CN104316841A

CN104316841A - 一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法

Info

Publication number: CN104316841A
Application number: CN201410644340.8A
Authority: CN
Inventors: 赵自刚; 赵春雷; 贾京华; 曹树江; 陈建波; 康磊; 孟兴来; 孙国旺
Original assignee: Sanchuan Power Equipment Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Current assignee: Sanchuan Power Equipment Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-01-28

Abstract

本发明涉及电力系统线路参数辨识技术领域，特别涉及一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法。针对现有技术中无法辨识线路全参数和辨识误差较大的问题，本发明提供了一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法。通过数字信号处理、全参数矩阵辨识和参数校验三大步骤实现线路全参数辨识。其中，数字信号处理步骤的重点为低通滤波器和重采样，以得到既满足采样频率的下限，又满足采样频率的上限要求的信号。全参数矩阵辨识的重点是列写并求解全参数微分方程。最后利用故障录波电压和辨识出的线路全参数重建故障电流，比较重建故障电流与故障录波电流的一致性，以检验线路全参数辨识的准确性。

Description

一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法

技术领域

本发明涉及电力系统线路参数辨识技术领域，特别涉及一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法。

背景技术

电力元件的参数是计算电网潮流、短路和稳定等模型的基础，其精度决定着电网计算的精度，甚至关乎电网运行状态判断的正误。对于线路参数的辨识，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，简称IEC）和国内科研机构一直没有统一标准。电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称 IEEE）于1990年给出了电晕的标准。欧美国家普遍采用的是考虑了避雷线、趋肤效应和不良导体的大地影响后的理论参数。近年来，由于发现理论参数的误差较大，美国学者提出修正参数理论，加拿大学者提出实测互感理论，韩国学者提出实测线路参数理论。国内学界普遍认为理论参数误差较大，通常采用实测法进行线路参数的辨识。2008年前，国内普遍采用工频实测方法；2008年后，普遍采用异频实测方法，但仍然受工频干扰。另外，实施实测法时往往需要相邻的多条线路“陪停”，并且“陪停”仍不能保证采用实测法获得的线路参数的精度。

无论理论计算还是实测线路参数，目前均只有得到正负零序参数。由于输电线路尤其是短线路换位不充分，甚至不换位，造成三相阻抗矩阵不一致，正负零序阻抗矩阵Z₁₂₀不能对角化。正负零序变换后的正负零序电阻矩阵R₁₂₀、正负零序电感矩阵L₁₂₀和正负零序电容矩阵C₁₂₀都不再是对角阵。同理，正负零序阻抗矩阵Z₁₂₀也不是对角阵。只取正负零序参数造成后续计算误差非常大，因此，正负零序阻抗矩阵Z₁₂₀中非对角线元素不能忽略，需要辨识全参数矩阵。

利用遥测数据对线路参数进行辨识是其中一种比较好的方法，主要有中国专利《基于稳态遥测技术的电力线路参数辨识装置》（专利号201320386717.5）和中国专利《数据采样方法与系统及其在参数辨识中的应用方法与系统》（申请号2012104085354）。由于要辨识全参数，以上方法均要求方程的数量≥辨识参数的数量，但由于遥测数据信息量较少，造成其方程的数量远远少于待辨识参数的数量，因此通过遥测数据只能够辨识出正、负、零序参数，不能满足辨识线路全参数的要求。

由于故障线路短路电流较大，测量误差的影响相对较小，甚至可以忽略不计，并且故障线路短路电流的信息量较大，如果能够实现从故障录波数据中提取线路全参数，其精度将远远高于遥测数据的辨识精度。对于故障录波数的研究，国内主要采用估计参数的方法提取线路参数。由于短路电流对接地电阻灵敏，而接地电阻估计不准，造成保护参数的误差也较大，通常误差达10％～20％。代入求得的参数后，重建的电流与实际故障录波电流不一致，尤其是故障定位误差较大。

发明内容

针对现有技术中无法辨识线路全参数和辨识误差较大的问题，本发明提供了一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法。

本发明的技术方案为：

一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）LFRS（Low pass filter and resamping process of sampling低通数字滤波器和重抽样处理采样数据，简称LFRS）数字信号处理

（a1）数据预处理

截取故障时刻录波数据，故障时刻录波数据包括故障时刻前一个的周波数据、故障时刻的周波数据和故障时刻后一个的周波数据。

（a2）低通滤波

对大于采样频率上限的故障时刻录波数据进行低通滤波。

（a3）重抽样

对小于采样频率下限的故障时刻录波数据进行重抽样处理。

（a4）对齐时标

根据故障时刻对齐线路两侧的故障时刻录波数据的时标。

（b）全参数矩阵辨识

（b1）根据故障线路及其等效电路，按照KCL（基尔霍夫电流定律）和KVL（基尔霍夫电压定律）建立线路的全参数微分方程。

（b2）消去全参数微分方程中的中间变量并将其改写成含有参数矩阵的状态方程，其中，参数矩阵包括状态变量向量、控制向量、输出向量和状态矩阵。

（b3）将状态方程离散化并求得离散化状态方程中离散化参数矩阵的估值。

（b4）根据离散化参数矩阵的估值、参数矩阵和全参数微分方程中参数的关系，求得全参数微分方程中全参数阻抗矩阵和全参数电纳矩阵。

（c）参数检验

根据故障时刻录波数据中的故障录波电压、全参数阻抗矩阵、全参数电纳矩阵和过渡电阻重建故障电流，检验重建故障电流与故障时刻录波数据中的故障录波电流的一致性，以检验全参数阻抗矩阵和全参数电纳矩阵的准确性。

本发明的有益效果：1.执行本发明技术方案步骤（a）~（c）能够辨识线路全参数，得到全参数阻抗矩阵和全参数电纳矩阵。2.执行本发明技术方案步骤（a）~（c）获得的线路全参数的误差≤5％。3.本发明技术方案步骤（a）数字信号处理能够获得既满足采样频率下限，又满足采样频率上限的故障时刻录波数据，保证后续计算的准确性。4.本发明技术方案步骤（b）全参数矩阵辨识中推导出线路的全参数微分方程，方程的数量≥辨识参数的数量，满足线路全参数辨识的条件，并且辨识不受衰减分量的影响，避免了傅立叶分解对工频造成的10%的误差，实现了精确辨识全参数阻抗矩阵、全参数电纳矩阵和过渡电阻。5.本发明技术方案步骤（c）参数检验中将重建故障电流与故障录波电流进行对比以验证线路全参数辨识的准确性，有利于监控辨识线路全参数的过程并及时发现异常。

本发明设计简洁，易于实施，与各类供电线路均具有良好的适配性，具有广阔的应用和推广前景。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为故障线路模型。

图3为故障线路的等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本实施例的线路全参数辨识过程包括：

（a）LFRS数字信号处理

（a1）数据预处理

（a2）低通滤波

对大于采样频率上限的故障时刻录波数据进行低通滤波。

（a3）重抽样

对小于采样频率下限的故障时刻录波数据进行重抽样处理。经步骤（a2）~（a3）处理后的故障时刻录波数据既满足采样频率的下限，又满足采样频率的上限要求。

（a4）对齐时标

由于线路两侧的故障录波不同时，根据故障时刻对齐线路两侧的故障时刻录波数据的时标。

（b）全参数矩阵辨识

（b1）根据图2所示故障线路模型和图3所示故障线路的等效电路，按照KCL（基尔霍夫电流定律）和KVL（基尔霍夫电压定律）建立线路的全参数微分方程，见公式1。

（1）

其中，R ₁和R ₂表示三相电阻矩阵，L ₁和L ₂表示三相电感矩阵，C ₁和C ₂表示三相电容矩阵，G ₁和G ₂表示三相导纳矩阵，，，，。

将三相电阻矩阵R ₁、三相电感矩阵L ₁、三相电容矩阵C ₁、三相导纳矩阵G ₁、过渡电阻矩阵R _f、三相电压向量u ₁、三相电压向量u ₂、三相电流向量i ₁和三相电流向量i ₂表示为矩阵或向量的形式，如公式2~10所示。

（2）

其中，r _a1表示a相电阻，r _b1表示b相电阻，r _c1表示c相电阻，r _ab1表示a相和b相之间的感应电阻，r _ac1表示a相和c相之间的感应电阻，r _bc1表示b相和c相之间的感应电阻。

（3）

其中，l _a1表示a相电感，l _b1表示b相电感，l _c1表示c相电感，l _ab1表示a相和b相之间的感应电感，l _ac1表示a相和c相之间的感应电感，l _bc1表示b相和c相之间的感应电感。

（4）

其中，c _a1表示a相电容，c _b1表示b相电容，c _c1表示c相电容，c _ab1表示a相和b相之间的感应电容，c _ac1表示a相和c相之间的感应电容，c _bc1表示b相和c相之间的感应电容。

（5）

其中，g _a1表示a相导纳，g _b1表示b相导纳，g _c1表示c相导纳，g _ab1表示a相和b相之间的感应导纳，g _ac1表示a相和c相之间的感应导纳，g _bc1表示b相和c相之间的感应导纳。

（6）

过渡电阻矩阵R _f由故障类型决定。对于a相接地，、、；对于b相接地，、、，类似的有其它故障类型。r _f为过渡电阻。

（7）

其中，u _a1表示a相电压，u _b1表示b相电压，u _c1表示c相电压。

（8）

其中，u _a2表示a相电压，u _b2表示b相电压，u _c2表示c相电压。

（9）

其中，i _a1表示a相电流，i _b1表示b相电流，i _c1表示c相电流。

（10）

其中，i _a2表示a相电流，i _b2表示b相电流，i _c2表示c相电流。

（b2）消去全参数微分方程即公式1中的中间变量并将结合公式2~10其改写成含有参数矩阵的状态方程，见公式11。

（11）

其中，X为状态变量向量，u为控制向量，y为输出向量，A为状态矩阵，B、C及D均为矩阵或向量。参数矩阵包括状态变量向量X、控制向量u、输出向量y、状态矩阵A以及矩阵B、C和D。

（b3）将状态方程即公式11离散化，得到离散化状态方程，见公式12，求得离散化状态方程即公式12中离散化参数矩阵的估值。

（12）

变电站采集终端通过A/D采样获得y _n和u _n，其中n=1,2,3，…，N，N表示采样点最大数量。由测量得到的y _n和u _n求解离散化状态方程即公式12中各个离散化参数矩阵的估值、、和。

（b4）根据离散化参数矩阵的估值、、及，参数矩阵A、B、C及D，结合全参数微分方程即公式1中参数R ₁、L ₁、C ₁、G ₁、β和r _f，求得全参数微分方程即公式1中全参数阻抗矩阵Z和全参数电纳矩阵B，见公式13~18。

（13）

（14）

（15）

（16）

（17）

（18）

其中，R为全参数电阻矩阵，L为全参数电感矩阵，C为全参数电容矩阵，G为全参数导纳矩阵，为全参数阻抗矩阵，为全参数电纳矩阵，，longth为线路长度（单位Km）。

按照公式19~20求解全参数正负零序阻抗Z ₁₂₀和全参数正负零序电纳B ₁₂₀。

（19）

（20）

其中，P为对称分量变换矩阵，，式中算子，。

（c）参数检验

由于故障时刻录波数据中的故障录波电压u ₀中几乎不含暂态分量，采用傅立叶变换分解出故障录波电压u ₀中的基波分量和其它谐波分量。

根据故障录波电压u ₀中的基波分量、全参数阻抗矩阵Z、全参数电纳矩阵B和过渡电阻r _f求得重建故障电流，即重建故障电流的基波分量，本实施例中认为重建故障电流的基波分量与重建故障电流等同，均使用表示。检验重建故障电流与故障时刻录波数据中的故障录波电流i ₀的一致性，以检验全参数阻抗矩阵Z和全参数电纳矩阵B的准确性。本实施例中，逐一比较重建故障电流和故障录波电流i ₀的相电流、零序电流、幅值和角度，通过检验以上参数是否一致判断线路全参数辨识的准确性，并利用以上参数的差异计算线路全参数辨识的误差。

需要说明的是，改写状态方程、离散化及求解离散化参数矩阵的估值、、和为本领域即电力系统线路参数辨识技术领域的公知常识，即使本发明未进行详细说明，本领域技术人员也应当清楚以上步骤。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种利用故障录波数据辨识线路全参数的方法，其特征在于包括以下步骤：

LFRS数字信号处理

（a1）数据预处理

截取故障时刻录波数据，所述故障时刻录波数据包括故障时刻前一个的周波数据、故障时刻的周波数据和故障时刻后一个的周波数据；

（a2）低通滤波

对大于采样频率上限的所述故障时刻录波数据进行低通滤波；

（a3）重抽样

对小于采样频率下限的所述故障时刻录波数据进行重抽样处理；

（a4）对齐时标

根据故障时刻对齐线路两侧的所述故障时刻录波数据的时标；

（b）全参数矩阵辨识

（b1）根据故障线路及其等效电路，按照KCL和KVL建立线路的全参数微分方程；

（b2）消去所述全参数微分方程中的中间变量并将其改写成含有参数矩阵的状态方程，所述参数矩阵包括状态变量向量、控制向量、输出向量和状态矩阵；

（b3）将所述状态方程离散化并求得离散化状态方程中离散化参数矩阵的估值；

（b4）根据所述离散化参数矩阵的估值、参数矩阵和全参数微分方程中参数的关系，求得全参数微分方程中全参数阻抗矩阵和全参数电纳矩阵；

（c）参数检验

根据所述故障时刻录波数据中的故障录波电压、全参数阻抗矩阵、全参数电纳矩阵和过渡电阻重建故障电流，检验所述重建故障电流与所述故障时刻录波数据中的故障录波电流的一致性，以检验所述全参数阻抗矩阵和全参数电纳矩阵的准确性。