本发明属于电网故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于WAMS(广域测量系统，Wide-Area Measurement System)时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法。
背景技术：
随着我国国民经济的高速发展，电网规模不断扩大，电网结构愈发复杂，目前的电力系统正面临越来越大的挑战。极端恶劣天气和设备故障导致的电网故障对电网的安全稳定运行造成极大的威胁。当故障发生时，电网调度运行人员如果能够及时获取故障类型、故障时间等信息，有助于其据此做出正确的判断，采取适当的处理方式以避免事故的进一步扩散。近些年逐渐兴起的广域测量系统(WAMS)为调度运行人员提供了可选的数据来源。WAMS是以相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)为基层单元采集信息，经过通信系统上传至调度中心，实现对电力系统的运行监测。PMU利用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)时钟同步的特点，获取各量测点在同一时间坐标下的各种状态量。现阶段将广域测量系统监测数据应用于电网故障诊断中已具备条件。
现有的已投入实际运行的基于WAMS数据的故障诊断方法主要是基于模式识别的思路。广义地说，存在于时间和空间中可观察的事物，如果我们可以区别他们是否相同或相似，都可以称之为“模式”。而将观察目标与己有模式相比较、配准，判断其类属的过程就是模式识别(引自文献“模式识别方法概述”，电子设计工程，2012，20(19):48-51)。但最初的基于模式识别的故障诊断方法未考虑变化量在时间尺度上的特性(引自文献“基于WAMS的电网扰动识别方法”，电力系统自动化，2006，30(5):24-28)，导致对单一事故的辨识出现较多的误报和漏报的问题。在发明名称为“一种基于WAMS时序分解的电网故障辨识方法”(专利申请号为201210507381.3)的专利申请文件中，将时序信息考虑在内，对原有的故障诊断方法做出改进。但是，一方面该方法仅适用于单一故障情况，无法有效应对区内区外故障短时间内同时出现等复杂故障；另一方面该方法针对同一故障会由于多个量测点同时感知到该故障而出现冗余的故障诊断结果，在故障频繁出现时容易造成故障诊断结果紊乱，从而限制了基于WAMS数据的故障诊断功能的应用水平。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于WAMS时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法，旨在解决现有的基于WAMS时序分解的故障诊断方法存在适用范围较小和故障诊断结果紊乱的问题。
本发明提供了一种基于WAMS时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法，该方法包括：(1)通过WAMS获取互联电网中各量测点的三相电压、三相电流的幅值和相角数据，其中，互联电网具体是指装有广域测量系统的互联电网，且在互联电网中共有i个装设同步相量测量单元的量测点；(2)使用步骤(1)获取的三相电压、三相电流的幅值数据按照故障诊断启动判据进行计算，若满足启动判据，则执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；(3)对满足故障启动判据的量测点三相电压、三相电流的幅值数据进行实时特征量提取，形成实时模式向量；(4)将量测点i提取的实时模式向量与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量分别进行匹配，若匹配成功，则说明量测点i发生了与该基准模式向量集合对应的故障，并根据匹配结果给出与基准模式向量集合相对应的故障诊断结果，若匹配失败，则说明量测点i没有故障发生；若全部满足启动判据的量测点诊断完成，进入步骤(5)，否则返回步骤(4)诊断剩余满足启动判据的量测点数据；(5)根据时间信息和电网拓扑信息对步骤(4)得到的不同量测点的故障诊断结果进行整合，得到最终故障诊断结果。该方法具有原理明确、诊断速度快和准确度高的特点，能够快速进行电网故障诊断，为电网运行调度人员提供故障处理和决策的辅助参考。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于WAMS时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过WAMS获取互联电网中各量测点的三相电压、三相电流的幅值和相角数据；其中，互联电网具体是指装有广域测量系统的互联电网，且在互联电网中共有i个装设同步相量测量单元的量测点。
(2)使用步骤(1)获取的三相电压、三相电流的幅值数据按照故障诊断启动判据进行计算，若满足启动判据，则执行步骤(3)，否则返回步骤(1)。
(3)对满足故障启动判据的量测点三相电压、三相电流的幅值数据进行实时特征量提取，形成实时模式向量。
(4)将量测点i提取的实时模式向量与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量分别进行匹配，若匹配成功，则说明量测点i发生了与该基准模式向量集合对应的故障，并根据匹配结果给出与基准模式向量集合相对应的故障诊断结果，若匹配失败，则说明量测点i没有故障发生；若全部满足启动判据的量测点诊断完成，进入步骤(5)，否则返回步骤(4)诊断剩余满足启动判据的量测点数据。其中，预设的已知故障类型的基准模式向量集合通过下述方法得到：对已知故障类型的三相电压、三相电流的幅值量测数据进行时间断面分解(即将相同时刻的三相电压、三相电流的幅值量测数据数值组合成一组数据)，建立对应于特定故障类型的包含时间信息的基准故障模式向量集合，每个集合包含多个与特定故障类型相对应的基准故障模式向量。
(5)根据时间信息和电网拓扑信息对步骤(4)得到的不同量测点的故障诊断结果进行整合，得到最终故障诊断结果。
其中，步骤(2)所述的故障诊断启动判据的计算式为和式中：ΔVφi＝Vφi-VφNi(φ＝A,B,C)，Vφi为当前第i个PMU测点的φ相电压幅值，VφNi为第i个PMU量测点的φ相额定电压幅值，ΔVset为电压启动判据门槛值；ΔIφi＝Iφi-IφNi(φ＝A,B,C)，Iφi为当前第i个PMU量测点的φ相电流幅值，IφNi为第i个PMU测点的φ相额定电流幅值，ΔIset为电流启动判据门槛值。ΔVset和ΔIset选取的是故障前正常运行时的额定幅值的0.10倍。
其中，步骤(4)所述的基准模式向量集合形如P(j)＝[P1(j)P2(j)...Pi(j)](i＝1,2,...,m，m表示基准模式向量个数，本发明中选取m＝4，j＝1,2,...,f，f表示基准模式向量集合个数，对应于故障类型数)，其中的每个基准故障模式向量Pi(j)包含7个特征量，形如Pi(j)＝[UAi(j),UBi(j),UCi(j),IAi(j),IBi(j),ICi(j),ti(j)]T。式中，UAi(j),UBi(j),UCi(j)分别为表征PMU量测点的A、B、C三相电压幅值大小的符号变量，0表示正常电压水平，1表示异常电压水平；IAi(j),IBi(j),ICi(j)分别为表征PMU量测点的A、B、C三相电流幅值大小的符号变量，0表示正常负荷电流水平，1表示异常电流水平；ti(j)为时间特征量，表示当前时刻GPS对时的时间。其中：0：代表相电压、相电流的幅值介于0.8-1.2倍负荷值之间，即正常电压(电流)水平；1：代表相电压、相电流的幅值低于0.8倍负荷值，即异常电压(电流)水平；这里的负荷值是指故障前的幅值。
其中，步骤(5)所述的故障诊断结果，包括故障时刻、故障类型和故障演进过程。
本发明通过对互联电网中相量测量单元采集到的实时相量数据进行实时特征向量的提取，并与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量按照时间顺序进行匹配，得到初步故障诊断结果，再结合时间信息和电网拓扑信息对不同量测点的初步故障诊断结果进行整合，得到最终的简略的事故故障诊断结果。多个基准模式向量的使用保证了该方法能够对复杂故障进行诊断；基准模式向量集合的预先设置与时间信息和电网拓扑信息的综合考虑保证了该方法的准确性和诊断结果的直观简明。
附图说明
图1是本发明基于WAMS时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法的流程图。
图2是本发明针对于传输线路单相故障的实施步骤(4)的具体步骤流程图。
图3示出电力系统实际发生的一次传输线路单相故障中区内故障和区外故障短时间内相继出现的传输线路一侧PMU记录的三相电压和三相电流幅值波形。其中，图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别表示该输电线路一侧的A相电压幅值、B相电压幅值、C相电压幅值、A相电流幅值、B相电流幅值和C相电流幅值的波形。
图4示出电力系统实际发生的一次传输线路单相故障中区内故障和区外故障短时间内相继出现的传输线路另一侧PMU记录的三相电压和三相电流幅值波形。其中，图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别表示该输电线路另一侧的A相电压幅值、B相电压幅值、C相电压幅值、A相电流幅值、B相电流幅值和C相电流幅值的波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于WAMS时间断面信息和拓扑信息的故障诊断方法，该方法包括：(1)通过WAMS获取互联电网中各量测点的三相电压、三相电流的幅值和相角数据，其中，互联电网具体是指装有广域测量系统的互联电网，且在互联电网中共有i个装设同步相量测量单元的量测点；(2)使用步骤(1)获取的三相电压、三相电流的幅值数据按照故障诊断启动判据进行计算，若满足启动判据，则执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；(3)对满足故障启动判据的量测点三相电压、三相电流的幅值数据进行实时特征量提取，形成实时模式向量；(4)将量测点i提取的实时模式向量与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量分别进行匹配，若匹配成功，则说明量测点i发生了与该基准模式向量集合对应的故障，并根据匹配结果给出与基准模式向量集合相对应的故障诊断结果，若匹配失败，则说明量测点i没有故障发生；若全部满足启动判据的量测点诊断完成，进入步骤(5)，否则返回步骤(4)诊断剩余满足启动判据的量测点数据；(5)根据时间信息和电网拓扑信息对步骤(4)得到的不同量测点的故障诊断结果进行整合，得到最终故障诊断结果。
本发明具体是采用包括以下步骤的方法：
(1)通过WAMS获取互联电网中各量测点的三相电压、三相电流的幅值和相角数据；其中，互联电网具体是指装有广域测量系统的互联电网，且在互联电网中共有i个装设同步相量测量单元的量测点。
需要说明的是，PMU测量的三相电压、电流数据是相量，即时域正弦信号的复数等价表示法，复数的模对应于正弦信号的幅值，幅角(极坐标形式)对应于正弦信号的相角。
(2)使用步骤(1)获取的三相电压、三相电流的幅值数据按照故障诊断启动判据进行计算，若满足启动判据，则执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；
需要说明的是，故障诊断启动判据的计算式为和式中：ΔVφi＝Vφi-VφNi(φ＝A,B,C)，Vφi为当前第i个PMU测点的φ相电压幅值，VφNi为第i个PMU量测点的φ相额定电压幅值，ΔVset为电压启动判据门槛值；ΔIφi＝Iφi-IφNi(φ＝A,B,C)，Iφi为当前第i个PMU量测点的φ相电流幅值，IφNi为第i个PMU测点的φ相额定电流幅值，ΔIset为电流启动判据门槛值。ΔVset和ΔIset选取的是故障前正常运行时的额定幅值的0.10倍。该判据可有效发现三相电压和三相电流幅值的变化，保证所述故障诊断方法的高灵敏度。
当满足上述两个计算式中至少一个时，则执行步骤(3)；否则返回步骤(1)。
(3)对满足故障启动判据的量测点三相电压、三相电流的幅值数据进行实时特征量提取，形成实时模式向量。
需要说明的是，这里仅对满足故障启动判据的PMU量测点数据进行实时特征量提取。假定PMU量测点k满足故障启动判据，此时GPS时刻为t0，立即提取量测点k的实时特征量，形成实时模式向量Xk＝[UAk,UBk,UCk,IAk,IBk,ICk,tk]T。式中，UAk,UBk,UCk分别为表征PMU量测点k的A、B、C三相电压幅值大小的符号变量，0表示正常电压水平，1表示异常电压水平；IAk,IBk,ICk分别为表征PMU量测点k的A、B、C三相电流幅值大小的符号变量，0表示正常负荷电流水平，1表示异常电流水平；tk为时间特征量，表示当前时刻GPS对时的时间。其中：
0：代表相电压、相电流的幅值介于0.8-1.2倍负荷值之间，即正常电压(电流)水平；
1：代表相电压、相电流的幅值低于0.8倍负荷值，即异常电压(电流)水平；
这里的负荷值是指故障前的幅值。
根据以上规则可以得到实时模式向量Xk，且此时tk＝t0。针对同一个PMU量测点k，在t＝t0+Δt到t＝t0+td期间，每隔一个时间间隔Δt计算对应时刻的实时模式向量。其中，Δt为采样时间间隔，这里Δt＝40毫秒；td为预设的故障持续时间，这里td＝20秒。通过上述计算，可得到一组实时模式向量
(4)将量测点i提取的实时模式向量与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量分别进行匹配，若匹配成功，则说明量测点i发生了与该基准模式向量集合对应的故障，并根据匹配结果给出与基准模式向量集合相对应的故障诊断结果，若匹配失败，则说明量测点i没有故障发生；若全部满足启动判据的量测点诊断完成，进入步骤(5)，否则返回步骤(4)诊断剩余满足启动判据的量测点数据。其中，预设的已知故障类型的基准模式向量集合通过下述方法得到：对已知故障类型的三相电压、三相电流的幅值量测数据进行时间断面分解(即将相同时刻的三相电压、三相电流的幅值量测数据数值组合成一组数据)，建立对应于特定故障类型的包含时间信息的基准故障模式向量集合，每个集合包含多个与特定故障类型相对应的基准故障模式向量。
需要说明的是，步骤(4)包含以下的具体实施步骤：
a)选取实时模式向量第一个元素依次与f个实时基准模式向量集合的第一个元素P1(j)(j＝1,2,...,f)进行匹配，若与第x个向量P1(x)匹配成功，则后续匹配中选取该向量所在的实时基准模式向量集合P(x)的剩余基准模式向量进行匹配，并将此时实时模式向量的最后一个特征量(时间特征量)赋给P1(x)的时间特征量t1(x)，进入步骤b)，若均无法匹配，则选取下一个实时模式向量，重复步骤a)，直至完成最后一个实时模式向量的匹配；
b)选取下一个实时模式向量，并与实时基准模式向量集合P(x)的第二个元素P2(x)进行匹配，若匹配成功，将此时实时模式向量的最后一个特征量(时间特征量)赋给P2(x)的时间特征量t2(x)，重复步骤b)，若匹配失败，计算t2(x)-t1(x)并与预设的时间参数Tset1(x)比较大小，若t2(x)-t1(x)>Tset1(x)则进入步骤c)，若t2(x)-t1(x)≤Tset1(x)则结束本次计算，输出与所匹配的基准模式向量集合中匹配的基础模式向量总个数对应的故障诊断结果(基准故障模式向量集合和对应的故障诊断结果已提前准备完毕)，返回步骤(1)；
c)选取下一个实时模式向量，并与实时基准模式向量集合P(x)的第三个元素P3(x)进行匹配，若匹配成功，将此时实时模式向量的最后一个特征量(时间特征量)赋给P3(x)的时间特征量t3(x)，重复步骤c)，若匹配失败，计算t3(x)-t2(x)并与预设的时间参数Tset2(x)比较大小，若t3(x)-t2(x)>Tset2(x)则进入步骤d)，若t3(x)-t2(x)≤Tset2(x)则结束本次计算，输出与所匹配的基准模式向量集合中匹配的基础模式向量总个数对应的故障诊断结果(基准故障模式向量集合和对应的故障诊断结果已提前准备完毕)，返回步骤(1)；
d)选取下一个实时模式向量，并与实时基准模式向量集合P(x)的第四个元素P4(x)进行匹配，若匹配成功，将此时实时模式向量的最后一个特征量(时间特征量)赋给P4(x)的时间特征量t4(x)，重复步骤d)，若匹配失败，计算t4(x)-t3(x)并与预设的时间参数Tset3(x)比较大小，若t4(x)-t3(x)>Tset3(x)则进入步骤e)，若t4(x)-t3(x)≤Tset3(x)则结束本次计算，输出与所匹配的基准模式向量集合中匹配的基础模式向量总个数对应的故障诊断结果(基准故障模式向量集合和对应的故障诊断结果已提前准备完毕)，返回步骤(1)；
e)若已遍历实时模式向量的全部元素，则结束本轮计算，输出与所匹配的基准模式向量集合中匹配的基础模式向量总个数对应的故障诊断结果(基准故障模式向量集合和对应的故障诊断结果已提前准备完毕)并提取下一个满足步骤(3)所述的启动判据的量测点的实时模式向量重复步骤(4)，否则返回上一个步骤。
其中，时间参数Tset1(x)、Tset2(x)、Tset3(x)是根据已知故障类型预先设定的数值，其个数为(m-1)个(m表示基准模式向量个数)。
其中，步骤b)到步骤d)随着对应基准模式向量集合中的基准模式向量个数m而增减，本专利中m＝4，故共有(m-1＝3)3个循环步骤(即步骤b)到步骤d))。
需要说明的是，已知故障类型的基准模式向量集合中的基准模式向量个数m会根据实际故障类型有所增减，与基准模式向量集合相对应的故障诊断结果也会有所增减。
(5)根据时间信息和电网拓扑信息对步骤(4)得到的不同量测点的故障诊断结果进行整合，得到最终故障诊断结果。
需要说明的是，进行不同量测点的故障诊断结果的整合工作有两个依据，一是不同故障的故障发生时间间隔大小，二是不同故障对应的PMU量测点的拓扑连接情况。若两个故障事件的故障诊断结果满足：故障发生时间间隔小于预设的时间间隔Tint，且两个故障事件对应的PMU量测点存在直接的拓扑连接时，则将两个故障事件整合为一个故障事件；否则认为两个故障事件不可整合。对所有故障事件进行一一整合，得到最后的故障事件的故障诊断结果。
其中，Tint为预先设定的区分两个故障事件的最小时间间隔，其值由实际事故数据整理得到，本专利中选取Tint＝5s。
以下是将本发明应用于传输线路单相故障中区内故障和区外故障短时间内相继发生的实施案例。针对于传输线路单相故障，对应的基准模式向量集合和时间参数见表1所示，对应的故障诊断输出结果见表2。
表1
表2
图2所示为针对于传输线路单相故障的实施步骤(5)的具体步骤流程图。图3示出电力系统实际发生的一次传输线路单相故障中区内故障和区外故障短时间内相继出现的传输线路一侧PMU记录的三相电压和三相电流幅值波形。图4示出电力系统实际发生的一次传输线路单相故障中区内故障和区外故障短时间内相继出现的传输线路另一侧PMU记录的三相电压和三相电流幅值波形。将本发明应用于该实测PMU数据上，可以得到该数据与线路传输单相故障中的B相故障的基准模式向量集合匹配，附图3和附图4中标出了相应的基准模式向量的匹配情况。根据匹配的结果对应到表2，可得到附图3的故障诊断结果为：B相故障，故障时刻：13:34:56.960，重合闸失败，重合闸时刻：13:34:57.960；图4的故障诊断结果为：B相故障，故障时刻：13:34:56.120，重合闸失败，重合闸时刻：13:34:57.760。两个PMU量测点得到的故障诊断结果中，故障时刻间隔为0.84s，小于Tint＝5s，且两个PMU量测点测量的是同一输电线路的两端，存在直接的电气拓扑连接，故这两个故障事件可以整合为：B相故障，故障时刻：13:34:56.960，重合闸失败，重合闸时刻：13:34:57.960。
类似的，对输电线路、发电厂和直流换流站发生的其他故障也可以采用与本实施例类似的方法进行故障诊断。
本发明通过对互联电网中相量测量单元采集到的实时相量数据进行实时特征向量的提取，并与预设的已知故障类型的基准模式向量集合中的多个基准模式向量按照时间顺序进行匹配，得到初步故障诊断结果，再结合时间信息和电网拓扑信息对不同量测点的初步故障诊断结果进行整合，得到最终的简略的事故故障诊断结果。多个基准模式向量的使用保证了该方法能够对复杂故障进行诊断；基准模式向量集合的预先设置与时间信息和电网拓扑信息的综合考虑保证了该方法的准确性和诊断结果的直观简明。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。