基于广域相角量测信息的大电网故障定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于广域相角量测信息的大电网故障定位方法，包括基于PMU量测信息的频率变化到达时间在线获取方法、参考到达时间矩阵快速构建方法和基于有序模式识别器的电网故障源定位方法；故障发生后由测量故障引起的频率变化到达各发电机节点的时间，通过与离线方式构建出的特定点故障到达各发电机节点的时间构成的参考时间矩阵对比，对应的节点即为检测出的故障位置。本发明专利技术提出了基于滑动数据窗的频率变化到达时间在线辨识方法，能够在线快速建立待检时间向量；针对电网的框架结构模型对应的无向赋权图，构建了由不同故障点频率变化在整个电网中传播时间组成的参考时间矩阵；提出了有序模式识别器的方法，极大地缩短了模式识别过程所用的时间。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
： 本专利技术涉及一种大电网中的故障定位，尤其涉及一种基于广域相角量测信息的大电网 故障定位方法。
技术介绍
： 自上个世纪60年代以来，世界许多国家先后进入大电网互联时代。然而，随着电网 负荷快速增长、规模化新能源并网以及电力市场改革等因素的影响，大型互联电网的运行 点越来越接近其运行极限，电网的安全稳定裕度降低使得由局部故障导致全网性事故的可 能性大大增加。电网故障的影响范围也越来越大，因局部故障引发大规模电网事故的危害 性也日益增加。频繁发生的大停电事故无一例外地给事发国家带来巨大的社会经济损失。 2012年7月30日和31日，印度连续两次发生大停电事故，损失负荷达到4800万千瓦，停电 波及23个邦的6. 7亿人口，造成约数百亿美元的损失。电网故障的发生难以避免，故障信 息的及时获得可以为故障处理争取宝贵时间。当发生严重的局部故障时，如果能在最短时 间内发现故障位置，并在故障影响尚未完全显现之前及时采取针对性的控制措施，就能最 大程度降低故障影响，保障电网安全。 电网常见故障可以分为短路和切机/切负荷这两类，其中短路是典型的电磁暂态 过程，电压、电流变化剧烈，持续时间较长，暂态能量较大；而对于切机/切负荷故障来说， 由于单个发电机/负荷容量与整个电网相比较小，使得切机/切负荷对电网电压影响也很 小，电磁暂态过程持续时间较短且能量较小，可以视为机电暂态过程。 目前关于大电网故障定位主要基于故障行波的方法，行波定位的关键是时间的同 步及行波波头的捕捉，其准确度主要受GPS时钟的稳定性及精度、电压过零附近时刻故障、 行波传输色散导致行波波头衰减及畸变等因素影响。对于短路故障，行波波头变化剧烈、暂 态能量大、易于检测，因而行波定位有较好的效果。但对于没有明显电磁暂态过程的切机/ 切负荷故障来说，行波波头变化平缓，行波法结果并不理想。 广域测量系统（WAMS)和智能电网发展将能提供统一的数据平台，我国已安装 2000多台PMU，覆盖所有500kV变电站、300丽及以上发电机组和部分重要220kV变电站， WAMS系统规模世界之最；广域测量系统为电网故障定位提供了新的思路。
技术实现思路
： 本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于广域相角量测信息的大电网故障定位方 法，在故障发生后由测量故障引起的频率变化到达各发电机节点的时间，构成待检时间向 量，通过与离线方式构建出的特定点故障到达各发电机节点的时间构成的参考时间矩阵对 比，其对应的节点即为检测出的故障位置。 本专利技术为解决技术问题所采取的技术方案是： 一种，在故障发生后由测量故障引起的 频率变化到达各发电机节点的时间，构成待检时间向量，通过与离线方式构建出的特定点 故障到达各发电机节点的时间构成的参考时间矩阵对比，其对应的节点即为检测出的故障 位置，包括以下个步骤： A、基于PMU量测信息的频率变化到达时间在线获取方法： 构建待检时间向量需要获取准确的频率变化到达时刻，通过区分系统正常运行状态 及频率变化到达后PMU实测频率的变化特征，可以有效判断出频率变化到达各发电机的时 刻； 在电网正常运行工况下，发电机频率保持相对稳定的状态，仅因负荷随机波动引起频 率以较短的周期在50Hz附近波动； 当频率变化到达后，由于受持续不平衡功率的影响，发电机将产生加速或减速，从而使 频率在一定时间内呈现单调上升或下降趋势； 稳态时发电机频率的短周期波动性与频率变化到达后的长期单调性的区别非常显著， 在此，引入时间序列CF(i)(称之为特征函数）并定义为：其中，freq⑴表示第i时刻发电机的PMU实测频率，K表示放大倍数 (freq(i)-freq(i-l)的数量级为le3,为便于计算，K一般取1000 ; 稳态运行时发电机频率对应的特征函数CFCF为正或负的情况间隔出现，稳态特征函 数CF在一定时段内的代数和较小，接近于零； 频率变化到达后发电机频率对应的特征函数CF将出现长时间持续为正或负的情况， 从频率变化到达时刻开始，CF在一定时段内的代数和将会单调增加或减小； 特征函数CF能有效区分系统稳态时以及频率变化到达后发电机频率的特征，根据发 电机频率特征函数的变化规律，基于频率特征函数滑动数据窗的频率变化到达时间辨识方 法，对于第k点实测频率，取该点左侧M点数据构成数据窗I，右侧N点数据构成数据窗W2 ，分别定义1和W2上的函数LJPL2为：定义第k点的判别函数R(k)为：系统稳态运行时，由于特征函数CF的短周期波动性，正负抵消使得各时刻1^为数值较 小，"同样为数值较小的正数，在稳态时，|R|在零值附近振荡；当第k时刻发生故障时，随 着第k点右侧数据首先进入数据窗％，引起Q的单调增大或减小，但此时第k点右侧数据 还未进入数据窗W2，L2处稳态阶段，其值为较小的正数，从而引起R的值单调增大或减小； 随着第k点右侧数据首先进入数据窗W2，1^的值将迅速增大，而此时受数据窗长度的 限制，Q的值不变或者开始产生反向变化，使得R的值也反向变化，只有在第k点处于数据 窗1和W2交界处时，R才能取得极大值； 数据窗长度M和N的选择以增助频率变化到达特征以及减少误判为目的，根据PMU每 周波上送2个的频率数据的设置，频率变化到达时刻的判别会滞后实时数据20个周波，故 M取40 ;为抑制频率变化到达后引起的频率长期摆动，N取30 ; 基于滑动数据窗的频率变化到达时刻判断规则： (1) R为局部极大值； (2) j讓 在频率变化到达时刻，R取得局部极大值，在频率变化到达后的一段时间内，R的值将 呈振荡衰减的趋势，直至下一次频率变化抵达； B、参考到达时间矩阵快速构建方法： 参考时间矩阵可在已知电网结构及参数的情况下离线获得，发电机的转动惯量作用域 指的是该发电机到与其相连的所有发电机之间线路的集合； 为使所建立框架结构模型中的故障传播过程与实际电网一致，转动惯量分布过程遵守 转动惯量守恒及质心不变原则，分布到各条线路上的转动惯量之和等于原始集中的发电机 转动惯量，且分布化转动惯量的质心应保持在发电机的原始位置； 以原始发电机母线为中心，按照母线所连线路数量及级别对转动惯量进行多级对称式 分布；首先，以发电机所在母线为中心，根据该母线上出线的数量，对发电机转动惯量进行 均匀分配，即：其中，m为发电机母线所连接的线路数，Jlk为分配到各条线路上的转动惯量； 各线路上的频率变化方程为：其中，表示是分布到该线路上的单位长度转动惯量，《。为发电机的额定角速度，V为 线路额定电压，b表示线路的单位长度电纳，线路中频率变化传播速度c为：电网的框架结构可以用一个由n个顶点和b条边构成的赋权图G=G(V，E，W)来表示，其 中V表示图的顶点集合，E表示图的边集合，分别对应于电网中节点和支路的集合，W为各边 的权值，电网框架结构模型的顶点集合_:'__!_,"..：^.》:，边集合:1__.,.、、識 51 在电网框架结构模型中取边的权值为频率变化在该边上传播所需的时间，由其长度所 表示的频率变化传播速度确定；对任一条边（Vi，Vj)GE，频率变化在其上的传播速度并没 方向性，即由Vi传播至v_j所需时间与由v_j传播至Vi所需时间相同，电网框架结构模型对应 的图是典型的无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于广域相角量测信息的大电网故障定位方法，其特征在于：在故障发生后由测量故障引起的频率变化到达各发电机节点的时间，构成待检时间向量，通过与离线方式构建出的特定点故障到达各发电机节点的时间构成的参考时间矩阵对比，其对应的节点即为检测出的故障位置，包括以下个步骤：A、基于PMU量测信息的频率变化到达时间在线获取方法：构建待检时间向量需要获取准确的频率变化到达时刻，通过区分系统正常运行状态及频率变化到达后PMU实测频率的变化特征，可以有效判断出频率变化到达各发电机的时刻；在电网正常运行工况下，发电机频率保持相对稳定的状态，仅因负荷随机波动引起频率以较短的周期在50Hz附近波动；当频率变化到达后，由于受持续不平衡功率的影响，发电机将产生加速或减速，从而使频率在一定时间内呈现单调上升或下降趋势；稳态时发电机频率的短周期波动性与频率变化到达后的长期单调性的区别非常显著，在此，引入时间序列CF(i)（称之为特征函数）并定义为：其中，freq(i)表示第i时刻发电机的PMU实测频率，K表示放大倍数（freq(i)‑freq(i‑1)的数量级为1e‑3，为便于计算，K一般取1000；稳态运行时发电机频率对应的特征函数CF CF为正或负的情况间隔出现，稳态特征函数CF在一定时段内的代数和较小，接近于零；频率变化到达后发电机频率对应的特征函数CF将出现长时间持续为正或负的情况，从频率变化到达时刻开始，CF在一定时段内的代数和将会单调增加或减小；特征函数CF能有效区分系统稳态时以及频率变化到达后发电机频率的特征，根据发电机频率特征函数的变化规律，基于频率特征函数滑动数据窗的频率变化到达时间辨识方法，对于第k点实测频率，取该点左侧M点数据构成数据窗W1，右侧N点数据构成数据窗W2 ，分别定义W1和W2上的函数L1和L2为：定义第k点的判别函数R(k)为：系统稳态运行时，由于特征函数CF的短周期波动性，正负抵消使得各时刻L1为数值较小，L2同样为数值较小的正数，在稳态时，|R|在零值附近振荡；当第k时刻发生故障时，随着第k点右侧数据首先进入数据窗W1，引起L1的单调增大或减小，但此时第k点右侧数据还未进入数据窗W2 ，L2处稳态阶段，其值为较小的正数，从而引起R的值单调增大或减小；随着第k点右侧数据首先进入数据窗W2 ，L2的值将迅速增大，而此时受数据窗长度的限制，L1的值不变或者开始产生反向变化，使得R的值也反向变化，只有在第k点处于数据窗W1和W2交界处时，R才能取得极大值；数据窗长度M和N的选择以增助频率变化到达特征以及减少误判为目的，根据PMU每周波上送2个的频率数据的设置，频率变化到达时刻的判别会滞后实时数据20个周波，故M取40；为抑制频率变化到达后引起的频率长期摆动，N取30；基于滑动数据窗的频率变化到达时刻判断规则：(1) R为局部极大值；(2)；在频率变化到达时刻，R取得局部极大值，在频率变化到达后的一段时间内，R的值将呈振荡衰减的趋势，直至下一次频率变化抵达；B、参考到达时间矩阵快速构建方法：参考时间矩阵可在已知电网结构及参数的情况下离线获得，发电机的转动惯量作用域指的是该发电机到与其相连的所有发电机之间线路的集合；为使所建立框架结构模型中的故障传播过程与实际电网一致，转动惯量分布过程遵守转动惯量守恒及质心不变原则，分布到各条线路上的转动惯量之和等于原始集中的发电机转动惯量，且分布化转动惯量的质心应保持在发电机的原始位置；以原始发电机母线为中心，按照母线所连线路数量及级别对转动惯量进行多级对称式分布；首先，以发电机所在母线为中心，根据该母线上出线的数量，对发电机转动惯量进行均匀分配，即：其中，m为发电机母线所连接的线路数，Jik为分配到各条线路上的转动惯量；各线路上的频率变化方程为：其中，j0表示是分布到该线路上的单位长度转动惯量，ω0为发电机的额定角速度，V为线路额定电压，b表示线路的单位长度电纳，线路中频率变化传播速度c为：电网的框架结构可以用一个由n个顶点和b条边构成的赋权图G=G(V,E,W)来表示，其中V表示图的顶点集合，E表示图的边集合，分别对应于电网中节点和支路的集合，W为各边的权值，电网框架结构模型的顶点集合V={v1,,v8}，边集合E={e1,,e12}；在电网框架结构模型中取边的权值为频率变化在该边上传播所需的时间，由其长度所表示的频率变化传播速度确定；对任一条边(vi,vj)∈E，频率变化在其上的传播速度并没方向性，即由vi传播至vj所需时间与由vj传播至vi所需时间相同，电网框架结构模型对应的图是典型的无向赋权图，使得待检时间矩阵为对称矩阵；在电网框架结构模型的无向赋权图中，求频率变化从任一故障点到其他发电机的传播时间为无向赋权图中的全局最短路径，Floyd算法可以获得整个图中任意两点间的最短路径，从代表...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：燕跃豪，鲍薇，林慧，辛军，张伟政，朱峰，靳巍，钟浩，季国剑，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网河南省电力公司郑州供电公司，郑州华力信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11