（电力系统及其自动化专业论文）基于pmu的电网故障诊断研究.pdf

华乾电力大学硬士学位论文摘要 摘要 p m u ( p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ，楣量测量单元) 的密现使褥全弼网步数据的 获得成为可能，本文在利用开关、保护信息进行故障诊断的基础上，利用p m u 提 供的同步相量信息准确判断放障元件和故障性质，并根据诊断结果对开关、保护 的动作行魏进行评价。提出了一种适应线路元件分毒参数模型，利用线路掰端电 压、电流的正序分量的故障测距算法和保证任一线路两端数据同步的p m u 配置方 案，完全不用考虑不同步采样受的影响，篾纯了算法；同时，用p m u 测褥故障前 线路两端的电压、电流对线路参数进行丁修正，提高了测距精度，并用a t p e m t p 费真软件分别对线路两端均装有p m u 和只有一端装有p m u 两种情况进行了仿真 分析，仿真结果验证了这种测距算法精度比当前普遍使用的电鼹故障分量测距精 度都高。 关键词：p m u ，故障诊断，故障测距，配置 a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fp m u ( p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ) m a k e ss y n c h r o n o u sd a t ac o l l e c t i o n p o s s i b l ei nt h ew h o l en e t w o r k t 鲢sp a p e r , b a s i n go nt h ei n f o r m a t i o no ft h es w i t c ha n d p r o t e c t i o n , c a np r e c i s e l yj u d g et h ef a u l tp a r ta n dt h ef a u l tp r o p e r t ya n dc a ne v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h es w i t c ha n dt h ed e l a ya c c o r d i n g 协t h er e s u l to fd i a g n o s i s i nt h i sp a p e ra n e wd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lw h i c hf i t sf o rl i n ep a r ta n dan e wf a u l tl o c a t i o nm e t h o d w h i c hm a k e su s eo ft h ep o s i t i v e - o r d e rc o m p o n e n to ft h et w ot e r m i n a l sv o l t a g e sa n dc u r r e n t s o ft h el i n ea 糟p r o p o s e d a n dad i s t r i b u t i o np r o g r a mo fp m uw h i c hc a ne n s u r et h ed a t ao f t w ot e r m i n a l so fa n yl i n ea r es y n c h r o n o u si sg i v e nad e t a i l e da c c o u n t t h i sm e t h o dn e e dn o t c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fa s y n c h r o n o u ss a m p l i n ga n g l e ，s oi ts i m p l i f i e st h ea l g o r i t h m ；a tt h e s a n l et i m e , t h r o u g ht h ep & t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to ft w ot e r m i n a l si nn o r m a ls t a t ea r e m v a s u r e d t h e nt h el i n ep a r a m e t e r sa r em o d i f i e da n dt h ep r e c i s i o no ff a u l tl o c a t i o ni s p r o m o t e d 。弧ea t p s i m u l a t i o ns o f t w a r er e s p e c t i v e l ys i m u l a t e st w od i f f e r e n tc o n d i t i o i l s ：t h e r e a r ep m ud e v i c e sa ta n yt e r m i n a lo ft h el i n ea n dt h e r ei so n l yo n ep m ud e v i c ea to n et e r m i n a l o ft h el i n e al o to fa t ps i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef a u l tl o c a t i o na c c u r a c yo ft h i s m e t h o di sh i g h e rt h a nt h ea c c u r a c yo ft h ef a u l tc o m p o n e n tm e t h o d sw h i c ha r ei ng e n e r a lu s e y u el i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e y w o r d s ：p m u , f a u l td i a g n o s i s ，f a u rl o c a t i o n ，d i s t r i b u t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p m u 的电网故障诊断研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 旱花 墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 舀的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分杰容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日 期：j 鱼乒上) 猡 日期：2 璺塑二监 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 随着电网规模的不断扩大，区域电网之间的联系日益紧密，相互影响程度也越 来越深，电两输送电能的能力得到了有效提高。同时，局部电网故障可能弓l 起的事 故波及面增加的几率也大大提高，系统中某处发生故障时如果不能正确处理，就可 能出现连锁反应，使得其他互联系统也出现停电事故，造成巨大的经济损失。而且， 由于电力系统的复杂性，影响其安全稳定运行的因素众多，如天气状况和意外事故 等原因就往往会引起不可避免的故障。 目前，基于s c a d a e m s 信息和故障录波信息的故障诊断方法在电网发生复杂 性故障情况下，实现在线诊断已不能取得满意的结果，而故障诊断向着在线快速的 发展是一种趋势。因此，利用新的信息源进行准确、快速的电网故障诊断至关重要。 随着g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全球定位系统) 的全面应用于民用产品以 及通信技术的发展，电力系统新一代动态安全监测装置p m u 在国内外得以广泛使 用，促进了大电网w a m s ( w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，广域测量系统) 韵形 成和发展。w a m s 能够实现广域电网运行状态下的在线同步测量，借助于高速通信 网络将测得的相量数据进行汇总，这就为实现全网故障诊断创造了条件。在电力系 统发生故障后，辅助运行人员根据p m u 测量数据对故障进行判断并准确定位，然 后根据具体故障情况采取进一步的控制措施，把故障对电网的影响减少到最小，并 指导运行人员馓出正确决策以保证电露安全稳定运行，还可以对开关保护的动作行 为进行正确评价。因此，对于p m u 的电网在线故障诊断的研究具有重要的意义。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 故障诊断介绍 电网故障诊断是指通过分析电网中各级各类保护装置产生的报警信息、断路器 的状态变位信息以及电压电流等电气量测量的特征，根据保护、断路器动作的逻辑 和运行人员的经验来推断可能的故障元件和故障类型的过程【l 】。 匿前，基于故障信息源的电潮故障诊断方法有戬下凡种； l 。利用s c a d a 系统提供的开关变位信息进行诊断【2 1 文献【2 】提出了只利用断路器跳闸的时序信息对电力系统故障诊断方法，这种方 法对于保护动作信息不可获取或获取不完整的情况下，实现电力系统在线故障诊断 功能具有适用价值；提出了利用无源信息采用实时接线分析的方法来识别故障区 圭 华北电力大学硕士学位论文 域，把故障诊断闯题局限于小范围赦障区域之中，大大提高了诊断速度，并采用高 级遗传算法可以相当有效地找到全局最优解或多个全局最优解。但是这种方法由于 故障信息的局限性，往往只能得到故障区域，还需要调度员查询傈护的动作信息进 一步诊断故障点的位置和故障性质。 2 利用s c a d a e m s 系统提供的开关和部分( 或完全) 保护信息进行诊断【3 4 ，5 ，6 】 文献 3 - 6 利用故障诊断的数学模型，深入分析元件故障与保护动作和断路器跳 闸之间的逻辑关系，采用相应关联矩阵运算方法或电网拓扑搜索方法，从而快速、 准确地找到故障元件，这些方法一般能定位到故障元件，提高了诊断结果的可信度， 但当系统发生复杂故障或开关、保护存在较多误动、拒动以及由于信道干扰发生信 息丢失或错误等不确定因素影响时，不能取得满意的结果。 3 利用s c a d m e m s 提供的开关、保护信息和故障录波器的录波信息进行分层 诊断【7 ，8 ，9 ，t o 】 随着微机继电保护装置和微机故障录波器在电网中的大量采用，系统故障量的 数字化采集的实现，故障录波信息成必电照故障诊断的一种新的信息源，与 s c a d a e m s 提供的开关、保护信息构成了分层故障诊断系统的信息来源。文献 【7 1 0 介绍了分层式电阚故障诊断的方法。 一般情况下调度端获得的信息有：第一层为开关变位信息；第二层为保护动作 信息；第三层为故障录波信息。因此，分层式电网故障诊断系统就是根据调度端收 集到的信息的分层性来进行逐层诊断： ( 1 ) 首先由开关报警信息判断故障区域，对于简单故障可立即判断发生故障的元 传； ( 2 ) 对于复杂故障，可能不能定位到故障元件，可根据确定的故障区域和保护动 作信息进行诊断，如果能唯一确定故障元件，则诊断结束，否则进行第三层诊断； ( 3 ) 根据所确定的故障区域，调用所需要的故障录波数据进行进一步的分析以最 终确定故障元件。 分层式电网故障诊断系统的流程图如图。1 1 所示 2 华北电力大学硕士学位论文 信息源，分层诊断系统 图1 1 分层式电网故障诊断系统的诊断流程 在目前故障诊断所用到的信息中，开关、保护信息主要是依靠s c a d a e m s 系 统提供。s c a d a e m s 系统是潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统，不能监测 和辨识电力系统的动态行为，侧重于记录系统稳态运行情况，数据刷新间隔较长， 只能用于分析系统稳态特性，故障时，只提供开关、保护信息，对于复杂性故障或 开关、保护发生误动、拒动，信道干扰，信息丢失情况时，无法取得满意结果。由 于仅采集了电压、电流、有功、无功等的有效值，缺乏对描述系统机电动态行为十 分重要的相角、内电势及其派生量的采集，而且得到的系统数据是历史的、不同步 的，所以只能检测系统的稳态或准稳态运行情况。 丽故障录波信息则主要是依靠敲障录波器提供。故障录波器侧重于记录电磁暂 态过程，在电力系统暂态过程中，它采集系统安装点瞬时值记录的动态过程，使得 对系统整体动态特性分析困难，它记录的电磁暂态数据，由于不同生产厂家对数据 3 华北电力大学硕士学位论文 格式定义不同，在进行录波数据远传时，灵能用不同型号录波远传软件调取录波数 据或到安装地点用软盘拷贝数据，这种方法获取数据分析麻烦，储存也不便。而且 用瞬时值记录动态过程，只能记录故障时安装处电气量瞬时值变化波形和扰动前后 局部量的动态过程，缺乏全局算法和必要的通讯联系，无法测量异地机组或母线间 的相位关系，从而无法给出全网的同步动态过程描述。 s c a d a e m s 系统和故障录波器还有一个共圊的缺点，就是在不同地点之闻缺 乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于对全系统动态特性的分 析工作【1 轴。 1 。2 2 应用p m u 介绍 以p m u 装置为基本组成元件构成的新一代全网检测系统，提供了高精度定时定 位能力的g p s 技术，利用计算机技术、网络技术和现代通信技术方面的最新成果， 实现全网数据的同步采集、实时记录、远距离实时传递和对数据的实时同步分析处 理，同时，根据g p s 提供的高精度时钟构造全网一致的同步参考相量，从而实现系 统内任意点之闻的相对相角测量。 1 2 2 1 国内外发展情况 p m u 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国，1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念阶段，1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段，1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于系统试运行阶段，1 9 9 2 年以后 工业化产品问世。 1 9 9 0 年，a g p h a d k e 博士研制了基于g p s 时钟的同步相角测量装置，并将其应 用于b p a 的两个变电站之间的连线上。同年，法国也研制了基于g p s 时钟的同步相 角测量装置，并将测量电压相量和基于电压相量的控制作为法国电网防止崩溃的措 施。 a q p h a d k e 博士开发的相角测量装置广为美国电力公司使用，它具有3 0 路模 拟输入和3 2 路开关量输入，输出有显示屏、打印机和4 个串行口，模拟输入经低通 滤波器，1 6 位a d 变化给6 8 0 3 0 c p u 。其王作原理为：三相电力线上的波形每个周欺 被采样1 2 次，用递推傅立叶变换提取基波分量，用对称分量法将三相组合起来产生 正序相量，并对应u t c ( 国际标准时间) 有一个绝对的相角l n 】。 美国的m a c r o d y n e 公司出品的m o d e l l 6 9 0 ( p m u ) 对相角的测量使用了傅立叶变 换法。a d 转换器直接从电压、电流输入端取样，保证模拟通道没有任何的相位位 移，采用了1 6 b i t a d c ，减d 、a d c 量化误差对测量精度的影响，采用数字滤波技术以 提高s n r ( 信噪比) ，并且对模拟输入通道设计了温度补偿电路，保证在工作温度 范围内有极高的工作稳定度。由于采用了这_ 系列的先进技术，使得m o d e l l 6 9 0 出 厂相位精度为0 0 5 度，运行精度为o 1 度【1 3 l 。 4 华北电力大学硕士学位论文 美匡西部w e c c 系统安装了近5 0 台p m u ，主要用于动态记录和模型修正。北美 w e c c 系统安装了4 7 台p m u ，监视约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。+ w a 经过优化设计，在6 0 0 条线路中的6 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到整个 系统。在欧洲，谣班牙的c s e 首次将p m u 信息用于状态估计，法囡东南部系统、北 欧系统、英国电网也都部分安装- t p m o t m 】。 匡内网步相量测量方面的研究开始予9 0 年代，已取得了一些研究成果： 华北电力大学以郝玉山博士为首的课题组，自1 9 9 4 年就开始对相角测量进行研 究。1 9 9 5 年研制出基于g p s 的相角测量装置，它采用过零检测原理，具有测量精度 高、结构简单、成本低等特点，并予1 9 9 6 年2 月通过专家评审。他们还建立了一整 套关于相角测量、数据传送方面的理论和方法，与河北省电力公司合作进行了相角 测量的试验【1 2 】。 1 9 9 4 年，清华大学在国家自然科学基金的支持下开展了删s 技术的系统化研 究用相角测量装置进行了动模实验研究，理想情况下相角测量误差小于0 1 度，考虑 波形畸变、采样误差、离教化误差及相量测量算法的误差等因素的影响，实际的相 角测量误差小予l 度，并在黑龙江实现了相角测量和相邻点间相角观测【l 3 1 。 1 9 9 5 年，电科院在引进台湾的相角测量装置硬件基础上，自己开发应用软件， 并首先在广东天广线上安装了两台相角测量装置，用于监视联络线相角的摆动。 我国已经建成和正在建设的w a m s 系统有：三峡左岸、华中华北联网动态监 测系统、东= l l 5 0 0 k v 主网架动态监测系统、华：l 艺5 0 0 k v 主网架动态监测系统、南方 电网动态监测系统、广东电网动态监测系统、贵州电网动态监测系统、云南电网动 态监测系统和涯苏电网动态监测系统等璩】。 1 2 。2 。2p m u 的测量原理 电力系统的正弦电压、电流、功率等基本参量都可表示为相量，如电压 u 当u c o s ( 2 n f l + 伊) 表示成相量形式为：u = u e j 9 , 。借助g p s 时钟信号，在电阏 各厂站建立旋转频率为5 0 h z 的参考相量，其它相量都以此为参照，从而得到相角。 p m u 利用g p s 提供的同步信号进行工作，其结构如图1 2 所示 g p s 接收器提供一个秒脉冲信号和一个时阍标签，时闻可以是当地时闻，也可 以是国际标准时钟时间，脉冲信号通过锁相晶振器分割得到需要的模拟信号采样脉 冲，模拟信号是经过变压器和滤波器处理后的电压电流信号。 p m u 的基本功能是利用g p s 信号对电压、电流同步测量，进行分析，提供频率、 相位和幅值信息。各厂站的p m u 以g p s 为采样基准，全网同步采集机组和线路的电 压、电流以及重要斡开关、保护信息，用褶量算法计算电压和电流相量、频率、功 率、机组和线路功率、发电机内电势( 功角) 以及根据机组键相信号实测机组功角， 5 华北电力大学硕士学位论文 还魏提供扰动辍发的誊态记录，壶g p s 提供鲢高耩度时钟信号将测量结栗打上时标。 电躺匿电彰镶 数 据 输 d 连 图1 - 2p m u 的结构 在合适的发电厂和变电站安装p m u 构成w a m s ，利用计算机技术和现代高速 数字忧通信网络实现全瓣数据的露步采集、实时记录、远距离实时传递霸对数据躲 实时间步分析处理，同时根据g p s 提供的高精度时钟构造叠网一致的同步参考相 量，胰面实现系统内任意点之阕鹣穗对稆角测量 1 5 , 1 6 , 霰。w a m s 系统结构如图1 3 所示： t 图1 - 3w a m s 系统结梭 1 2 2 3p m u 的应用 基于p m l q 憨广域测爨系统能实现对电力系统动态过程豹监测，其益测数据能反 映系统的动态行为特征。可以在时、空、幅值三维坐标下高精度( 微秒级) 同步采 集广域电网的实时运行参数一相量，借助予高速通信网络将分散的相量数据集中起 来，实现并且露步观测系统全局的动态过程，电力系统分析和监控。 以下就p m u 同步数据在动态安全分析与控制、电力系统稳态分析以及继电保护 等方蔼的应用作一些介绍： 6 华北电力大学硕士学位论文 1 动态安全分析与控制 ( 1 ) 阻尼控制【1 8 ，1 9 】 文献【1 8 1 讨论了机电振荡模式在线评估，利用p m u 采集的系统动态数据来识别 系统正常运行时的振荡主频率和阻尼。 文献 1 9 1 利用p m u 可改进控制提出了一种基于p m u 的直流附加控制器，以p m u 得到的不同区域电压相角差作为输入信号，有效地反映区域间的低频振荡信息，同 时研究了通信延迟对系统阻尼的影响，并考察了控制器的鲁棒性。该方法能够在系 统较大的运行范围内提高系统阻尼和系统区域联络线的传输能力，有效地抑制阻尼 系统的低频振荡，且具有较好的鲁棒性，在故障情况下也能发挥较好的作用。 对于大型互联系统，实现全局动态协调阻尼控制时在系统动态协调设计和模型 辨识方面还存在不少困难。 ( 2 ) 暂稳分析及控制1 2 0 2 1 ，2 2 ，2 3 】 主要有两个研究方向： 1 ) 改进现有模型，提高速度和准确性。 文献【2 0 】和【2 1 】在广域测量和光纤通信的基础上，对扩展等面积准则( e e a c ) 进行了改进，提出了紧急e e a c 的思想( e e e a c ) 。e e e a c 所需的电气量均是由p m u 实测得到，完全反映了暂态稳定的三要素：故障前运行方式和潮流、故障的冲击和 故障后的运行情况。突破了暂稳分析中基于预想事故的思维模式，可以进行暂态稳 定的预测、分析和判断，并纳入广义预测控制理论的思想框架，可对失稳后的电力 系统进行连续监视和闭环滚动控制。 2 ) 寻找新的稳定求解理论和方法。 文献 2 2 1 和 2 3 】提出了基于p m u 量测的系统失步预测方法。该方法根据p m u 测 量并计算得出的各发电机的相对相角，选择和确定具有相似摇摆性的机组群，将每 一个机组群聚合为一台等效的发电机模型，通过相量测量对简化后的系统模型进行 状态评估，通过对摇摆方程的求解，预测各等效发电机的相角，检测预测相角，判别 机组群的失步情况。 就考虑系统简化模型的分析方法而言，由于其对系统模型进行了合理的简化， 既降低了计算量，提高了计算速度，又保留了必要的分析精度，因此在在线分析领 域中，具有较好的实用前途。 ( 3 ) 电压稳定【2 4 】 基于p m u 直接量测值的电压稳定分析方法，由于使用了基于p m u 量测的广域动 态数据，与传统方法相比具有明显的优越性：a p m u 直接量测值的更新频率远快于 传统的本地静态数据，可消除传统方法中固有的延时问题b 直接使用p m u 量测值进 7 华北电力大学硕士学位论文 行分析，可以避免在使用经过状态估计得到的数据时，可能存在的误差重叠带来的 数值不精确问题 文献 2 4 】基于p m u 直接量测，提出了用于电压安全水平预测的分类型决策树模 型，再结合p m u 的快速直接量测，可以迅速地完成在线电压安全评估，在运行过程 中为修正和预防措施的采取预留更多的时问。 ( 4 ) 解列控制【2 5 - 2 6 】 p m u 能够准确判断失步振荡中心的位置，且其数据具有很高的刷新频率，因此， 进行失步解列是p m u 很有前途的应用领域。 文献 2 5 1 提出了基于同步相量测量单元的预测型振荡解列方法，指出振荡中心 两侧母线电压的相角差反映了功角差，利用该相角差的变化速度及符号，可以辨别 同步振荡或、异步振荡、滑差等不同情况，并实现预测解列功能。在系统失步前实 施解列控制，加快控制速度。 文献1 2 6 1 提出的基于p m u 量测的电压角度差的新型孤立检测方法，与传统的基 于频率的保护系统相比，可以较大程度地提高检测的灵敏度。 2 稳态分析 2 7 , 2 8 ，2 9 】 虽然电力系统中开发和应用p m u 装置的主要目的是用于稳定控制，但其提供的 量测信息也为稳态领域中传统应用功能的改进和新应用功能的研究提供了新的数 据源。在在线参数测量、状态估计、潮流计算等方面应用广泛。 文献【2 7 】介绍了一种基于同步相量测量的输电线路参数在线测量方法，利用 p m u 测量线路的电压、电流同步相量，通过计算得到各序线路参数，能够随时提供 线路正序参数，在负荷不平衡度较大或所测线路附近发生不对称故障时，可在线计 算线路零序参数，相对于传统测量方法而言，具有设备简单、易于操作、精度高、 安全快捷等优点。 文献【2 8 】将p m u 量测与其它量测一起用于状态估计，针对非线性估计模型中， 很难直接利用p m u 支路电流量测特别是其相角量测的问题，提出了通过量测变换来 计及p m u 支路电流幅值和相角量测的模型，有效地在状态估计中利用了p m u 量测， 有利于状态估计精度的提高。 文献【2 9 】从p m u 可作为v 0 节点、潮流方程直接可解以及直接求解与v o 节点 相结合三个方面分析了p m u 高精度测量值在潮流计算中的应用，并从节点电压初值 选择的角度讨论了p m u 低精度测量值在潮流计算中的应用。其中应用p m u 高精度测 量值的潮流方程直接求解方法不需迭代计算，计算速度快，运行精度高。 3 继电保护应用功能【3 0 , 3 1 现代电力系统日趋复杂，对继电保护的要求也越来越高，传统的保护装置已经 8 华北电力大学硕士学位论文 无法适应要求，因此，必须引入以同步动态量测数据为基础的广域保护系统来适应 这些要求。直接利用广域信息完成继电保护功能是当前该领域的研究方向之一。 文献【3 0 】给出了基于p m u 量测的广域保护系统方案的总体设计，与常规保护方 案相比，具有能给出系统的动态描述，便于提高保护性能的优点。 文献 3 l 】在p m u 量测的基础上提出了距离保护的白适应整定方案，可以实现参 数的在线整定，克服了传统保护参数离线整定的诸多缺点，确保了保护装置对系统 的各种运行方式都有很好的灵敏度。 随着g p s 的全面适用于民用产品以及通信技术的发展，电力系统新一代动态安 全监测装置p m u 在国内外得以广泛使用。与传统的故障录波器比较，该装置可以直 接测量母线电压和线路电流的角度、频率，每个测量点都带有时间标签，计时误差 小于0 5 $ t s ，具有较强的实时性( 输出时延，即实时传送的动态数据时标与数据输 出时刻之时间差应不大于3 0 m s ，实时传送速率可达到1 0 0 次秒) 和较高的精度( 频 率测量误差不大于0 0 1 h z ，相角测量误差极限为0 5 0 ，幅值测量误差极限不大于 1 ，分别低于故障录波仪的5 0 和l o ) 。 1 3 本文所做的工作 本文主要进行了以下几方面工作： 1 总结目前基于信息源的几种故障诊断方法，并对其进行了深入分析；就p m u 的发展现状及其在电力系统动态安全分析与控制、稳态分析、继电保护等领域的应 用作了详细介绍。 2 在基于全网可观测的p m u 配置基础上，提出了应用于故障诊断的p m u 配 置方案，达到保证任一线路两端数据同步的目的，为输电线路的双端同步测距提 供了条件，并在i e e e l 4 节点系统和i e e e 3 9 节点系统中进行了具体分析。 3 在利用开关、保护信息对电网故障进行诊断的基础上，进一步利用p m u 所 得电气量信息诊断故障元件、判断故障类型和相别，同时对开关、保护的动作情况 进行评价。 4 针对p m u 所提供的线路双端同步信息，利用线路两端电压、电流的正序 分量对输电线路进行双端同步测距，并由p m u 测得的故障前线路两端的电压、电 流对线路参数进行修正以提高故障测距的精度，结合p m u 的配置，分别对故障线 路两端均装有p m u 和一端装有p m u 两种情况进行了a t p 仿真分析。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章p m u 应用于电网故障诊断的配置方案 剩用p m u 测量数据进行故障测距，可倮涯线路两端数据的同步性。如果全网 所有母线都安装了p m u ，自然可以直接得出电网中任一线路两端的同步数据，全 系缝是完全可观测戆，不需要进行任籍计算。僵出予经济性等因素的考虑，这种方 案髓前还无法实现，还不可能在全网完全配置p m u ，因此必须研究一种p m u 的优 讫鬣置方案，即在系统孛装设尽可麓少的p m u 面达刹系统的完全可观测性。 2 。2 系统的可观测性分析 毫老系统完全霹滋测是攒系统鲍量测集及分布是够孀以求解系统当前的状态， 电力系统的可观测性般从两个方面来进行分析： ( 1 ) 代数可蕊测性 一个有n 个节点、m 个测量向量的魄力系统，其线性量测模型可用下式表示： z = h x + e 式中，z 羚m 维测量囱鬣，鞣为m x ( 2 n - 1 ) 维测薰雅哥比矩阵，x 夷2 n - 1 维毫 压状态向量，e 为m 维测量误差。如果h 是满秩矩阵即r a n k ( h ) = 2 n 一1 ，则该系统 是代数可观测的。 辖拓扑霹观测性 从图论的角度可以将电力系统看作是一个由n 个顶点、b 条边构成的图g 瑞( v ， e ) ，其孛，v 表示图的顶点集合，嚣表示豳的边集合，他稍分鄹对应于系统的母线帮 支路的集合，测量网络构成了一个测量予图g 铀( v t ，e ，且y ，e 冬e 。如果测量 子集g 与图g 的关系满足矿篇矿，即子图g 包含了图6 的所有顶点，则该系统是拓扑 可观测的。 2 3p m u 的配置 一般来说，即使系统量测有冗余( 量测方程的维数大予未知数的个数) ，也未 必能够求解各个节点的电气艟的幅值和相角。此时就需要通过系统可观测性分析进 行测点布置，使得装设p m u 的节点可壹接测量，没有装设p m u 的节点也霹通过计 算间接测量，全网所有节点均可获得统时标下的数据，可满足任一线路两端数据 同步性的要求。 1 0 华藏电力大学硕士学证论文 2 。3 配置原理 p m u 霹露对溅量攀熹电莲襄支路宅溅程量，安装p m u 浆节点邀垂与支爨雹凌可 被越接测量，而未安装p m u 的节点电压与支路电流可以由虚拟测量的方法获得。所谓 囊擞溺羹就是不通过燕接测爨，剩焉与祷测量糨关熬测量量，撮蕹系统季节点鞠支鼹瀵 足的伏安特性、基尔糕夫定律进行计算，从而得出待测量。 1 p m u 配鬣规则 董萋任意一个带焘安装喜p m u ，剃该繁蕊胃麓瀑，恩该节点嚣备邻接繁赢也 可观测； ( 2 ) 若任意一个邻接节点个数必n 的零注入节点可观测，置n - 1 个邻接节赢可蕊 。测，裂其余邻接节点也霉观测； ( 3 ) 若任意个邻接节点个数为2 的零注入节点的2 个邻接节点均可观测，则该 带点哥观溅。 2 。襄发式搜索 由于常规模拟退火算法( s a ) 收敛速度慢，特别在系统节点彩、网络结构复杂的 蕊猿下更是懿诧。本文采蔫扇爱戴搜索算法与融耀结合，首先壹扇发式搜索冀法接窭 初始配鬣方案，再用s a 对其进行校正，得到最优配置方案。这种方法可以缩小模拟退 火法静搜索范丽，献褥提离了求群速度。 喜爨搜索效率低，耗费过多鳃计算空闻与辩闻，因此霈爨找到一种方法用予摊到待 扩展节点的顺序，即选择最商希望的节点加以扩展，从而提高搜索的效率。 进行搜索技术一般需要某些煮关兵髂避蘧领域羲特性豹髂惠，这静蓥崽蠲徽癌发蕊 息。启发信息按其用途可分为下列3 种： ( 1 ) 用于决定要扩展酶下一个节点，以免盲舀扩展# 翁在扩曩个节点麴过程孛，震予决定要生戎哪一令或弊冗个瑟继嚣点，黻免窘 目地同时生成所有可能的节点； 渤用于决定菜熊应该默搜索褥中擞弃或落剪豹节点。 剩髑启发信息的搜索方法就瑟堪徽疟发性搜索方法。 启发式搜索策略：假设初始状态、算符和目标状态的定义都是宪全确定的，然后决 宠一个攘索空阍。露越，薅题藏在予鲡胬有效穗搜索这个绘定空阕。意发武覆索爵疑燕 状态空间中对每一个搜索的位置进行评估，锝到最好的位置，再从这个位置进行搜索直 到目标。这样可以省略大量无谓的搜索瓣径，提高效率。 在魑发式搜索孛，黠盏薰静评健是+ 分重要鳇。采用蒌弱鳇译绱霹缓宥不圜鹪效暴， 崩发式搜索中的评估可用估价函数来表示，其般形式为：焖一释( n ) + h ( n ) 华北电力大学硕士学位论文 其中躺为节点n 的估价蘧数；g ( n ) 是在状态空闻中从初始节点到n 节点的实际代 价，鼬回是已知的，它代表搜索的广度优先趋势，当h ( n ) 或n ) 时，可以省略g ( n ) 以提 高效率；h ( n ) 是从n 节点到目标节点最佳路径的估计代价，它体现了搜索的启发信息， 又称为启发函数，启发殛数h q ) 所携带的痘发信息越多，搜索时扩展的节点数就越少， 搜索的效率就越高。 启发式搜索涉及两种运算溺： ( 1 ) 确定下一个扩展节点的元级计算 首先要构造启发式估价函数心，该函数基于指定问题领域的信息，通常是状态描 述的一个实数值涵数。一般约定，下一个要扩展的节点n 是霸僮最小的节点，并且当 下一个要扩展的节点是目标节点时，搜索过程终止。 ( 2 ) 扩展指定的节点和产生相应搜索路径的目标级计算 对董值最小的节点进行扩展，根据约定产生节点的一个后继节点或所有后继节点， 然后在后继节点上进行元级计算。如此反复，从而生成整个搜索空间，并在此空间中根 据节点的扩展路径，找到一条从初始节点到罄标点的，即求得阀题的一个解。 2 。3 。2 基本配置方案 1 初始方案配置原则 ( 1 ) 选定不必配置和必须配置p m u 的节点 麓邻接节点数为l 的节点( 如发电机变压器组的发电机机端节点 及邻接节点 数为2 的零注入节点( 如纯粹的只有两条线路的开关站) 不必配置p m u ； b 若某节点与邻接节点数为l 的节点相邻，且该节点为负荷或发电机节点( 如发 电厂商压侧母线) ，则该节点必须配置p m u ； c 对于两端节点中的任意一个节点不可观测的2 t 接线( 如图2 1 ( a ) ) ，其两端 节点必须配置p m u ， 3 t 接线( 如图2 。l ) ) 的中闻节点必须配置p m u 。 h r 鲁 七鲁 ( a )( b ) 图2 - 1t 型接线 ( a ) 2 t 接线( b ) 3 t 接线 2 ) 逐一确定下一个需要配置p m u 的节点 剩余节点中，若某节点配置p m u 后新增加的可观测节点数最多，且不会造成孤 1 2 华北电力大学硕士学位论文 立的不可观测负荷或发电机节点，茭| j 优先配置该节点。在新增可观测节点数相同的 情况下，优先配置新增可观测负荷或发电机节点最多的节点。在以上指标均相同的 情况下，优先配置邻接节点数最多的节点。 2 基于系统完全可观测的基本配置方案 根据初始配置原则，首先找出系统中的如下节点 a 邻接节点数为l 的节点； b 。邻接节点数为2 的零注入节点； c 与邻接节点数为1 的节点相邻的负荷或发电机节点； d 2 t 接线的两端节点和3 t 接线的中间节点。 再利用图论和系统的拓扑结构，基于启发式原则的快速拓扑搜索配置算法，褥 出p m u 配置的初始方案，对初始方案进行模拟退火校核从而得到基于系统完全可观 测的基本配置方案。 2 3 3 模拟退火校验 2 3 3 1 模拟退火算法介绍 模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却， 加温时，固体内都粒子随温辩交必无序状，志麓增大，丽徐徐冷却时粒子渐趋有序， 在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。根据m e t r o p o l i s 准则，粒子在温度t 时趋予平衡的概率为e x p ( a e k t ) ，其中e 为温度t 时的内能， a e 为其改变量，k 为b o l t z m a n n 常数f 3 ”。 用固体退火模拟组合优化问题，将内能e 模拟为目标函数值f 温度t 演化成 控制参数t ，得到解组合优化闯题的模拟退火算法：密初始解i 和控制参数初值t 开始，对巍前解重复“产生新解_ 计算目标函数差_ 接受或舍弃”的迭代，并逐步 衰减t 值，算法终止时的当前解即为近似最优解。退火过程由冷却进度表( c o o l i n g s c h e d u l e ) 控制，包括控制参数的初值t 及其衰减因子t 、每个t 值时的迭代次数l 和停止条件s 。 模拟退火算法可以分解为解空闻、嚣标函数和初始解三部分。 1 模拟退火算法的基本思想【3 4 】 ( 1 ) 初始化：初始温度t ( 充分大) ，初始解状态s ( 是算法迭代的起点) ， 每 个t 值的迭代次数l ； ( 2 ) 对k = l ，l 做第( 3 ) 至第6 步； ( 3 ) 产生新解s ； 1 3 华北电力大学硕士学位论文 妨计算增量& 屯 为评价鑫数； ( 5 ) 若t 0 ，然后转第2 步。 2 模拟退火算法的特点 ( 1 ) 与初始值无关，算法求得的解与初始解状态s ( 算法迭代的起点) 无关； 2 ) 具有渐近收敛性，已在理论上被证明是一种以概率l 收敛予全局最优解的全 局优化算法； ( 3 ) 具有并行性。 一 模拟退火算法的应用缀广泛，可以较高的效率求解0 1 背包闻题( z e r oo n e k n a p s a c kp r o b l e m ) 、图着色问题( g r a p hc o l o u r i n gp r o b l e m ) 、调度问题( s c h e d u l i n g + p r o b l e m ) 等等。 2 。3 3 。2 初始配置方案的模拟退火校验 1 模拟退火过程( 以系统的不可观测节点个数为配置指标) 根据初始方案的配置原则即可得出初始配置方案，按p m u 配置个数递减的方 案进行调整，调整后若配置指标为0 ，剡接受新方案替换原方案，继续迭代：羞配 置指标不为0 ，则原方案即为最优。 ( 1 ) 去掉一个初始p m u 配置节点，得到使p m u 配置个数减少的新的配置方案； ( 2 ) 利用模拟退火法搜索新的方案，如不黥找到使系统完全可观测的方案，则 初始方案即为最优，如能找到这种方案，则用新的方案替换初始方案，重新进行搜 索直到找到最优聚置方案。 2 模拟退火校验( 以系统中不可观测节点个数f 为配置指标) 得到初始配置方案后，将系统中n 个节点分为4 个部分依次排列，即该方案为 数字1 ，2 ，n 的一个排列。第一部分为前m 1 个数，表示系统中必须配置p m u 的节点；第二部分为紧接着的m 2 个数，表示初始方案中其余配置p m u 的节点；第 三部分为紧接着的m 3 个数，表示系统中不必配置p m u 的节点，第四部分为其余 m 4 个数，表示系统中其余没有配置p m u 的节点。 根据配置原理，第一部分和第三部分对应节点的p m u 配置情况已经确定，在 模拟退火过程中不需变动，只需调整第二部分和第罂部分。调整分为两种情况进行： ( 1 ) 将第二部分中的一个数放入第四部分，计算此时f ，若仁0 ，则用新方案代 1 4 华北电力大学硕士学位论文 替原初始方案，继续进行校验；若f 笋0 ，则原初始方案鄄为最优。 ( 2 ) 在数据区间l 一t m 2 ( t 为当前温度，取初始温度t o - - 0 2 0 6 ) 中选择一个 整数k ( 1 ) 作为参与调整的节点个数( 若t m 2 1 ，则k = 1 ) 。在第二部分中随 机选取k 个相邻的节点与第鳃部分中随机选取的k 个相邻的节点交换，计算此时 若f = 0 ，则新方案也可行；若f # o ，则新方案不可行。 2 3 。4 应用于故障诊断的配置方案 电璃发生故障时，系统运行方式和拓扑结构发生变化，会造成该条支路两侧的 节点有可能不能观溅。这两个节点的不可观测有可能影响其它节点的可观测性或在 计算未装有p m u 节点待测量时产生错误，这样就会影响故障诊断尤其是故障测距 的准确性。因此，在p m u 应用于赦障诊断的配置研究中就不能只考虑系统的可观 测性，还必须考虑系统的量测冗余。 当系统中某条线路发生故障时，至少需要知道该线路一端节点处的电气量信息 才能判断出该线路是否发生故障。基于这样的思想，应用予故障诊断的p m u 配置 方案必须保证在两相邻节点中至少有一个装设p m u 。 由以上分析可提出一种应用予故障诊断的配置方案：在所得基本配置方案的基 础上，在故障诊断的参考节点上装设一台p m u ，然后隔一个节点配置一台p m u 。 2 4 算例分析 2 4 1i e e e l 4 节点系统 i e e e l 4 节点系统接线如图2 2 所示。 1 7 1 乍三三三 图2 - 2i e e e l 4 节点系统接线图【3 5 】 1 5 华北电力大学硕士学位论文 l 。基本配置方案 ( 1 ) 初始配置方案 由系统接线图可知，节点7 为零注入节点，该系统中没有邻接节点数为1 的节点、 邻接节点数为2 的零注入节点和与邻接节点数为1 的节点相邻的负荷或发电机节点， 没有3 t 接线，节点6 、1 1 、1 0 、9 组成2 t 接线，其中节点6 、9 为其两端节点。 由初始方案配置原则，节点6 、9 必须装设p m u ，此时，可观测节点有4 、5 、6 、 7 、8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 。剩余不可观测节点l 、2 、3 中，节点2 邻接节点最 多，选择在节点2 装设p m u ，此时，系统均可完全观测。 壶以上分析可知，初始配置方案为在节点2 、6 、9 装设p m u ，可保证系统可完 全观测。 ( 2 ) 模拟退火校验 将系统中重碡个节点分为四个部分依次排列如下：6 、9 ( 掇1 ) ，2 ( 啦) ，( 趣3 ) ， 1 、3 、4 、5 、7 、8 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 ( i i l 4 ) ，其中第三部分中节点个数为0 。 模拟退火按第( 1 ) 种情况进行： 将