專利名稱：：基于稀疏pmu配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的運行、分析與調(diào)度
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著我國高壓輸電線路的發(fā)展和大電網(wǎng)互聯(lián)戰(zhàn)略的實施，對輸電線路的故障定位方法提出了更快速、更實用的要求。迄今為止，國內(nèi)外的學者已在故障定位領(lǐng)域提出了大量的原理和方法。目前的故障定位方法可根據(jù)采用的信息量分為單端[l-3]和雙端[4-6](或多端[7-8])定位方法。單端故障定位就是僅利用線路一端的實測電壓、電流信息來確定故障距離。單端故障測距不需要通道傳送對側(cè)數(shù)據(jù)、不受通訊技術(shù)條件的限制，但在原理上很難克服對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化及過度電阻的影響。而采用線路雙端(多端)的電氣量原理上可以實現(xiàn)精確故障定位，只是需要雙端(或多端)的信息傳遞。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展、信息傳輸技術(shù)的不斷進步；尤其是近年來，同步相量測量裝置(PMU)的研制和開發(fā)，使雙端(或多端)故障測距成為了可能。因此基于PMU的雙端(或多端)測距正越來越得到人們的重視。雖然目前基于PMU的研究[4-8]能實現(xiàn)精確的輸電線路故障定位，但在實際應(yīng)用中將會面臨著如下問題(1)現(xiàn)有的故障定位方法能否準確地定位故障位置取決于PMU的配置數(shù)量。只有當每條輸電線路的兩端均配置有PMU或者間隔一個母線配置時，才能夠有效地實現(xiàn)故障定位[9]。但在實際電網(wǎng)的故障研究中，這一配置要求在很多時候無法得到滿足[IO]。受費用約束，電網(wǎng)尚不可能如此高密度地配置PMU。目前僅在大型發(fā)電廠或關(guān)鍵的變電站才能保證PMU的存在。(2)現(xiàn)有的故障定位方法大都需要電流相量參與計算。由于故障發(fā)生時，電流互感器(TA)極易達到飽和，將導致采樣波形發(fā)生畸變，進而不能正確地反映真實故障電流，因此會給基于電流相量的故障定位造成很大的誤差[ll]。針對目前故障定位方法實用性的要求，因此需要一種僅利用少量PMU實現(xiàn)大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位的方法，且能有效避免電流互感器(TA)的影響。相關(guān)文獻陳錚,董新洲,羅承沐，單端工頻電氣量故障測距算法的魯棒性，清華大學學報(自然科學版)，2003,43(3:310-3131TamerKawady，JurgenStenzel.Apracticalfaultlocationapproachfordoublecircuittransmissionlinesusingsingleenddata,IEEETransactionsonPowerDelivery,2003，18(4):1166-1173.索南加樂,王樹剛,張超，利用單端電流的同桿雙回線準確故障定位研究，中國電機工程學報，2005，25(23):25-30.Joe-AirJiang,Jun-ZheYang,Ying-HongLin,AnAdaptivePMUBasedFaultDetection/LocationTechniqueforTransmissionLinesPartI:TheoryandAlgorithms,IEEETransactionsonPowerDelivery.2000,15(2):486-493FANChunjuDUXiuhuaLIShengfang.AnAdaptiveFaultLocationTechniqueBasedonPMUforTransmissionLine,IEEETransactionsonPowerDelivery.2007,15(4):1-6索南加樂,張懌寧，齊軍，基于參數(shù)識別的時域法雙端故障測距原理，電網(wǎng)技術(shù)，2006,30(8):65-70.J.V.H.Sanderson,R.G.R.Santana，andBZAl-Fakri,"Improveddirectionalcomparisonbasedalgorithmforprotectionofmulti-terminaltransmissionlines,"inProc.5thInt.Conf.DevelopmentsPowerSyst.Protection,1993，vol.368,pp.153-156.S.M.Brahma,"Faultlocationschemeforamulti-terminaltransmissionlineusingsynchronizedvoltagemeasurements,"IEEETrans.PowerDel"vol.20，no.2，pp.1325-1331，Apr.2005.LIENK.R,LIUC.W.，YUC.S..TransmissionNetworkFaultLocationObservabilityWithMinimalPMUPlacement[J],IEEETransactiononPowerDelivery.2006.21(3):1128-1137.YuanLiao.FaultLocationforSingle-CircuitLineBasedonBus-ImpedanceMatrixUtilizingVoltageMeasurements[J].IEEEtransactionsonpowerdelivery,2008，23(2):609-617.陳錚，董新洲,羅承沐.電流互感器飽和影響測距精度的一種解決方法.電力系統(tǒng)自動化[J]，2002，26(l):39-
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)故障定位方法對電網(wǎng)PMU配置的嚴格要求、對電流相量依賴的缺點，區(qū)別于已有的輸電線路故障定位方法，提供一種基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法。基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法包括如下步驟1)按PMU配置要求在輸電網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)節(jié)點配置PMU;2)當大型電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，將繼電保護設(shè)備發(fā)生動作的局部電網(wǎng)作為故障區(qū)域；3)針對該電網(wǎng)故障區(qū)域，利用其節(jié)點阻抗矩陣，結(jié)合故障采集的電壓相量，生成故障位置匹配指標；進而以該故障匹配指標為目標函數(shù)，自變量為電網(wǎng)故障區(qū)域的所有線路，構(gòu)成最小值求解問題；4)若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)大于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，求出該區(qū)域所有節(jié)點的故障匹配值，選取計算值最小的節(jié)點，令與這些節(jié)點相連的線路為可疑的故障線路集；若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)小于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該區(qū)域所有的線路可直接作為故障可疑線路；5)使用遍歷搜索法對步驟4)中的所有故障可疑線路，以0.01%線路長度的步長進行遍歷，計算所有遍歷點的故障匹配值，從而找到最小值所在的線路故障位置。所述的PMU配置要求為1)確保任意線路兩側(cè)母線在該線路被移除后均能夠連通至某個PMU;2)PMU均勻分布在電網(wǎng)各個區(qū)域。所述的生成故障位置匹配指標步驟為1)針對W節(jié)點的電網(wǎng)故障區(qū)域，已知在節(jié)點￡),(/=1.2..州)處配置PMU，故障發(fā)生后采集每個節(jié)點A的電壓相量，進而得到附加正序電壓相量a^,;2)假設(shè)故障發(fā)生在任意線路/;/'，且距節(jié)點Z'為X"h處，其中I"為任意線路i-j的長度，且0s;^1;令該故障位置為新節(jié)點并編號得到關(guān)于故障位置X的節(jié)點阻抗矩陣Z;3)由步驟1)和步驟2)得到如下所示的故障匹配指標=￡(xfl,_:^)/附，、=afd,/zD(+1)，5=fx,/附Vi=l/"1其中&一為阻抗矩陣Z中行A、列《+1的元素。本發(fā)明與現(xiàn)已有的技術(shù)相比，具有的有益效果1)適用于任意結(jié)構(gòu)或節(jié)點數(shù)的大型輸電網(wǎng)絡(luò)，算法具有通用性。且該方法實用簡單，無需求解復雜的非線性方程，無需事先知道故障線路、故障類型、過渡電阻等，具有很好的應(yīng)用前景；2)僅需少量的PMU配置，利用故障匹配指標實現(xiàn)對故障區(qū)域電網(wǎng)的精確故障定位。突破傳統(tǒng)算法對PMU的嚴格要求，具有實際工程意義；3)僅利用電壓相量進行故障定位，避免了因電流互感器飽和所造成的定位誤差，提高了故障定位算法的實用性。圖1是基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法；圖2是任意故障區(qū)域電網(wǎng)的附加正序網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖3是實施例1的故障區(qū)域電網(wǎng)示意圖4是實施例1的故障區(qū)域電網(wǎng)線路與匹配值的關(guān)系曲線；圖5是實施例2的故障區(qū)域電網(wǎng)示意圖圖6是實施例2的故障區(qū)域電網(wǎng)節(jié)點與匹配值的關(guān)系曲線；圖7是實施例2的故障區(qū)域電網(wǎng)線路與匹配值的關(guān)系曲線。具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施例作詳細說明，該發(fā)明的流程圖如圖1所示。實施例1:考慮任意大型輸電網(wǎng)絡(luò)，采用本發(fā)明的一種實施方式對其的短路故障進行定位，各步驟分述如下步驟一為保證輸電網(wǎng)絡(luò)所有線路故障可觀，按如下的PMU配置要求在網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)節(jié)點配置PMU:(1)保證任意線路兩側(cè)母線在該線路被移除后均能夠連通至某個PMU。(2)使PMU均勻分布在電網(wǎng)各區(qū)域。步驟二當大型電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，由于繼電保護的動作將基本集中在故障線路附近區(qū)域，由此可將繼電保護設(shè)備發(fā)生動作的局部電網(wǎng)作為初步的故障區(qū)域。步驟三針對該電網(wǎng)故障區(qū)域，利用其節(jié)點阻抗矩陣，結(jié)合故障采集的電壓相量，生成故障位置匹配指標；進而以該故障匹配指標為目標函數(shù)，自變量為電網(wǎng)故障區(qū)域的所有線路，構(gòu)成最小值求解問題。假設(shè)故障發(fā)生于傳輸線路zV距母線Z為x"km處，其中jc"為任意線路/-J的長度，且0<x</，可得如圖2所示的附加正序網(wǎng)絡(luò)圖，圖中僅故障點有注入電流源i,，其中傳輸線路采用;r模型。該故障區(qū)域電網(wǎng)正常狀態(tài)時存在"階正序阻抗矩陣Zo，若令故障點為第r"+7」節(jié)點，則可對該網(wǎng)絡(luò)建立6rW9階正序節(jié)點導納矩陣Z(過程略)。由推導過程可知，矩陣Z是關(guān)于故障未知數(shù);c的函數(shù)。進而可建立故障時節(jié)點附加正序電壓相量與故障點電流源/,的關(guān)系[A^…"......A&+1]r=Zi^/附(8)'■=1//=1當且僅在故障點時，式(7)才能完全匹配，艮卩^00=0，因此故障定位問題轉(zhuǎn)化為使匹配指標(8)取得最小值的最優(yōu)化問題，自變量為電網(wǎng)區(qū)域中所有的輸電線路，且對于每條線路0S;^1。步驟四若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)大于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，求出該區(qū)域所有節(jié)點的故障匹配值，選取計算值最小(或接近最小值)的節(jié)點，令與這些節(jié)點相連的線路為可疑的故障線路集，由此進一步縮小故障區(qū)域；若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)小于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可直接跳過這一步，該區(qū)域所有的線路可直接作為故障可疑線路；步驟五使用遍歷搜索法對步驟4)中的所有故障可疑線路，以0.01%線路長度的步長進行遍歷，計算所有遍歷點的故障匹配值，從而找到最小值所在的線路故障位置。假設(shè)某一大型輸電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，經(jīng)繼電保護動作信息確定如圖1所示的故障區(qū)域電網(wǎng)，僅母線l、2、3處配置PMU，且只采集故障電壓相量。為了說明本方法的具體實現(xiàn)過程，假設(shè)發(fā)生AB相接地故障(ABG)，過渡電阻為5Q，故障位于線路2-7距離節(jié)點2占線路總長53%處。由于本故障區(qū)域結(jié)構(gòu)簡單(節(jié)點數(shù)小于10)，所有線路均可作為故障可疑線路，采用遍歷搜索方法可獲得故障位置與匹配指標的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知，在線路2-7距離母線2約53.04%處，匹配值取得最小值，定位誤差為0.04%。為了驗證算法適用于不同的故障情況，以線路上發(fā)生各種短路故障為例，對于不同過渡電阻(從11K不等)、故障類型和故障距離情況進行了大量仿真，測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明本算法在不同條件下均能取得較高的定位精度。本算法受過渡電阻、故障類型和故障距離的影響較??；當過渡電阻變化時，定位精度變化也很小；即使當過渡電阻較大時，算法仍能得到較高的定位精度。表1不同故障類型、過渡電阻下的仿真結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由實施例l可知，本發(fā)明方法僅利用少量的PMU配置，能對該簡單結(jié)構(gòu)的故障區(qū)域電網(wǎng)實現(xiàn)任意短路故障的精確定位，且不受電流互感器飽和影響，具有實用性和工程應(yīng)用前景。實施例2:本實施例使用與實施例1相同的方法，假設(shè)某一大型輸電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，經(jīng)繼電保護動作信息初步判定如圖5所示的故障區(qū)域電網(wǎng)，且僅在節(jié)點3,8,11,14，16，19，22，27，29，39處配置PMU。在輸電線路21-16上距母線21占線路總長30%處發(fā)生常見的單相接地故障。由于該故障區(qū)域電網(wǎng)較復雜(節(jié)點數(shù)大于10)，首先可確定可疑的故障線路集。根據(jù)本發(fā)明的方法，假設(shè)故障發(fā)生在傳輸線路上所有相關(guān)母線節(jié)點的情況，可獲得母線位置與電匹配指標的關(guān)系圖，如圖6所示。由圖6可知，故障線路所在母線16、21處的匹配指標值取得最小值，且遠小于其他節(jié)點(圖中偏差值大于5的節(jié)點均表示為5)。上圖表明離故障點越近的母線，匹配指標也越小，可根據(jù)此原理對可能的故障線路進行初步的選定。然后根據(jù)故障精確定位算法，在大致可能的故障可疑線路集(線路16-15、17-16、21-16、24-16、22-21)遍歷，可獲得故障點位置與匹配指標的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可知，在線路16-21距離母線21約29.90%處，匹配指標取得最小值，定位誤差為0.1%。同理實施例1，表2驗證了本方法在各種不同故障情況下的精確性。表2不同故障類型、過渡電阻下的仿真結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由實施例2可知，本發(fā)明方法同樣能僅利用少量的PMU配置，對該結(jié)構(gòu)復雜的故障區(qū)域電網(wǎng)實現(xiàn)任意短路故障的精確定位，證明其通用性。權(quán)利要求1、一種基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法，它包括如下步驟1)按PMU配置要求在輸電網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)節(jié)點配置PMU；2)當大型電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，將繼電保護設(shè)備發(fā)生動作的局部電網(wǎng)作為故障區(qū)域；3)針對該電網(wǎng)故障區(qū)域，利用其節(jié)點阻抗矩陣，結(jié)合故障采集的電壓相量，生成故障位置匹配指標；進而以該故障匹配指標為目標函數(shù)，自變量為電網(wǎng)故障區(qū)域的所有線路，構(gòu)成最小值求解問題；4)若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)大于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，求出該區(qū)域所有節(jié)點的故障匹配值，選取計算值最小的節(jié)點，令與這些節(jié)點相連的線路為可疑的故障線路集；若該故障區(qū)域為節(jié)點數(shù)小于10的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該區(qū)域所有的線路可直接作為故障可疑線路；5)使用遍歷搜索法對步驟4)中的所有故障可疑線路，以0.01％線路長度的步長進行遍歷，計算所有遍歷點的故障匹配值，從而找到最小值所在的線路故障位置。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法，其特征在于所述的PMU配置要求為1)確保任意線路兩側(cè)母線在該線路被移除后均能夠連通至某個PMU;2)PMU均勻分布在電網(wǎng)各個區(qū)域。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法，其特征在于所述的生成故障位置匹配指標步驟為1)針對w節(jié)點的電網(wǎng)故障區(qū)域，己知在節(jié)點￡>'(/=1.2...附)處配置？目，故障發(fā)生后采集每個節(jié)點A的電壓相量，進而得到附加正序電壓相量A^,;2)假設(shè)故障發(fā)生在任意線路/-》且距節(jié)點/為b處，其中々為任意線路i-j的長度，且(^xd;令該故障位置為新節(jié)點并編號("+/)，得到關(guān)于故障位置;c的節(jié)點阻抗矩陣Z;3)由步驟1)和步驟2)得到如下所示的故障匹配指標<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Z。(一為阻抗矩陣Z中行D,、列"+l的元素。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法。與已有的輸電線路故障定位方法相比，該定位方法僅利用電網(wǎng)配置的少量PMU，采集故障電壓信息，建立一種僅與故障位置有關(guān)的故障匹配指標；由此對大型電網(wǎng)的可疑故障線路進行初步判斷，進而通過遍歷搜索法實現(xiàn)精確的故障定位。本發(fā)明提出的基于稀疏PMU配置的大型輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位方法，可以在不降低定位精度的前提下，大大減輕定位算法對PMU的配置要求，避免算法受電流互感器(CT)飽和、過渡電阻、故障類型等影響；提高了故障定位算法的實用性和通用性；高效快速地支持電網(wǎng)的安全狀態(tài)評估和維護，滿足了現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析、運行和調(diào)度的需要。文檔編號G01R31/08GK101533061SQ20091009733公開日2009年9月16日申請日期2009年4月9日優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日發(fā)明者江全元,波王申請人:浙江大學