专利名称：：基于稀疏pmu配置的大型输电网络故障定位方法
技术领域：
：本发明属于电力系统的运行、分析与调度
技术领域：
，特别涉及一种基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法。
背景技术：
：近年来，随着我国高压输电线路的发展和大电网互联战略的实施，对输电线路的故障定位方法提出了更快速、更实用的要求。迄今为止，国内外的学者已在故障定位领域提出了大量的原理和方法。目前的故障定位方法可根据采用的信息量分为单端[l-3]和双端[4-6](或多端[7-8])定位方法。单端故障定位就是仅利用线路一端的实测电压、电流信息来确定故障距离。单端故障测距不需要通道传送对侧数据、不受通讯技术条件的限制，但在原理上很难克服对侧系统阻抗变化及过度电阻的影响。而采用线路双端(多端)的电气量原理上可以实现精确故障定位，只是需要双端(或多端)的信息传递。随着自动化技术的发展、信息传输技术的不断进步；尤其是近年来，同步相量测量装置(PMU)的研制和开发，使双端(或多端)故障测距成为了可能。因此基于PMU的双端(或多端)测距正越来越得到人们的重视。虽然目前基于PMU的研究[4-8]能实现精确的输电线路故障定位，但在实际应用中将会面临着如下问题(1)现有的故障定位方法能否准确地定位故障位置取决于PMU的配置数量。只有当每条输电线路的两端均配置有PMU或者间隔一个母线配置时，才能够有效地实现故障定位[9]。但在实际电网的故障研究中，这一配置要求在很多时候无法得到满足[IO]。受费用约束，电网尚不可能如此高密度地配置PMU。目前仅在大型发电厂或关键的变电站才能保证PMU的存在。(2)现有的故障定位方法大都需要电流相量参与计算。由于故障发生时，电流互感器(TA)极易达到饱和，将导致采样波形发生畸变，进而不能正确地反映真实故障电流，因此会给基于电流相量的故障定位造成很大的误差[ll]。针对目前故障定位方法实用性的要求，因此需要一种仅利用少量PMU实现大型输电网络故障定位的方法，且能有效避免电流互感器(TA)的影响。相关文献陈錚,董新洲,罗承沐，单端工频电气量故障测距算法的鲁棒性，清华大学学报(自然科学版)，2003,43(3:310-3131TamerKawady，JurgenStenzel.Apracticalfaultlocationapproachfordoublecircuittransmissionlinesusingsingleenddata,IEEETransactionsonPowerDelivery,2003，18(4):1166-1173.索南加乐,王树刚,张超，利用单端电流的同杆双回线准确故障定位研究，中国电机工程学报，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索南加乐,张怿宁，齐军，基于参数识别的时域法双端故障测距原理，电网技术，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.陈铮，董新洲,罗承沐.电流互感器饱和影响测距精度的一种解决方法.电力系统自动化[J]，2002，26(l):39-
发明内容本发明的目的是为了克服传统故障定位方法对电网PMU配置的严格要求、对电流相量依赖的缺点，区别于已有的输电线路故障定位方法，提供一种基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法。基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法包括如下步骤1)按PMU配置要求在输电网络相应节点配置PMU;2)当大型电网发生短路故障后，将继电保护设备发生动作的局部电网作为故障区域；3)针对该电网故障区域，利用其节点阻抗矩阵，结合故障采集的电压相量，生成故障位置匹配指标；进而以该故障匹配指标为目标函数，自变量为电网故障区域的所有线路，构成最小值求解问题；4)若该故障区域为节点数大于10的电网结构，求出该区域所有节点的故障匹配值，选取计算值最小的节点，令与这些节点相连的线路为可疑的故障线路集；若该故障区域为节点数小于10的电网结构，该区域所有的线路可直接作为故障可疑线路；5)使用遍历搜索法对步骤4)中的所有故障可疑线路，以0.01%线路长度的步长进行遍历，计算所有遍历点的故障匹配值，从而找到最小值所在的线路故障位置。所述的PMU配置要求为1)确保任意线路两侧母线在该线路被移除后均能够连通至某个PMU;2)PMU均匀分布在电网各个区域。所述的生成故障位置匹配指标步骤为1)针对W节点的电网故障区域，已知在节点￡),(/=1.2..州)处配置PMU，故障发生后采集每个节点A的电压相量，进而得到附加正序电压相量a^,;2)假设故障发生在任意线路/;/'，且距节点Z'为X"h处，其中I"为任意线路i-j的长度，且0s;^1;令该故障位置为新节点并编号得到关于故障位置X的节点阻抗矩阵Z;3)由步骤1)和步骤2)得到如下所示的故障匹配指标=￡(xfl,_:^)/附，、=afd,/zD(+1)，5=fx,/附Vi=l/"1其中&一为阻抗矩阵Z中行A、列《+1的元素。本发明与现已有的技术相比，具有的有益效果1)适用于任意结构或节点数的大型输电网络，算法具有通用性。且该方法实用简单，无需求解复杂的非线性方程，无需事先知道故障线路、故障类型、过渡电阻等，具有很好的应用前景；2)仅需少量的PMU配置，利用故障匹配指标实现对故障区域电网的精确故障定位。突破传统算法对PMU的严格要求，具有实际工程意义；3)仅利用电压相量进行故障定位，避免了因电流互感器饱和所造成的定位误差，提高了故障定位算法的实用性。图1是基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法；图2是任意故障区域电网的附加正序网络示意图；图3是实施例1的故障区域电网示意图4是实施例1的故障区域电网线路与匹配值的关系曲线；图5是实施例2的故障区域电网示意图图6是实施例2的故障区域电网节点与匹配值的关系曲线；图7是实施例2的故障区域电网线路与匹配值的关系曲线。具体实施例方式以下结合附图，对本发明的实施例作详细说明，该发明的流程图如图1所示。实施例1:考虑任意大型输电网络，采用本发明的一种实施方式对其的短路故障进行定位，各步骤分述如下步骤一为保证输电网络所有线路故障可观，按如下的PMU配置要求在网络相应节点配置PMU:(1)保证任意线路两侧母线在该线路被移除后均能够连通至某个PMU。(2)使PMU均匀分布在电网各区域。步骤二当大型电网发生短路故障后，由于继电保护的动作将基本集中在故障线路附近区域，由此可将继电保护设备发生动作的局部电网作为初步的故障区域。步骤三针对该电网故障区域，利用其节点阻抗矩阵，结合故障采集的电压相量，生成故障位置匹配指标；进而以该故障匹配指标为目标函数，自变量为电网故障区域的所有线路，构成最小值求解问题。假设故障发生于传输线路zV距母线Z为x"km处，其中jc"为任意线路/-J的长度，且0<x</，可得如图2所示的附加正序网络图，图中仅故障点有注入电流源i,，其中传输线路采用;r模型。该故障区域电网正常状态时存在"阶正序阻抗矩阵Zo，若令故障点为第r"+7」节点，则可对该网络建立6rW9阶正序节点导纳矩阵Z(过程略)。由推导过程可知，矩阵Z是关于故障未知数;c的函数。进而可建立故障时节点附加正序电压相量与故障点电流源/,的关系[A^…"......A&+1]r=Zi^/附(8)'■=1//=1当且仅在故障点时，式(7)才能完全匹配，艮卩^00=0，因此故障定位问题转化为使匹配指标(8)取得最小值的最优化问题，自变量为电网区域中所有的输电线路，且对于每条线路0S;^1。步骤四若该故障区域为节点数大于10的电网结构，求出该区域所有节点的故障匹配值，选取计算值最小(或接近最小值)的节点，令与这些节点相连的线路为可疑的故障线路集，由此进一步縮小故障区域；若该故障区域为节点数小于10的电网结构，可直接跳过这一步，该区域所有的线路可直接作为故障可疑线路；步骤五使用遍历搜索法对步骤4)中的所有故障可疑线路，以0.01%线路长度的步长进行遍历，计算所有遍历点的故障匹配值，从而找到最小值所在的线路故障位置。假设某一大型输电网络发生故障后，经继电保护动作信息确定如图1所示的故障区域电网，仅母线l、2、3处配置PMU，且只采集故障电压相量。为了说明本方法的具体实现过程，假设发生AB相接地故障(ABG)，过渡电阻为5Q，故障位于线路2-7距离节点2占线路总长53%处。由于本故障区域结构简单(节点数小于10)，所有线路均可作为故障可疑线路，采用遍历搜索方法可获得故障位置与匹配指标的关系曲线，如图4所示。由图4可知，在线路2-7距离母线2约53.04%处，匹配值取得最小值，定位误差为0.04%。为了验证算法适用于不同的故障情况，以线路上发生各种短路故障为例，对于不同过渡电阻(从11K不等)、故障类型和故障距离情况进行了大量仿真，测试结果见表1。结果表明本算法在不同条件下均能取得较高的定位精度。本算法受过渡电阻、故障类型和故障距离的影响较小；当过渡电阻变化时，定位精度变化也很小；即使当过渡电阻较大时，算法仍能得到较高的定位精度。表1不同故障类型、过渡电阻下的仿真结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由实施例l可知，本发明方法仅利用少量的PMU配置，能对该简单结构的故障区域电网实现任意短路故障的精确定位，且不受电流互感器饱和影响，具有实用性和工程应用前景。实施例2:本实施例使用与实施例1相同的方法，假设某一大型输电网络发生故障后，经继电保护动作信息初步判定如图5所示的故障区域电网，且仅在节点3,8,11,14，16，19，22，27，29，39处配置PMU。在输电线路21-16上距母线21占线路总长30%处发生常见的单相接地故障。由于该故障区域电网较复杂(节点数大于10)，首先可确定可疑的故障线路集。根据本发明的方法，假设故障发生在传输线路上所有相关母线节点的情况，可获得母线位置与电匹配指标的关系图，如图6所示。由图6可知，故障线路所在母线16、21处的匹配指标值取得最小值，且远小于其他节点(图中偏差值大于5的节点均表示为5)。上图表明离故障点越近的母线，匹配指标也越小，可根据此原理对可能的故障线路进行初步的选定。然后根据故障精确定位算法，在大致可能的故障可疑线路集(线路16-15、17-16、21-16、24-16、22-21)遍历，可获得故障点位置与匹配指标的关系曲线，如图7所示。由图7可知，在线路16-21距离母线21约29.90%处，匹配指标取得最小值，定位误差为0.1%。同理实施例1，表2验证了本方法在各种不同故障情况下的精确性。表2不同故障类型、过渡电阻下的仿真结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由实施例2可知，本发明方法同样能仅利用少量的PMU配置，对该结构复杂的故障区域电网实现任意短路故障的精确定位，证明其通用性。权利要求1、一种基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法，它包括如下步骤1)按PMU配置要求在输电网络相应节点配置PMU；2)当大型电网发生短路故障后，将继电保护设备发生动作的局部电网作为故障区域；3)针对该电网故障区域，利用其节点阻抗矩阵，结合故障采集的电压相量，生成故障位置匹配指标；进而以该故障匹配指标为目标函数，自变量为电网故障区域的所有线路，构成最小值求解问题；4)若该故障区域为节点数大于10的电网结构，求出该区域所有节点的故障匹配值，选取计算值最小的节点，令与这些节点相连的线路为可疑的故障线路集；若该故障区域为节点数小于10的电网结构，该区域所有的线路可直接作为故障可疑线路；5)使用遍历搜索法对步骤4)中的所有故障可疑线路，以0.01％线路长度的步长进行遍历，计算所有遍历点的故障匹配值，从而找到最小值所在的线路故障位置。2、根据权利要求1所述的基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法，其特征在于所述的PMU配置要求为1)确保任意线路两侧母线在该线路被移除后均能够连通至某个PMU;2)PMU均匀分布在电网各个区域。3、根据权利要求1所述的基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法，其特征在于所述的生成故障位置匹配指标步骤为1)针对w节点的电网故障区域，己知在节点￡>'(/=1.2...附)处配置？目，故障发生后采集每个节点A的电压相量，进而得到附加正序电压相量A^,;2)假设故障发生在任意线路/-》且距节点/为b处，其中々为任意线路i-j的长度，且(^xd;令该故障位置为新节点并编号("+/)，得到关于故障位置;c的节点阻抗矩阵Z;3)由步骤1)和步骤2)得到如下所示的故障匹配指标<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Z。(一为阻抗矩阵Z中行D,、列"+l的元素。全文摘要本发明公开了一种基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法。与已有的输电线路故障定位方法相比，该定位方法仅利用电网配置的少量PMU，采集故障电压信息，建立一种仅与故障位置有关的故障匹配指标；由此对大型电网的可疑故障线路进行初步判断，进而通过遍历搜索法实现精确的故障定位。本发明提出的基于稀疏PMU配置的大型输电网络故障定位方法，可以在不降低定位精度的前提下，大大减轻定位算法对PMU的配置要求，避免算法受电流互感器(CT)饱和、过渡电阻、故障类型等影响；提高了故障定位算法的实用性和通用性；高效快速地支持电网的安全状态评估和维护，满足了现代电力系统分析、运行和调度的需要。文档编号G01R31/08GK101533061SQ20091009733公开日2009年9月16日申请日期2009年4月9日优先权日2009年4月9日发明者江全元,波王申请人:浙江大学