（电力系统及其自动化专业论文）基于wams的高压输电网络故障定位研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 第四，为实现故障定位算法在实际大电网中的应用，本文提出两种适于任 意电网结构的实用故障定位算法。方法1 首先根据对称分量法和线性叠加原理， 建立故障后的附加正序网络并定义了故障定位因子；进而应用波形匹配原理， 对故障时的定位因子与仿真波形进行匹配，以决定故障发生的位置；在方法一 的基础上，方法2 推导出关于电网故障位置的一元目标函数，即转化为最小值 求解问题，进而基于该函数运用遍历搜索方法寻找故障点的位置；上述两种算 法仅利用电压相量进行计算，能够避免由电流互感器饱和所带来的误差影响， 且仅需少量p m u 的配置。仿真实验表明该方法能够有效地定位任意电网结构 的短路故障，并且不受故障类型、过渡电阻等因素的影响。 最后，总结了本文二至四章所提出的基于w a m s 的各种故障定位算法，分 析评价了本文各项研究的创新点和不足之处；展望了未来的进一步研究方向。 关键词广域测量测系统，p m u 配置，故障定位，电网拓扑，多分支输电线路 一i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t f a u l t l o c a t i o na l g o r i t h i nf o rh i 曲v o l t a g et r a l l s m i s s i o nl i l l e sc 觚p r 0 1 n p t l ya n d a c c u r a t e l yd e t e c tm ef i a u l tp o i n t ni l o t0 1 1 l yc a ng r e a n yd e c r e a s en l er e s t o 血g 、v o r k a r l do u t a g et i m e ，b u sa l s oc a nd e t e c tm ed e f e c t i v ei n s u l a t i o n f a u l tl o c a t i o np l a y sa n i m p o r t 锄tr o l ei nt h es e c 面吼s t a b i l i z a t i o na i l de c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n 觚di 幽肌a t i o nt r a l l s f e rt e c l l l l i q u e s ，w am s ( w i d e 心e am e a s u r e m e n ts y s t e m ) c o m e si m ob e i n g 、m c hb n n g sn e wo p p o m l i l i t i e s f o r t h ef a u l tl o c a t i o nr e s e a r c h a sar e s u l t ，t h e r ei sag r e a t p r a c t i c a ls i g l l i f i c 锄c ea n d e n g i n e e r i n gv a l u ei 1 1t h ef a u l tl o c a t i o nr e s e a r c hb a s e do nw a m s u n d e rs u c h e n g i i l e e r i n gb a c k g r o u l l d ，t l l i st l l e s i sc o n d u c t sr e s e a r c ho nt h i sr e s e a r c hi 1 1 t e r e s t sa 1 1 d o b t a i n ss o m ei n n o v a t i v er e s e a r c hr e s u l t s f i r s t l y ，m en e wo p p o r t l m i t i e sf o rm er e s e a r c ho nf a u nl o c a t i o nb a s e do nw a m s a r ea 1 1 a l y z e d a f 衙t h eb a s i cp 血c i p l eo fw a m si sb r i e f l yi r l 仃o d u c e d ，t h ev a r i o u s e x i s t i n ga l g o r i 廿1 m sb a s e do ns y n c l l r o m z a t i o nt e c l l l l o l o g ) ，i sa r ec o n c l u d e d t h e s e d i 脑e mm e m o d sa r ec l a s s i f l e da 1 1 da n a l y s e db yt h e 锄o u | 1 to fd a t au s e d ，w h i l em e i r c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o np e r f o n l l 锄c ea r ee v a l u a t e d a tl a 瓯t l l ec u r r e n t r e s e a r c hi n t e r e s t si i lm i sa r e ai sp r e s e n t e d ，a i l dt l l ee x i s t i i 培p r o b l e mo nt 1 1 ef a u l t l o c a 醣o nt h e o 巧i sp o i n t e do u t ，w m c hl e a d st ot 1 1 er e s e a r c hc o n t e mo ft h i st h e s i s s e c o n d l y i 1 1o r d e rt oo b t a i nn l ea c c u r a t et o p o l o g ) ，i 缸o n n a t i o nf o rf a _ u l tl o c a t i o n r e s e a r c ha 1 1 di m p r 0 v em ea b i l 时o fp e r c e i v i n gt 1 1 ep o w e rn e 铆o r kt o p o l o g yc h a l l g e b a s e do nw a m s ，an e wm d e x ，t l l er e l a t i v ev 撕a t i o no fb u sl o a d ，i sp m p o s e dt o i d e n t i 匆t 1 1 ec h a i l g eo fl o a d 趵r l l c t u r e o nt h eb a s i so ft l ：1 i sn e w 砌e x ，an o v e lr e a l t i m et o p 0 1 0 9 ) ，p r o c e s s i n gm e t h o di s p r o p o s e d m o s to ft l l e t o p o l o g ) ，c h a j l g e p e r t u r b a t i o n sc 觚b ei d e n t i 丘e db ym e a g u r e m e n tc l l a 】1 9 ed e t e c t i o na i l dp o w e rn o w a i l a l y s i s b u tf o rt l l es p e c i a lc 2 l s et h a tt h ep o w e rn o wc h a i l g ei sw i m i nt h er e a s o n a b l e m g ea 丘e r t l l e p e r t u r b a t i o n ， m eh y p o t h e s i s v e r i f i c a t i o nm e t h o di su s e dt 0 d i s t i n g u i s ht o p o l o g ) ，c h a n g e 知ml a r g el o a dc h a n g e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tb yu s m gt h i sa l g o r i t l l i l l 、v ec a ne 虢c t i v e l yl o c a t et l l et o p o l o g yc h a n g e t h i r d l y ，m ep a r t i c u l a rp o w e r 咖t u r ei n 仃a n s r n j s s i o nn e t w o r ki ss t l l d i e di 1 1t 1 1 i s c h 印t e r a i l dt w ok i n d so fp r a c t i c a lp m u - b a s e d 枷ta 】g o r i t l l l na r ep r o p o s e d i i l a l l g o r i t l l l ：i lo n e ，n l eb r a l l c hl i l l e sa r ea s s 啪e da l s 吐l el o n g d i s t a i l c el i l l e s ，a 1 1 d l e na 1 1 e 衔c i e mp m u - b a s e df a u n1 0 c a t i o nt e c h l l i q u ef o rt l l em u l t i t e m l i n a l 缸a i l s m i s s i o n l i n e si sp r e s e n t d i ti sa s s 嘞e dt h a ta l lt h et e l m i i l a l sa r ep l a c e d 谢mp m u 1 k s i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r 2 i c t t e c l l l l i q u ei sb a s e do naf l a u l t1 0 c a t i o ni i l d e x ，w 1 1 i c hi sd e f m e d 够i l o d a lc u l l r e n t u 1 1 b a l a i l c e b ya n a l y z i n g 廿l es p e c i a lf e a t u r e so fm ei n d e x ，n l r o u 曲f a u l ts e c t i o n i d e n t i f i c a t i o n 觚de x a c tf a u j tl o c a t i o i l ，廿1 ef a u l tp o 缸c a i lb ea c c u r a t e l ya n d e 蜀f e c t i v e l y a c k e v e d i i la l g o r i t h m t w o ，n l eb r a i l c hl i i l e sa r e 嬲s u m e da st h e s h o r t d i s t a l l c el i n e s ，a n dt 1 1 e na i la d a p t i v ep m u b a u s e df i a u l tl o c a t i o nt e c h i l i q u ef o r 仃a n s m i s s i o n1 i n e 晰t l lt a p p e dl i r l e si sp r e s e m e d ni sa s s 啪e dm a to m yt v 旧 t e n l l i n a l sa r ep l a c e d 诵t 1 1p m u u g hm u l t if a u l tr e g i o ne s t i i i l a t i o i l ，也ef a u l tl i n e s e c t i o nc a l lb el o c a t e d n l e nt 1 1 e 似。一t e n n i n 2 l lf a u l tl o c a t i o na l g o r i 恤nc 趾b e 印p l i e d t oi m p l e m e mh i 曲a c c u r a t e 矗m l tl o c a t i o n 1 h sm e 吐1 0 ds o l v e s 1 ep r o b l e m 谢t l lt h e m i n j m u mo fp m u ，w l l i c ha l s og i v eag e n e r i ca l g o r i 衄f o rt l l e 似r 0 一t e n n i 砌 t 1 趾s m i s s i o nl i i l e f o 删y ，i i lo r d e rt oa c k e v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ef a u l tl o c a t i o na l g o 打t h m i 1 1 p o w e r 鲥d ，t 、ob n d so ff h u l t l o c a t i o na l g o r i t l l ms u i t a _ b l ef 0 r 衄1 s m i s s i o n n e 铆o r k 诵t h 锄yc o n s 仃u c t i o na r ep r e s e n t e di nt 1 1 i sc h 印t e r i na l g o r i t h mo n e ，b a s i n g o ns y n 珊嘶c a lc o m p o n e n tm e t h o d 趾dl i i l e a rs u p e 璎o s i t i o np r i n c i p l e ，t l l ea d d i t i o r 谢 p o s i t i v es e q u e n c en e t w o r ki se s t l b l i s h e d t h e nt h ef l u l tl o c a t i o nf a c t o r i sd e f i n e d a n dm a t c gd u 血g - f a u l tr e c o r d e df a c t o r s 谢t 1 1 恤d u 】油g - f a u l ts i i l l u l a t e df a c t o r si s u s e dt od e t e m i l l et l l ef a u l tl o c a t i o n i i la l g o r i t l l i l lt v ，af a u l tl o c a t i o no p t i m i z a t i o n m o d e li sd e r i v e d u s i l l gt h eo b j e c t i v ef l u n c t i o n ，m e1 i n e - b a u s e ds e a r c hm e t l l o di s a p p l i e dt 0s e a r c h 址l l i n e si nt 1 1 es u s p i c i o u sf a u l tr e g i o n sa i l df i n dt h ee x a c tf a u h p o i m 、) l ，：h e r et l l em a t c l l i n gd e 伊e ei n d e xi sm i i l i m a l n u m e r i c a ls t u d i e sv e r i 匆m a t t h e 觚op r o p o s e df a l l l tl o c a t i o nm e t l l o dc a na c c u r a t e l ya i l dq u i c l ( 1 y1 0 c a t eaf a u l tu n d e r m ec o n d i t i o n so fd i 虢r e m 矗眦1 tt ) r p e s ，l l i hp o s i t i o n s ，鲫df a u l tr e s i s 切n c e s 7 n l e p r o p o s e d 邳i p r o a c hi se s p e c i a l l yp r o i i l i s i i l gf o rl a 唱e - s c a l ep o w e rs y s t e m ，a n do m y r e q u i r e ss p a r s ep m up l a c m e n t f i n a l l y ，t 1 1 er e s e a r c h e si nt h i s 廿l e s i sa r es u m m a r i z e d ，觚dt l l ei i l i l o v a t i o np o i n t s a 1 1 di n a d e q u a c i e sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h e nm e 如r t h e rw o r ki sp r o s p e c t e d k q 刑o r d s w i d ea r e am e a s u r 锄e ms y s t e m ，p m up l a c 锄e 鸲f a u hl o c a t i o 玛 p o w e rn e 咖r kt o p o l o 既亿m s i l l i s s i o nl i n e 谢mm u l t i - l e g s 一一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎婆态鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年月 日 签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先阐述了高压输电线路故障定位研究的重要意义，分析了w a m s ( w j d ea r e am e a s u r e m e ms y s t e m ) 平台给该领域带来的契机；在简介w ：f 蝴s 系统 的基础上，总结了现有基于同步相量技术的各种故障定位算法，并对其特点及 应用效果作出评价，指出了故障定位理论还需要进一步研究和突破的地方，从 而引出了本文的研究内容；最后对本文主体思路及章节安排做了介绍。 1 1 课题研究背景及其意义 高压架空输电线路是电力系统的重要组成部分，是发电厂和终端用户的纽 带，担负着输送电能的重要任务，同时它又是电网故障的多发部位，其故障直 接威胁现代电力系统的安全运行。据统计【l 】，1 9 8 1 年一1 9 9 1 年，我国大区电网 和主要省电网共发生8 7 次稳定事故，其中6 2 次是由输电线路短路故障引起的， 约占7 0 左右。国内外都曾有过因高压输电线路故障而导致整个电力系统瓦解 的例子。 随着我国特高压联网战略的实施，一个装机容量超过8 亿k w 、横跨数千公 里的广域电力系统正在我国形成【2 】【3 】。2 0 2 0 年，我国西电东送的容量将高达1 2 亿k w 。巨大容量的功率进行跨区域传送对缓解东部地区的电力紧缺、实现资 源优化配置具有重要意义。但随着电力系统规模的日益扩大，高压远距离输电 线路日益增多，高压输电线路故障对电力系统、工农业生产和人们日常生活的 影响也越来越大。因此，在线路故障后能够及时、准确地找到故障点，不仅对 修复线路和保证可靠供电，而且对保证这个电力系统的安全稳定和经济运行都 有十分重要的意义【4 】【5 1 。 然而线路故障的查找是极其困难的【6 】，一旦发生故障，巡线工作艰苦困难， 并需要花费大量时间。首先随着高速继电保护装置和断路器的应用，线路故障 切除的时间大大缩短，这使得大部分的故障没有明显的破坏迹象；其次远距离 输电线路难免要穿越山区、沙漠等偏僻地带，交通十分不便；另外我国的电力 系统巡线装备简陋。因而快速、准确的故障定位是查找输电线路故障点的重要 一1 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 依据，可大大减轻巡线人员的负担，及时发现线路绝缘隐患，加速线路故障排 除，尽快恢复供电，从而提高电网运行的可靠性，减少因停电造成的经济损失， 也是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一。所以高压输电 线路的故障定位研究显得尤为重要，并成为国内外学者研究的一个热点。 国内外对于输电线路故障定位方法的研究已进行了数十年，提出了大量的 故障定位原理和方法，如行波法、阻抗法等，也有专家应用人工神经网络、小 波原理等智能方法进行了研究。其中，阻抗法由于受到故障过渡电阻等因素的 影响，其定位误差较大【7 1 ；行波法【8 j 【9 j 【1 四存在硬件造价高等问题，实际应用还有 待研究；而人工智能【1 1 】【1 2 1 等模糊理论和方法具备不确定性，在训练样本选择、 硬件等方面也有难度，尚不能投入实际应用。故障分析法中的单端定位算法 【1 3 】【1 4 】f 1 5 】【1 6 】【1 刀，由于信息量不足，定位精度始终要受系统运行方式和过渡电阻 的影响，结果不甚理想。而双端定位算法由于充分利用了故障信息，可以取得 很高的定位精度，但是由于需要双端信息传递，而且大部分双端算法对信息传 输的实时性要求较高，这在双端算法的早期发展中带来了不少困难。 随着自动化技术的发展、信息传输技术的不断进步；尤其是近年来，相量 测量装置( p h a s o r m e a s u r e m e n t u l l i t ，p m u ) 的研制和开发，进而广域测量系统 平台的诞生，为故障定位算法的研究提供了新的工具。基于该平台的定位研究 意义在于： ( 1 ) w a m s 平台的迅速发展使同一时标下精确的双端测量成为可能，从而 可以大大提高故障定位的精度。 ( 2 ) w a m s 的实时性能在故障发生后第一时间获取故障信息，能为防御电 网事故的扩大，提供直接有效的手段。 ( 2 ) 在未来的几年内，p m u 在电网中的配置将会不断普及，这也为基于 w ：州s 平台的故障定位研究提供了重要的现实基础。 以上分析表明，高压输电线路的故障定位是电网安全稳定运行的重要基础， 大力发展基于w a m s 的高压输电线路故障定位具有十分重要的现实意义。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 删s 平台在故障定位领域的应用现状 1 2 1w a m s 平台简介 删s 是以p m u 为基层单元采集实时信息，经过通信系统上传至调度中 心，实现对整个系统的监测，构成一个系统。p m u 利用全球定位系统( g p s ) 时 钟同步的特点，测量各节点以及线路的各种状态量，通过g p s 进行对时，将各 个状态量统一在同一个时间坐标上。 p m u 在w a m s 系统中起到了原始数据的采集、同步相量计算和同步相量 发送的作用。i e e es t d1 3 4 4 1 9 9 5 ( i 毪0 0 1 ) 标准对p m u 的抗混叠滤波、锁相、 采样脉冲的触发、相量的时间标签、被测频率变化引起的同步采样误差、相角 误差允许范围、数据传输格式等方面做了相应的规定【18 】【1 9 】。p m u 由微处理器、 g p s 接收器、信号变送模块及通信等模块组成，典型的结构原理如图1 1 。 7 2 0h z 脉冲 监视点电压 和电流信号 图1 1 典型p m u 结构原理图 f i g 1 1t h er e p r e s e n t a l i v ea r c h i t e c t u r eo fp m u 其 它 p 删 照 兀 三相电压、电流暂态量经由p t 、c t 输入信号变送单元后，进行a d 转 换、滤波后的高精度信号进入测量单元，由微处理器计算相对于g p s 同步参考 时间的相量值，加上同步时间构成数据帧传送给通信模块。 p m u 的测量精度取决于其“频率同步”与“时间同步”的配合：因为“频率同 步”保证对被测相量实现频率自适应等间隔同步采样，从而确保d f t 数据窗的 完整性和算法精度；“时间同步”保证异地被测相量在时间上实现同步采样，从 一3 一 女 学i 位论女 第l i 绪论 而确保同步地截取d f t 数据窗。在电力系统动态过程中，由于系统频率波动 相位突变等因素的影响，往往导致d f t 算法误差增大，这种误差在相角上得表 现更为明显【2 0 】忙 【矧i 列目前已有诸多学者和专家应用软硬件技求力图解 决这一问题，并取得了相应的成果 m - 一p m l l 固j2 w a m s 系统絮构 f 12t h e 扰h i l e c | i l r c o f w a m s 广域测量系统主要由四个部分组成川口5 】，如图l2 所示： ( 1 ) 全球定位系统( g l o b dp o 舒n n gs y n e m g p s ) g p s 卫星提供垒球同 步的授时信号。 ( 2 ) 相量测量单元。p m u 装置报据g p s 信号统一采样，使用离散傅立叶 算法计算相量数据井加入时标。 ( 3 ) 通讯网络。采用大容量的光纤网作为广域通讯网络的骨干。电力系统 中同步相量数据的通讯协议采用i e e es t d c 3 7l l8 2 0 0 5 ( 4 ) 控制中心集中广域电力系统中各p m u 的信息，对数据进行存储 筛选，显示，对系统运行状态进行安全评估，形成保护与控制方案。 借助于遍布全网的相量测量装置和高速通讯网络，w m s 系统可以实现广 一4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 域同步采样，并将实时状态传送给控制中心。洲s 平台的出现，提供了一个 很好的统一系统时标的工具。与传统方法相比，g p s 具有精度高( 微秒级) 、范 围大、不需要通道联络、不受地理和气候条件限制等优点，是电网时间统一的 理想方法，在电力系统各领域中将会有越来越多的应用。 1 2 2 基于双端同步采样的故障定位应用 双端同步采样定位算法要求线路两端的数据采样同步进行，得到的电压和电 流量具有统一的时间参考基准，而w a m s 系统提供的实时故障数据，使算法中必 须的高精度同步时钟有了保证，也使双端同步采样的精确定位方法能得以实现。 这也将成为w a m s 系统在故障定位领域的一项重要应用。按采用的数据量，现有 的双端同步故障定位算法可分为三种：一是两侧电压电流法；二是本侧电压电流 对侧电流法；三是两侧电压法。 1 2 2 1 两侧电压电流法 针对目前基于双端同步电压、电流相量的定位算法，本节总结了几类常见 的方法，如故障方程求解法、搜索迭代法、基于时域方法等。 ( 1 ) 故障方程求解法 该类方法通过对线路两端采集到的电压、电流数据进行滤波变换，将其分解 为各次谐波，得到工频分量；再根据分解原理( 对称分解、克拉克分解等) 建立线 路的正序或负序分布参数模型，按照线路故障特征( 故障点电压相等、过渡电阻 的纯阻特性等) 列写故障定位方程，求解其故障位置。该定位算法能适应系统运 行方式的变化，不受故障点过渡电阻、故障类型、故障距离等因素的影响，具有 很高的定位精度。 由于故障发生后的很短时间内，系统内电压、电流的频谱成分相当复杂，因 此对装置的滤波能力要求较高。文献 2 7 【2 8 最先应用此原理得到故障定位公式， 并将s d f t 运用到滤波中，结果表明这一滤波方法可改善算法的定位精度，并可 增加算法的稳定性，使计算结果的精度受环境条件变化的影响更小。文献 2 9 通 过构建精确求解基频及整次谐波分量的非线性方程以及将其转化为线性方程进 行求解，并针对离散化积分引入的误差进行修正，将该滤波算法用于输电线路故障 定位方程后，取得了更高的精度。 一5 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 故障定位方程一般是复杂的长线方程，因此方程的精确求解也是该方法的关 键。文献 3 0 根据电压、电流的故障方程推导得故障位置的实数方程解，从而避 免对解实虚部的讨论，提高精度。文献 3 1 】引入遗传算法求解故障定位方程，采用 群体搜索和多父体重组策略，在一次搜索中算法可求得故障距离的多个解，有利于 伪根的判别，且计算速度快、精确度高。文献【3 2 证明在上述利用长线方程沿线 推导故障点电压、电流方程的定位算法中，原理上存在伪根的可能性，在某些情况 下，会得到错误的定位结果；并对上述定位算法进行改进，提出了判别伪根的原则， 使其更具通用性。 ( 2 ) 搜索迭代法 该类方法只需采集线路两端电压、电流工频分量的幅值与相位即可进行，利 用故障线路两端母线到故障点电压呈不断下降趋势的特点，运用线路分布参数方 程，通过搜索所有线路，找出从两端电压下降曲线的公共点即为故障点的方案。 该算法无需解方程，因此不存在伪根的问题，它不受过渡电阻、故障类型的影响， 且能适用于较长的高压输电线路。 故障点搜索指标的建立是决定该方法精度的关键因素。文献 3 3 】由叠加原理 和对称分解，把故障网络可分解为正常网络与故障附加正序网、负序网和零序网； 根据电压分布特征，对各种故障类型均存在的附加正序网络建立搜索指标，可有 效地解决系统阻抗等效问题，通过搜索算法实现精确定位。文献 3 4 根据故障点 的电流正序分量特征，建立关于电压、电流相量的搜索指标，从而减少两端数据 不同步带来的误差。 算法搜索过程的实现也影响着定位的精度。文献 3 5 对搜索过程进行优化， 基于线路分布参数模型，根据正序故障分量电压沿线分布规律，通过搜索迭代将 故障点界定在一段短线路上，从而将分布参数长线定位转化为集中参数短线定 位。即使任意选择初始值，通过简单的迭代搜索就可以初步找到故障点的大致位 置，计算量也不大，因此具有较高的实用价值。文献 3 6 提出了针对双回线线路的 故障定位方案，其采用正序电压的故障分量，将沿线路搜索电压最低点作为故障 点，并对搜索的模糊区进行了讨论，给出了一种平均值法减小误差的方案。 ( 3 ) 基于时域方法 由于故障初期非周期分量和高次谐波较大，即使进行了滤波也很难准确地提 一6 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 取工频分量，因此上述基于工频信号的方法，会对定位的精度造成很大的影响。 时域方法的提出可以解决频域方法的不足；该方法只使用采集装置直接采得的数 据，无需滤波和相量提取，省去了时域与频域的转换，不受过渡电阻及电网频率 波动的影响，精度高于工频法。而分布参数模型是针对传输线路的分布特性建立 的，是系统稳态、暂态过程中适用的精确模型。因此基于上述两方面考虑的高精 度定位是以后的趋势。 文献【3 7 3 8 】使用集中参数模型，根据基尔霍夫定理列写关于系统中电压与电 流的微分方程，再进行代换并消去多余的未知数，然后做离散化处理化为差分方 程。该方程是以故障点位置为未知数的一次方程，且其已知量是由已知的线路参 数和两端采集得到的电压电流瞬间量。而文献【3 7 通过对时域电压、电流进行频 率采样，得到距离解，结果表明采样频率越高，定位越准确。随后对上述方法进 行修改，引入分布参数线路模型；文献【3 8 则通过统计两端电压电流瞬时值，做 最小二乘拟合求得该未知的故障点位置。这种使用多个采集点统计拟合的处理可 以修正因噪声信号造成的误差。文献 3 9 提出了一种双端时域参数识别法，该方 法利用均匀传输线的分布参数模型，推导出线路上电压的沿线沿时分布，然后通 过找寻在一段时间内两端推算电压最小值点，将该点作为故障点，从而确定故障 位置。文献 4 0 中的仿真结果表明该算法定位效果理想，且对线路长度及分布参 数的变化有一定的抗干扰能力。但该方法对两端采集的数据同步要求较高。 1 2 2 2 本侧电压电流对侧电流法 由于故障发生时，电流互感器极易达到饱和，将导致采样波形发生畸变，从 而不能正确地反映真实故障电流。因此电流互感器饱和是影响输电线路双端定 位算法的一个重要因素。解决c t 饱和影响故障定位的途径之一是对饱和电流 进行补偿矫正，文献【4 1 4 2 】 4 3 】提出了多种方法，但实际上很难做到将饱和电流 完全矫正。另一种解决的途径是研究仅利用两侧电压和另一侧电流，而不考虑 c t 饱和的一侧电流，具有更高的定位精度和更广泛的应用。 文献 4 4 基于i 也模型，利用两侧电压和c t 未饱和侧的电流求得了故障距离，但 对于长线，忽略线路分布电容将引起较大误差。文献 4 5 考虑分布参数，使用复杂 的优化算法来解决c t 饱和对定位的影响。该方法对给定的初值要求较高，需要鉴 别哪些相c t 饱和，从而选取不同的目标函数，变量多，计算量大。文献 4 6 基于分布 一7 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 参数模型，根据过渡阻抗纯电阻性质，提出了一种高精度定位算法，较好地解决了 c t 饱和或断线影响定位的问题，但该方法需要判别故障类型，要和选相元件配合 才能应用。因此目前考虑c t 饱和的双端故障定位算法仍有很大的研究空间。 1 2 2 3 两侧电压法 为了有效避免由于电流互感器饱和带来的定位误差，学者提出了仅基于线路 两端同步电压相量的定位算法。理论上，这类方法无需电流相量参与，可以完全 不受饱和侧电流的影响。 文献 4 7 4 8 】 4 9 】提出一种仅利用线路两端电压相量实现定位的方法，根据故 障后各节点组成的电压变化量矩阵方程求得故障距离；仿真结果表明该方法增强 了双端定位的灵活性，定位精度高，并且避免了由电流互感器饱和所造成的定位 误差。文献 5 0 】 5 1 提出了故障线路正序端电压比指标概念，并证明了这一指标仅 与故障距离、线路的阻抗有关，而与故障类型、过渡电阻无关；其次通过软件仿 真得到故障点位置与电压比指标的单调曲线关系，进而对两端或三端线路进行匹 配定位，可得到唯一的距离解；实际的仿真表明这一方法也具有较高的精度。但 上述方法需要提供两侧系统的等效阻抗，而在实际运行中，两侧系统阻抗是变化的， 且在缺乏电流的情况下无法在线测量，因此这是一种理想化的定位算法。 1 2 3 当前研究的热点 随着电力系统的不断发展，各种支接线路已越来越多地出现在高压和超高压 电力网中。两端系统的故障定位算法比较成熟，但由于结构上的特殊性，很难将 两端系统的算法直接用于各种支路系统。而双端定位原理要求传输线路两端均配 置有p m u ，虽能保证定位精度，但经济上十分不适用。因此研究当各种支接线路 发生故障时，以最少的p m u 配置，快速、准确地实现故障定位具有重要的实际意 义。复杂的传输线路网络中，有着很多常见的线路结构，很难直接应用上述双端 定位原理，如：三端或多端线路、t 型线路、电容补偿线路、双回线、环型线路 等等。 1 2 3 1 三端或多端传输线路 理论上说，用单端的基频电气量无法确定三端系统输电线路的故障点位置， 因此，现有的几种可适用于三端或多端系统的故障定位方法几乎都是基于各端的 一8 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 电气量，每条线路母线均需配置p m u 。 文献【5 2 5 3 5 4 等利用故障附加分量或正序分量的电压值来判断故障支路， 在此基础上，将非故障支路化简合并，得到故障时支接点的等效电压、电流，再 对故障支路应用双端定位算法进行高精度的故障定位。这些方法的关键是故障支 路的判断，但可能在支接点附近出现无法判断的死区。因此文献 5 5 】针对三端线 路分别假设故障发生在某一支路，由假定正常的2 段支路端的电压、电流推算求 得支接点电压和注入假定故障支路的电流，从而分别求得3 个故障距离，经证明， 求得的3 个故障距离有且仅有1 个在o 和对应支路总长度之间，该距离就是真实的 故障距离，故障发生在对应支路上。该方法无需事先判别故障支路即可定位，在 支接点附近经高阻故障时无定位死区。而文献 5 6 】针对多端线路把故障支路判别 指标与定位融为一体，通过对多个指标的比较，从而确定故障位置；避免了故障 分支的判别，消除了死区。 1 2 3 2t 型传输线路 近年来，社会对电力的需求不断增长，而输电网络发展的相对滞后，导致小 型发电厂或负载通过相对较短的线路连入输电线路的情况越来越多地出现在电 网中。 上述分支线路一般是长度较短、暂时的措施，若使用三端线路的定位算法， 则分支线路p m u 的增加显然不经济，因此文献【5 7 】 5 8 仅根据线路两端p m u 的电 流、电压值得到故障区域判别指标，从而确定故障支路；随后将非故障线路合并， 把t 型线路转化为双端线路定位问题。但这个方法的前提是分支的发电机或负载 模型为已知，但实际上这些模型一般很难精确建立。针对这个问题，文献 5 9 】提 出基于线路两端的p m u ，在分支( 发电机或负载) 未知情况下对输电线路进行精 确定位；首先假设故障发生在传输线路的某一边，根据故障点电压相等原则和过 渡电阻为纯阻抗的假设，建立两个关于故障距离的方程组；通过迭代的方法，求 出故障距离，随后求出过渡电阻值，若电阻值为负则故障发生在分支的另一侧。 1 2 3 3 串联补偿线路 在传输线路中安装串联补偿装置可以增加线路传输容量、提高稳定性等，但 这些电子装置出现会严重影响传输线路的故障定位精度。文献 6 0 提出了当输电 线路有串联补偿装置时基于p m u 的故障定位方法，与常规方法不同，这种方法不 一9 一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 需要串联补偿元件的精确数学模型和运行状态的先验知识，适用于各种对线路电 流没有附加相移的串联f a c t s 元件，e m t p 仿真结果表明该方法达到了极高的故 障定位精度 1 2 4 目前存在的问题 综上分析，国内外的学者专家已提出了大量的故障定位算法，但由于这些算 法基于很多的理想化假设条件，使其在实际电网的应用中面临着众多问题。本文 认为，目前基于同步采样技术的的障定位研究仍存在如下问题： ( 1 ) 仅基于准确的网络结构参数 从算法的假定已知条件来看，在已有的故障定位算法当中，线路参数都是作 为已知量参与运算的，由于定位算法往往对线路参数精度有较高的要求，当线路 参数不准确时，会给定位结果带来较大的误差。因此实际线路参数与给定值不符 也将是造成定位误差的一个重要原因。因此基于故障定位考虑的电网拓扑参数分 析也是亟待解决的问题。 ( 2 ) 仅基于特定结构的定位研究 现有的故障定位算法研究，只关心特定的电网结构、对于不同的结构对象有 自己专门的定位方法，使得各个方法对于任意电网而言成为相对孤立的“理论孤 岛”，未有对一系列任意电网结构通用的故障定位算法。因此适于任意电网结构的 故障定位算法也将是一个挑战性的问题。 ( 3 ) 仅基于理想化的p m u 配置 现有的基于同步相量的故障定位方法能否准确地定位故障取决于p m u 的配 置数量。只有当每条线路的两端均配置有p m u 或者间隔一个母线配置p m u 时，才 能够有效地定位故障位置。但是受费用约束，目前尚不可能如此高密度地配置 p m u 。因此关于如何在现有p m u 配置的情况下实现大电网的精确定位将会是将来 研究的一个重要方向。 ( 4 ) 仅基于独立的故障定位算法研究 目前的研究大多数仅基于算法的研究，而较少研究故障定位在电网中的实际 应用。如若作为一种实用化的应用平台，仍有许多关键问题亟待解决：实时电网 拓扑参数的提供、故障数据的采集与融合，算法在线计算速度的要求等等。因此 在输电网络发生故障后，如何从故障数据的获得、分析及最后的结论建立一套完 一1 0 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 整的在线故障定位平台将是极具现实意义的一项研究。 1 3 本论文的主要工作 对于基于同步相量技术的故障定位研究，上述的一些问题仍没有得到很好 的解决，本文的研究工作正是围绕这些问题展开。其主要内容和安排如下： ( 1 ) 鉴于电力网络的拓扑可能会随着系统运行状态变化而不同，第二章以 网络中p m u 的实测数据为基准，发展一种新的电力网络实时拓扑分析方法， 依靠实时测量量突变检测和潮流分析进行判别，感知网络拓扑的实时变化同时 能有效地区分拓扑改变与大负荷增减扰动，为在线故障定位及其安全分析提供 实时准确的电力网络拓扑参数。 ( 2 ) 考虑输电线路出现多条分支，而传统同步定位算法难以直接应用的情 况，第三章针对特定电网结构进行深入的研究，提出了两种实用的故障定位算 法。所提出的两种算法能有效定位多分支输电线路的短路故障问题，并且定位 结果不受系统运行方式、过渡电阻、故障类型、故障距离等因素的影响，有很 高的定位精度和自适应性 ( 3 ) 为实现故障定位算法在实际大电网中的应用，第四章提出了两种适于 任意电网结构的实用故障定位算