性、選相范圍等幾個方面進行了比較。

表3 不同選相方式的對比Tab.3 Comparison of different phase selection modes

一般來說，不同選相方式對應(yīng)不同的采集數(shù)據(jù)冗余度。如果數(shù)據(jù)冗余度不足，選相可靠性就越差?；趩味肆康倪x相方式難以在線路末端故障時正確選相，基于雙端量的選相方式則能夠在雙回線全長準確選相?；陔p端量的選相方式需要回線兩端鋪設(shè)長數(shù)據(jù)通道，其應(yīng)用成本高;基于單端量的選相方式則不需要。在現(xiàn)場應(yīng)用方面，目前基于單回線電氣量的選相方式現(xiàn)場已應(yīng)用，基于雙回線電氣量的選相方式雖優(yōu)勢明顯并且技術(shù)上可行，但因客觀的一些原因還未被現(xiàn)場接受。長遠看來隨著未來電力系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展，基于雙回線電氣量的選相方式具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

把握故障特征是同桿雙回線準確故障選相的關(guān)鍵。六序分量分析表明雙回線故障電氣分量由六序分量組成，其中三個序分量為同序分量，另三個序分量為反序分量。六序分量共同反映了雙回線上的各種故障，實際保護裝置只能測量到線路兩端的電氣量，其中電流量包含同序分量和反序分量，而電壓量只有同序分量。電壓量不足以反映完整的故障特征，無法獨立選相，可以輔助選相;在六相序電流量完整的情況下可提取六序電流特征，從而利用序電流特征選相，其相分量在故障分量明顯時也可以選相。

不同選相方式所反映的故障特征不同，利用的電氣量越豐富，提取的故障特征越充足，越有利于準確選相。利用雙端量的選相方式好于利用單端量的選相方式，但需要長數(shù)據(jù)通道，對運行和維護的要求高;利用雙回線電氣量的選相方式好于利用單回線電氣量的選相方式，配合保護有利于優(yōu)化雙回線運行，但受客觀條件制約當前難以應(yīng)用于現(xiàn)場，而后者易于被當前現(xiàn)場接受。但隨著數(shù)字化電力系統(tǒng)的發(fā)展以及保護測量數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)，基于雙回線電氣量的選相方式將會得到現(xiàn)場應(yīng)用并為雙回線保護發(fā)揮重要作用。

［1］劉萬順，黃少鋒，徐玉琴.電力系統(tǒng)故障分析(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術(shù)(第二版)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

［3］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護原理與技術(shù)(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］李永斌，劉千寬，黃少鋒.基于穩(wěn)態(tài)量的同桿并架雙回線綜合選相［J］.繼電器，2007，(35):63 －67.

［5］俞波.超高壓同桿并架雙線路微機保護的研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2002.

［6］索南加樂，王樹剛，張超，等.一種反應(yīng)環(huán)流電流的平行雙回線保護選相元件［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(15):47 －52.

［7］宋國兵，劉志良，康小寧，等.一種同桿并架雙回線接地距離保護方案［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(12):102 －106.

［8］唐寶鋒.輸電線路故障選相新方法的研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2004.

［9］楊忠禮，宋國兵，姚永峰，等.基于跨線故障判別的平行雙回線路選相方案［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45(2):97 －101.

［10］孟遠景，鄢安河，李瑞生，等.同桿雙回線的六相序阻抗距離保護方案研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(6):12 －17.

［11］李瑞生，鄢安河，樊占峰，等 同桿并架雙回線繼電保護工程應(yīng)用實踐［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(5):82 －84.