CN109523165A - 一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法，包括采集电网中任意节点的电压暂降监测数据与电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成阻抗矩阵；结合阻抗矩阵，根据不同故障类型下故障序分量的边界条件，以监测点序电压表示其余节点的序电压，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程；分析残压方程中的各序阻抗关系，利用不同故障类型下故障相序电压的变换关系，简化故障残压方程；基于任意点的电压暂降监测信息，推导各故障类型下的残压方程通式，从而得到全网的电压暂降状态分布。该方法根据实际监测信息分析的全网的电压暂降状态分布，计算简单且改善了传统的电压暂降状态估计方法的保守性，更符合工程实际。
Description
技术领域
本发明属于电能质量监控与分析技术领域，具体来说，涉及一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法。
背景技术
随着工业技术的发展，各类电能质量敏感型电力电子设备，如可调速驱动设备、可编程逻辑控制器以及个人计算机等在工业上得到了广泛使用，使得大量用户对电力系统的供电可靠性与电能质量提出了更高的要求。由于发生频次高、导致的经济损失大，电压暂降已经上升为电能质量中最受关注的问题之一，是现代工业负荷正常安全工作的主要干扰。因此对配电网中的电压暂降特性进行预测、评估具有十分重要的现实意义。
现有的电压暂降评估方法主要包括随机预估法和实时监测法。实时监测法通过在线监测电网中的电压暂降数据展开分析，但若要实现对复杂电网中的电压暂降准确评估，则往往需要较长的监测周期与大量的监测装置，经济成本高。随机预估法通过建立随机模型，对暂降特征进行随机预估。但由于随机模型的建立多依赖于系统参数与节点故障前电压，其时变特性使得该方法对于电网中电压暂降的评估偏保守。
我国对于电压暂降的研究起步较晚，对复杂电网中的电压暂降监测周期较短，缺乏长期的、可靠的电压暂降监测数据，严重影响了针对电压暂降问题的深入研究。因此，针对实时监测法和随机预估法的不足，利用有限的监测节点的监测信息，通过对复杂电网进行建模，实现对全网的电压暂降状态估计，从而为电压暂降的预防和治理提供理论指导，在工程应用中具有较大的实际意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法，该方法能够基于有限的监测信息对配电网的全网电压暂降状态进行估计，适用于工程实际，为工程人员精确计算电网的电压暂降水平和展开电压暂降治理措施提供有效帮助。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法，该方法包括以下步骤：
步骤10)采集电网中任意节点的电压暂降监测数据与电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成阻抗矩阵；
步骤20)结合阻抗矩阵，根据不同故障类型下故障序分量的边界条件，以监测点序电压表示其余节点的序电压，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程；
步骤30)分析残压方程中的各序阻抗关系，利用不同故障类型下故障相序电压的变换关系，简化故障残压方程；
步骤40)基于任意点的电压暂降监测信息，推导各故障类型下的残压方程通式，从而得到全网的电压暂降状态分布。
作为优选例，所述的步骤10)具体包括：
步骤101)采集电网中任意节点k的暂降监测数据，所述样本包括ABC三相暂降电压，利用相序变换得到监测点的暂降序电压，具体为：
式中，代表监测点k的零序暂降电压，代表监测点k的正序暂降电压，代表监测点k的负序暂降电压。代表监测点k的A相暂降电压，代表监测点k的B相暂降电压，代表监测点k的C相暂降电压。α＝ej120°为计算因子。
步骤102)采集配电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成考虑计及负荷的阻抗矩阵，假设配网中原有总节点数为n，接地点为节点n+1。虚拟节点与电网中任意负荷节点i的互导纳可表示为
式中，为负荷节点i的故障前电压，Si为节点i的负荷功率。虚拟节点i的互阻抗可表示为：
式中，l为系统中的负荷节点总数。通过求逆，可以得到含虚拟节点的配电网阻抗矩阵，可表示为：
式中，Znet为原始的阻抗矩阵，Znet,g和Zg,net为虚拟节点和电网节点的互阻抗，Zg,g为虚拟节点的自阻抗。
作为优选例，所述的步骤20)具体包括：
步骤201)以监测点序电压表示其余节点的序电压(以节点m为例)，故障时节点k的暂降序电压可表示为
式中，f为故障节点，为节点k和节点f之间的正序互阻抗，为节点k和节点f之间的负序互阻抗，为节点k和节点f之间的零序互阻抗。为正序故障电流，为负序故障电流，为零序故障电流，为监测点k的故障前电压。根据监测点k的序电压方程代替故障电流，可得到节点m的各序暂降电压，表示为：
式中，为节点m和节点f之间的正序互阻抗，为节点m和节点f之间的负序互阻抗，为节点m和节点f之间的零序互阻抗。代表节点m的零序暂降电压，代表节点m的正序暂降电压，代表节点m的负序暂降电压。
步骤202)根据不同故障类型下的故障特征边界条件，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程，具体包括：
(1)单相接地短路
系统发生单相接地故障时，故障序分量边界条件可表示为
以A相为例，节点m的暂降相电压可表示为
(2)两相相间短路
系统发生两相相间故障时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压可表示为
(3)两相接地短路
系统发生两相接地短路时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压表达式与式(10)类似。
(4)三相短路故障
节点m的A相暂降电压可表示为
作为优选例，所述的步骤30)具体包括：
步骤301)根据导纳矩阵的特点，研究对地支路对阻抗矩阵中各序阻抗的影响关系。由于负荷导纳远小于线路导纳，原始的各序导纳矩阵中元素几乎不受对地支路影响，因此近似有
式中，c为线路零序导纳和正序导纳之比，为常数；为零序原始导纳矩阵，为正序原始导纳矩阵，为负序原始导纳矩阵。求逆可得到原始的各序阻抗矩阵关系，即
从而，可以得到原始阻抗矩阵中各序阻抗关系如下
步骤302)利用原始阻抗矩阵中的各序阻抗关系，简化不同故障类型下的暂降电压方程。首先，以A相为例，建立不同故障类型下以序电压描述的相电压计算式
式中，SLGF代表单相接地短路，DLGF代表相间接地短路，LLF代表相间短路故障，TPF代表三相短路故障。将式(18)和式(19)分别代入式(10)、式(12)和式(15)，并结合故障边界条件，得到不同故障类型下的暂降电压计算通式
式中，(X＝A,B,C)为监测点k的X相暂降电压，为节点m的X相暂降电压，为节点m的故障前电压。
作为优选例，所述的步骤40)具体包括：根据电压暂降监测数据，遍历配电网中其余各节点，利用式(20)计算全网的电压暂降水平。
有益效果：
与现有技术相比，该方法能够基于有限的监测数据对全网的电压暂降状态进行评估，计算结果更符合工程实际。传统的电压暂降状态评估方法所建立的残压方程十分复杂，且短路电流的计算往往涉及高阶方程的求解。本实施例的方法能够以电压暂降监测信息反应不同故障特征，以监测信息代替短路电流计算从而得到暂降状态计算通式，计算简单且精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2(a)为本发明实施例中ABC相短路时采集的电压暂降样本数据波形图。
图2(b)为本发明实施例中BC相相间短路时采集的电压暂降样本数据波形图。
图2(c)为本发明实施例中BC相接地短路时采集的电压暂降样本数据波形图。
图2(d)为本发明实施例中A相接地短路时采集的电压暂降样本数据波形图。
具体实施方式
下面结合实例和附图，对本发明实施例的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法，包括以下步骤：
步骤10)采集电网中任意节点的电压暂降监测数据与电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成阻抗矩阵；
步骤20)结合阻抗矩阵，根据不同故障类型下故障序分量的边界条件，以监测点序电压表示其余节点的序电压，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程；
步骤30)分析残压方程中的各序阻抗关系，利用不同故障类型下故障相序电压的变换关系，简化故障残压方程；
步骤40)基于任意点的电压暂降监测信息，推导各故障类型下的残压方程通式，从而得到全网的电压暂降状态分布。
在上述实施例中，所述的步骤10)具体包括：
步骤101)采集电网中任意节点k的暂降监测数据，所述样本包括ABC三相暂降电压，利用相序变换得到监测点的暂降序电压，具体为：
式中，代表监测点k的零序暂降电压，代表监测点k的正序暂降电压，代表监测点k的负序暂降电压。代表监测点k的A相暂降电压，代表监测点k的B相暂降电压，代表监测点k的C相暂降电压。α＝ej120°为计算因子。
步骤102)采集配电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成考虑计及负荷的阻抗矩阵，假设配网中原有总节点数为n，接地点为节点n+1。虚拟节点与电网中任意负荷节点i的互导纳可表示为
式中，为负荷节点i的故障前电压，Si为节点i的负荷功率。虚拟节点i的互阻抗可表示为：
式中，l为系统中的负荷节点总数。通过求逆，可以得到含虚拟节点的配电网阻抗矩阵，可表示为：
式中，Znet为原始的阻抗矩阵，Znet,g和Zg,net为虚拟节点和电网节点的互阻抗，Zg,g为虚拟节点的自阻抗。
在上述实施例中，所述的步骤20)具体包括：
步骤201)包括：以监测点序电压表示其余节点的序电压(以节点m为例)，故障时节点k的暂降序电压可表示为
式中，f为故障节点，为节点k和节点f之间的正序互阻抗，为节点k和节点f之间的负序互阻抗，为节点k和节点f之间的零序互阻抗。为正序故障电流，为负序故障电流，为零序故障电流，为监测点k的故障前电压。根据监测点k的序电压方程代替故障电流，可得到节点m的各序暂降电压，表示为：
式中，为节点m和节点f之间的正序互阻抗，为节点m和节点f之间的负序互阻抗，为节点m和节点f之间的零序互阻抗。代表节点m的零序暂降电压，代表节点m的正序暂降电压，代表节点m的负序暂降电压。
步骤202)根据不同故障类型下的故障特征边界条件，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程，具体包括：
(1)单相接地短路
系统发生单相接地故障时，故障序分量边界条件可表示为
以A相为例，节点m的暂降相电压可表示为
(2)两相相间短路
系统发生两相相间故障时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压可表示为
(3)两相接地短路
系统发生两相接地短路时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压表达式与式(10)类似。
(4)三相短路故障
节点m的A相暂降电压可表示为
在上述实施例中，所述的步骤30)具体包括：
步骤301)根据导纳矩阵的特点，研究对地支路对阻抗矩阵中各序阻抗的影响关系。由于负荷导纳远小于线路导纳，原始的各序导纳矩阵中元素几乎不受对地支路影响，因此近似有
式中，c为线路零序导纳和正序导纳之比，为常数；为零序原始导纳矩阵，为正序原始导纳矩阵，为负序原始导纳矩阵。求逆可得到原始的各序阻抗矩阵关系，即
从而，可以得到原始阻抗矩阵中各序阻抗关系如下
步骤302)利用原始阻抗矩阵中的各序阻抗关系，简化不同故障类型下的暂降电压方程。首先，以A相为例，建立不同故障类型下以序电压描述的相电压计算式
式中，SLGF代表单相接地短路，DLGF代表相间接地短路，LLF代表相间短路故障，TPF代表三相短路故障。将式(18)和式(19)分别代入式(10)、式(12)和式(15)，并结合故障边界条件，得到不同故障类型下的暂降电压计算通式
式中，(X＝A,B,C)为监测点k的X相暂降电压，为节点m的X相暂降电压，为节点m的故障前电压。
在上述实施例中，所述的步骤40)具体包括：根据电压暂降监测数据，遍历配电网中其余各节点，利用式(20)计算全网的电压暂降水平。
本发明实施例的电压暂降状态评估方法，利用有限的节点电压暂降监测信息描述其余节点的暂降电压，进而根据配电网系统阻抗矩阵中线路阻抗矩阵部分的各序阻抗关系，对不同故障类型下的暂降电压方程进行简化，从而得到不同故障类型下的暂降相电压计算通式。现有技术中，电压暂降状态评估主要通过实时监测法和随机预估法实现，实施监测法所需周期长、成本高，不利于大范围推广；随机预估法一般通过建立残压方程对暂降状态进行评估，计算复杂且评估结果偏保守。本实施例方法能够基于有限的电压暂降监测信息对短路故障引起的电压暂降进行准确评估，计算简单，适用于工程实际，为工程人员评估全网电压暂降水平、开展电压暂降治理措施提供有效帮助。
下面举一具体实施例。
以某10kV配电网为例，在某馈线节点k设置电压测量装置进行电压暂降数据采集。仿真中依次设置ABC相短路、BC相相间短路、BC相接地短路和A相接地短路，形成电压暂降波形。
执行本发明实施例的电压暂降状态估计方法，包括一下步骤：
步骤10)采集电网中任意节点的电压暂降监测数据，包括ABC相短路、BC相相间短路、BC相接地短路和A相接地短路4中故障引起的电压暂降相电压。本实例采集的电压暂降样本数据如图2所示，图中横坐标表示暂降数据的采样点数，纵坐标表示电压幅值的标幺值。图2(a)为ABC相短路时采集的电压暂降相电压波形图；图2(b)为BC相相间短路时采集的电压暂降相电压波形图；图2(c)为BC相接地短路时采集的电压暂降相电压波形图；图2(d)为A相接地短路时采集的电压暂降相电压波形图。
步骤20)结合阻抗矩阵，根据不同故障类型下故障序分量的边界条件，以监测点序电压表示其余节点的序电压，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程；
步骤30)分析残压方程中的各序阻抗关系，利用不同故障类型下故障相序电压的变换关系，简化故障残压方程；
步骤40)推导各故障类型下的残压方程通式，根据采集点的暂降相电压，计算配电网任意节点m的电压暂降状态，表1中故障相电压暂降幅值计算值与仿真值的结果对比验证了本方法的准确性。
表1 DTW距离计算结果
| 故障类型 | TPF | DLGF | LLF | SLGF |
| 仿真值 | 0.5722 | 0.6249 | 0.6564 | 0.7157 |
| 估计值 | 0.5894 | 0.6488 | 0.6772 | 0.7442 |
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种基于有限信息的电压暂降状态估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)采集电网中任意节点的电压暂降监测数据与电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成阻抗矩阵；
步骤20)结合阻抗矩阵，根据不同故障类型下故障序分量的边界条件，以监测点序电压表示其余节点的序电压，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程；
步骤30)分析残压方程中的各序阻抗关系，利用不同故障类型下故障相序电压的变换关系，简化故障残压方程；
步骤40)基于任意点的电压暂降监测信息，推导各故障类型下的残压方程通式，从而得到全网的电压暂降状态分布。
2.根据权利要求1所述的基于有限信息的电压暂降状态估计方法，其特征在于，所述的步骤10)具体包括：
步骤101)采集电网中任意节点k的暂降监测数据，所述样本包括ABC三相暂降电压，利用相序变换得到监测点的暂降序电压，具体为：
式中，代表监测点k的零序暂降电压，代表监测点k的正序暂降电压，代表监测点k的负序暂降电压,代表监测点k的A相暂降电压，代表监测点k的B相暂降电压，代表监测点k的C相暂降电压,a＝ej120°为计算因子；
步骤102)采集配电网结构参数，将接地点视为虚拟节点，形成考虑计及负荷的阻抗矩阵，假设配网中原有总节点数为n，接地点为节点n+1，虚拟节点与电网中任意负荷节点i的互导纳可表示为
式中，为负荷节点i的故障前电压，Si为节点i的负荷功率，虚拟节点i的互阻抗可表示为：
式中，l为系统中的负荷节点总数；通过求逆，可以得到含虚拟节点的配电网阻抗矩阵，可表示为：
式中，Znet为原始的阻抗矩阵，Znet,g和Zg,net为虚拟节点和电网节点的互阻抗，Zg,g为虚拟节点的自阻抗。
3.根据权利要求2所述的基于有限信息的电压暂降状态估计方法，其特征在于，所述的步骤201)包括：以监测点序电压表示其余节点的序电压，以节点m为例，故障时节点k的暂降序电压可表示为
式中，f为故障节点，为节点k和节点f之间的正序互阻抗，为节点k和节点f之间的负序互阻抗，为节点k和节点f之间的零序互阻抗，为正序故障电流，为负序故障电流，为零序故障电流，为监测点k的故障前电压，根据监测点k的序电压方程代替故障电流，可得到节点m的各序暂降电压，表示为：
式中，为节点m和节点f之间的正序互阻抗，为节点m和节点f之间的负序互阻抗，为节点m和节点f之间的零序互阻抗。代表节点m的零序暂降电压，代表节点m的正序暂降电压，代表节点m的负序暂降电压；
步骤202)根据不同故障类型下的故障特征边界条件，利用相序变换得到其余节点的暂降相电压方程，具体包括：
(1)单相接地短路
系统发生单相接地故障时，故障序分量边界条件可表示为
以A相为例，节点m的暂降相电压可表示为
(2)两相相间短路
系统发生两相相间故障时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压可表示为
(3)两相接地短路
系统发生两相接地短路时，故障序分量边界条件可表示为
节点m的A相暂降电压表达式与式(10)类似；
(4)三相短路故障
节点m的A相暂降电压可表示为
4.根据权利要求3所述的基于有限信息的电压暂降状态估计方法，其特征在于，所述的步骤30)包括：
步骤301)根据导纳矩阵的特点，研究对地支路对阻抗矩阵中各序阻抗的影响关系；由于负荷导纳远小于线路导纳，原始的各序导纳矩阵中元素几乎不受对地支路影响，因此近似有
式中，c为线路零序导纳和正序导纳之比，为常数；Ynet 0为零序原始导纳矩阵，Ynet 1为正序原始导纳矩阵，Ynet 2为负序原始导纳矩阵。求逆可得到原始的各序阻抗矩阵关系，即
从而，可以得到原始阻抗矩阵中各序阻抗关系如下
步骤302)利用原始阻抗矩阵中的各序阻抗关系，简化不同故障类型下的暂降电压方程，首先，以A相为例，建立不同故障类型下以序电压描述的相电压计算式
式中，SLGF代表单相接地短路，DLGF代表相间接地短路，LLF代表相间短路故障，TPF代表三相短路故障；将式(18)和式(19)分别代入式(10)、式(12)和式(15)，并结合故障边界条件，得到不同故障类型下的暂降电压计算通式
式中，为监测点k的X相暂降电压，为节点m的X相暂降电压，为节点m的故障前电压。
5.根据权利要求4所述的基于有限信息的电压暂降状态估计方法，其特征在于，所述的步骤40)包括：根据电压暂降监测数据，遍历配电网中其余各节点，利用式(20)计算全网的电压暂降水平。
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