專利名稱：：一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法
技術領域：
：本發明屬于電力系統自動化繼電保護
技術領域：
，特別涉及一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法。
背景技術：
：近些年來世界各地頻繁發生停電事故，其中多次事故的擴大都與繼電保護的不正確動作有關。NERC統計了17年的事故數據發現63%的電力系統事故和繼電保護不正確動作有關，CIGRE在1995年的報告中指出27%的電力系統事故由繼電保護不正確動作引起。目前，在高壓和超高壓電力系統中廣泛采用雙重化的主保護裝置加后備保護裝置的配置方式主保護裝置一般由雙端保護裝置(如縱聯差動保護、方向高頻保護)構成，后備保護裝置由單端保護裝置(如距離保護、零序電流保護)構成。雙端保護裝置可以測量到支路兩端的三相電壓r、電流/以及電壓電流的相角差^。單端保護裝置只利用支路一端的量測數據，無法精確的確定故障位置，即不能百分之百確定故障是否在本支路，只能靠定值和延時的配合來保證選擇性，存在動作速度慢和性能較差的缺點。雙端保護(如縱聯差動保護)能利用支路兩端的量測數據，能區分故障是否在本支路，可以作到全線速動(本支路上任意位置發生故障時保護能迅速動作隔離故障，其他支路故障時保護不會動作)。雙端保護的動作性能優于單端保護，但是由于雙端保護利用的量測數據不冗余，因此當存在量測壞數據或通訊故障導致部分量測丟失時，雙端保護無法正確決策。為克服現有保護存在的不足，提高繼電保護的動作性能，近年來人們在傳統保護裝置的基礎上提出了廣域繼電保護的方法并進行了初步的研究。廣域繼電保護能夠利用廣域信息(本支路和相鄰支路的量測數據)，從單端保護到雙端保護，再到廣域繼電保護，利用的信息量越來越多，廣域繼電保護即是通過利用更多的信息來提高繼電保護決策的準確度。目前廣域繼電保護的方法主要包括1)廣域電流差動保護方法，將差動保護范圍從獨立的電氣元件擴展到與該元件相鄰的區域(SerizawaY，MyoujinM，KitamuraK,EtAl.正EETrans,onPowerDelivery,1998，13(4》1046-1052;SerizawaY，ImamuraH，SugayaN.IEEEPowerEngineeringSocietySummerMeeting,Edmonton,Alberta,Canada,1999;蘇盛，段獻忠，曾祥君等.電網技術，2005，29(14):15-19;蘇盛，K.K丄i，W丄.Chan等.電網技術，2005，29(3):55-58)。這種方法通過收集本支路和相鄰支路的電流量測數據，應用基爾霍夫電流定律進行故障診斷。但該方法只利用了電流量測，沒有利用電壓量測，沒有充分利用電網約束，其容錯性不好，當任何一個量測壞數據、任何一個通訊故障都會導致故障診斷失敗。2)收集電網中多個保護的判斷結果然后集中決策的廣域繼電保護方法(TanJC，CrossleyPA，MclarenPG，EtAl.正EETrans,onPowerDelivery,2002，17(1):68-74;TanJC，CrossleyPA,MclarenPG,EtAl.IEEETrans,onPowerDelivery,2002，17(2):375-380;叢偉，潘貞存，趙建國.中國電機工程學報，2006，26(21):8-13.)。這種方法一般采用基于經驗的專家系統的方法，沒有利用電網中的約束，也沒有建立電網中的數學模型，保護決策的準確度依賴于經驗值的設定，適應性較差。廣域繼電保的主要目的就是利用廣域信息(本支路和相鄰支路的量測數據)，提高保護裝置故障診斷的準確度，因此必須要求廣域繼電保護有一定的容錯能力，即當存在部分量測壞數據、通訊故障導致部分量測丟失時仍能得到正確的故障診斷結果。量測系統或通訊系統故障時，會導致出現明顯偏離真實量測值的量測數據。正常的量測其量測誤差應在30(a表示量測的標準差)的誤差范圍之內，當量測數據誤差明顯大于3o時稱該量測為壞數據。'廣域繼電保護可以利用廣域信息，其信息量是冗余的，但可能存在部分量測壞數據。量測壞數據可能導致保護裝置做出錯誤決策，因此廣域繼電保護必須能夠檢測和辨識出壞數據，才能排除壞數據的影響，得到正確的決策結果。狀態估計是一種數學濾波方法，它可以利用冗余的量測數據來提高數據精度，排除壞數據，估計出系統的狀態。狀態估計已經成功的應用到電力系統的EMS(能量管理系統)中，牛頓法是求解狀態估計的一種常用方法。目前通過狀態估計排除廣域繼電保護中的量測壞數據的方法還沒有見報導。
發明內容本發明的目的是提出一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法，該方法充分利用相鄰區域的保護裝置的量測數據，建立了增廣狀態估計模型，可以有效剔除保護量測的壞數據，從而降低保護的誤動率，提高保護決策的準確度。該方法具有較好的容錯性，當存在局部量測錯誤和通訊故障時，仍然能做出正確決策。本發明提出了一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)當某支路兩端量測數據滿足主保護動作判據時，獲取該支路和其相鄰支路的保護裝置的量測數據，以及這些支路兩端母線的母差保護裝置的量測數據；2)逐個判斷所述支路中每條支路的兩端量測數據是否滿足主保護啟動判據的，若是作為可疑故障支路，否則作為無故障支路；3)寫出每個支路和母線的所有量測數據的量測方程Z-Zz(7)，其中，Z表示量測向量，義表示估計變量，力00表示量測函數；若為可疑故障支路，則把故障信息作為待估計變量增廣到其量測方程中；4)對量測方程組進行狀態估計求解，估計出狀態變量；5)采用遞歸量測誤差估計辨識法檢測和辨識量測中的壞數據；發現壞數據后，把其相應的量測方程從量測方程組中刪除，然后轉步驟2)，如果沒有壞數據則轉步驟6);6)當壞數據被全部排除后，則將可疑故障支路確定為故障支路，并得到故障位置和各序的故障電流，然后進行相應的繼電保護動作。本發明的特點是-1、通過引入相鄰區域的保護的量測數據來增加冗余度，克服了基于雙端量測的保護并沒有利用冗余信息，不具有量測修正和剔除壞數據的能力的缺點。2、采用狀態估計技術，把故障信息(故障點位置、故障點電壓幅值和相角)作為狀態變量增廣到狀態估計中，利用冗余量測來減小估計誤差。3、通過求解狀態估計，可以診斷出故障支路，計算出故障位置和各序的故障電流，據此還可以判斷故障類型、計算過度電阻。4、采用遞歸量測誤差估計辨識(RMEEI)法檢測和辨識壞數據，計算速度快。以上特點使得本發明的方法具有如下優點1、可以提高保護動作性能和故障定位精度，降低保護誤動的概率；2、該方法具有較好的容錯性，當存在量測錯誤、保護裝置故障或某處通訊故障時仍能正確決策。圖1為本發明的實施例1的正EE9節點系統示意圖。圖2為本發明的實施例2的某省級電網局部接線示意圖。具體實施方式本發明提出的基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法結合實施例及附圖詳細說明如下本發明的方法包括以下步驟1)當某支路兩端量測數據滿足主保護動作判據時，獲取該支路和其相鄰支路的保護裝置的量測數據，以及這些支路兩端母線的母差保護裝置的量測數據；2)逐個判斷所述支路中每條支路的兩端量測數據是否滿足主保護啟動判據的(包括有量測錯誤導致滿足判據的無故障支路)，若是作為可疑故障支路，否則作為無故障支路；3)寫出每個支路和母線的所有量測數據的量測方程Z-A(Z)(即建立廣域繼電保護模型)，其中，Z表示量測向量，Y表示估計變量，/K義)表示量測函數；(支路分為無故障支路和可疑故障支路)若為可疑故障支路，則把故障信息(故障點位置義、故障點電壓幅值K和相角《)作為待估計變量增廣到其量測方程中；根據不同的量測類型(分為支路量測數據和母線量測數據兩種類型，支路量測數據，即線路保護裝置和變壓器保護裝置的量測數據，包括電壓K、電流/、電壓電流相角差^母線量測數據，即母差保護裝置的量測數據，包括電壓F、注入電流/、電壓電流相角差0)，量測方程Z-A^0分別如下無故障支路量測方程為-/21r=-K(gsin《,-6"21)式中K、《、F2、《分別表示支路首、末端的電壓幅值和電壓相角，/，分別表示首、末端電流相對于電壓的實部和虛部值；g、6、^分別表示支路的電導、電納和充電電容；可疑故障支路量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中;c表示故障點離首端距離與全支路長度的比值，為0到1之間的數。^、《分別表示故障點的電壓幅值和電壓相角；母線的注入電流的量測方程為式(3)，母線電壓幅值的量測方程為式(4)，如果考慮光纖保護可以量測出支路兩端母線的電壓相角，則母線電壓相角的量測方程為式(5)，4=Z;，4=Z4(3)式中4、^分別表示母線/的量i電流相對量測電壓的實部和虛部值，與母線/相連的線路^的量測電流相對量測電壓的實部和虛部值，；、式(2)中的入2x、/12少、/21x、/2b/;^=^(4)《=《(5)^、^分別表示即為式(1)和々>4)對量測方程組進行狀態估計求解，估計出狀態變量，具體方法為根據狀態估計的定義，對所述所有量測方程2=/(%)給出最小二乘優化目標，使J("最小式中Wf^為加權系數，O",是量測的標準差；(6)采用牛頓法求解式(6)，其雅可比矩陣/Z-，為mXA:階，w表示量測方程個數，表示狀態變量個數，對于有Nnd個節點、Nnb條支路、Nm個故障支路的電路有-(7)牛頓法的迭代公式如式(8)(8)式中Z為量測向量，『為權重系數矩陣，；c為估計變量，//為雅可比矩陣；迭代計算得到各節點的估計狀態變量，包括電壓幅值F、相角^和各支路的電流幅值/、相角^，以及故障位置;c、故障點電壓幅值Ff和相角《；5)采用遞歸量測誤差估計辨識(RMEEI)法對估計出的狀態變量檢測和辨識壞數據(可以檢測和辨識出壞數據的必要條件是冗余的量測數大于壞數據個數，量測冗余度越大，則壞數據的可檢測性和可辨識性越好)，發現壞數據后，把其相應的量測方程從暈測方程組中刪除，然后轉步驟2)，如果沒有壞數據則轉步驟6);具體實現方法包括以下步驟(1)計算殘差r，即量測值Z和由估計出的狀態jH十算的估計值A(;f)之差；(2)計算正則化殘差,-i，c^,是量測殘差的標準差；(3)逐個判斷每個量測數據是否為壞數據由正則化殘差服從標準正態分布N(0,1)知道尸{|,|<3}=0.9975，若規定誤檢率為0.0025，則正常量測數據的正則化殘差滿足|rN,|<3，若1,|>3，認為量測數據/為壞數據；(4)從量測方程組中把壞數據對應的量測方程刪除，然后利用線性遞推公式計算刪除量測壞數據后狀態變量和殘差的新值，然后轉步驟2)，直至沒有壞數據為止，轉步驟6);6)當壞數據被全部排除后，則將可疑故障支路確定為故障支路，并得到故障位置和各序的故障電流，然后根據故障電流判斷故障類型、計算過度電阻，進行相應的繼電保護動作。實施例l圖1為IEEE9節點系統的線路示意圖，圖中節點7-8之間50%處發生三相短路故障，相關支路量測真值和增加隨機擾動后的相鄰線路保護的量測數據見表1和表2。其中節點8-9的線路9側電流量測0.70+j5.80(真值0.49+J3.82)為壞數據，與線路另一側的電流-0.56-J3.75相差很大，這時可能導致節點8-9線路的縱聯差動雙端保護裝置錯誤動作。表l節點電壓<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2支路電流<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>采用本發明方法進行計算，初始時的可疑故障線路為線路"7-8"和線路"8-9"，通過引入相鄰區域線路(節點9-6線路和節點7-5線路)的保護量測進行增廣狀態估計。支路數為4，節點數為5，可疑故障支路數為2，量測方程數為31，狀態變量個數為15，量測冗余度為31/15=2.07。經過計算，辨識出2個壞數據線路"9-8"9側的厶、力，估計出的值為0.49+j3.78(和真值0.49+j3.82誤差很小)。診斷出故障線路為線路"7-8"，故障定位結果為離線路首端的5L1%處，則跳開線路"7-8"兩側開關隔離故障。實施例2圖2為某省級電網的電網局部接線示意圖，其中線路"分下線"距下浦側母線40%處發生A相接地故障(即該支路兩端量測數據滿足主保護動作判據)，下浦側母線PT故障導致電壓量測反向，這種情況下可能導致線路"五下線"下浦側保護把反方向故障當成正方向故障而誤動，線路"分下線"下浦側保護把正方向故障當成反方向故障而拒動。該線路保護的量測數據包括電壓幅值、電流相對電壓的電流值/義+乂7，電壓量測反向將導致電流值J義+j7y錯誤。采用本發明方法進行計算，初始時的可疑故障線路為線路"分下線"和"五下線"，通過引入它們相鄰區域線路(圖7中虛線框中的部分)的保護量測進行增廣狀態估計。支路數為6，節點數為7，可疑故障支路數為2,量測方程數為45，狀態變量個數為19，量測冗余度為45/19=2.37。經過計算，辨識出4個壞數據線路"分下線"下浦側的/義、//和線路"五下線"下浦側的Zr、i>。診斷出故障線路為線路"分下線"，故障定位結果為離線路首端的43%處，則跳開分下線兩側開關隔離故障。權利要求1、一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)當某支路兩端量測數據滿足主保護動作判據時，獲取該支路和其相鄰支路的保護裝置的量測數據，以及這些支路兩端母線的母差保護裝置的量測數據；2)逐個判斷所述支路中每條支路的兩端量測數據是否滿足主保護啟動判據的，若是作為可疑故障支路，否則作為無故障支路；3)寫出每個支路和母線的所有量測數據的量測方程Z＝h(X)，其中，Z表示量測向量，X表示估計變量，h(X)表示量測函數；若為可疑故障支路，則把故障信息作為待估計變量增廣到其量測方程中；4)對量測方程組進行狀態估計求解，估計出狀態變量；5)采用遞歸量測誤差估計辨識法檢測和辨識量測中的壞數據；發現壞數據后，把其相應的量測方程從量測方程組中刪除，然后轉步驟2)，如果沒有壞數據則轉步驟6)；6)當壞數據被全部排除后，則將可疑故障支路確定為故障支路，并得到故障位置和各序的故障電流，然后進行相應的繼電保護動作。2、如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述的步驟(3)每個支路和母線的所有量測數據的量測方程Z=包括無故障支路量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中K、《、Z2、《分別表示支路首、末端的電壓幅值和電壓相角，/12x、/12,、/21x、/21y分別表示首、末端電流相對于電壓的實部和虛部值；g、6、^分別表示支路的電導、電納和充電電容；可疑故障支路量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中x表示故障點離首端距離與全支路長度的比值，為O到l之間的數。Kf、《分別表示故障點的電壓幅值和電壓相角；母線的注入電流的量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(3)，母線電壓幅值的量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(4)，母線電壓相角的量測方程為《=《(5);式中4、4分別表示母線/的量測電流相對量測電壓的實部和虛部值，/#、T^分別表示與母線/相連的線路々'的量測電流相對量測電壓的實部和虛部值，^、；即為式(l)和式(2)中的/,2。/12y、/21x、/21,。3、如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述的步驟4)中對量測方程組進行狀態^^計求解，估計出狀態變量，具體方法包括以卞步驟根據狀態估計的定義，對所有量測方程Z-;(義)給出最小二乘優化目標，使J(;c)最小刷=41>,(;-柳2(6)式中W,-^為加權系數，O",是量測的標準差；采用牛頓法求解式(6)，其雅可比矩陣/Z-^^為加XA階，附表示量測方程個數，A:表示狀態變量個數，對于有Nnd個節點、N化條支路、N^個故障支路的電路有>=3xiV,Xl()牛頓法的迭代公式如式(8)式中Z為量測向量，PT為權重系數矩陣，；c為估計變量，//為雅可比矩陣；迭代計算得到各狀態變量，包括電壓幅值F、相角6和各支路的電流幅值/、相角^，以及故障位置x、故障點電壓幅值7f和相角《。4、如權利要求l所述的方法，其特征在于其中所述的步驟5)采用遞歸量測誤差估計辨識法檢測和辨識量測的壞數據，具體包括以下步驟1)計算殘差r,即量測值Z和由估計出的狀態;H十算的估計值/2(:f)之差；2)計算正則化殘差=1，a^是量測殘差的標準差；3)逐個判斷每個量測數據是否為壞數據，若|,|>3，認為量測數據/為壞數據；4)從量測方程組中把壞數據對應的量測方程刪除，然后利用線性遞推公式計算量測集變化后狀態變量和殘差的新值，然后轉步驟2)，直至沒有壞數據為止。全文摘要本發明涉及一種基于增廣狀態估計的廣域繼電保護方法，屬于電力系統自動化繼電保護
技術領域：
，該方法包括獲取該支路和其相鄰支路，以及母線的量測數據；判斷每條支路的否滿足主保護啟動判據，寫出每個支路和母線的量測方程，若為可疑故障支路，則把故障信息增廣到其量測方程中；對量測方程組進行狀態估計求解；檢測和辨識量測中的壞數據；發現壞數據后，把其相應的量測方程刪除，當壞數據被全部排除后，則將可疑故障支路確定為故障支路，然后進行相應的繼電保護動作。本發明可以有效剔除保護量測的壞數據，從而降低保護的誤動率，提高保護決策的準確度。該方法具有較好的容錯性，當存在局部量測錯誤和通訊故障時，仍然能做出正確決策。文檔編號H02H7/26GK101132130SQ200710120379公開日2008年2月27日申請日期2007年8月17日優先權日2007年8月17日發明者穎呂,吳文傳,張伯明申請人:清華大學