一種輸電線路單相接地故障參數識別方法與流程

本發明涉及故障識別技術領域，尤其涉及一種輸電線路單相接地故障參數識別方法。

背景技術：

隨著現代化城鎮的高速發展，城市空間日益緊張，而對于輸電線路，架空線走廊不僅需要占用大量空間資源，而且空中縱橫交叉也不美觀，因此，大多數城區采用埋地電纜代替架空線輸送電力。電纜的大量敷設不僅美化市容，優化城市布局，而且電纜的電容比架空線大得多，因而能夠改善功率因數，提高線路輸送容量。由于敷設電纜的成本較高，因此，在遠離城區的地域一般仍使用架空線，從而輸電線路形成了架空線-電纜混合線路。

架空線-電纜混合線路的故障測距方法一般為行波測距、故障分析方法和行波法。行波測距主要包括波速歸一法和行波時間差法，其中，波速歸一法通過對電纜或架空線的波速度以及長度進行歸算，在歸算時需將混合線路簡化為單一線路進行測距，并計算出故障距離，從而再轉換為實際線路的長度；但該方法需要反復折算，且行波速度因線路參數以及周圍的環境的影響而呈現一定的波動，因此計算誤差較大。行波時間差法通過故障行波到達兩端的時間差先確定故障線路區段，根據單端或者雙端行波法進行精確定位，該方法相對波速歸一法更加精確，但由于電纜中行波衰減比較快，混合線路兩端波頭難以檢測，混合線路波過程復雜等的原因而難以判斷行波波頭來源。故障分析法通過雙端電壓、電流推算連接點電壓、電流，根據幅值比較確定故障點所在支路，最后依據故障支路的相關參數迭代求解故障點位置，該方法只適用于只有兩三段的結構簡單的混合線路，對于電力電纜、架空線交替出現的多段混合線路，故障分析法判據較復雜，且誤差會隨著電纜、架空線連接點的增多而增大，從而降低測距精度。由于電纜和架空線在物理結構、電氣特性等方面存在的差異，傳統的行波測距和故障分析方法在應用于混合線路故障測距時都無法完全適用，而行波法則由于測距簡單，不受過渡電阻、故障類型的影響，近年來得到大量應用。

根據架空線-電纜混合線路的故障測距方法，一般都需要對線路故障參數進行識別與測量，從而確定線路發生故障的線路，因此線路故障參數測量的準確與否直接關系到發生故障線路的確定。對于兩側均裝設有相量測量裝置的混合線路，目前線路故障參數的測量方法均需要人為進行線路的分合控制或外加零序電源，這不僅消耗人力物力而且還會影響電網的穩定運行。在線路故障參數識別中，由于大部分量測誤差服從正態分布，因此作為處理該類量測的最小二乘法(Least squares，LS)常用于故障參數識別，但是，當量測數據中出現粗大誤差時，基于LS識別結果往往會偏離實際值，從而使得混合線路發生故障的線路確定不準。

技術實現要素：

本發明提供一種輸電線路單相接地故障參數識別方法，以解決當量測數據中出現粗大誤差時，現有故障參數識別方法識別結果偏差較大的問題。

本發明通過一種輸電線路單相接地故障參數識別方法，所述識別方法包括：

設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾；

根據LS計算所述相量測量裝置測量值的初值

根據所述初值計算所述相量測量裝置測量值的殘差ν⁽⁰⁾；

根據所述殘差ν⁽⁰⁾和不確定度計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值

根據所述等價權重值迭代計算所述相量測量裝置測量值的新參數結果值和新殘差ν^(k)，其中，

判斷是否小于或等于ε，ε＝0.01；

若所述小于或等于ε，則輸出識別結果

若所述大于ε，則重新計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值直到所述小于且等于ε。

優選地，所述設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾之前包括：

獲取單相接地故障過程中各相量測量裝置測量點處的零序電壓和電流相量；

由所述零序電壓和所述電流相量形成相量β、待識別線路參數相量α和矩陣A。

優選地，所述設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾包括：

獲取所述相量測量裝置測量點的數量N；

根據所述數量N設定各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾為1/N。

優選地，所述根據所述殘差ν⁽⁰⁾和不確定度計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值包括：

根據所述殘差ν⁽⁰⁾和控制系數c計算不確定度值ρ(ν_i)；

判斷所述不確定度值ρ(ν_i)是否大于0.5；

若所述不確定度值ρ(ν_i)大于0.5，則將所述相量測量裝置測量值刪除；

若所述不確定度值ρ(ν_i)小于或等于0.5，則保留所述相量測量裝置測量值；

判斷所述殘差ν⁽⁰⁾絕對值和所述控制系數c的大小；

若所述殘差ν⁽⁰⁾絕對值小于或等于所述控制系數c，則等價權重值

若所述殘差ν⁽⁰⁾絕對值大于所述控制系數c，則等價權重值

優選地，所述重新計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值包括：

判斷所述殘差ν^(k)絕對值和所述控制系數c的大小；

若所述殘差ν^(k)絕對值小于或等于所述控制系數c，則等價權重值

若所述殘差ν^(k)絕對值大于所述控制系數c，則等價權重值

優選地，所述控制系數c的取值范圍為1.0-2.0。

優選地，所述控制系數c的取值為1.7。

本發明的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：

本發明提供一種輸電線路單相接地故障參數識別方法，該識別方法包括：設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾；根據LS計算所述相量測量裝置測量值的初值根據所述初值計算所述相量測量裝置測量值的殘差ν⁽⁰⁾；根據所述殘差ν⁽⁰⁾和控制系數c計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值根據所述等價權重值迭代計算所述相量測量裝置測量值的新參數值和新殘差ν^(k)，其中，判斷是否小于或等于ε，ε＝0.01；若所述小于或等于ε，則輸出識別結果若所述大于ε，則重新計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值直到所述小于且等于ε。在本發明提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法中，當發生單相接地故障時，設置在混合輸電線路兩側的相量測量裝置對線路數據進行測量，通過使用不確定度估計對LS進行改進得到新的不確定度估計，新的不確定度估計能夠消除量測誤差甚至粗大誤差所帶來的影響，進而增加參數識別結果的可靠性與準確性。本發明提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法能夠準確對發生故障的線路進行定位，因而具有良好的應用前景。

應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發明。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發明的原理。

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法的方法流程圖；

圖2為本發明實施例提供的π型等值電路圖；

圖3為本發明實施例提供的實測在線數據測試中b、c兩相的電壓幅值圖。

具體實施方式

這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

請參考附圖1，附圖1示出了本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法的方法流程圖，下述故障參數識別方法的描述均以附圖1為基礎。

本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法包括：

S01：設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾；

S02：根據LS計算所述相量測量裝置測量值的初值

S03：根據所述初值計算所述相量測量裝置測量值的殘差ν⁽⁰⁾；

S04：根據所述殘差ν⁽⁰⁾、控制系數c和不確定度計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值

S05：根據所述等價權重值迭代計算所述相量測量裝置測量值的新參數值和新殘差ν^(k)，其中，

S06：判斷是否小于或等于ε，ε＝0.01；

S07：若所述小于或等于ε，則輸出識別結果

S08：若所述大于ε，則重新計算所述相量測量裝置測量點的等價權重值即重復步驟S04，直到所述小于且等于ε。

具體的方法為：

S01：設定輸電線路中各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾；

對于架空線-電纜混合線路雙側均已裝設相量測量裝置的線路，當發生單相接地故障時，各相量測量裝置記錄斷路器單相跳閘后至重合閘之前的三相電壓、電流相量，進而通過計算能夠獲得相應的零序電壓、電流相量。根據附圖2所示的π型等值電路圖，能夠將零序電壓、電流相量列為線路方程，該線路方程為：

其中，分別表示線路m端零序電壓分量和零序電流分量；分別表示線路n端零序電壓分量和零序電流分量；Z₀＝R₀+jX₀表示零序阻抗，Y₀＝jB₀表示零序對地電納。

進而將線路方程化簡為兩個實部方程與兩個虛部方程，將實部方程與虛部方程組成矩陣為：

其中，I_m0R，I_m0I，I_n0R，I_n0I代表m端與n端零序電流相量的實部與虛部；U_m0，θ_m0，U_n0，θ_n0代表m端與n端零序電壓相量的幅值和相角；g₀、b₀表示1/Z₀的實部和虛部；y_C0表示Y₀/2的虛部。

通過相量β代替矩陣中的零序電流相量實部與虛部組成的常數項，矩陣A代替矩陣中線路m,n兩端零序電壓相量實部與虛部組成的系數矩陣，α＝[g₀ b₀ y_C0]^T代替待識別的線路參數相量，并加入因相量測量裝置量測誤差而形成的量測殘差相量v，形成參數的識別方程，該參數識別方程為：β＝Aα+ν；

由LS和參數識別方程能夠獲得參數識別目標函數，該參數識別目標函數為：

其中，N為數據點數，即混合輸電線路中的相量測量裝置測量點的數量；v_i為第i個數據點的殘差相量；P_i為第i個數據點的權重，則與參數識別目標函數相對應的參數識別結果為：其中，P是對角元素為P_i的權矩陣。

根據數據點數N設定各相量測量裝置測量點的初始權重P_i⁽⁰⁾為1/N，即第i個數據點的初始權重為1/N。

S02：根據LS計算相量測量裝置測量值的初值該初值

S03：根據初值及參數識別方程β＝Aα+ν計算相量測量裝置測量值的殘差ν⁽⁰⁾；

S04：根據殘差ν⁽⁰⁾、控制系數c和不確定度計算相量測量裝置測量點的等價權重值

使用增長較慢的函數ρ代替參數識別目標函數中的平方和函數，根據殘差ν⁽⁰⁾和控制系數c計算不確定度值ρ(ν_i)，其中，不確定度值ρ(ν_i)的計算公式為：

其中，控制系數c的取值范圍一般為1.0-2.0，在本發明實施例中，為優化不確定度及提高參數是別的準確性，控制系數c的取值優選為1.7；

判斷所計算的不確定度值ρ(ν_i)是否大于0.5；

若不確定度值ρ(ν_i)大于0.5，則將相量測量裝置測量點所測得的測量值刪除；

若不確定度值ρ(ν_i)小于或等于0.5，則保留相量測量裝置測量點所測得的測量值；

由不確定度值ρ(ν_i)確定其等價權函數為該等價權函數的計算公式為：

判斷殘差ν⁽⁰⁾絕對值和所述控制系數c的大小；

若殘差ν⁽⁰⁾絕對值小于或等于控制系數c，則保留初始權重值，即初始權重值的等價權重值為

若殘差ν(⁰)絕對值大于控制系數c，則對初始權重值進行降權，即初始權重值的等價權重值為

S05：根據初始權重值的等價權重值迭代計算相量測量裝置測量值的新參數結果值和新殘差ν^(k)，其中，

由于已經使用增長較慢的函數ρ代替參數識別目標函數中的平方和函數，即參數識別目標函數已經發生改變，則與改變后的參數識別目標函數相對應的參數識別結果為：殘差計算函數為參數識別結果為基于不確定度估計的最小二乘迭代函數。

S06：判斷是否小于或等于ε，ε＝0.01；

S07：若小于或等于ε，則輸出識別結果

S08：若大于ε，則重復步驟S04-S06，直到小于且等于ε，從而輸出參數識別結果

本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法通過對不同量測數據賦予不同的權重，且基于不確定度估計的最小二乘(RLS)迭代函數能夠將不確定度較大的數值去除，同時還能夠對不良數據進行降權，從而消除不良數據的影響，提高識別結果的準確性和可靠性。

為驗證本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法辨識故障參數具有較高的準確性和可靠性，本發明實施例還從BPA(Bonneville Power Administration)仿真數據測試和實測在線數據兩方面對其進行驗證，驗證的具體內容為：

1、BPA仿真數據測試

在BPA電力系統仿真軟件中搭建一條線長200km，電壓等級為220kV的單回架空輸電線路，零序電阻R₀＝27.8456Ω，零序電抗X₀＝99.8648Ω，零序對地電納B₀＝2.1876×10^-4S。假設該線路發生單相接地故障后單相重合閘，采集單相跳閘后至重合閘完成這一時間段中0.5s的線路兩端相量量測數據，其中，采樣周期為0.01s，同時運用RLS法和LS法進行線路參數識別，試驗環境為加入隨機噪聲，記錄不良數據的參數識別結果。

1.1抗噪聲能力測試

①同時在三相電壓幅值量測與三相電流的幅值量測中疊加高斯噪聲，記錄無噪聲和有噪聲時兩種算法的參數識別結果，該識別結果請參考表1。

表1：RLS法和LS法在有噪聲和無噪聲條件下的識別結果

從表1中能夠得知，當量測中不存在噪聲時，RLS法對所有數據保權，與LS法相同，RLS法進行等權估計后兩種方法所獲結果均與設計值相一致；在量測中存在標準差為0.5％的隨機噪聲的情況下，RLS法將部分殘差稍大的數據進行降權，所獲得的識別結果優于LS法。

②在三相電壓幅值量測與三相電流的幅值量測中疊加標準差分別為0.5％、1％和2％的隨機噪聲，記錄不同噪聲時兩種算法的參數識別結果，該識別結果請參考表2。

表2：RLS法和LS法在不同噪聲條件下的識別結果

從表2中能夠得知，存在大殘差的數據量隨著隨機噪聲標準差的增大而增加，導致采用LS方法獲得的識別結果誤差增加；而RLS方法能夠有效地消除大殘差數據的影響，在各噪聲強度下，都能獲得高精度的識別結果。

由上述結果能夠表明，當量測數據中的噪聲較大時，LS法的識別結果將偏離實際值，而RLS法仍保持較高的識別精度，因此，本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法具有較好的抗噪聲能力。

1.2抗粗差能力測試

在本次試驗中，設計三種含有不良數據的情形，根據三種情形分別對比RLS法和LS法的抗粗差能力，并分別記錄參數識別結果，該參數識別結果請參考表3。設計的三種情形分別為：情形1-一側連續數個a相電流幅值數據存在10％的偏差；情形2-一側連續數個a相電流相角數據存在1°的偏差；情形3-數據在上傳過程中出現丟包，一側連續數個三相電壓、電流數據均為0。

表3：RLS法和LS法的抗粗差能力的識別結果

從表3中能夠得知，無論量測中存在何種情況的不良數據，RLS方法都能夠消除粗差的影響，獲得較為準確的識別結果；而LS方法在某些情況下，各參數的識別結果甚至均嚴重偏離真實值。

上述結果表明，在三種情形下，RLS均能給出相對精確的識別結果，具有很強的抵御不良的能力，而LS所獲得的識別結果均與實際值有不同程度的偏離，不具備抵御不良的能力。因此，采用基于不確定度估計的最小二乘法能夠更有效地抵御各種不良數據的影響，工程應用價值更高。

2、實測在線數據測試

在實測在線數據測試中，所采用的數據為電網220kV單回輸電線路，其中，參數的離線測量值：零序電阻R₀＝12.56Ω，零序電抗X₀＝27.88Ω，零序對地電納B₀＝7.86544×10^-5S。在實測在線數據測試中，記錄a相發生單相接地故障后至斷路器重合閘完成前的相量測量裝置雙側相量測量裝置非全相運行穩態數據，并分別采用LS法和RLS法進行線路參數識別，該參數識別結果記錄于表4中，同時附圖3中記錄b、c兩相的電壓幅值，其中，采樣周期為10ms，所選取數據長度為500ms。

表4：RLS法和LS法對實測在線數據的參數識別結果

從表4及附圖3中能夠得知，相對于LS法，RLS法的識別誤差更低，因此本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法同樣對在線數據具有準確的識別性，且識別精度較高。

通過上述BPA仿真數據測試和實測在線數據測試的識別結果表明，本發明實施例提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法通過使用不確定度估計對LS進行改進得到新的不確定度估計，形成不確定度估計的最小二乘法，該不確定度估計的最小二乘法能夠消除量測誤差甚至粗大誤差所帶來的影響，進而增加參數識別結果的可靠性與準確性。本發明提供的輸電線路單相接地故障參數識別方法能夠準確對發生故障的線路進行定位，因而具有良好的應用前景。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里發明的公開后，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理并包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發明的范圍僅由所附的權利要求來限制。