一種基於故障暫態行波衰減分量的電網故障區段定位方法與流程

2024-02-06 00:34:15 1

本發明涉及適應於電網下故障暫態行波衰減分量的故障區段定位方法研究。

背景技術：

電力能源已經成為我國社會經濟發展命脈，近年來智能電網發展迅速，對供電的可靠性提出了更高的要求。如果故障不能得到快速準確的定位及排除將會對國民經濟造成難以估計的損失，同時也會對人民的生活帶來極大的不便。因此，故障定位問題一直都是國內外的研究熱點。

現有故障定位方法主要可以分為基於穩態量和基於暫態量兩類：前者容易受到分布電容和過渡電阻的影響，適用性較差；後者定位精度較高並獲得了廣泛的應用。近年來，基於PMU等測量裝置實時獲取電網全局的暫態信息的廣域量測系統發展迅速，為電網的暫態分析提供了新的手段。在現代行波測距原理的基礎上，專家和學者們基於WAMS提出了廣域信息故障定位方法。陳羽等擴展了雙端測距原理，利用廣域行波信息實現電網擾動線路的識別和擾動點的定位[1]，但仿真模型結構簡單，此算法在更加複雜的網絡中的適用性有待進一步驗證；文獻[2]提出一種在所有線路兩端安裝測量裝置同步獲取故障信息的故障定位方法，並以IEEE 118-母線System分析驗證了所提方法的正確性，但此方法的設備成本高、難以獲得實際應用；文獻[3]通過數學推導，利用在電網部分節點安裝的測量裝置同步獲取的行波到達時間，計算出故障發生時刻的同時實現故障的精確定位。以上方法的故障定位手段要求測量裝置的嚴格同步，同步精度的高低會嚴重影響定位的精度，所以研究基於非同步暫態信號的電網故障區段定位方法具有重要的現實意義。

[1]陳羽,劉東,徐丙垠.基於廣域網絡信息的行波測距算法[J].電力系統自動化,2011,35(11):65-70.

[2]Dutta P,Esmaeilian A,Kezunovic M.Transmission-line fault analysis using synchronized sampling[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(2):942-950.

[3]Korkali M,Abur A.Optimal deployment of wide-area synchronized measurements for fault-location observability[J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(1):482-489.

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，提出一種基於故障暫態行波衰減分量的電網故障區段定位方法。

技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種基於故障暫態行波衰減分量的電網故障區段定位方法，包括如下步驟：

1)對於拓撲結構確定的電網，假設共有N個測量點，分別標記為m1,m2,…,mN，並構成集合M＝{m1,m2,…,mN}，根據拓撲結構得到每個測量點的相鄰測量點數目分別為j1,j2,…,jN，並構成集合J＝{j1,j2,…,jN}；

2)故障發生後，對各測量點獲取的線模電壓分別進行小波變換，提取小波係數模極大值表徵該測量點的行波幅值，各測量點的行波幅值分別為f1,f2,…fN，並構成集合F＝{f1,f2,…fN}；測量點ma的相鄰測量點行波幅值記為集合{fa1,fa2,...faja}，a∈{1,2,...N}，得到各測量點的相鄰測量點行波幅值矩陣L表示為：

其中，Z為集合J中的最大值，L中的空元素用數值零來替代；

3)步驟2)所獲得最大行波幅值對應的測量點確定為故障的一端，該測量點記為mi，並得到測量點mi的P個相鄰測量點分別記為b1,b2,…bP，並構成集合B＝{b1,b2,…bP}；

4)選擇集合B中一個相鄰測量點bj，相鄰測量點bj對應的行波幅值記為fbj，j∈{1,2,...P}；獲取bj到一個測量點mn的最短路徑所經過的節點，所經過的節點根據bj到測量點mn依次經過節點的序號排列為集合D＝{mx,…my}，其中mx為所經過的第一個節點的序號，my為所經過的最後一個節點的序號，n∈{1,2,...N}；若所述集合D中沒有測量點mi，集合D中各節點對應的相鄰測量點數目集合為JD＝{jx,…jy}，則集合D中每個節點對應的折射係數為d＝{dmx,…dmy}＝{2/(jx+1),…2/(jy+1)}，由bj折算到測量點mn的行波幅值為fnj』＝fbj×dmx×…×dmy；若所述集合D中包含有測量點mi，刪除集合D中mi之前的節點，所述集合D更新為D＝{mi,…my}，則由bj折算到測量點mi的行波幅值為fnj』＝fmi×…×dmy，fmi為測量點mi對應的行波幅值；初始n＝1，j＝1，遍歷集合B中所有相鄰測量點，得到由P個相鄰測量點折算到所有測量點的行波幅值矩陣為G為：

5)將測量ma的行波幅值分別與其每一個相鄰測量點行波幅值作差，得到集合{fa-fa1,fa-fa2,...fa-faja}，a∈{1,2,...N}，遍歷所述集合F中每個測量點得到矩陣△F：

根據行波幅值在傳播過程中的衰減特性，矩陣ΔF中各元素作差後數值的正負表示行波的傳播方向；

6)對摺算出來的行波幅值矩陣G中的第一列做如下處理，得到折算出來的傳播方向矩陣△G1為：

用符號函數sgn(x)對矩陣△G1和△F進行標準化處理：

其相同元素個數表徵兩個矩陣的相似程度，並記相同元素個數為s1，依次對G中的各列做上述處理，得到相同元素個數集合為S＝{s1,s2,…sp}，集合S中的最大值對應的測量點即為故障線路的另一端，最終確定故障區段。

有益效果：本方法在電網已配置測量裝置情況下，通過對故障後信號的小波變換獲取小波係數模極大值作為表徵初始行波幅值的特徵量；特徵量最大的測量點對應於故障線路的一端，再利用故障行波經最短路徑傳播時特徵量的衰減特性確定故障線路的另一端，判斷故障區段。本方法對測量裝置的同步性沒有特殊要求，具有較強地實用價值和較好地經濟性；採用行波幅值衰減特性，克服了電網傳統故障定位暫態方法中由于波頭辨識錯誤造成誤差較大的問題；該方法適用於複雜電網，並且只需獲得配置測量點處的故障後線模電壓信號，在結合電網拓撲結構的基礎上即可準確地判斷出故障區段。

附圖說明

圖1為本發明方法的流程圖；

圖2為多線路分支行波折射模型；

圖3為IEEE-30標準系統。

具體實施方式

本方法具體實現流程圖如圖1所示，具體實現步驟如下：

1)對於拓撲結構確定的電網，假設共有N個測量點，分別標記為m1,m2,…,mN，並構成集合M＝{m1,m2,…,mN}，根據拓撲結構得到每個測量點的相鄰測量點數目分別為j1,j2,…,jN，並構成集合J＝{j1,j2,…,jN}。

2)故障發生後，對各測量點獲取的線模電壓分別進行小波變換，提取小波係數模極大值表徵該測量點的行波幅值，各測量點的行波幅值分別為f1,f2,…fN，並構成集合F＝{f1,f2,…fN}。測量點ma的相鄰測量點行波幅值記為集合{fa1,fa2,...faja}，a∈{1,2,...N}，得到各測量點的相鄰測量點行波幅值矩陣L表示為：

其中，Z為集合J中的最大值，L中的空元素用數值零來替代。

3)步驟2)所獲得最大行波幅值對應的測量點確定為故障的一端，該測量點記為mi，為了方便表述，將得到測量點mi的P個相鄰測量點分別記為b1,b2,…bP，並構成集合B＝{b1,b2,…bP}；其中，P＝ji。

4)選擇集合B中一個相鄰測量點bj，相鄰測量點bj對應的行波幅值記為fbj，j∈{1,2,...P}；獲取bj到一個測量點mn的最短路徑所經過的節點，所經過的節點根據bj到測量點mn依次經過節點的序號排列為集合D＝{mx,…my}，其中mx為所經過的第一個節點的序號，my為所經過的最後一個節點的序號，n∈{1,2,...N}。若集合D中沒有測量點mi，集合D中各節點對應的相鄰測量點數目集合為JD＝{jx,…jy}，則集合D中每個節點對應的折射係數為d＝{dmx,…dmy}＝{2/(jx+1),…2/(jy+1)}，由bj折算到測量點mn的行波幅值為fnj』＝fbj×dmx×…×dmy。若集合D中包含有測量點mi，刪除集合D中mi之前的節點，所述集合D更新為D＝{mi,…my}，則由bj折算到測量點mi的行波幅值為fnj』＝fmi×…×dmy，fmi為測量點mi對應的行波幅值。初始n＝1，j＝1，遍歷集合B中所有相鄰測量點，得到由P個相鄰測量點折算到所有測量點的行波幅值矩陣為G為：

5)將測量ma的行波幅值分別與其每一個相鄰測量點行波幅值作差，得到集合{fa-fa1,fa-fa2,...fa-faja}，a∈{1,2,...N}，遍歷集合F中每個測量點得到矩陣△F：

根據行波幅值在傳播過程中的衰減特性，矩陣ΔF中各元素作差後數值的正負表示行波的傳播方向。

6)對摺算出來的行波幅值矩陣G中的第一列做如下處理，得到折算出來的傳播方向矩陣△G1為：

用符號函數sgn(x)對矩陣△G1和△F進行標準化處理：

其相同元素個數表徵兩個矩陣的相似程度，並記相同元素個數為s1，依次對G中的各列做上述處理，得到相同元素個數集合為S＝{s1,s2,…sp}，集合S中的最大值對應的測量點即為故障線路的另一端，最終確定故障區段。

本發明在複雜電網具有很高的準確性，對測量裝置的同步性沒有特殊要求，提高了故障區段定位的可行性和經濟性。現以一個模型為例：

利用PSCAD/EMTDC軟體工具建立IEEE-30標準系統的仿真模型，如圖3所示。線路模型採用Frequency Dependent Phase Model，採樣頻率為1MHz。電源側接Δ-Y型變壓器，變比為500/220kV，負載側接Y-Δ型變壓器，變比為220/110kV。測量點配置母線位置為:2,3,4,5,6,8,9,10,11,12,13,14,15,21,22,24,25,26,27,28,29,30。

在母線10和母線17之間的線路上發生單相接地故障，故障點和母線10的距離為56km。故障發生後，各測量點提取的線模電壓小波細節係數d1模極大值如下表1所示：

表1各測量點提取的特徵量

從特徵量數據可知，最大值在母線10處測量點取得，即故障線路的一個端點為母線10。母線10的鄰接測量點有：母線6、母線9、母線12、母線15、母線21和母線22。分別以各鄰接測量點出的特徵量作為初始值，折算到各測量點結果如下表2所示。

表2母線10鄰接測量點特徵量折算值

找出各個測量點處的折算值與實際測量值之間的相似度最大的一組數據，其對應測量點即為故障線路的另一端。標準化的折算值比較結果如下表3所示，顯然，此算例中鄰接測量點3(母線12)處折算值相同元素個數最多，因此故障線路為線路10-12，實際故障線路10-17包含在線路10-12中，區段定位結果正確。

表3標準化的各測量點處特徵量與實測值相同元素個數

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。