故障分析與反措基于PMU的故障測距新算法研究

1、故障分析與反措基于pmu的故障測距新算法研究蔡田田周敏（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市東風(fēng)東路846號，510600）摘要傳統(tǒng)的故障測距技術(shù)采用的是理想化的線路參數(shù)，由于運(yùn)行環(huán)境的影響導(dǎo)致測距精度難以進(jìn)一步提高。pmu的出現(xiàn)，能精確測量線路的電壓電流同步相量，并在線計(jì)算出線路參數(shù)，避免了由參數(shù)的不準(zhǔn)確造成的測距誤差。本文提出將pmu應(yīng)用于輸電線路的在線參數(shù)計(jì)算，并提出一種新的精確線路模型，使基于該模型的算法不受運(yùn)行方式、運(yùn)行環(huán)境、分布電容、故障電阻以及故障地點(diǎn)的影響，并且能使故障測距達(dá)到99.95%的精度。emtp的仿真算例證明了該測距方法的正確性及精確性。關(guān)鍵詞故障測距廣域測量系統(tǒng)（wams）

2、相量測量單元（pmu）參數(shù)在線計(jì)算0引言保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行是電力工作人員共同努力的方向。但在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，隨著輸電容量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不斷提高，線路故障是不可避免的，而一旦發(fā)生了故障，就可能造成大面積長時間的停電，甚至導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰。因此輸電線路準(zhǔn)確的故障測距，對于加速線路故障排除，盡快恢復(fù)供電，減少停電造成的經(jīng)濟(jì)損失和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性都具有重要的意義1-2。國內(nèi)外對故障測距的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年。pmu的出現(xiàn)，為故障測距進(jìn)一步提高精度提供了一個良好的契機(jī)，目前很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了不同的算法，都取得了一定的效果。文獻(xiàn)3-4系統(tǒng)介紹了一種基于pmu的故障檢測與定位技術(shù)

3、，提出一種基于新的離散傅立葉變換算法，可達(dá)到99%的測距精度。文獻(xiàn)5提出一種基于pmu的輸電線路故障測距算法，利用pmu的數(shù)據(jù)在線計(jì)算線路參數(shù)，使算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但是沒有考慮到分布電容的影響，導(dǎo)致精度難以進(jìn)一步提高。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于精確線路模型的測距算法，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，不受故障類型、故障電阻以及分布電容的影響。并將pmu的測量數(shù)據(jù)用于線路參數(shù)在線計(jì)算，可大大提高測距精度。emtp的仿真結(jié)果證明，該算法具有高達(dá)99.95%的精度，滿足電力系統(tǒng)實(shí)際的精度要求。1wams系統(tǒng)及相量測量單元pmu廣域測量系統(tǒng)(wide-area measurement system，wams)是

4、近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，受到廣泛關(guān)注，被稱為電力系統(tǒng)三項(xiàng)前沿課題之一6-8。wams 可以在同一參考時間框架下捕捉到大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)各地點(diǎn)的實(shí)時穩(wěn)態(tài)/動態(tài)信息，這些信息在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動態(tài)分析與控制的許多領(lǐng)域（如潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、頻率穩(wěn)定分析、低頻振蕩分析、全局反饋控制等）都可能有用，給大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制提供了新的視角。wams系統(tǒng)的外部基本單元，基于全球定位系統(tǒng)（global positioning systems，gps）的同步相量測量單元(phasor measurement unit, pmu)作為一種實(shí)時測量模塊，能夠高精度測量母線電壓、

5、電流相量9，它的發(fā)展使得直接監(jiān)測系統(tǒng)相量成為可能，從而產(chǎn)生發(fā)展了許多以它為基礎(chǔ)的電氣新技術(shù)。由于gps能達(dá)到的精度，因此在相角測量中能精確到0.018，這使得電力系統(tǒng)線路故障測距精度進(jìn)一步提高成為可能。2基于pmu的故障測距技術(shù)2.1線路參數(shù)在線計(jì)算的原理傳統(tǒng)的故障測距都是利用電力運(yùn)行部門給定的理想線路參數(shù)。但是事實(shí)上，輸電線路在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中要受到沿線地質(zhì)、氣候、大地電阻率分布不均勻等因素的影響，特別是惡劣的高寒地帶，當(dāng)線路被冰雪覆蓋時，將會使線路參數(shù)明顯偏離給定值；由于線材的收縮和重力的作用，線路長度會發(fā)生變化；另外還有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行方式的影響等等。上面種種原因?qū)е铝司€路參數(shù)的不確定性，利

6、用理想化的參數(shù)進(jìn)行故障測距，精度會受到不同程度的影響，有時還會造成很大的誤差。pmu的發(fā)展，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)精確的輸電線路狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，利用pmu所測量的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行線路參數(shù)的在線計(jì)算，可以大大提高測距精度。對于一條實(shí)際的輸電線路，其參數(shù)是分布的，尤其對于長線路來說，若不考慮這種分布特性將會造成較大的測距誤差，所以，本文采用的線路模型是分布參數(shù)模型。圖1為一根長度為的單相均勻輸電線路，電壓電流參考方向如圖所示：圖1單根均勻傳輸線根據(jù)均勻傳輸線的長線方程，有下列式子成立5： (1)式中，zc、分別為線路的特性阻抗和傳播常數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)可觀測性原則配置的pmu9，可以實(shí)時測量m、n兩端的電壓電流

7、向量um 、un 、im 、in，這樣由方程(1)就可解出zc、，并且根據(jù)： (2)可進(jìn)一步在線計(jì)算線路單位長度阻抗z和導(dǎo)納y。以上公式中各電壓電流可采用序分量或模分量，求出的線路參數(shù)為相應(yīng)的序分量或模分量參數(shù)。2.2測距算法圖2為雙側(cè)電源系統(tǒng)，假設(shè)f處發(fā)生故障，有關(guān)各量如圖所示。根據(jù)長線方程，f點(diǎn)的電壓可以由m端的電壓電流向量um 、im表示： (3)也可以由n端的電壓電流向量un 、in表示： (4)圖2雙側(cè)電源系統(tǒng)故障線路由(3)、(4)式消去，并解出得： (5)上式中，以上結(jié)果表明，只要在系統(tǒng)中配置了pmu裝置，就可以得到故障前線路兩端的電壓電流相量，在線計(jì)算出線路參數(shù)；并根據(jù)故障后線

8、路兩端的工頻電壓和電流，利用（5）式精確求出故障距離。必須注意的是，以上公式推導(dǎo)是基于單相輸電線路的。但是實(shí)際的高壓架空輸電線絕大部分采用的是三相交流輸電模式，而對于三相輸電線而言，由于相間存在著互感耦合，因此在故障計(jì)算時需先進(jìn)行解耦，將三相耦合方程分解為多個獨(dú)立方程來求解?？梢圆捎胏lark變換5將其解耦為三個獨(dú)立的模分量系統(tǒng)。 （6）其中：對于任一個模分量系統(tǒng)均可直接套用公式(6)得到故障距離。 (7)其中i1、2、3，分別代表序分量。3仿真算例3.1emtp仿真按照前面圖2所示的電力系統(tǒng)建立emtp仿真模型，設(shè)定線路全長為300km，在仿真中加入小擾動模擬線路受到的影響。輸電線路單位正序

9、（負(fù)序）參數(shù)：，輸電線路單位零序參數(shù)：，誤差的定義公式如下： 仿真運(yùn)行實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)行算法驗(yàn)算，具體步驟如下：1) emtp仿真所得的電壓電流波形直接作為同步采樣值進(jìn)行計(jì)算；2) 用相量計(jì)算算法進(jìn)行電壓電流相量計(jì)算；3) 然后通過相模變化得到模域的電壓電流量，利用2.1節(jié)提出的線路參數(shù)估計(jì)算法進(jìn)行線路參數(shù)估計(jì)；當(dāng)故障發(fā)生后，把故障后測得的同步采樣值進(jìn)行相量計(jì)算并通過相模變化進(jìn)行解耦，利用式（7）計(jì)算故障距離。3.2仿真結(jié)果表1采用不同線路參數(shù)的仿真結(jié)果相間電阻30，接地電阻100故障類型實(shí)際故障點(diǎn)(km)給定參數(shù)的測距結(jié)果(km)誤差(%)在線計(jì)算參數(shù)的測距結(jié)果(km)誤差(%)單相接地30100

10、15030.96998.389150.7860.3230.5370.26229.95599.910150.1230.0150.0300.041相間短路3010015028.449101.449150.6540.5170.4830.21829.862100.117150.0810.0460.0390.027相間接地短路3010015031.90296.817147.0030.6341.0610.99930.10299.913149.9310.0340.0290.023三相短路3010015030.795101.302146.1990.2650.4341.26730.07899.910150.33

11、60.0260.0300.112表2不同故障電阻情況下仿真結(jié)果故障點(diǎn)x100km故障類型實(shí)際故障點(diǎn)(km)給定參數(shù)的測距結(jié)果(km)誤差(%)在線計(jì)算參數(shù)的測距結(jié)果(km)誤差(%)單相接地3010015030.96998.389150.7860.3230.5370.26229.95599.910150.1230.0150.0300.041相間短路3010015028.449101.449150.6540.5170.4830.21829.862100.117150.0810.0460.0390.027相間接地短路3010015031.90296.817147.0030.6341.0610.99

12、930.10299.913149.9310.0340.0290.023三相短路3010015030.795101.302146.1990.2650.4341.26730.07899.910150.3360.0260.0300.1123.3結(jié)果分析表1、2的仿真結(jié)果表明以下幾點(diǎn)：1）從表1可以看出，線路參數(shù)的變化是造成測距誤差的重要原因之一。利用運(yùn)行部門給定的理想?yún)?shù)進(jìn)行故障測距會引起很大的測距誤差，在單相接地短路時可高達(dá)0.537%，對于300km的傳輸線路來說，測距點(diǎn)與實(shí)際故障點(diǎn)差了將近2km；而采用了本文提出的在線計(jì)算線路參數(shù)，測距誤差可以減少到0.03%，測距點(diǎn)與實(shí)際故障點(diǎn)的距離能控制在

13、0.1km之內(nèi)。可見利用pmu的實(shí)測數(shù)據(jù)在線計(jì)算參數(shù)用于測距，可以克服給定參數(shù)的理想化，大大提高測距精度（最大可提高20倍精度）。而且值得注意的是，利用pmu的計(jì)算參數(shù)，所得的測距精度都能達(dá)到99.95%以上，這對于準(zhǔn)確排除故障提供了精確的數(shù)據(jù)保障，因此對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。2）本文提出的故障測距算法，對于線路內(nèi)部不同地點(diǎn)發(fā)生的不同類型的短路故障有著很高的測距精度，測距誤差一般不超過0.05%。表2的仿真結(jié)果表明，算法的測距精度還與故障點(diǎn)過渡電阻無關(guān)，同時基本不受故障類型和故障點(diǎn)的影響；與單端測距算法相比，其測距精度不僅高而且具有很好的穩(wěn)定性，而單端測距算法易受過渡電阻和故障

14、點(diǎn)的影響?；趐mu的故障測距算法有很強(qiáng)的適應(yīng)性，由于算法是基于精確的線路模型提出的，故不受故障類型、故障電阻及分布電容的影響。4結(jié)論本文提出利用線路故障前后pmu的測量數(shù)據(jù)，在線計(jì)算出線路參數(shù)，克服了給定參數(shù)的不確定性，從而提高了測距精度。提出新的精確線路模型，使算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，emtp的仿真結(jié)果證明，基于pmu的測距算法不受故障類型、故障電阻、系統(tǒng)阻抗、分布電容的影響。將該測距算法應(yīng)用于wams系統(tǒng)下，對于快速排除線路故障，增加大系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)可行性。參考文獻(xiàn)1全玉生，張煜，邱慶春，等基于gps 的雙端故障定位新算法j電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(6)：63-66quan y

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