一种基于故障暂态行波衰减分量的电网故障区段定位方法与流程

本发明涉及适应于电网下故障暂态行波衰减分量的故障区段定位方法研究。

背景技术：

电力能源已经成为我国社会经济发展命脉，近年来智能电网发展迅速，对供电的可靠性提出了更高的要求。如果故障不能得到快速准确的定位及排除将会对国民经济造成难以估计的损失，同时也会对人民的生活带来极大的不便。因此，故障定位问题一直都是国内外的研究热点。

现有故障定位方法主要可以分为基于稳态量和基于暂态量两类：前者容易受到分布电容和过渡电阻的影响，适用性较差；后者定位精度较高并获得了广泛的应用。近年来，基于PMU等测量装置实时获取电网全局的暂态信息的广域量测系统发展迅速，为电网的暂态分析提供了新的手段。在现代行波测距原理的基础上，专家和学者们基于WAMS提出了广域信息故障定位方法。陈羽等扩展了双端测距原理，利用广域行波信息实现电网扰动线路的识别和扰动点的定位^[1]，但仿真模型结构简单，此算法在更加复杂的网络中的适用性有待进一步验证；文献^[2]提出一种在所有线路两端安装测量装置同步获取故障信息的故障定位方法，并以IEEE 118-母线System分析验证了所提方法的正确性，但此方法的设备成本高、难以获得实际应用；文献^[3]通过数学推导，利用在电网部分节点安装的测量装置同步获取的行波到达时间，计算出故障发生时刻的同时实现故障的精确定位。以上方法的故障定位手段要求测量装置的严格同步，同步精度的高低会严重影响定位的精度，所以研究基于非同步暂态信号的电网故障区段定位方法具有重要的现实意义。

[1]陈羽,刘东,徐丙垠.基于广域网络信息的行波测距算法[J].电力系统自动化,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.

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提出一种基于故障暂态行波衰减分量的电网故障区段定位方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于故障暂态行波衰减分量的电网故障区段定位方法，包括如下步骤：

1)对于拓扑结构确定的电网，假设共有N个测量点，分别标记为m₁,m₂,…,m_N，并构成集合M＝{m₁,m₂,…,m_N}，根据拓扑结构得到每个测量点的相邻测量点数目分别为j₁,j₂,…,j_N，并构成集合J＝{j₁,j₂,…,j_N}；

2)故障发生后，对各测量点获取的线模电压分别进行小波变换，提取小波系数模极大值表征该测量点的行波幅值，各测量点的行波幅值分别为f₁,f₂,…f_N，并构成集合F＝{f₁,f₂,…f_N}；测量点m_a的相邻测量点行波幅值记为集合{f_a1,f_a2,...f_aja}，a∈{1,2,...N}，得到各测量点的相邻测量点行波幅值矩阵L表示为：

其中，Z为集合J中的最大值，L中的空元素用数值零来替代；

3)步骤2)所获得最大行波幅值对应的测量点确定为故障的一端，该测量点记为m_i，并得到测量点m_i的P个相邻测量点分别记为b₁,b₂,…b_P，并构成集合B＝{b₁,b₂,…b_P}；

4)选择集合B中一个相邻测量点b_j，相邻测量点b_j对应的行波幅值记为f_bj，j∈{1,2,...P}；获取b_j到一个测量点m_n的最短路径所经过的节点，所经过的节点根据b_j到测量点m_n依次经过节点的序号排列为集合D＝{m_x,…m_y}，其中m_x为所经过的第一个节点的序号，m_y为所经过的最后一个节点的序号，n∈{1,2,...N}；若所述集合D中没有测量点m_i，集合D中各节点对应的相邻测量点数目集合为JD＝{j_x,…j_y}，则集合D中每个节点对应的折射系数为d＝{d_mx,…d_my}＝{2/(j_x+1),…2/(j_y+1)}，由b_j折算到测量点m_n的行波幅值为f_nj’＝f_bj×d_mx×…×d_my；若所述集合D中包含有测量点m_i，删除集合D中m_i之前的节点，所述集合D更新为D＝{m_i,…m_y}，则由b_j折算到测量点m_i的行波幅值为f_nj’＝f_mi×…×d_my，f_mi为测量点m_i对应的行波幅值；初始n＝1，j＝1，遍历集合B中所有相邻测量点，得到由P个相邻测量点折算到所有测量点的行波幅值矩阵为G为：

5)将测量m_a的行波幅值分别与其每一个相邻测量点行波幅值作差，得到集合{f_a-f_a1,f_a-f_a2,...f_a-f_aja}，a∈{1,2,...N}，遍历所述集合F中每个测量点得到矩阵△F：

根据行波幅值在传播过程中的衰减特性，矩阵ΔF中各元素作差后数值的正负表示行波的传播方向；

6)对折算出来的行波幅值矩阵G中的第一列做如下处理，得到折算出来的传播方向矩阵△G₁为：

用符号函数sgn(x)对矩阵△G₁和△F进行标准化处理：

其相同元素个数表征两个矩阵的相似程度，并记相同元素个数为s₁，依次对G中的各列做上述处理，得到相同元素个数集合为S＝{s₁,s₂,…s_p}，集合S中的最大值对应的测量点即为故障线路的另一端，最终确定故障区段。

有益效果：本方法在电网已配置测量装置情况下，通过对故障后信号的小波变换获取小波系数模极大值作为表征初始行波幅值的特征量；特征量最大的测量点对应于故障线路的一端，再利用故障行波经最短路径传播时特征量的衰减特性确定故障线路的另一端，判断故障区段。本方法对测量装置的同步性没有特殊要求，具有较强地实用价值和较好地经济性；采用行波幅值衰减特性，克服了电网传统故障定位暂态方法中由于波头辨识错误造成误差较大的问题；该方法适用于复杂电网，并且只需获得配置测量点处的故障后线模电压信号，在结合电网拓扑结构的基础上即可准确地判断出故障区段。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为多线路分支行波折射模型；

图3为IEEE-30标准系统。

具体实施方式

本方法具体实现流程图如图1所示，具体实现步骤如下：

1)对于拓扑结构确定的电网，假设共有N个测量点，分别标记为m₁,m₂,…,m_N，并构成集合M＝{m₁,m₂,…,m_N}，根据拓扑结构得到每个测量点的相邻测量点数目分别为j₁,j₂,…,j_N，并构成集合J＝{j₁,j₂,…,j_N}。

2)故障发生后，对各测量点获取的线模电压分别进行小波变换，提取小波系数模极大值表征该测量点的行波幅值，各测量点的行波幅值分别为f₁,f₂,…f_N，并构成集合F＝{f₁,f₂,…f_N}。测量点m_a的相邻测量点行波幅值记为集合{f_a1,f_a2,...f_aja}，a∈{1,2,...N}，得到各测量点的相邻测量点行波幅值矩阵L表示为：

其中，Z为集合J中的最大值，L中的空元素用数值零来替代。

3)步骤2)所获得最大行波幅值对应的测量点确定为故障的一端，该测量点记为m_i，为了方便表述，将得到测量点m_i的P个相邻测量点分别记为b₁,b₂,…b_P，并构成集合B＝{b₁,b₂,…b_P}；其中，P＝j_i。

4)选择集合B中一个相邻测量点b_j，相邻测量点b_j对应的行波幅值记为f_bj，j∈{1,2,...P}；获取b_j到一个测量点m_n的最短路径所经过的节点，所经过的节点根据b_j到测量点m_n依次经过节点的序号排列为集合D＝{m_x,…m_y}，其中m_x为所经过的第一个节点的序号，m_y为所经过的最后一个节点的序号，n∈{1,2,...N}。若集合D中没有测量点m_i，集合D中各节点对应的相邻测量点数目集合为JD＝{j_x,…j_y}，则集合D中每个节点对应的折射系数为d＝{d_mx,…d_my}＝{2/(j_x+1),…2/(j_y+1)}，由b_j折算到测量点m_n的行波幅值为f_nj’＝f_bj×d_mx×…×d_my。若集合D中包含有测量点m_i，删除集合D中m_i之前的节点，所述集合D更新为D＝{m_i,…m_y}，则由b_j折算到测量点m_i的行波幅值为f_nj’＝f_mi×…×d_my，f_mi为测量点m_i对应的行波幅值。初始n＝1，j＝1，遍历集合B中所有相邻测量点，得到由P个相邻测量点折算到所有测量点的行波幅值矩阵为G为：

5)将测量m_a的行波幅值分别与其每一个相邻测量点行波幅值作差，得到集合{f_a-f_a1,f_a-f_a2,...f_a-f_aja}，a∈{1,2,...N}，遍历集合F中每个测量点得到矩阵△F：

根据行波幅值在传播过程中的衰减特性，矩阵ΔF中各元素作差后数值的正负表示行波的传播方向。

6)对折算出来的行波幅值矩阵G中的第一列做如下处理，得到折算出来的传播方向矩阵△G₁为：

用符号函数sgn(x)对矩阵△G₁和△F进行标准化处理：

其相同元素个数表征两个矩阵的相似程度，并记相同元素个数为s₁，依次对G中的各列做上述处理，得到相同元素个数集合为S＝{s₁,s₂,…s_p}，集合S中的最大值对应的测量点即为故障线路的另一端，最终确定故障区段。

本发明在复杂电网具有很高的准确性，对测量装置的同步性没有特殊要求，提高了故障区段定位的可行性和经济性。现以一个模型为例：

利用PSCAD/EMTDC软件工具建立IEEE-30标准系统的仿真模型，如图3所示。线路模型采用Frequency Dependent Phase Model，采样频率为1MHz。电源侧接Δ-Y型变压器，变比为500/220kV，负载侧接Y-Δ型变压器，变比为220/110kV。测量点配置母线位置为:2,3,4,5,6,8,9,10,11,12,13,14,15,21,22,24,25,26,27,28,29,30。

在母线10和母线17之间的线路上发生单相接地故障，故障点和母线10的距离为56km。故障发生后，各测量点提取的线模电压小波细节系数d1模极大值如下表1所示：

表1各测量点提取的特征量

从特征量数据可知，最大值在母线10处测量点取得，即故障线路的一个端点为母线10。母线10的邻接测量点有：母线6、母线9、母线12、母线15、母线21和母线22。分别以各邻接测量点出的特征量作为初始值，折算到各测量点结果如下表2所示。

表2母线10邻接测量点特征量折算值

找出各个测量点处的折算值与实际测量值之间的相似度最大的一组数据，其对应测量点即为故障线路的另一端。标准化的折算值比较结果如下表3所示，显然，此算例中邻接测量点3(母线12)处折算值相同元素个数最多，因此故障线路为线路10-12，实际故障线路10-17包含在线路10-12中，区段定位结果正确。

表3标准化的各测量点处特征量与实测值相同元素个数

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。