具有多个多相母线的电网中的故障分析的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种用于具有多个多相母线的电网中的故障分析。通过针对感兴趣的多相母线计算等效电路来执行用于具有多个多相母线的电网的故障分析。每个等效电路包括N×N阻抗矩阵，N对应于针对其计算该等效电路的多相母线的相位的数目。基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵确定阻抗矩阵的元素。故障前导纳矩阵代表无故障的多相母线的节点导纳。针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对该多相母线确定的等效电路，确定故障电流注入矢量。针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于因式分解的故障前导纳矩阵以及针对该多相母线和故障类型确定的故障电流注入矢量，确定故障电压矢量。
【专利说明】具有多个多相母线的电网中的故障分析
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及电网，并且更具体地涉及用于电网的故障分析。
【背景技术】
[0002]用于电力配电系统的配电管理系统(DMS)使用配电网络的系统模型以及假设的故障位置、类型和故障阻抗通过在测量的故障电流与预测的故障电流之间的模式匹配来识别故障位置。常规的基于对称分量的方法不适合于在构建和操作两者中都不平衡的配电系统。需要基于相位的方法用于准确分析。然而由于个别相位的显式表示所产生的大量节点，即使对于中等馈线，所得系统仍然可能很大。基于阻抗的方法既存储密集又耗费时间。基于导纳矩阵的方法在存储效率上高得多，但是耗费时间。基于补偿和基于矩阵求逆引理的方法据称减少与反复地对导纳矩阵求逆相关联的计算负担。然而这些常规方法对于在具有各种故障类型的许多母线位置处的反复故障分析而言计算密集并且涉及到构建和因式分解导纳矩阵，或者甚至为每个故障位置和故障类型对导纳矩阵求逆。使用对称分量的传统方法也可以处理不平衡故障，但是不能处理不平衡网络建模。
【发明内容】
[0003]根据本文描述的示例实施例，可以在电网中、比如在电力输电或者配电系统中的许多位置处在很高效的过程中执行反复故障分析，而仅有故障前导纳矩阵的单次因式分解而没有因式分解的后续更新。所研究的系统和所分析的故障两者都可以是平衡的或者不平衡的。运用故障前系统的稀疏导纳建模以执行故障分析，无论分析的故障类型和位置的数目如何，该故障分析都使用相同的因式分解的故障前导纳矩阵。
[0004]根据用于具有多个多相母线的电网的故障分析的方法的一个实施例，该方法包括:针对感兴趣的多相母线计算等效电路，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算等效电路的多相母线的相位的数目；基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵，确定阻抗矩阵的元素，故障前导纳矩阵代表无故障的多相母线的节点导纳；针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对该多相母线确定的等效电路，确定故障电流注入矢量；并且针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于因式分解的故障前导纳矩阵以及针对该多相母线和故障类型确定的故障电流注入矢量，确定故障电压矢量。
[0005]根据存储计算机程序的非瞬态计算机可读介质的一个实施例，该计算机程序可操作为执行用于具有多个多相母线的电网的故障分析，该计算机程序包括针对感兴趣的多相母线计算等效电路的程序指令，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算该等效电路的多相母线的相位的数目。该计算机程序进一步包括用于基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵确定阻抗矩阵的元素的程序指令，故障前导纳矩阵代表无故障的多相母线的节点导纳。该计算机程序也包括:用以针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对该多相母线确定的等效电路确定故障电流注入矢量的程序指令；以及用以针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于因式分解的故障前导纳矩阵以及针对该多相母线和故障类型所确定的故障电流注入矢量来确定故障电压矢量的程序指令。
[0006]根据与具有多个多相母线的电网通信的计算机系统的一个实施例，该计算机系统包括处理电路，该处理电路可操作用于针对感兴趣的多相母线计算等效电路，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算该等效电路的多相母线的相位的数目。该处理电路进一步可操作用于基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵确定阻抗矩阵的元素，故障前导纳矩阵代表无故障的多相母线的节点导纳。该处理电路也可操作用于:针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对该多相母线确定的等效电路确定故障电流注入矢量；并且针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于因式分解的故障前导纳矩阵以及针对该多相母线和故障类型确定的故障电流注入矢量来确定故障电压矢量。
[0007]本领域技术人员将在阅读以下具体描述并且在查看附图时认识附加特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图中的部件不必按比例，代之重点放在图示本发明的原理。另外，在图中，相似附图标记标示对应部分。在附图中:
[0009]图1图示包括多个多相母线的电网和用于实现针对网络的故障分析的控制系统的示意图。
[0010]图2图示在电网的不同母线之间的各种相位连接的示意图。
[0011]图3图示在电网的示例性三相母线的节点k与I之间的线模型的示意图。
[0012]图4A至4D图示用于电网的各种故障类型的示意图。
[0013]图5图示用于包括多个多相母线的电网的故障分析方法的一个实施例的流程图。
[0014]图6图示建模为多相戴维南等效(TE)电路的感兴趣的故障母线的示意图。
[0015]图7图示用于包括多个多相母线的电网的故障分析方法的另一实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0016]图1图示可以具有网状或者放射状架构的电网，比如电力输电或者配电系统的一个非限制示例性实施例。电网具有一个或者多个变电站100和连接到变电站100用于提供功率的多个母线102。母线102中的一些母线是多相，即三相或者两相。母线120中的其它母线可以是单相。图1中的具有单端箭头的线代表的支线可以连接到母线102用于向各种服务变压器(为了易于图示而未示出)分配功率。在电网中的许多位置处执行反复故障分析。运用故障前系统的稀疏导纳建模以执行故障分析，无论分析的故障类型和位置数目如何，该故障分析都使用相同因式分解的故障前导纳矩阵。
[0017]可以使用本文描述的故障分析方法作为用于在线故障位置分析和保护协调分析的支持功能。分析中的网络和故障二者可以是平衡或者不平衡的。该方法也可以应用于输电系统，其中系统在除了故障点之外的相位之间平衡。虽然本文就单个位置短路故障(在指定的母线处的各种类型的短路故障)方面描述故障分析过程，但是该过程也可以在简单的扩展下应用于在多个位置处的同时故障以及系列故障。
[0018]本文描述的方法减少在每个位置处的故障分析的计算工作。该方法使用另一应用已经可用的，或者计算一次并再使用的因式分解的故障前导纳矩阵，来执行最少增加的操作。因而，在电网内的许多不同位置处执行的故障分析被降低至非常流线型过程的针对每个故障位置一次的反复操作，该流线型过程涉及数目非常有限的简单计算。该过程因此可以在许多系统位置处很高效地执行故障分析。该过程对于在多个位置处的同时故障而言类似地有效。
[0019]更具体而言，提供控制系统104用于监视和控制电网的操作，包括故障分析。控制系统104可以经由如图1中所示虚线连接指示的有线或者无线连接来连接到电网，或者包含于变电站100中的一个中。控制系统104包括处理电路106，该处理电路可以包括诸如一个或者多个控制器、处理器、ASIC(专用集成电路)等用于运行执行诸如故障分析的网络控制功能的程序代码的数字和/或模拟电路。为此，控制系统104包括在处理电路106中包括的或者与处理电路106相关联的用于执行本文描述的故障分析过程和对应计算的故障分析器108。控制系统104也具有用于存储程序代码以及在程序代码运行期间通过处理电路106和故障分析器108处理和访问有关数据的存储器110，比如DRAM(动态随机存取存储器)和HDD (硬盘驱动)112。控制系统104也具有用于发送和接收信息，包括从电网接收可以在故障分析过程中用来识别网络中的可能故障的电压和电流测量信息的1/0(输入/输出)电路114。
[0020]由控制系统104实施的故障分析方法可以例如由于系统构建、操作或者故障中的相位不平衡，对母线102的个别相位建模。图2示出在电网的不同母线(母线1、母线j、母线k、母线I等)与用于每个单独的线路区段的对应自阻抗(等)模型之间的各种相连接(相位a、相位相b、相位c)以及在相同多相线路区段等)的相位之间的互耦合。图3示出在示例性三相母线的节点k与I之间的对应线路模型。每相具有在节点k的电压(Vak, Vbk,Vck )和电流(IJbkJck )以及在节点I的电压(Val,Vbl,Vcl )和电流(乙，4上)。可以在母线的节点k与I之间将线路阻抗建模为之?、4和4而对应相电流为、/,和/,。将在相位a与b之间的互阻抗建模为之，，将在相位b与c之间的互阻抗建模为之^，并且将在相位a与c之间的互阻抗建模为。也可以针对每个节点针对相位与地之间的等效导纳⑴和电流建模。
[0021]由控制系统104实施的故障分析方法可以针对电网的母线102的单独的相位对各种类型的短路故障建模。例如图4A至4D图示可以在三相母线上出现的各种类型的短路故障，其中Zfl、Zf2、Zf3和Ze代表故障阻抗。图4A示出三相接地短路，图4B示出单线接地故障，图4C示出双线接地故障，并且图4D示出线间故障。
[0022]图5图示由控制系统104执行的故障分析的一个实施例。该方法包括针对感兴趣的多相母线102计算等效电路，每个等效电路包括NX I电压源矢量和NXN阻抗矩阵ZTE，其中N对应于针对其计算该等效电路的多相母线102的相位数目(块200)。在一个实施例中，等效电路是戴维南等效电路。利用简单的变换，可以构造多相诺顿等效，如果这样做是有益的或者另外更有利则在基于诺顿等效电路在后续故障计算中使用多相诺顿等效。
[0023]图6示出在感兴趣的故障母线处的多相戴维南等效(TE)电路表征的系统行为。由下式给出的三相电压源矢量:
[0024]
【权利要求】
1.一种用于具有多个多相母线的电网的故障分析的方法，所述方法包括: 针对感兴趣的所述多相母线计算等效电路，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算所述等效电路的所述多相母线的相位的数目； 基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵，确定所述阻抗矩阵的元素，所述故障前导纳矩阵代表无故障的所述多相母线的节点导纳； 针对感兴趣的每个多相母线和故障类型基于针对所述多相母线确定的所述等效电路确定故障电流注入矢量；并且 针对感兴趣的每个多相母线和故障类型基于所述因式分解的故障前导纳矩阵以及针对所述多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量确定故障电压矢量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等效电路是戴维南等效电路，每个戴维南等效电路进一步包括NXl电压源矢量，所述NXl电压源矢量具有被确定为在分析中的所述对应母线处的故障前电压的元素。
3.根据权利要求1所述的方法，其中针对感兴趣的每个多相母线确定的所述实验电流注入矢量具有与该母线的每相对应的单位值元素和其他的零值元素。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定所述阻抗矩阵的所述元素包括:针对每个阻抗矩阵，求解所述阻抗矩阵的所述元素为从所述故障前导纳矩阵因式分解的下三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的上三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的置换矩阵、从所述故障前导纳 矩阵因式分解的列重新排序矩阵以及针对对于其计算所述阻抗矩阵的所述多相母线确定的所述实验电流注入矢量的函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中针对感兴趣的每个多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量具有与所述母线的所述相位对应的非零值元素和其他的零值元素。
6.根据权利要求5所述的方法，其中针对感兴趣的每个多相母线和故障类型确定所述故障电压矢量包括，针对感兴趣的每个多相母线和故障类型求解所述故障电压矢量的每个元素为从所述故障前导纳矩阵因式分解的下三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的上三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的置换矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的列重新排序矩阵以及针对所述多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量的函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中针对感兴趣的每个多相母线和故障类型确定所述故障电流注入矢量包括: 针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对所述多相母线确定的所述等效电路计算故障后电流矢量；以及 将每个故障后电流矢量与代表所述电网的电流源节点的复数源电流矢量相加，以针对感兴趣的每个多相母线和故障类型确定所述故障电流矢量。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述故障前导纳矩阵和针对感兴趣的每个多相母线确定的所述故障电压矢量，计算所述多相母线上的故障电流。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括: 测量所述电网中的一个或者多个故障电流；以及 将所述一个或者多个测量的故障电流与所述计算的故障电流比较，以识别所述电网中的一个或者多个可能故障条件。
10.一种存储计算机程序的非瞬态计算机可读介质，所述计算机程序可操作用于针对具有多个多相母线的电网执行故障分析，所述计算机程序包括: 用于针对感兴趣的所述多相母线计算等效电路的程序指令，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算所述等效电路的所述多相母线的相位的数目； 用于确定所述电压源矢量的元素为在故障分析之下的每个母线处的故障前电压的程序指令； 用于基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵，确定所述阻抗矩阵的元素的程序指令，所述故障前导纳矩阵代表无故障的所述多相母线的节点导纳； 用于针对感兴趣的每个多相母线和故障类型基于针对所述多相母线确定的所述等效电路来确定故障电流注入矢量的程序指令；以及 用于针对感兴趣的每个多相母线和故障类型基于所述因式分解的故障前导纳矩阵以及针对所述多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量来确定故障电压矢量的程序指令。
11.根据权利要求10所述的非瞬态计算机可读介质，进一步包括用以基于所述故障前导纳矩阵和针对感兴趣的每个多相母线确定的所述故障电压矢量计算所述多相母线上的故障电流，并且将所述电网中的一个或者多个测量的故障电流与所述计算的故障电流比较，以识别所述电网中的一个或者多个可能故障条件的程序指令。
12.—种与具有多个多相母线的电网通信的计算机系统，所述计算机系统包括处理电路，所述处理电路可操作用于: 针对感兴趣的所述多相母线计算等效电路，每个等效电路包括NXN阻抗矩阵，其中N对应于针对其计算所述等效电路的所述多相母线的相位的数目； 基于多个实验电流注入矢量所产生的电压以及因式分解的故障前导纳矩阵，确定所述阻抗矩阵的元素，所述故障前导纳矩阵代表无故障的所述多相母线的节点导纳； 针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对所述多相母线确定的所述等效电路来确定故障电流注入矢量；以及 针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于所述因式分解的故障前导纳矩阵以及针对所述多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量，来确定故障电压矢量。
13.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述处理电路可操作用于将所述感兴趣的多相母线建模为戴维南等效电路，每个戴维南等效电路进一步包括NX I电压源矢量，所述NX I电压源矢量具有由所述处理电路确定的，作为在分析之下的所述对应母线处的故障前电压的元素。
14.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述处理电路可操作用以针对感兴趣的每个多相母线确定所述实验电流注入矢量为对应于所述母线的每相的单位值元素和其他的零值元素。
15.根据权利要求14所述的计算机系统，其中对于每个阻抗矩阵，所述处理电路可操作用于求解所述阻抗矩阵的每个元素为从所述故障前导纳矩阵因式分解的下三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的上三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的置换矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的列重新排序矩阵以及对于针对其计算所述阻抗矩阵的所述多相母线确定的所述实验电流注入矢量的函数。
16.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述处理电路可操作用于针对感兴趣的每个多相母线和故障类型确定所述故障电流注入矢量为与所述母线的相对应的非零值元素和其他的零值元素。
17.根据权利要求16所述的计算机系统，其中对于感兴趣的每个多相母线和故障类型，所述处理电路可操作用于求解所述故障电压矢量的每个元素为从所述故障前导纳矩阵因式分解的下三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的上三角矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的置换矩阵、从所述故障前导纳矩阵因式分解的列重新排序矩阵以及针对该多相母线和故障类型确定的所述故障电流注入矢量的函数。
18.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述处理电路可操作用于为针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，基于针对该多相母线确定的所述等效电路，计算故障后电流矢量，并且将每个故障后电流矢量与代表所述电网的电流源节点的复数源电流矢量相加，以针对感兴趣的每个多相母线和故障类型，确定所述故障电流矢量。
19.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述处理电路进一步可操作用于基于所述故障前导纳矩阵和针对感兴趣的每个多相母线确定的所述故障电压矢量，计算所述多相母线处的故障电流。
20.根据权利要求19所述的计算机系统，其中所述处理电路进一步可操作用于将所述电网中的一个或者多个测量的故障电流与所述计算的故障电流比较以识别所述电网中的一个或者多个可能故障条件。
【文档编号】G01R31/08GK104049175SQ201310355811
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2012年8月14日
【发明者】冯晓鸣, C·克吕佩尔, W·L·彼得森 申请人:Abb研究有限公司