基于功率因数角突变的故障线路判别
罗军涛 陈允平 曹华珍
摘要： 该文提出一种利用“功率因数角突变量”快速判断与控制节点相联线路短路故障的方法。大型电力系统中，紧急控制所需采集的信息量多，对控制速度要求高，因此准确迅速地判定故障位置非常重要。具有多条出线的电网节点仅取用就地信息，通过以“鉴幅鉴相特性突变”为判据，来判断短路故障线路。且不需要远端信息，独立性强。经PSASP仿真结果表明，本方法简单可靠，判断迅速，准确有效。 关键词： 功率因数角; 紧急控制
中图分类号： TM721 文献标识码： A 文章编号： 1003-4897(2000)01-0006-04
Ascertain fault line based on the jump of angle
of power factor
LUO Jun-tao, CHEN Yun-ping, CAO Hua-zhen
(Wuhan University of Hydraulic & Electric Engineering,the School
of Electric Engineering, Wuhan 430072) Abstract: In this paper, a new method is applied to ascertain the fault line by using “the jump of angle of power factor”. In large-scale power systems, emergency control needs lot's of information, the operation of controlling must be fast, it is very important to ascertain the fault location immediately and accurately. At the multi-line bus of power systems, we can ascertain the fault line by using “the jump of magnitude and power factor” as judgment. It needn't remote signals and is very independent. The simulation results show that this methods simple and reliable, to ascertain fault line quickly accurately and effectively.
Keywords: angle of power factor; emergency control
1 引言
区域性紧急控制系统多装设在电网的枢纽节点上，而枢纽节点一般出线较多，且多有长距离输电线路。故障时紧急控制系统所传送的信息多，通讯资源宝贵。在众多出线中要快速准确地选定故障线路，就显得十分重要。本文针对区域性紧急控制系统的特点，提出了基于单端电气量的以功率因数角和故障电流构成的鉴幅鉴相特性突变为判据的故障选线方法。并对此方法在某大型电力系统500kV主网上进行了仿真计算，
结果表明本文所提方法迅速有效。
2 鉴幅鉴相判别故障线路
如图1所示输电线路等值电路，图2为短路故障下的等值电路
［1］
。
图1 正常运行方式下等值电路
图2 短路情况下等值电路
图1、2中，R、L为输电线路电阻和电感；R′、L′为等值负荷对应的电阻和电感；P＋jQ是线路正常方式下输送的功率。 对应图1所测得的功率因数为：
或
对应图2所测得的功率因数为：
电力系统正常运行方式下，输电线路上测得的功率因数值基本上由负荷决定，因而cosφ值较高。短路故障时功率因数值由线路参数决定，
因输电线路ωLR，则功率因数值cosφ′很小。在故障瞬间线路上测得的功率因数值发生了突变。兼顾故障前后电流大小的变化(故障电流一般远大于正常运行电流)，构成如下特性：
I.sinφ＝Const (1)
其中I是电流幅值，在故障前后工频电流幅值会发生突变。因此上面特性反应了功率因数、电流幅值两方面的突变，比起单独过流保护特性灵敏度更高。
现将式(1)应用于多出线电网节点的故障线路判别，如图3所示，线路AM上发生故障、图4是相应的等值电路图，在节点M处根据采集来的电气量可判别出AM上发生的故障。
图3 线路AM上故障
图4 线路AM故障等值电路
图中：
EB，X1—节点B等值电源电势和电抗； EC，X2—节点C等值电源电势和电抗； XA—节点M到短路点线路电抗； XB，XC—线路MB，MC电抗；
ΔX—附加电抗，不同故障类型取不同值； 则： X′A＝ΔX＋XA
X′B＝XB＋X1 X′C＝XC＋X2
令： X′Σ＝X′AX′B＋X′AX′C＋X′BX′C 简化计算得：
在实际电网中：EB≈EC；XA、XB、XC之值可比拟。由上面故障电流计算式可得：
I′A＞0；I′B＜0；I′C＜0 令：
T′A＝I′A｜sinφ′A｜或T′A＝｜I′A｜sinφ′A； T′B＝I′B｜sinφ′B｜或T′B＝｜I′B｜sinφ′B； T′C＝I′C｜sinφ′C｜或T′C＝｜I′C｜sinφ′C；
这里｜I′A｜、｜I′B｜、｜I′C｜分别是各短路电流的模值。显然满足：
T′A＞T′B；T′A＞T′C
因为正常运行时，电网输送的无功潮流比重不大，而短路故障时线路和变压器均为感性元件，故有：
｜sinφ′i｜＞｜sinφi｜；｜I′i｜＞｜Ii｜ 对于超高压电网一般有：
｜T′i｜>>｜Ti｜，｜Ti｜＝｜Iisinφi｜
式中：Ii是故障前电流，φi是所测得相应的功率因数角；下标i＝A，B，C 令：
ΔTi＝T′i－Ti
图3中当线路MA上发生短路故障时，有如下判据：
ΔTA＞ΔTB； ΔTA＞ΔTC； (2)
电网正常运行时，TA、TB、TC之间大小难定，故以ΔTA、ΔTB、ΔTC来作为判别量。另外以ΔTi作为短路故障起动判据比单纯电流突变起动判据灵敏度更高。
3 功率因数角测量
系统电压经传感器和波形变换后得到周期为2π的方波信号，如图
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