有限pmu下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法

有限pmu下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法
【專利摘要】本發明公開了有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法，該方法采用區域分散決策結構，由RDS收集本站和相鄰變電站的廣域保護信息。當發現某線路有保護動作時，啟動該線路及其相鄰線路的在線檢測過程。采集相關PMU的電流電壓測量值，計算出各節點的電流電壓估計值，得到每條線路的電流殘差值，通過排序搜索得到兩條疑似線路。針對兩條疑似線路，根據其拓撲連接關系，構造單個線路故障、相鄰兩條線路復故障等判據，利用三組PMU測量值，計算各疑似線路的三組故障點位置，構造故障判據判斷與檢測出故障元件。本發明能夠區分出單一線路故障、相鄰線路復故障、非相鄰線路雙重故障三種故障情況，且不會對廣域通信網絡SDH增加過大的通信負荷。
【專利說明】有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統繼電保護領域，特別涉及一種有限PMU下基于最小二乘法估 計的電網故障在線檢測方法。

【背景技術】
[0002] 隨著電力系統不斷發展，電網結構越來越復雜，基于本地信息的傳統后備保護的 配置和整定越來越困難 [1]。同步向量測量單元（Phasor Measurement Unit,PMU)的發展為 廣域后備保護的研究提供了重要信號來源，PMU實時測量布點處的母線電壓和進出電流向 量，并打上時標 [2]。PMU量測量的遠程傳輸借助于我國目前較廣泛運用的廣域通信網絡的 同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy, SDH)，其更新速度為幾十毫秒，完全能夠 滿足電力系統廣域后備保護的數據要求[3][4]。但是由于PMU的造價與維護費用很高，目前 在我國電網的所有節點上都配置PMU是很不現實的，所以在實際應用中尤其是廣域后備保 護的在線故障檢測，必須考慮在有限PMU配置下的處理方法。
[0003] 文獻[5]在分區內部故障發生后，對各子站的母線正序電壓進行比幅排序，搜索 電壓幅值最小的母線，進而確定故障所在的線路或母線元件，但是它的前提是各個子站都 布置了 PMU，才能獲得同步的各子站母線正序電壓。文獻[6]提出了一種廣域繼電保護的故 障區域自適應識別原則及實現方法。結合電力系統故障時序電壓的分布特點，討論了序電 壓分布受短線路、復故障和高阻接地等因素的影響。實時監視電網廣域范圍內各母線的序 電壓，由專家系統根據排序結果進行疑似故障區域的分析，實現自適應識別故障區域。但文 獻[5] [6]均未考慮PMU的有限布局。文獻[7]提出一種利用同步電壓相量進行輸電網絡 故障定位的方法，首先運用對稱分量法和線性疊加原理建立故障后的附加正序網絡，定義 了故障點的匹配指標，基于該指標運用遍歷搜索方法尋找故障點位置。此方法只需要故障 線路兩側的遠端各布置有一個PMU，但是在故障后需要實時計算并修改系統的阻抗矩陣，計 算量較大。文獻[8]采用了分布參數建模，提出一種基于廣域信息多端高壓輸電區域后備 保護原理。在有限PMU條件下，推算出參考節點的電流差動量，電流差動量反應的是故障時 故障點電流值，根據這一特征進行故障線路的判斷。文獻[9]提出了一種基于有限PMU測 量故障分量信息的故障定位新算法，運用疊加原理獲得系統的純故障等值模型，對純故障 等值模型進行等價變換，獲得故障線路兩端的系統阻抗等值模型和故障點注入電流源的轉 移等值模型，由兩種等值模型計算與實現對故障點的精確定位。
[0004] 但是已有文獻并沒有對有限PMU布局下的相鄰線路復故障進行研究、沒有給出相 應的電網故障元件在線檢測方法。
[0005] 參考文獻：
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[0009] [4]毛安家，郭志忠.與SCADA互補的WAMS中PMU的配置及數據處理方法[J].電 網技術，2005, 29 (8) :71-74.
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[0011] [6]李振興，尹項根，張哲，等.廣域繼電保護故障區域的自適應識別方法[J].電 力系統自動化，2011，35 (16) :15-20.
[0012] [7]王波，江全元，陳曉剛，等·基于同步電壓相量的故障定位新方法[J]·電力系 統自動化，2009, 33 (11) :33-37.
[0013] [8]馬靜，曾惠敏，林小華.基于廣域信息多端高壓輸電區域后備保護[J].電力系 統保護與控制，2012,40 (11) :61-69.
[0014] [9]徐浩，苗世洪，姜臻.基于有限相量測量單元測量故障分量信息的故障定位算 法[刀.電力系統自動化，2013,37(2):43-48·


【發明內容】

[0015] 本發明提供了一種有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法，該 方法能夠對單個線路故障、相鄰兩條線路復故障、非相鄰線路雙重故障進行判斷和檢測。
[0016] 本發明的具體方案是：
[0017] 有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法，所述方法采用區域分 散決策結構，每個變電站的監控層都配置一臺主機，在主機中運行一個區域分散決策子系 統RDS ;在本方法中，PMU采用間隔母線布置方式。在啟動在線檢測后，收集有限PMU的電流 電壓測量值，采用最小二乘法估計出各監控線路的電流電壓值，通過從大到小的排序搜索 出疑似線路，再計算某線路的三組故障點位置，以多個判據來判斷出故障元件。具體檢測過 程如下：
[0018] 步驟1 :根據RDS對所監控線路收集到的廣域保護信號進行處理和判斷，當發現某 線路兩側的主保護至少有一側未動作、而其兩側保護裝置中其它保護有啟動信號時，就將 該線路、其相鄰線路列為監控線路，啟動對它們的故障檢測。
[0019] 步驟2 :收集監控線路所在變電站及其相鄰變電站中較近PMU的電流電壓測量值， 采用最小二乘法，計算出該線路、其相鄰各線路的電流電壓估計值。
[0020] 步驟3 :由步驟2所得到布有PMU側線路的電流估計值、采集的電流測量值，計算 出每條監控線路的電流殘差值。
[0021] 步驟4:如果沒有一條線路的電流殘差值大于0,則認為沒有故障線路，結束檢測。 如果至少有一條線路的電流殘差值大于0,則對每條監控線路的電流殘差值進行從大到小 的排序，把排序中，電流殘差值最大的兩條線路列為疑似線路，即搜索到疑似線路1、疑似線 路2。
[0022] 步驟5 :在步驟4中有線路的電流殘差值大于0的情況下，針對每條疑似線路， 收集與利用相關最近的三組PMU數據，計算出每條疑似線路各自的三組故障點位置（α 1， β 1)、（α2, β2)、（α3, β3)。
[0023] 步驟6 :將計算出的每條疑似線路各自的故障點位置結合線路故障判據進行判 斷，確定線路屬于何種故障。
[0024] 具體的，步驟6包括：
[0025] 如果疑似線路1滿足單個線路故障判據、但疑似線路2不滿足單個線路故障判據， 則判定疑似線路1為故障線路，結束檢測。
[0026] 如果疑似線路2滿足單個線路故障判據、但疑似線路1不滿足單個線路故障判據， 則判定疑似線路2為故障線路，結束檢測。
[0027] 如果兩條疑似線路在拓撲上相鄰，它們的三組故障點位置（α 1，β 1)、（ α 2, β 2)、 (α 3, β 3)滿足相鄰兩條線路復故障判據，則判定它們為相鄰兩條線路復故障，結束檢測。
[0028] 如果兩個疑似線路在拓撲上不相鄰，且均滿足單個線路故障判據，則判定兩條疑 似線路均是故障線路，即為非相鄰線路雙重故障，結束檢測。
[0029] 更具體的，步驟6中的故障判據包括單個線路故障判據和相鄰兩條線路復故障判 據。如下所示；
[0030] 單個線路故障判據為：
[0031] 若求出某線路的3個故障點位置如α 1、α 2、α 3三個數都在[0, 1]之間，且在誤 差允許范圍內相近，而其相鄰各線路的3個故障點位置如β 1、β 2、β 3都不在[0,1]之間， 則判定該線路為單個故障線路。
[0032] 對于拓撲上相鄰的兩條線路，相鄰兩條線路復故障判據為：
[0033] (1)若求出某線路的3個故障點位置α?、α 2、α 3不同時在[0，1]之間，且其另 一個相鄰線路的3個故障點位置β 1、β 2、β 3也不同時在[0,1]之間，則判定α和β所 在線路都為故障線路；
[0034] (2)若求出某線路的3個故障點位置α 1、α 2、α 3三個數都在[0,1]之間，但在 誤差允許的范圍內不接近，而且其另一個相鄰線路的3個故障點位置β?、β 2、β 3都不在 [0，1]之間，則判定α和β所在線路都為故障線路；
[0035] (3)若求出其相鄰線路的3個故障點位置β 1、β 2、β 3三個數都在[0,1]之間， 但在誤差允許的范圍內不接近，而且某線路的3個故障點位置α?、α 2、α 3都不在[0，1] 之間，則判定α和β所在線路都為故障線路。
[0036] 本發明的有益效果是：
[0037] (1)針對PMU間隔母線布點策略，給出了一種基于最小二乘法估計的疑似線路搜 索方法，通過計算一個區域內各監控線路的電流殘差值，確定疑似線路，縮小了對故障線路 的搜索范圍。
[0038] (2)針對各疑似線路，通過收集來自多點PMU的電氣量，為某個疑似線路計算出其 三組故障點位置，進而確認出故障元件，并能區分出故障元件是單一線路故障、相鄰兩條線 路復故障、非相鄰線路雙重故障三種情況。
[0039] (3)本發明進行故障元件的在線檢測只收集有限PMU的電氣量，不會給廣域通信 網絡SDH帶來過大的通信負荷。
[0040] (4)本發明除了能夠對單一線路故障進行準確的在線檢測，還適用于相鄰兩條線 路復故障、非相鄰線路雙重故障的情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1為本發明有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法的流程 圖。
[0042]圖2為本發明運行所在的各區域分散決策系統的結構。
[0043] 圖3為基于最小二乘法估計的疑似線路搜索方法的線路PMU配置示意圖。
[0044] 圖4為線路L23故障下節點1、3的測量向量與估計向量之間的關系圖。
[0045] 圖5為本發明所用到的故障點位置計算方法的純故障等值模型等效電路示意圖。
[0046] 圖6為具體實施例的IEEE14節點測試系統示意圖。

【具體實施方式】
[0047] 本發明采用區域分散決策結構進行故障元件的在線檢測。在該結構下，每個 變電站的監控層都配置一臺主機，每臺主機中運行一個區域分散決策子系統（Regional Decision-making Subsystem，RDS)，它負責收集本站與相鄰變電站的相關廣域保護信號， 從而得到基于最小二乘法估計的故障元件在線檢測方法啟動所需的原始保護信號。如附圖 2所示。
[0048] 每個變電站中的RDS，通過本站的局域網收集來自本站各個智能電子設備 (Intelligent Electronic Devices, IED)的后備保護動作信息，通過廣域通信網絡SDH收 集來自相鄰變電站的廣域后備保護信息、收集來自布置有PMU的相關變電站的電氣量。 [0049] 在收集全了本站、相鄰變電站各保護設備的后備保護信息、相關變電站的電氣量 之后，針對與本站相連的各線路，每個RDS對各線路所收集到的原始數據進行處理和判斷， 從而檢測出元件是否故障。若檢測出元件有故障，則向故障線路所在變電站下達跳閘命令。
[0050] 電網故障元件在線檢測的步驟如下：
[0051] 步驟1 :根據RDS對所監控線路收集到的信息進行處理和判斷，決定是否對該線路 進行故障檢測。當某個變電站的RDS收集到本站各設備的后備保護信號后，發現某線路的 主保護至少有一側未動作、而其兩側保護裝置中其它保護有啟動信號時，就將該線路、其相 鄰各線路列為監控線路，啟動對它們的故障檢測。通過廣域通信網絡搜集該線路兩端、其兩 側相鄰各線路上布置有PMU的電流電壓測量值。
[0052] 步驟2 :利用該線路、其兩側相鄰各線路上的電流電壓測量值，采用最小二乘法， 計算出該線路、其兩側相鄰各線路的電流電壓估計值。如附圖3所示，各PMU采用間隔母線 布置方式，節點1和3布置有PMU，K、/12是節點1上的電壓與電流測量值，6、4是節點 3上的電壓與電流測量值。
[0053] 建立無故障情況下布置有PMU的節點1、節點3的電流電壓狀態方程：
[0054]

【權利要求】
1. 一種有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法，其特征在于，所述 方法采用區域分散決策結構，在該結構下，每個變電站的監控層配置一臺主機，在主機中運 行一個RDS ;本方法中，PMU采用間隔母線布置方式；具體檢測過程如下： 步驟1 :根據RDS對所監控線路收集到的廣域保護信號進行處理和判斷，決定是否對該 線路及其相鄰線路進行故障檢測，根據判斷結果，如果需要檢測，將它們列為監控線路，進 而進行步驟2及其后續步驟； 步驟2 :收集監控線路所在變電站及其相鄰變電站中較近PMU的電流電壓測量值，采用 最小二乘法，計算出該線路、其相鄰各線路的電流電壓估計值； 步驟3 :由步驟2所得到布有PMU側線路的電流估計值、采集的電流測量值，計算出每 條監控線路的電流殘差值； 步驟4 :如果沒有一條線路的電流殘差值大于0,則認為沒有故障線路，結束檢測；如果 至少有一條線路的電流殘差值大于〇,則對每條監控線路的電流殘差值進行從大到小的排 序，把排序中電流殘差值最大的兩條線路列為疑似線路，即搜索到疑似線路1、疑似線路2 ; 步驟5 :在步驟4中有線路的電流殘差值大于0的情況下，針對每條疑似線路，收集與 利用相關最近的三組PMU數據，計算出每條疑似線路各自的三組故障點位置； 步驟6 :將計算出的每條疑似線路各自的故障點位置結合線路故障判據進行判斷，確 定線路屬于何種故障。
2. 根據權利要求1所述的有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方法， 其特征在于，步驟6具體為： 如果疑似線路1滿足單個線路故障判據、但疑似線路2不滿足單個線路故障判據，則判 定疑似線路1為故障線路，結束檢測； 如果疑似線路2滿足單個線路故障判據、但疑似線路1不滿足單個線路故障判據，則判 定疑似線路2為故障線路，結束檢測； 如果兩條疑似線路在拓撲上相鄰，它們的三組故障點位置滿足相鄰兩條線路復故障判 據，則判定它們為相鄰兩條線路復故障，結束檢測； 如果兩個疑似線路在拓撲上不相鄰，且均滿足單個線路故障判據，則判定兩條疑似線 路均是故障線路，即為非相鄰線路雙重故障，結束檢測。
3. 根據權利要求1或2所述的有限PMU下基于最小二乘法估計的電網故障在線檢測方 法，其特征在于，步驟6中的故障判據包括單個線路故障判據、相鄰兩條線路復故障判據； 單個線路故障判據為： 若求出某線路的3個故障點位置都在[0,1]之間，且在誤差允許范圍內相近，而其相鄰 各線路的3個故障點位置都不在[0,1]之間，則判定該線路為單個故障線路； 對于拓撲上相鄰的兩條線路，相鄰兩條線路復故障判據為： A、 若求出某線路的3個故障點位置不同時在[0,1]之間，且其另一個相鄰線路的3個 故障點位置也不同時在[〇，1]之間，則判定兩條相鄰線路都為故障線路； B、 若求出某線路的3個故障點位置都在[0,1]之間，但在誤差允許的范圍內不接近，而 且其另一個相鄰線路的3個故障點位置都不在[0，1]之間，則判定兩條相鄰線路都為故障 線路； C、 若求出其相鄰線路的3個故障點位置都在[0，1]之間，但在誤差允許的范圍內不接 近，而且某線路的3個故障點位置都不在[0，1]之間，則判定兩條相鄰線路都為故障線路。
【文檔編號】G06F19/00GK104297632SQ201410515303
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】童曉陽, 王晨 申請人:西南交通大學