有限pmu下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法，該方法采用區(qū)域分散決策結(jié)構(gòu)，由RDS收集本站和相鄰變電站的廣域保護(hù)信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某線路有保護(hù)動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)該線路及其相鄰線路的在線檢測(cè)過(guò)程。采集相關(guān)PMU的電流電壓測(cè)量值，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的電流電壓估計(jì)值，得到每條線路的電流殘差值，通過(guò)排序搜索得到兩條疑似線路。針對(duì)兩條疑似線路，根據(jù)其拓?fù)溥B接關(guān)系，構(gòu)造單個(gè)線路故障、相鄰兩條線路復(fù)故障等判據(jù)，利用三組PMU測(cè)量值，計(jì)算各疑似線路的三組故障點(diǎn)位置，構(gòu)造故障判據(jù)判斷與檢測(cè)出故障元件。本發(fā)明能夠區(qū)分出單一線路故障、相鄰線路復(fù)故障、非相鄰線路雙重故障三種故障情況，且不會(huì)對(duì)廣域通信網(wǎng)絡(luò)SDH增加過(guò)大的通信負(fù)荷。
【專利說(shuō)明】有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種有限PMU下基于最小二乘法估 計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，基于本地信息的傳統(tǒng)后備保護(hù)的 配置和整定越來(lái)越困難 [1]。同步向量測(cè)量單元（Phasor Measurement Unit,PMU)的發(fā)展為 廣域后備保護(hù)的研究提供了重要信號(hào)來(lái)源，PMU實(shí)時(shí)測(cè)量布點(diǎn)處的母線電壓和進(jìn)出電流向 量，并打上時(shí)標(biāo) [2]。PMU量測(cè)量的遠(yuǎn)程傳輸借助于我國(guó)目前較廣泛運(yùn)用的廣域通信網(wǎng)絡(luò)的 同步數(shù)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(tǒng)廣域后備保護(hù)的數(shù)據(jù)要求[3][4]。但是由于PMU的造價(jià)與維護(hù)費(fèi)用很高，目前 在我國(guó)電網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)上都配置PMU是很不現(xiàn)實(shí)的，所以在實(shí)際應(yīng)用中尤其是廣域后備保 護(hù)的在線故障檢測(cè)，必須考慮在有限PMU配置下的處理方法。
[0003] 文獻(xiàn)[5]在分區(qū)內(nèi)部故障發(fā)生后，對(duì)各子站的母線正序電壓進(jìn)行比幅排序，搜索 電壓幅值最小的母線，進(jìn)而確定故障所在的線路或母線元件，但是它的前提是各個(gè)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(xiàn)[6]提出了一種廣域繼電保護(hù)的故 障區(qū)域自適應(yīng)識(shí)別原則及實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合電力系統(tǒng)故障時(shí)序電壓的分布特點(diǎn)，討論了序電 壓分布受短線路、復(fù)故障和高阻接地等因素的影響。實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)廣域范圍內(nèi)各母線的序 電壓，由專家系統(tǒng)根據(jù)排序結(jié)果進(jìn)行疑似故障區(qū)域的分析，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)識(shí)別故障區(qū)域。但文 獻(xiàn)[5] [6]均未考慮PMU的有限布局。文獻(xiàn)[7]提出一種利用同步電壓相量進(jìn)行輸電網(wǎng)絡(luò) 故障定位的方法，首先運(yùn)用對(duì)稱分量法和線性疊加原理建立故障后的附加正序網(wǎng)絡(luò)，定義 了故障點(diǎn)的匹配指標(biāo)，基于該指標(biāo)運(yùn)用遍歷搜索方法尋找故障點(diǎn)位置。此方法只需要故障 線路兩側(cè)的遠(yuǎn)端各布置有一個(gè)PMU，但是在故障后需要實(shí)時(shí)計(jì)算并修改系統(tǒng)的阻抗矩陣，計(jì) 算量較大。文獻(xiàn)[8]采用了分布參數(shù)建模，提出一種基于廣域信息多端高壓輸電區(qū)域后備 保護(hù)原理。在有限PMU條件下，推算出參考節(jié)點(diǎn)的電流差動(dòng)量，電流差動(dòng)量反應(yīng)的是故障時(shí) 故障點(diǎn)電流值，根據(jù)這一特征進(jìn)行故障線路的判斷。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于有限PMU測(cè) 量故障分量信息的故障定位新算法，運(yùn)用疊加原理獲得系統(tǒng)的純故障等值模型，對(duì)純故障 等值模型進(jìn)行等價(jià)變換，獲得故障線路兩端的系統(tǒng)阻抗等值模型和故障點(diǎn)注入電流源的轉(zhuǎn) 移等值模型，由兩種等值模型計(jì)算與實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精確定位。
[0004] 但是已有文獻(xiàn)并沒(méi)有對(duì)有限PMU布局下的相鄰線路復(fù)故障進(jìn)行研究、沒(méi)有給出相 應(yīng)的電網(wǎng)故障元件在線檢測(cè)方法。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明提供了一種有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法，該 方法能夠?qū)蝹€(gè)線路故障、相鄰兩條線路復(fù)故障、非相鄰線路雙重故障進(jìn)行判斷和檢測(cè)。
[0016] 本發(fā)明的具體方案是：
[0017] 有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法，所述方法采用區(qū)域分 散決策結(jié)構(gòu)，每個(gè)變電站的監(jiān)控層都配置一臺(tái)主機(jī)，在主機(jī)中運(yùn)行一個(gè)區(qū)域分散決策子系 統(tǒng)RDS ;在本方法中，PMU采用間隔母線布置方式。在啟動(dòng)在線檢測(cè)后，收集有限PMU的電流 電壓測(cè)量值，采用最小二乘法估計(jì)出各監(jiān)控線路的電流電壓值，通過(guò)從大到小的排序搜索 出疑似線路，再計(jì)算某線路的三組故障點(diǎn)位置，以多個(gè)判據(jù)來(lái)判斷出故障元件。具體檢測(cè)過(guò) 程如下：
[0018] 步驟1 :根據(jù)RDS對(duì)所監(jiān)控線路收集到的廣域保護(hù)信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某 線路兩側(cè)的主保護(hù)至少有一側(cè)未動(dòng)作、而其兩側(cè)保護(hù)裝置中其它保護(hù)有啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，就將 該線路、其相鄰線路列為監(jiān)控線路，啟動(dòng)對(duì)它們的故障檢測(cè)。
[0019] 步驟2 :收集監(jiān)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(cè)量值， 采用最小二乘法，計(jì)算出該線路、其相鄰各線路的電流電壓估計(jì)值。
[0020] 步驟3 :由步驟2所得到布有PMU側(cè)線路的電流估計(jì)值、采集的電流測(cè)量值，計(jì)算 出每條監(jiān)控線路的電流殘差值。
[0021] 步驟4:如果沒(méi)有一條線路的電流殘差值大于0,則認(rèn)為沒(méi)有故障線路，結(jié)束檢測(cè)。 如果至少有一條線路的電流殘差值大于0,則對(duì)每條監(jiān)控線路的電流殘差值進(jìn)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(duì)每條疑似線路， 收集與利用相關(guān)最近的三組PMU數(shù)據(jù)，計(jì)算出每條疑似線路各自的三組故障點(diǎn)位置（α 1， β 1)、（α2, β2)、（α3, β3)。
[0023] 步驟6 :將計(jì)算出的每條疑似線路各自的故障點(diǎn)位置結(jié)合線路故障判據(jù)進(jìn)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(gè)線路故障判據(jù)、但疑似線路2不滿足單個(gè)線路故障判據(jù)， 則判定疑似線路1為故障線路，結(jié)束檢測(cè)。
[0026] 如果疑似線路2滿足單個(gè)線路故障判據(jù)、但疑似線路1不滿足單個(gè)線路故障判據(jù)， 則判定疑似線路2為故障線路，結(jié)束檢測(cè)。
[0027] 如果兩條疑似線路在拓?fù)渖舷噜彛鼈兊娜M故障點(diǎn)位置（α 1，β 1)、（ α 2, β 2)、 (α 3, β 3)滿足相鄰兩條線路復(fù)故障判據(jù)，則判定它們?yōu)橄噜弮蓷l線路復(fù)故障，結(jié)束檢測(cè)。
[0028] 如果兩個(gè)疑似線路在拓?fù)渖喜幌噜?，且均滿足單個(gè)線路故障判據(jù)，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(jié)束檢測(cè)。
[0029] 更具體的，步驟6中的故障判據(jù)包括單個(gè)線路故障判據(jù)和相鄰兩條線路復(fù)故障判 據(jù)。如下所示；
[0030] 單個(gè)線路故障判據(jù)為：
[0031] 若求出某線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置如α 1、α 2、α 3三個(gè)數(shù)都在[0, 1]之間，且在誤 差允許范圍內(nèi)相近，而其相鄰各線路的3個(gè)故障點(diǎn)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(gè)故障線路。
[0032] 對(duì)于拓?fù)渖舷噜彽膬蓷l線路，相鄰兩條線路復(fù)故障判據(jù)為：
[0033] (1)若求出某線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置α?、α 2、α 3不同時(shí)在[0，1]之間，且其另 一個(gè)相鄰線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置β 1、β 2、β 3也不同時(shí)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(gè)故障點(diǎn)位置α 1、α 2、α 3三個(gè)數(shù)都在[0,1]之間，但在 誤差允許的范圍內(nèi)不接近，而且其另一個(gè)相鄰線路的3個(gè)故障點(diǎn)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(gè)故障點(diǎn)位置β 1、β 2、β 3三個(gè)數(shù)都在[0,1]之間， 但在誤差允許的范圍內(nèi)不接近，而且某線路的3個(gè)故障點(diǎn)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(fā)明的有益效果是：
[0037] (1)針對(duì)PMU間隔母線布點(diǎn)策略，給出了一種基于最小二乘法估計(jì)的疑似線路搜 索方法，通過(guò)計(jì)算一個(gè)區(qū)域內(nèi)各監(jiān)控線路的電流殘差值，確定疑似線路，縮小了對(duì)故障線路 的搜索范圍。
[0038] (2)針對(duì)各疑似線路，通過(guò)收集來(lái)自多點(diǎn)PMU的電氣量，為某個(gè)疑似線路計(jì)算出其 三組故障點(diǎn)位置，進(jìn)而確認(rèn)出故障元件，并能區(qū)分出故障元件是單一線路故障、相鄰兩條線 路復(fù)故障、非相鄰線路雙重故障三種情況。
[0039] (3)本發(fā)明進(jìn)行故障元件的在線檢測(cè)只收集有限PMU的電氣量，不會(huì)給廣域通信 網(wǎng)絡(luò)SDH帶來(lái)過(guò)大的通信負(fù)荷。
[0040] (4)本發(fā)明除了能夠?qū)我痪€路故障進(jìn)行準(zhǔn)確的在線檢測(cè)，還適用于相鄰兩條線 路復(fù)故障、非相鄰線路雙重故障的情況。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1為本發(fā)明有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法的流程 圖。
[0042]圖2為本發(fā)明運(yùn)行所在的各區(qū)域分散決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0043] 圖3為基于最小二乘法估計(jì)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(jié)點(diǎn)1、3的測(cè)量向量與估計(jì)向量之間的關(guān)系圖。
[0045] 圖5為本發(fā)明所用到的故障點(diǎn)位置計(jì)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(shí)施例的IEEE14節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明采用區(qū)域分散決策結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障元件的在線檢測(cè)。在該結(jié)構(gòu)下，每個(gè) 變電站的監(jiān)控層都配置一臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)中運(yùn)行一個(gè)區(qū)域分散決策子系統(tǒng)（Regional Decision-making Subsystem，RDS)，它負(fù)責(zé)收集本站與相鄰變電站的相關(guān)廣域保護(hù)信號(hào)， 從而得到基于最小二乘法估計(jì)的故障元件在線檢測(cè)方法啟動(dòng)所需的原始保護(hù)信號(hào)。如附圖 2所示。
[0048] 每個(gè)變電站中的RDS，通過(guò)本站的局域網(wǎng)收集來(lái)自本站各個(gè)智能電子設(shè)備 (Intelligent Electronic Devices, IED)的后備保護(hù)動(dòng)作信息，通過(guò)廣域通信網(wǎng)絡(luò)SDH收 集來(lái)自相鄰變電站的廣域后備保護(hù)信息、收集來(lái)自布置有PMU的相關(guān)變電站的電氣量。 [0049] 在收集全了本站、相鄰變電站各保護(hù)設(shè)備的后備保護(hù)信息、相關(guān)變電站的電氣量 之后，針對(duì)與本站相連的各線路，每個(gè)RDS對(duì)各線路所收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷， 從而檢測(cè)出元件是否故障。若檢測(cè)出元件有故障，則向故障線路所在變電站下達(dá)跳閘命令。
[0050] 電網(wǎng)故障元件在線檢測(cè)的步驟如下：
[0051] 步驟1 :根據(jù)RDS對(duì)所監(jiān)控線路收集到的信息進(jìn)行處理和判斷，決定是否對(duì)該線路 進(jìn)行故障檢測(cè)。當(dāng)某個(gè)變電站的RDS收集到本站各設(shè)備的后備保護(hù)信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)某線路的 主保護(hù)至少有一側(cè)未動(dòng)作、而其兩側(cè)保護(hù)裝置中其它保護(hù)有啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，就將該線路、其相 鄰各線路列為監(jiān)控線路，啟動(dòng)對(duì)它們的故障檢測(cè)。通過(guò)廣域通信網(wǎng)絡(luò)搜集該線路兩端、其兩 側(cè)相鄰各線路上布置有PMU的電流電壓測(cè)量值。
[0052] 步驟2 :利用該線路、其兩側(cè)相鄰各線路上的電流電壓測(cè)量值，采用最小二乘法， 計(jì)算出該線路、其兩側(cè)相鄰各線路的電流電壓估計(jì)值。如附圖3所示，各PMU采用間隔母線 布置方式，節(jié)點(diǎn)1和3布置有PMU，K、/12是節(jié)點(diǎn)1上的電壓與電流測(cè)量值，6、4是節(jié)點(diǎn) 3上的電壓與電流測(cè)量值。
[0053] 建立無(wú)故障情況下布置有PMU的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)3的電流電壓狀態(tài)方程：
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 一種有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法，其特征在于，所述 方法采用區(qū)域分散決策結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，每個(gè)變電站的監(jiān)控層配置一臺(tái)主機(jī)，在主機(jī)中運(yùn) 行一個(gè)RDS ;本方法中，PMU采用間隔母線布置方式；具體檢測(cè)過(guò)程如下： 步驟1 :根據(jù)RDS對(duì)所監(jiān)控線路收集到的廣域保護(hù)信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，決定是否對(duì)該 線路及其相鄰線路進(jìn)行故障檢測(cè)，根據(jù)判斷結(jié)果，如果需要檢測(cè)，將它們列為監(jiān)控線路，進(jìn) 而進(jìn)行步驟2及其后續(xù)步驟； 步驟2 :收集監(jiān)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(cè)量值，采用 最小二乘法，計(jì)算出該線路、其相鄰各線路的電流電壓估計(jì)值； 步驟3 :由步驟2所得到布有PMU側(cè)線路的電流估計(jì)值、采集的電流測(cè)量值，計(jì)算出每 條監(jiān)控線路的電流殘差值； 步驟4 :如果沒(méi)有一條線路的電流殘差值大于0,則認(rèn)為沒(méi)有故障線路，結(jié)束檢測(cè)；如果 至少有一條線路的電流殘差值大于〇,則對(duì)每條監(jiān)控線路的電流殘差值進(jìn)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(duì)每條疑似線路，收集與 利用相關(guān)最近的三組PMU數(shù)據(jù)，計(jì)算出每條疑似線路各自的三組故障點(diǎn)位置； 步驟6 :將計(jì)算出的每條疑似線路各自的故障點(diǎn)位置結(jié)合線路故障判據(jù)進(jìn)行判斷，確 定線路屬于何種故障。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方法， 其特征在于，步驟6具體為： 如果疑似線路1滿足單個(gè)線路故障判據(jù)、但疑似線路2不滿足單個(gè)線路故障判據(jù)，則判 定疑似線路1為故障線路，結(jié)束檢測(cè)； 如果疑似線路2滿足單個(gè)線路故障判據(jù)、但疑似線路1不滿足單個(gè)線路故障判據(jù)，則判 定疑似線路2為故障線路，結(jié)束檢測(cè)； 如果兩條疑似線路在拓?fù)渖舷噜?，它們的三組故障點(diǎn)位置滿足相鄰兩條線路復(fù)故障判 據(jù)，則判定它們?yōu)橄噜弮蓷l線路復(fù)故障，結(jié)束檢測(cè)； 如果兩個(gè)疑似線路在拓?fù)渖喜幌噜?，且均滿足單個(gè)線路故障判據(jù)，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(jié)束檢測(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有限PMU下基于最小二乘法估計(jì)的電網(wǎng)故障在線檢測(cè)方 法，其特征在于，步驟6中的故障判據(jù)包括單個(gè)線路故障判據(jù)、相鄰兩條線路復(fù)故障判據(jù)； 單個(gè)線路故障判據(jù)為： 若求出某線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置都在[0,1]之間，且在誤差允許范圍內(nèi)相近，而其相鄰 各線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置都不在[0,1]之間，則判定該線路為單個(gè)故障線路； 對(duì)于拓?fù)渖舷噜彽膬蓷l線路，相鄰兩條線路復(fù)故障判據(jù)為： A、 若求出某線路的3個(gè)故障點(diǎn)位置不同時(shí)在[0,1]之間，且其另一個(gè)相鄰線路的3個(gè) 故障點(diǎn)位置也不同時(shí)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(gè)故障點(diǎn)位置都在[0,1]之間，但在誤差允許的范圍內(nèi)不接近，而 且其另一個(gè)相鄰線路的3個(gè)故障點(diǎn)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(gè)故障點(diǎn)位置都在[0，1]之間，但在誤差允許的范圍內(nèi)不接 近，而且某線路的3個(gè)故障點(diǎn)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(hào)】G06F19/00GK104297632SQ201410515303
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】童曉陽(yáng), 王晨 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)