有限pmu下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法
【专利摘要】本发明公开了有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法，该方法采用区域分散决策结构，由RDS收集本站和相邻变电站的广域保护信息。当发现某线路有保护动作时，启动该线路及其相邻线路的在线检测过程。采集相关PMU的电流电压测量值，计算出各节点的电流电压估计值，得到每条线路的电流残差值，通过排序搜索得到两条疑似线路。针对两条疑似线路，根据其拓扑连接关系，构造单个线路故障、相邻两条线路复故障等判据，利用三组PMU测量值，计算各疑似线路的三组故障点位置，构造故障判据判断与检测出故障元件。本发明能够区分出单一线路故障、相邻线路复故障、非相邻线路双重故障三种故障情况，且不会对广域通信网络SDH增加过大的通信负荷。
【专利说明】有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统继电保护领域，特别涉及一种有限PMU下基于最小二乘法估 计的电网故障在线检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统不断发展，电网结构越来越复杂，基于本地信息的传统后备保护的 配置和整定越来越困难 [1]。同步向量测量单元（Phasor Measurement Unit,PMU)的发展为 广域后备保护的研究提供了重要信号来源，PMU实时测量布点处的母线电压和进出电流向 量，并打上时标 [2]。PMU量测量的远程传输借助于我国目前较广泛运用的广域通信网络的 同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy, SDH)，其更新速度为几十毫秒，完全能够 满足电力系统广域后备保护的数据要求[3][4]。但是由于PMU的造价与维护费用很高，目前 在我国电网的所有节点上都配置PMU是很不现实的，所以在实际应用中尤其是广域后备保 护的在线故障检测，必须考虑在有限PMU配置下的处理方法。
[0003] 文献[5]在分区内部故障发生后，对各子站的母线正序电压进行比幅排序，搜索 电压幅值最小的母线，进而确定故障所在的线路或母线元件，但是它的前提是各个子站都 布置了 PMU，才能获得同步的各子站母线正序电压。文献[6]提出了一种广域继电保护的故 障区域自适应识别原则及实现方法。结合电力系统故障时序电压的分布特点，讨论了序电 压分布受短线路、复故障和高阻接地等因素的影响。实时监视电网广域范围内各母线的序 电压，由专家系统根据排序结果进行疑似故障区域的分析，实现自适应识别故障区域。但文 献[5] [6]均未考虑PMU的有限布局。文献[7]提出一种利用同步电压相量进行输电网络 故障定位的方法，首先运用对称分量法和线性叠加原理建立故障后的附加正序网络，定义 了故障点的匹配指标，基于该指标运用遍历搜索方法寻找故障点位置。此方法只需要故障 线路两侧的远端各布置有一个PMU，但是在故障后需要实时计算并修改系统的阻抗矩阵，计 算量较大。文献[8]采用了分布参数建模，提出一种基于广域信息多端高压输电区域后备 保护原理。在有限PMU条件下，推算出参考节点的电流差动量，电流差动量反应的是故障时 故障点电流值，根据这一特征进行故障线路的判断。文献[9]提出了一种基于有限PMU测 量故障分量信息的故障定位新算法，运用叠加原理获得系统的纯故障等值模型，对纯故障 等值模型进行等价变换，获得故障线路两端的系统阻抗等值模型和故障点注入电流源的转 移等值模型，由两种等值模型计算与实现对故障点的精确定位。
[0004] 但是已有文献并没有对有限PMU布局下的相邻线路复故障进行研究、没有给出相 应的电网故障元件在线检测方法。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]袁季修.防御大停电的广域保护和紧急控制[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[0007] [2]鞠平.电力系统广域测量技术[M]·北京：机械工业出版社，2008.
[0008] [3]王英涛，印永华，蒋宜国，等.我国实时动态监测系统的发展现状及实施策略 研究[J]·电网技术，2005,29(11) :44-48.
[0009] [4]毛安家，郭志忠.与SCADA互补的WAMS中PMU的配置及数据处理方法[J].电 网技术，2005, 29 (8) :71-74.
[0010] [5]曾飞，苗世洪，林湘宁，等.基于序分量的电网广域后备保护算法[J].电力系 统自动化，2010, 34 (23) :57-63.
[0011] [6]李振兴，尹项根，张哲，等.广域继电保护故障区域的自适应识别方法[J].电 力系统自动化，2011，35 (16) :15-20.
[0012] [7]王波，江全元，陈晓刚，等·基于同步电压相量的故障定位新方法[J]·电力系 统自动化，2009, 33 (11) :33-37.
[0013] [8]马静，曾惠敏，林小华.基于广域信息多端高压输电区域后备保护[J].电力系 统保护与控制，2012,40 (11) :61-69.
[0014] [9]徐浩，苗世洪，姜臻.基于有限相量测量单元测量故障分量信息的故障定位算 法[刀.电力系统自动化，2013,37(2):43-48·
【发明内容】
[0015] 本发明提供了一种有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法，该 方法能够对单个线路故障、相邻两条线路复故障、非相邻线路双重故障进行判断和检测。
[0016] 本发明的具体方案是：
[0017] 有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法，所述方法采用区域分 散决策结构，每个变电站的监控层都配置一台主机，在主机中运行一个区域分散决策子系 统RDS ;在本方法中，PMU采用间隔母线布置方式。在启动在线检测后，收集有限PMU的电流 电压测量值，采用最小二乘法估计出各监控线路的电流电压值，通过从大到小的排序搜索 出疑似线路，再计算某线路的三组故障点位置，以多个判据来判断出故障元件。具体检测过 程如下：
[0018] 步骤1 :根据RDS对所监控线路收集到的广域保护信号进行处理和判断，当发现某 线路两侧的主保护至少有一侧未动作、而其两侧保护装置中其它保护有启动信号时，就将 该线路、其相邻线路列为监控线路，启动对它们的故障检测。
[0019] 步骤2 :收集监控线路所在变电站及其相邻变电站中较近PMU的电流电压测量值， 采用最小二乘法，计算出该线路、其相邻各线路的电流电压估计值。
[0020] 步骤3 :由步骤2所得到布有PMU侧线路的电流估计值、采集的电流测量值，计算 出每条监控线路的电流残差值。
[0021] 步骤4:如果没有一条线路的电流残差值大于0,则认为没有故障线路，结束检测。 如果至少有一条线路的电流残差值大于0,则对每条监控线路的电流残差值进行从大到小 的排序，把排序中，电流残差值最大的两条线路列为疑似线路，即搜索到疑似线路1、疑似线 路2。
[0022] 步骤5 :在步骤4中有线路的电流残差值大于0的情况下，针对每条疑似线路， 收集与利用相关最近的三组PMU数据，计算出每条疑似线路各自的三组故障点位置（α 1， β 1)、（α2, β2)、（α3, β3)。
[0023] 步骤6 :将计算出的每条疑似线路各自的故障点位置结合线路故障判据进行判 断，确定线路属于何种故障。
[0024] 具体的，步骤6包括：
[0025] 如果疑似线路1满足单个线路故障判据、但疑似线路2不满足单个线路故障判据， 则判定疑似线路1为故障线路，结束检测。
[0026] 如果疑似线路2满足单个线路故障判据、但疑似线路1不满足单个线路故障判据， 则判定疑似线路2为故障线路，结束检测。
[0027] 如果两条疑似线路在拓扑上相邻，它们的三组故障点位置（α 1，β 1)、（ α 2, β 2)、 (α 3, β 3)满足相邻两条线路复故障判据，则判定它们为相邻两条线路复故障，结束检测。
[0028] 如果两个疑似线路在拓扑上不相邻，且均满足单个线路故障判据，则判定两条疑 似线路均是故障线路，即为非相邻线路双重故障，结束检测。
[0029] 更具体的，步骤6中的故障判据包括单个线路故障判据和相邻两条线路复故障判 据。如下所示；
[0030] 单个线路故障判据为：
[0031] 若求出某线路的3个故障点位置如α 1、α 2、α 3三个数都在[0, 1]之间，且在误 差允许范围内相近，而其相邻各线路的3个故障点位置如β 1、β 2、β 3都不在[0,1]之间， 则判定该线路为单个故障线路。
[0032] 对于拓扑上相邻的两条线路，相邻两条线路复故障判据为：
[0033] (1)若求出某线路的3个故障点位置α?、α 2、α 3不同时在[0，1]之间，且其另 一个相邻线路的3个故障点位置β 1、β 2、β 3也不同时在[0,1]之间，则判定α和β所 在线路都为故障线路；
[0034] (2)若求出某线路的3个故障点位置α 1、α 2、α 3三个数都在[0,1]之间，但在 误差允许的范围内不接近，而且其另一个相邻线路的3个故障点位置β?、β 2、β 3都不在 [0，1]之间，则判定α和β所在线路都为故障线路；
[0035] (3)若求出其相邻线路的3个故障点位置β 1、β 2、β 3三个数都在[0,1]之间， 但在误差允许的范围内不接近，而且某线路的3个故障点位置α?、α 2、α 3都不在[0，1] 之间，则判定α和β所在线路都为故障线路。
[0036] 本发明的有益效果是：
[0037] (1)针对PMU间隔母线布点策略，给出了一种基于最小二乘法估计的疑似线路搜 索方法，通过计算一个区域内各监控线路的电流残差值，确定疑似线路，缩小了对故障线路 的搜索范围。
[0038] (2)针对各疑似线路，通过收集来自多点PMU的电气量，为某个疑似线路计算出其 三组故障点位置，进而确认出故障元件，并能区分出故障元件是单一线路故障、相邻两条线 路复故障、非相邻线路双重故障三种情况。
[0039] (3)本发明进行故障元件的在线检测只收集有限PMU的电气量，不会给广域通信 网络SDH带来过大的通信负荷。
[0040] (4)本发明除了能够对单一线路故障进行准确的在线检测，还适用于相邻两条线 路复故障、非相邻线路双重故障的情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1为本发明有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法的流程 图。
[0042]图2为本发明运行所在的各区域分散决策系统的结构。
[0043] 图3为基于最小二乘法估计的疑似线路搜索方法的线路PMU配置示意图。
[0044] 图4为线路L23故障下节点1、3的测量向量与估计向量之间的关系图。
[0045] 图5为本发明所用到的故障点位置计算方法的纯故障等值模型等效电路示意图。
[0046] 图6为具体实施例的IEEE14节点测试系统示意图。
【具体实施方式】
[0047] 本发明采用区域分散决策结构进行故障元件的在线检测。在该结构下，每个 变电站的监控层都配置一台主机，每台主机中运行一个区域分散决策子系统（Regional Decision-making Subsystem，RDS)，它负责收集本站与相邻变电站的相关广域保护信号， 从而得到基于最小二乘法估计的故障元件在线检测方法启动所需的原始保护信号。如附图 2所示。
[0048] 每个变电站中的RDS，通过本站的局域网收集来自本站各个智能电子设备 (Intelligent Electronic Devices, IED)的后备保护动作信息，通过广域通信网络SDH收 集来自相邻变电站的广域后备保护信息、收集来自布置有PMU的相关变电站的电气量。 [0049] 在收集全了本站、相邻变电站各保护设备的后备保护信息、相关变电站的电气量 之后，针对与本站相连的各线路，每个RDS对各线路所收集到的原始数据进行处理和判断， 从而检测出元件是否故障。若检测出元件有故障，则向故障线路所在变电站下达跳闸命令。
[0050] 电网故障元件在线检测的步骤如下：
[0051] 步骤1 :根据RDS对所监控线路收集到的信息进行处理和判断，决定是否对该线路 进行故障检测。当某个变电站的RDS收集到本站各设备的后备保护信号后，发现某线路的 主保护至少有一侧未动作、而其两侧保护装置中其它保护有启动信号时，就将该线路、其相 邻各线路列为监控线路，启动对它们的故障检测。通过广域通信网络搜集该线路两端、其两 侧相邻各线路上布置有PMU的电流电压测量值。
[0052] 步骤2 :利用该线路、其两侧相邻各线路上的电流电压测量值，采用最小二乘法， 计算出该线路、其两侧相邻各线路的电流电压估计值。如附图3所示，各PMU采用间隔母线 布置方式，节点1和3布置有PMU，K、/12是节点1上的电压与电流测量值，6、4是节点 3上的电压与电流测量值。
[0053] 建立无故障情况下布置有PMU的节点1、节点3的电流电压状态方程：
[0054]
【权利要求】
1. 一种有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法，其特征在于，所述 方法采用区域分散决策结构，在该结构下，每个变电站的监控层配置一台主机，在主机中运 行一个RDS ;本方法中，PMU采用间隔母线布置方式；具体检测过程如下： 步骤1 :根据RDS对所监控线路收集到的广域保护信号进行处理和判断，决定是否对该 线路及其相邻线路进行故障检测，根据判断结果，如果需要检测，将它们列为监控线路，进 而进行步骤2及其后续步骤； 步骤2 :收集监控线路所在变电站及其相邻变电站中较近PMU的电流电压测量值，采用 最小二乘法，计算出该线路、其相邻各线路的电流电压估计值； 步骤3 :由步骤2所得到布有PMU侧线路的电流估计值、采集的电流测量值，计算出每 条监控线路的电流残差值； 步骤4 :如果没有一条线路的电流残差值大于0,则认为没有故障线路，结束检测；如果 至少有一条线路的电流残差值大于〇,则对每条监控线路的电流残差值进行从大到小的排 序，把排序中电流残差值最大的两条线路列为疑似线路，即搜索到疑似线路1、疑似线路2 ; 步骤5 :在步骤4中有线路的电流残差值大于0的情况下，针对每条疑似线路，收集与 利用相关最近的三组PMU数据，计算出每条疑似线路各自的三组故障点位置； 步骤6 :将计算出的每条疑似线路各自的故障点位置结合线路故障判据进行判断，确 定线路属于何种故障。
2. 根据权利要求1所述的有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方法， 其特征在于，步骤6具体为： 如果疑似线路1满足单个线路故障判据、但疑似线路2不满足单个线路故障判据，则判 定疑似线路1为故障线路，结束检测； 如果疑似线路2满足单个线路故障判据、但疑似线路1不满足单个线路故障判据，则判 定疑似线路2为故障线路，结束检测； 如果两条疑似线路在拓扑上相邻，它们的三组故障点位置满足相邻两条线路复故障判 据，则判定它们为相邻两条线路复故障，结束检测； 如果两个疑似线路在拓扑上不相邻，且均满足单个线路故障判据，则判定两条疑似线 路均是故障线路，即为非相邻线路双重故障，结束检测。
3. 根据权利要求1或2所述的有限PMU下基于最小二乘法估计的电网故障在线检测方 法，其特征在于，步骤6中的故障判据包括单个线路故障判据、相邻两条线路复故障判据； 单个线路故障判据为： 若求出某线路的3个故障点位置都在[0,1]之间，且在误差允许范围内相近，而其相邻 各线路的3个故障点位置都不在[0,1]之间，则判定该线路为单个故障线路； 对于拓扑上相邻的两条线路，相邻两条线路复故障判据为： A、 若求出某线路的3个故障点位置不同时在[0,1]之间，且其另一个相邻线路的3个 故障点位置也不同时在[〇，1]之间，则判定两条相邻线路都为故障线路； B、 若求出某线路的3个故障点位置都在[0,1]之间，但在误差允许的范围内不接近，而 且其另一个相邻线路的3个故障点位置都不在[0，1]之间，则判定两条相邻线路都为故障 线路； C、 若求出其相邻线路的3个故障点位置都在[0，1]之间，但在误差允许的范围内不接 近，而且某线路的3个故障点位置都不在[0，1]之间，则判定两条相邻线路都为故障线路。
【文档编号】G06F19/00GK104297632SQ201410515303
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】童晓阳, 王晨 申请人:西南交通大学