徐明陽，劉益青，邢志超，薛嘉慧，朱一鳴

（1.濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，環(huán)境保護(hù)形勢也日益嚴(yán)峻［1-3］。同桿雙回線輸電容量大、建設(shè)速度快、節(jié)約成本，因此在工程上被日益廣泛的應(yīng)用［4-5］。距離保護(hù)具有靈敏度高，較少受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響等優(yōu)點(diǎn)［6］，用作同桿雙回線的主保護(hù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，距離保護(hù)首先確定故障相［7］，然后故障定位，區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)跳閘切除故障。在故障定位階段，同桿雙回線因兩回線距離較近，兩回線電氣量相互耦合，導(dǎo)致線間零序互感較強(qiáng)。而在實(shí)際工程中，同桿雙回線配置單回線、單間隔距離保護(hù)方案［8］，未引入相鄰回線的電壓電流；而且為了線路保護(hù)的獨(dú)立性，不能引入鄰線電壓電流。因此當(dāng)同桿雙回線配置單回線、單間隔距離保護(hù)時(shí)，受零序互感的影響，故障定位不準(zhǔn)確。由于同桿雙回線單相接地故障占全部故障的80%［9］，線間互感可達(dá)線路自感的50%～70%［10］，單相接地故障發(fā)生概率大且對本線距離保護(hù)影響最大。因此，當(dāng)接地距離保護(hù)應(yīng)用于同桿雙回線中，且按單回線、單間隔配置時(shí)，研究出一種新型的故障定位方法尤為重要。

目前，解決同桿雙回線線間互感對單回線、單間隔配置距離保護(hù)故障定位影響的方法主要有兩類。第一類為直接采集相鄰回線電壓電流的故障定位方法。此類方法是通過利用同桿雙回線兩回線的故障信息確定出故障位置，且大部分是基于六序分量法［11］。文獻(xiàn)［12］提出了一種同向正序基頻分量的雙回線故障定位新原理?；诜植紖?shù)模型，文獻(xiàn)［13-14］提出了一種單端定位方法，可以實(shí)現(xiàn)同桿雙回線跨線接地故障的準(zhǔn)確定位。雖然第一類方法定位出的故障位置較為準(zhǔn)確，但是破壞了線路距離保護(hù)的獨(dú)立性，降低了線路距離保護(hù)的可靠性。

第二類為不直接采集相鄰回線電壓電流的故障定位方法。由于影響同桿雙回線故障定位的零序互感由相鄰回線零序電流產(chǎn)生，因此此類方法通過估算出相鄰回線的零序電流，從而消除線間零序互感對距離保護(hù)故障定位的影響。文獻(xiàn)［15-16］提出了利用切換定值域整定距離保護(hù)零序補(bǔ)償系數(shù)的策略。文獻(xiàn)［17-19］首先根據(jù)估算出的近似故障位置估算出了相鄰回線的零序電流，從而提出新的接地故障定位算法。但是文獻(xiàn)［15-19］只是粗略估算出相鄰回線零序電流，只能減小線間零序互感對距離保護(hù)故障定位的影響，不能從根本上消除零序互感的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在很大的誤差。

由于當(dāng)前相鄰回線零序電流的估算精度低而不能消除線間零序互感對距離保護(hù)的影響，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確定位出故障位置，因此需要研究一種提高相鄰回線零序電流估算精度從而準(zhǔn)確確定故障位置的方法?；谂ｎD迭代思想，提出一種新型的同桿雙回線單相接地故障定位方法。該方法利用牛頓迭代法來提高相鄰回線零序電流的估算精度，從而準(zhǔn)確確定故障位置，并通過PSCAD仿真驗(yàn)證了所提方法的性能。

1 同桿雙回線接地故障的牛頓迭代法

同桿雙回線輸電系統(tǒng)模型如圖1 所示，其中故障設(shè)置為第I回線的單相接地故障。圖1中分別為同桿雙回線M 側(cè)與N 側(cè)的等效電源；ZM與ZN分別為同桿雙回線M 側(cè)與N 側(cè)的等效電阻；保護(hù)安裝在I回線M側(cè)；K1、K2、……、K21為不同故障點(diǎn)。

圖1 同桿雙回線故障模型

同桿雙回線單相接地故障等效模型如圖2所示。

圖2 單相接地故障等效模型

圖2 中，K為故障點(diǎn)；分別為I 回線M 側(cè)保護(hù)測量到的故障相φ的電壓、電流以及零序電流；為II 回線M 側(cè)保護(hù)測量到的零序電流；Z1、Z0分別為同桿雙回線線路全長的正序阻抗與零序阻抗；Z0m為同桿雙回線線路全長的線間零序互感抗；D為輸電線路保護(hù)安裝處到故障位置的距離與輸電線路全長的比值，因此D∈[0，1]；為故障點(diǎn)流向大地的故障電流；RK為過渡電阻。

將互感抗Z0m解耦到母線M 側(cè)，根據(jù)保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)處的故障回路列寫基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff′s Voltage Law，KVL）方程，整理可得I回線M側(cè)故障相電壓為

式（1）中，由于Z0、Z1和Z0m這3 個(gè)量是輸電線路固有參數(shù)，這3個(gè)量可以由I回線M 側(cè)保護(hù)處測量得到，因此以上都是已知參數(shù)。但是由于I 回線保護(hù)無法獲取II 回線的電氣量，因此是未知參數(shù)；此外，同桿雙回線接地故障時(shí)，過渡電阻RK是未知的；故障點(diǎn)對地電流無法測量，是未知的；D為待計(jì)算的故障位置，也是未知的。因此式（1）中存在和D這4個(gè)未知參數(shù)，無法直接求解。若要確定出故障位置，即令方程中最多只存在D這一個(gè)未知量，可通過分析與D的關(guān)系以及消去未知量RK，將式（1）表示為以故障位置D為未知量的方程。

同桿雙回線單相接地故障時(shí)零序故障解耦網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示。圖3 中，ZM0與ZN0分別為M 側(cè)與N 側(cè)系統(tǒng)的等效零序阻抗，為故障點(diǎn)對地零序電流，為I回線N 側(cè)保護(hù)安裝處測量到的零序電流，與分別為回路1、回路2、回路3與回路4的電流。

圖3 單相接地故障零序故障解耦網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)電路原理列寫出2個(gè)輔助方程為

運(yùn)用KVL，根據(jù)圖3 中回路2 與回路4 列出2 個(gè)方程為

3）實(shí)虛部分離消除未知量RK。

將式（8）代入式（1）中，可得

式（11）中，參數(shù)RK與D為實(shí)數(shù)，參數(shù)、Z0、Z1、Z0m與CΙ0為復(fù)數(shù)。因此，為了消除含RK的項(xiàng)，需要將式（11）中的實(shí)部與虛部分離。

令式（11）兩端同時(shí)乘以CΙ0以及的共軛，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)部與虛部分離，即為

式（13）中，由于CΙ0也含有未知量D，因此無法直接求得故障位置D的精確解，本文提出采用牛頓迭代法求解。

首先構(gòu)建出牛頓迭代公式，為了令根的近似值逐步逼近于精確解，接下來需要利用牛頓迭代公式反復(fù)校正根的近似值，最后得到滿足一定精度要求的結(jié)果。

假設(shè)方程f(x)=0，將f(x)=0同解變換為

若x*為f(x*)=0 的精確解，也就是方程f(x)=x-φ(x)=0 的解。假定f′(x)≠0，利用泰勒級數(shù)展開可得到牛頓迭代方程［17］為

式中：n=0時(shí)x0為初值。

式（15）所示的牛頓迭代方程需要保證f′(x)≠0，其迭代收斂條件為f(x)f″(x)＞0［20］。

根據(jù)式（15）對式（13）進(jìn)行變換，即可得到故障定位牛頓迭代方程為

式中：D(n)為第n次迭代值；D(n+1)為第n+1 次迭代值。

2 同桿雙回線單相接地故障定位方法

同桿雙回線單相接地故障定位方法的迭代計(jì)算流程如圖4 所示，流程中兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)為確定合理的迭代初值和迭代停止條件。

圖4 故障定位算法迭代計(jì)算流程

2.1 迭代初值的選取

迭代過程需要確定合理的初值，初值不合適可能導(dǎo)致迭代不收斂，因此初值選取應(yīng)盡量接近精確值。以故障位置D的估算值作為迭代初值。由于故障發(fā)生在不同位置時(shí)，不同，為了保證迭代的收斂性，故障位置D的估算值這一迭代初值的選取與精確值應(yīng)盡量接近，采用當(dāng)輸電線路發(fā)生末端故障時(shí)，即D=1 時(shí)的值來代替任意位置發(fā)生故障時(shí)的值，而同桿雙回線線路末端發(fā)生故障時(shí)=。

將式（1）中的阻抗用電阻和電抗的形式進(jìn)行表示，整理得

式中：R1、X1分別為輸電線路全長的正序電阻與正序電抗；R0、X0分別為輸電線路全長的零序電阻與零序電抗；R0m、X0m分別為輸電線路全長的線間零序互電阻與線間零序互電抗。

由于高壓線路中，線路阻抗主要呈現(xiàn)為感性，而輸電線路故障發(fā)生時(shí)，分流可得到。因此，式（18）中k=/可認(rèn)為是實(shí)數(shù)。那么令，即，將式（18）進(jìn)行等效并分離實(shí)虛部，可整理為

其中，

式中：UMΙφ?Re為的實(shí) 部；UMΙφ?Im為的虛部；的實(shí)部；的虛部。

求解式（19），消去R′K就可得到迭代初值為

2.2 迭代停止條件

在迭代過程中，如果迭代計(jì)算的結(jié)果達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的精度，那么就停止迭代，然后輸出迭代計(jì)算結(jié)果。本文設(shè)置的迭代停止條件為

3 仿真分析

對提出的基于牛頓迭代思想的同桿雙回線單相接地故障定位算法進(jìn)行仿真分析與性能驗(yàn)證。在PSCAD 中搭建如圖1 所示的同桿雙回線故障仿真模型，同桿雙回線單位長度線路參數(shù)為：z1=0.022 +j0.280 Ω/km、z0=0.182+j0.860 Ω/km，單位長度互感為z0m=j0.140 Ω/km。M、N 側(cè)系統(tǒng)電源等值參數(shù)為：Z0M=j7.8 Ω、Z0N=j18.2 Ω。

分別在同桿雙回線I 回輸電線路全長的0%、10%、30%、50%、80%以及100%處設(shè)置故障，故障類型設(shè)置為單相接地故障；每一個(gè)故障點(diǎn)處過渡電阻分別設(shè)置為0 Ω（金屬性故障）、20 Ω、150 Ω 以及300 Ω；將故障起始時(shí)刻設(shè)置為t1=0.4 s，故障持續(xù)時(shí)間設(shè)置為t2=0.3 s，仿真驗(yàn)證本文所提的基于牛頓迭代思想的同桿雙回線故障定位算法。

首先利用MATLAB 讀取由PSCAD 仿真得到的故障錄波數(shù)據(jù)，然后仿真分析故障定位算法。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)3 種相別的單相接地故障仿真結(jié)果的相對誤差相近，因此本文以A 相接地故障（AG）故障為例，列出并分析仿真結(jié)果。

不同故障位置以及過渡電阻的仿真驗(yàn)證結(jié)果如表1—表4 所示，可根據(jù)式（23）計(jì)算得出表中的相對誤差ρ。

表1 金屬性故障時(shí)的故障定位算法驗(yàn)證結(jié)果

表2 20 Ω過渡電阻時(shí)的故障定位算法驗(yàn)證結(jié)果

表3 150 Ω過渡電阻時(shí)的故障定位算法驗(yàn)證結(jié)果

表4 300 Ω過渡電阻時(shí)的故障定位算法驗(yàn)證結(jié)果

式中：D(k)為第k次迭代值；D(*)為仿真設(shè)置的故障位置的精確值。

根據(jù)表1 與表2 數(shù)據(jù)，當(dāng)過渡電阻較小時(shí)，本文所提出的基于牛頓迭代思想的故障定位算法在計(jì)算過程中均收斂，而且收斂速度較快，最多只需要4 次迭代計(jì)算就能夠準(zhǔn)確確定出同桿雙回線線路全長任意單相接地故障的故障位置。根據(jù)表3與表4數(shù)據(jù)，當(dāng)過渡電阻較大時(shí)，線路全長80%以內(nèi)發(fā)生故障時(shí)的驗(yàn)證結(jié)果亦是如此。但是當(dāng)線路100%處發(fā)生單相接地故障時(shí)，所提故障定位算法收斂到了錯(cuò)誤值。

接下來進(jìn)一步分析并解決當(dāng)線路100%處發(fā)生單相接地故障時(shí)，所提算法收斂到錯(cuò)誤值的問題。

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)式（16）迭代計(jì)算出的故障位置，相當(dāng)于在直角坐標(biāo)系中求解出式（16）中f(D)函數(shù)與x軸相交交點(diǎn)的橫坐標(biāo)。例如，同桿雙回線I 回輸電線路全長的30%位置處發(fā)生A 相接地故障，且過渡電阻為150 Ω 時(shí)，y=f(D)的函數(shù)圖像如圖5 所示。此時(shí)函數(shù)y=f(D)與x軸有1 個(gè)交點(diǎn)，即方程f(D)=0 的解正好是交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，因此所提出的基于牛頓迭代思想的故障定位算法在迭代過程中，會(huì)向著方程f(D)=0的解逐步收斂。

圖5 線路30%處故障時(shí)f（D）的曲線

當(dāng)I 回輸電線路100%處發(fā)生A 相接地故障，且過渡電阻為150 Ω 時(shí)，y=f(D)的函數(shù)圖像如圖6 所示。此時(shí)函數(shù)y=f(D)與橫軸的交點(diǎn)有2 個(gè)，即方程f(D)=0 的解有2 個(gè)。在圖6 中，由于交點(diǎn)D1與交點(diǎn)D2的鄰域內(nèi)均符合公式f(x)f″(x)＞0，滿足了迭代收斂條件，因此可以通過迭代計(jì)算分別求解出y=f(D)函數(shù)圖像的拐點(diǎn)以左與拐點(diǎn)以右區(qū)域中方程f(D)=0 的解，即圖6 中的D1與D2。但是由于迭代初值選取不當(dāng)，致使故障位置落在函數(shù)圖像拐點(diǎn)以左的區(qū)域中，因此導(dǎo)致迭代結(jié)果收斂于方程f(D)=0 與x負(fù)半軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)上，即圖6 中的D1，進(jìn)而導(dǎo)致迭代計(jì)算得出的故障位置錯(cuò)誤。

圖6 線路100%處故障時(shí)f（D）的曲線

由仿真得出，當(dāng)線路末端發(fā)生單相經(jīng)150 Ω 與300 Ω過渡電阻接地故障時(shí)，所提出的基于牛頓迭代思想故障定位算法都會(huì)由于選取的迭代初值不合理，使得迭代計(jì)算出的結(jié)果最終收斂于方程f(D)=0與x負(fù)半軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)上。

因此，針對初值選取不當(dāng)導(dǎo)致的故障位置落在函數(shù)圖像拐點(diǎn)以左的區(qū)域中，進(jìn)而使得最終的迭代計(jì)算結(jié)果收斂到錯(cuò)誤值這一問題。本文規(guī)定，迭代計(jì)算過程中，當(dāng)?shù)?jì)算結(jié)果是負(fù)數(shù)時(shí)，應(yīng)調(diào)整迭代初值為1，即設(shè)置D(0)=1，然后重新進(jìn)行迭代計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位。

重新設(shè)置迭代初值為D(0)=1 后，當(dāng)線路末端發(fā)生單相經(jīng)150 Ω 與300 Ω 過渡電阻接地故障時(shí)的迭代計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 設(shè)置迭代初值為1后的故障定位迭代算法驗(yàn)證結(jié)果

通過分析以上不同過渡電阻以及不同故障位置的迭代計(jì)算結(jié)果，本文所提基于牛頓迭代思想的故障定位算法仿真驗(yàn)證結(jié)果為：

1）當(dāng)同桿雙回線線路全長的80%以內(nèi)發(fā)生單相接地故障時(shí)，所提算法在迭代過程中收斂速度快，能夠僅利用單回線電氣量消除零序互感的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位。

2）當(dāng)同桿雙回線線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，所提算法在迭代過程中收斂速度快，僅需要通過調(diào)整初值為D(0)=1，就可以利用單回線電氣量消除零序互感對故障定位的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位。

4 結(jié)語

當(dāng)接地距離保護(hù)直接應(yīng)用于同桿雙回線中，且按照單回線、單間隔配置時(shí)，不能消除相鄰回線零序互感對故障定位的影響，繼而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確確定故障位置。針對不直接采集相鄰回線電壓電流的同桿雙回線故障定位方法，不能準(zhǔn)確確定故障位置這一問題，提出了一種新型的基于牛頓迭代思想的同桿雙回線故障定位方法。通過對同桿雙回線單相接地故障進(jìn)行分析，利用牛頓迭代法來提高相鄰回線零序電流的估算精度，僅利用單回線電氣量就能準(zhǔn)確故障定位，并通過仿真驗(yàn)證了所提方法的性能。仿真結(jié)果表明，在不同故障位置與過渡電阻下，所提算法在迭代過程中的初值選取方便、收斂速度快，僅利用單回線電氣量就能準(zhǔn)確故障定位，其定位精度雖不及直接采集相鄰回線電壓電流的方法，但卻遠(yuǎn)高于不直接采集相鄰回線電壓電流的方法。然而，本文只考慮了同桿雙回線的單回線單相接地故障的情況，下一步將繼續(xù)研究將本方法擴(kuò)展到其他故障類型。