CN104407275A - 基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变电站输电线路故障诊断与定位技术研究领域中的一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统和方法。所述系统包括顺序相连的相量采集层、输电线路故障诊断层以及输电线路故障精确定位层；所述方法包括：将电网任意划分成若干区域；利用相量测量单元PMU采集的数据确定电网是否发生故障，以及发生故障的区域；根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路；根据发生故障的输电线路确定故障点。本发明能够辅助维修人员在变电站发生大面积断网停电的情况下，及时的发现电网出现的故障，并精确定位故障点，为维修故障电线及时恢复电网供电提供技术支持，增加了变电站运行系统的可靠性与安全性。

Description

基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统和方法

技术领域

本发明属于变电站输电线路故障诊断与定位技术研究领域，尤其涉及一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统和方法。

背景技术

输电线路是变电站电力系统重要组成部分，担负着输送电能的重任。在大面积停电的情况下，对输电线路故障的快速、准确的诊断和定位可以加快维修人员的维修速度，及时的恢复供电，减少停电带来的影响，这对电力系统的安全运行有着重大意义。

现有的变电站输电线路故障诊断与定位方法仅仅是针对部分电网的故障诊断和定位，并不能实现变电站内广域范围内的故障诊断与精确定位，这对及时发现变电站内输电线路全部潜在的故障和故障位置有着重大影响。而且由于局部输电线路所测量的电压电流相量信号易于失真，在高采样率的采集相量数据的过程中，电压相量微小的变化都会对故障精确定位产生巨大的影响。因此，如何在广域范围内对变电站输电线路故障进行诊断和精确定位对迅速准确地判定故障点，及时发现线路的故障隐患，帮助维修人员排除输电线路故障有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统和方法，用于解决现有技术存在的不足。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统，其特征是所述系统包括顺序相连的相量采集层、输电线路故障诊断层以及输电线路故障精确定位层；

所述相量采集层采用相量测量单元PMU测量输电线路各节点的状态量，通过GPS对采集到的数据进行时钟同步，统一时间坐标，将采集到的状态量传送到故障诊断层；

所述故障诊断层用于根据相量测量单元PMU采集到的各节点的状态量确定故障发生前后输电线路的状态，判断输电线路出现何种故障；

所述故障精确定位层用于对输电线路进行划分，利用采集到的输电线路各状态量找到发生故障的区域，并采用确定位故障发生位置。

一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：将电网任意划分成若干区域；

步骤2：利用相量测量单元PMU采集的数据确定电网是否发生故障，以及发生故障的区域；

步骤3：根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路；

步骤4：根据发生故障的输电线路确定故障点。

所述根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路具体是：

步骤A01：将故障区域中的所有输电线路和与故障区域相连的输电线路作为候选故障线路；

步骤A02：将候选故障线路的中点作为故障候选点；

步骤A03：根据如下公式确定发生故障的输电线路：

其中，F^*为发生故障的输电线路；

T^*为故障类型；

为候选故障线路集合；

τ为故障类型集合；

为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数；

s＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序；

为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；

为故障发生时第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；为候选故障线路的电压平均值；

Ln为一组连接相量测量单元PMU上的输电线路；

为相量测量单元PMU间接测量到的输电线路的条数；

为候选故障线路的电流平均值；

为第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量；

为故障发生时第n条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量；

为故障发生时第k条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量；

为母线阻抗矩阵中第n行第k列阻抗值；

||·||为范数运算。

所述根据发生故障的输电线路确定故障点采用公式：

$F^t=F^{t-1}-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_s\right||V_i^{s,\mathrm{means}}-f_v^s(x,i)||+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_{k\∈L_n}{\mathrm{\Σ}}_s||I_{n-k}^{s,\mathrm{means}}-f_I^s(x,n,k)|\left|\right);$

其中，F^t为最终求得的故障点；

λ为迭代步长；

x为发生故障的输电线路与故障点之间的距离；

为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数；

s＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序；

为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；

为故障支路i上的故障点F的零序/正序/负序故障电压相量；

为相量测量单元PMU测得的第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量；

为故障支路n-k上的故障点F的零序/正序/负序故障电流相量；

||·||为范数运算。

本发明的有益效果为：通过设计相量测量单元PMU对变电站输电线路各节点的电压电流相量进行监控，并将监控数据传输进故障诊断层，判断输电线路是否出现故障，若出现故障，则进一步判断故障发生点，精确定位故障点，从而完成对变电站输电线路故障诊断与精确定位。此系统则能够辅助维修人员在变电站发生大面积断网停电的情况下，及时的发现电网出现的故障，并精确定位故障点，为维修故障电线及时恢复电网供电提供技术支持，增加了变电站运行系统的可靠性与安全性。

附图说明

图1是基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统结构图；

图2是故障定位方法流程图；

图3是故障诊断数据库实时与定期更新结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统结构图。如图1所示，本发明提供的系统包括顺序相连的相量采集层、输电线路故障诊断层以及输电线路故障精确定位层。

相量采集层采用相量测量单元PMU测量输电线路各节点的状态量，通过GPS对采集到的数据进行时钟同步，统一时间坐标，将采集到的状态量传送到故障诊断层。

故障诊断层用于根据相量测量单元采集到的各节点的状态量确定故障发生前后输电线路的状态，判断线路出现何种故障。

故障精确定位层用于对输电线路进行划分，利用采集到的输电线路各状态量找到发生故障的区域，并采用由故障区域—故障线路—故障点的分层结构精确定位故障发生位置。

本发明还提供了基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位方法，该方法的主要步骤在故障定位层实现。图2是本发明提供的故障定位方法流程图。如图2所示，故障定位方法包括：

步骤1：将电网任意划分成若干区域。

步骤2：利用相量测量单元PMU采集的数据确定电网是否发生故障，以及发生故障的区域。

变电站某条输电线发生故障时，会导致该条支路的电流和该区域整个总线电压下降，因此，可以利用某片区域的多个PMU测量到电压和电流的变化来确定电网网络中的发生故障的区域。

步骤3：根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路。

确定了发生故障的区域后，假设该故障区域中包含的所有输电线路和与故障区域相连的输电线路的中点均为故障候选点，即设定一系列的虚拟中点为故障候选点，将所有故障候选中点处的电压电流相量带入公式(1)。

其中，F^*为发生故障的输电线路，T^*为故障类型，为候选故障线路集合，τ为故障类型集合，为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数(也即相量测量单元PMU采集的样本数量,就是指PMU能够采集到数据的母线的总条数，包括直接测量的与间接测量的母线)，s＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序，为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量，为故障发生时第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量，为候选故障线路的电压平均值，L_n为一组连接相量测量单元PMU上的输电线路，为相量测量单元PMU间接测量到的输电线路的条数(也即相量测量单元PMU采集的支路样本数量，也就是指不与PMU直接连接，仅是PMU间接能够测量到的线路的条数)，为候选故障线路的电流平均值，为第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量，为故障发生时第n条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量，为故障发生时第k条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量，为母线阻抗矩阵中第n行第k列阻抗值，||·||为范数运算。

由于输电线路故障类型包括：三相线路中单相接地短路故障(SLG)，两相接地短路故障(DLG)，两相间短路故障以及三相短路故障(LL)。

方法中同步电压和同步电流相量的计算公式为：

${V_i}^{\mathrm{flt}}={V_i}^{\mathrm{pre}}-\frac{Z_{\mathrm{iF}}}{Z_{\mathrm{FF}}+Z_f}{V}_F^{\mathrm{flt}}$

$I_{i-j}^{s,\mathrm{flt}}=\frac{V_i^{s,\mathrm{flt}}-V_j^{s,\mathrm{flt}}}{z_{\mathrm{ij}}^0}$

其中，为故障发生时第i条故障线路的电压相量，为故障发生前第i条故障线路的电压相量，Z_iF为母线阻抗矩阵中第i行、第F列的值，F是指母线阻抗矩阵是一个F行F列的方阵，Z_FF为母线阻抗矩阵中第F行、第F列的值，Z_f为故障发生时的母线阻抗值，为第F条线路的故障发生前的电压。

输电线路故障诊断中出现故障后的预期电压电流相量计算公式以及单相接地短路故障(SLG)电压相量的计算公式为：

$V_i^{0,\mathrm{flt}}=-Z_{\mathrm{iF}}^0\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^1+Z_{\mathrm{FF}}^2}$

$V_i^{1,\mathrm{flt}}=V_i^{1,\mathrm{pre}}-Z_{\mathrm{iF}}^1\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^1+Z_{\mathrm{FF}}^2}$

$V_i^{2,\mathrm{flt}}=-Z_{\mathrm{iF}}^2\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^1+Z_{\mathrm{FF}}^2}$

其中，为故障发生时第i条故障线路的零序电压相量；为计算零序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第i行第F列的值；为故障出现前第F条输电线路的电压相量；为计算零序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第F行第F列的值；为计算正序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第F行第F列的值；为计算负序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第F行第F列的值；为故障发生时第i条故障线路的正序电压相量；为计算正序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第i行第F列的值；为故障出现前第F条线路的正序电压相量；为故障发生时第i条故障线路的负序电压相量；为计算正序故障电压相量时，母线阻抗矩阵中第i行第F列的值。

两相接地短路故障电压相量的计算公式：

$V_i^{0,\mathrm{flt}}=Z_{\mathrm{iF}}^0\frac{V_f^{\mathrm{pre}}-Z_{\mathrm{FF}}^1\left[\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^1+\frac{Z_{\mathrm{FF}}^0{Z}_{\mathrm{FF}}^2}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^2}}\right]}{Z_{\mathrm{FF}}^0}$

$V_i^{1,\mathrm{flt}}=V_i^{1,\mathrm{pre}}-Z_{\mathrm{iF}}^1\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^1+\frac{Z_{\mathrm{FF}}^0{Z}_{\mathrm{FF}}^2}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^2}}$

$V_i^{2,\mathrm{flt}}=Z_{\mathrm{iF}}^2\frac{V_f^{\mathrm{pre}}-Z_{\mathrm{FF}}^1\left[\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^1+\frac{Z_{\mathrm{FF}}^0{Z}_{\mathrm{FF}}^2}{Z_{\mathrm{FF}}^0+Z_{\mathrm{FF}}^2}}\right]}{Z_{\mathrm{FF}}^2}$

上述两相接地短路故障电压相量的计算公式中的其他变量的含义参考前述公式。

两相或三相间短路故障电压相量的计算公式：

$V_i^{0,\mathrm{flt}}=0$

$V_i^{1,\mathrm{flt}}=V_i^{1,\mathrm{pre}}-Z_{\mathrm{iF}}^1\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^1+Z_{\mathrm{FF}}^2}$

$V_i^{2,\mathrm{flt}}=Z_{\mathrm{FF}}^2\frac{V_f^{\mathrm{pre}}}{Z_{\mathrm{FF}}^1+Z_{\mathrm{FF}}^2}$

上述两相或三相间短路故障电压相量的计算公式中的其他变量的含义参考前述公式。

故障电流相量计算公式为：

$I_{i-j}^{s,\mathrm{flt}}=\frac{V_i^{s,\mathrm{flt}}-V_j^{s,\mathrm{flt}}}{z_{\mathrm{ij}}^s}$

其中，为故障发生时第i条与第j条线路之间的故障线路的零序/正序/负序电流相量；为故障发生时第i条线路的零序/正序/负序电压相量；为故障前第j条故障线路的零序/正序/负序电压相量；为母线阻抗矩阵中第i行第j列的阻抗值。

无论哪种类型的故障，若、如果公式(1)取到最小值，则表示取得该值的候选线路出现了故障。

步骤4：根据发生故障的输电线路确定故障点。

确定故障输电线路后，由于故障发生的位置是沿着输电线传播的，因此，利用梯度下降法，可以找到该条输电线路中使公式(1)最小化的点。其公式为：

$F^t=F^{t-1}-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_s\right||V_i^{s,\mathrm{means}}-f_v^s(x,i)||+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_{k\∈L_n}{\mathrm{\Σ}}_s||I_{n-k}^{s,\mathrm{means}}-f_I^s(x,n,k)|\left|\right)---\left(2\right)$

其中，F^t为最终求得的故障点，λ为迭代步长，x为发生故障的输电线路与故障点之间的距离，为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数，s＝0,1,2且分别表示零序、正序和负序，为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量，为故障支路i上的故障点F的零序/正序/负序故障电压相量，为相量测量单元PMU测得的第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量，为故障支路n-k上的故障点F的零序/正序/负序故障电流相量，||·||为范数运算。公式(2)中，若收F^t收敛于实际故障点f，即F^t在公式(2)中取最小值，则该点为实际故障点。

图3是故障诊断数据库实时与定期更新结构图。如图所示，数据库实时与定期更新过程分为两部分：定期更新和实时更新。定期更新是利用能源控制系统(EMS)定期对变电站的电网进行控制，将所测得的基于网络拓扑结构的母线阻抗数据与前次的数据进行对比，实现定期更新。实时更新是利用广域测量系统(WAMS)的相量测量单元(PMU)对电网进行实时测量，一旦发现故障，就将该时刻的系统状态和故障后的电压电流相量传送到诊断层进行故障诊断，确定故障类型和故障点后，更新电网阻抗数据，实现对数据库的实时跟踪更新。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位系统，其特征是所述系统包括顺序相连的相量采集层、输电线路故障诊断层以及输电线路故障精确定位层；

所述相量采集层采用相量测量单元PMU测量输电线路各节点的状态量，通过GPS对采集到的数据进行时钟同步，统一时间坐标，将采集到的状态量传送到故障诊断层；

所述故障诊断层用于根据相量测量单元PMU采集到的各节点的状态量确定故障发生前后输电线路的状态，判断输电线路出现何种故障；

所述故障精确定位层用于对输电线路进行划分，利用采集到的输电线路各状态量找到发生故障的区域，并采用确定位故障发生位置。

2.一种基于广域测量系统的变电站输电线路故障定位方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：将电网任意划分成若干区域；

步骤2：利用相量测量单元PMU采集的数据确定电网是否发生故障，以及发生故障的区域；

步骤3：根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路；

步骤4：根据发生故障的输电线路确定故障点。

3.根据权利要求2所述的方法，所述根据发生故障的区域确定发生故障的输电线路具体是：

步骤A01：将故障区域中的所有输电线路和与故障区域相连的输电线路作为候选故障线路；

步骤A02：将候选故障线路的中点作为故障候选点；

步骤A03：根据如下公式确定发生故障的输电线路：

其中，F^*为发生故障的输电线路；

T^*为故障类型；

为候选故障线路集合；

τ为故障类型集合；

为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数；

s＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序；

V_i ^s,means为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；

V_i ^s,flt为故障发生时第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；

为候选故障线路的电压平均值；

L_n为一组连接相量测量单元PMU上的输电线路；

为相量测量单元PMU间接测量到的输电线路的条数；

为候选故障线路的电流平均值；

为第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量；

为故障发生时第n条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量；

为故障发生时第k条输电线路上的零序/正序/负序同步电压相量；

为母线阻抗矩阵中第n行第k列阻抗值；

‖·‖为范数运算。

4.根据权利要求3所述的方法，所述根据发生故障的输电线路确定故障点采用公式：

$F^t=F^{t-1}-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_s\right||{V_i}^{s,\mathrm{means}}-f_v^s(x,i)||+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N_{\mathrm{Bus}}^{\mathrm{PMU}}}{\mathrm{\Σ}}_{k\∈L_n}{\mathrm{\Σ}}_s||I_{n-k}^{s,\mathrm{means}}-f_I^s(x,n,k)|\left|\right);$

其中，F^t为最终求得的故障点；

λ为迭代步长；

x为发生故障的输电线路与故障点之间的距离；

为相量测量单元PMU直接和间接测量到的输电线路的条数；

s＝0,1,2，分别表示零序、正序和负序；

V_i ^s,means为第i条候选故障线路的零序/正序/负序同步电压相量；

为故障支路i上的故障点F的零序/正序/负序故障电压相量；

为相量测量单元PMU测得的第n-k条输电线路上的零序/正序/负序同步电流相量；

为故障支路n-k上的故障点F的零序/正序/负序故障电流相量；

‖·‖为范数运算。