（电力系统及其自动化专业论文）基于广域测量的故障定位方法的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于广域测量的故障定位方法的 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：盔垒杰 日期： 堡! ! ：墨：兰乡 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 可以学术交流为目的，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内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：挫五 日 期：鲨! ! ：；：兰生 导师签名：兰羔尘 华北电力大学硕士学位论文 摘要 后备保护对保障电网安全运行至关重要，基于本地量的传统后备保护已不能适应 电网安全的要求，在有些情况下甚至是造成系统崩溃的助力。因此，研究基于电网全 局信息的后备保护系统势在必行。本文首先研究了保护关联域划分与更新、故障关 联域界定等方面的内容，在此基础上，分别提出了两种故障定位方法：一是基于故 障关联因子的故障定位方法，通过计算关联域内的故障关联因子判别故障支路。该 方法不受系统运行方式的影响，简便易行，能够在p m u 有限测点的情况下，灵敏、 可靠地识别故障位置。二是基于支路关联度的故障定位方法，通过计算关联域内支 路关联度确定故障位置。该方法无需修改网络矩阵，解决了故障后网络矩阵不确定 的问题，计算量小，易于实现。仿真结果验证了这两种方法的有效性和可行性。 关键词：故障定位，广域测量系统，保护关联域，故障关联因子，支路关联度 a b s t r a c t b a c k u pp r o t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt op o w e rs y s t e ms a f eo p e r a t i o n b u tt r a d i t i o n a l b a c k u pp r o t e c t i o nb a s e do nl o c a ls i g n a l sc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp o w e rs y s t e m s e c u r i t y ，a n de v e na c c e l e r a t e ss y s t e mc o l l a p s e i ns o m es i t u a t i o n s t h e r e f o r ei ti s i m p e r a t i v e t o s t u d yb a c k u pp r o t e c t i o ns y s t e m b a s e do ng l o b a li n f o r m a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e df o r m a t i o na n du p d a t i n go ft h ep r o t e c t i o nc o r r e l a t i o nr e g i o n ( p c r ) ， a n dc o n f i r m a t i o no ft h ef a u l tc o r r e l a t i o nr e g i o n ( f c r ) i nt h ef i r s ti n s t a n c e o nt h i sb a s i s ， t w od i f f e r e n tf a u l tl o c a t i o nm e t h o d sw e r ep r o p o s e d ：o n ew a sb a s e do nf a u l tc o r r e l a t i o n f a c t o r ( f c f ) i tc a l c u l a t e df c f i nr e a lt i m et ol o c a t et h ef a u l t t h i sm e t h o dw a si m m u n e t ot h em o d eo fo p e r a t i o na n dw a sa b l et oi d e n t i f yf a u l tl o c a t i o ns e n s i t i v e l ya n dr e l i a b l y w i t hl i m i t e dm e a s u r e m e n tp o i n t s a n dl e s sc o m p u t a t i o n t h eo t h e rw a sb a s e do nb r a n c h c o r r e l a t i o nd e g r e e ( b c d ) i tc a l c u l a t e db c di nr e a lt i m et ol o c a t et h ef a u l t t h i sm e t h o d s o l v e dt h eu n c e r t a i n t yo fp o s t f a u l tn e t w o r km a t r i x ，t h u sn e e d e dn om o d i f i c a t i o no f n e t w o r km a t r i x ，a n dh a dl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d t h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h et w om e t h o d s k e yw o r d s ：f a u l t l o c a t i o n ，w i d e a r e am e a s u r e m e n t c o r r e l a t i o nr e g i o n ，f a u l tc o r r e l a t i o nf a c t o r , b r a n c hc o r r e l a t i o n l ij i n l o n g ( e l e c t r i c p o w e rs y s t e m d i r e c t e db y s y s t e m ，p r o t e c t i o n d e g r e e a n di t s a u t o m a t i o n ) p r o f y a n gq i x u n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究背景与意义l 1 2 故障定位方法的研究现状2 1 3 论文主要工作4 第二章广域保护系统结构5 2 1 概述5 2 2 广域保护系统结构比较5 2 2 1 分散式结构5 2 2 2 变电站集中式结构。5 2 。2 3 区域调度集中式结构6 2 3 故障定位系统的结构选择6 2 4 j 、l 右6 第三章保护关联域的划分与更新7 3 1 概j 盎7 3 2p m u 的配置7 3 2 1 电力系统的可观性7 3 2 2p m u 配置方法8 3 3 保护关联域的划分9 3 3 1 保护关联域的初始拓扑分析9 3 3 2 基于开关变位信息的保护关联域快速更新。l o 3 4 仿真结果与分析l l 3 4 1p m u 配置结果1 l 3 4 2 保护关联域的初始拓扑分析1 1 3 4 3 保护关联域的更新1 3 3 5 小结。1 4 第四章 基于故障关联因子的故障定位方法15 4 1 概述15 4 2 故障关联域的界定1 5 4 3 故障关联因子1 6 4 4 仿真结果与分析2 0 4 4 1 故障关联域的界定2 0 4 4 2 故障支路确定2 1 华北电力大学硕士学位论文 4 5 小结2 2 第五章基于支路关联度的故障定位方法2 3 5 1 概j 态2 3 5 2 故障附加电流的分配原理2 3 5 2 1 故障位置不确定对系统矩阵的影响2 3 5 2 2 故障附加电流的分配原理2 4 5 3 故障定位2 5 5 3 1 支路关联度2 6 5 3 2 故障定位方法与流程2 7 5 3 3 支路关联度的故障匹配特征分析2 8 5 4 仿真结果与分析2 9 5 4 1 故障匹配特征验证2 9 5 4 2i e e e 一9 节点系统故障定位结果与分析3 1 5 4 3 新英格兰l o 机3 9 节点系统故障定位结果与分析3 2 5 5 小结3 3 第六章结论3 4 参考文献3 5 附录4 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 2 华北电力大学硕一l ：学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第一章引言 随着我国电力需求的快速增长，“西电东送，南北互供，全国联网”战略的实 施，我国正在形成一个弱联系的全国互联大电网。预计2 0 2 0 年前后，我国电网装 机容量将从2 0 0 9 年的8 5 亿千瓦升至1 6 亿千瓦，年发电量将超过7 7 0 0 0 亿千瓦时， 西电东送容量将超过1 5 亿千瓦，同时将建成“四横六纵 的超大规模多受端的互 联电网。电网结构上的复杂性和运行控制的难度之大在世界范围内也是罕见的。而 且，伴随着我国电力工业市场化的进程，各互联电网之间的功率交换将越来越频繁， 输电线路也日趋工作于稳定极限边缘。在这种情况下，如何保证复杂大电网的安 全运行是一项非常有挑战性的任务。 继电保护是保障大电网安全的第一道防线。保护装置正确、快速、可靠的动作， 将有效遏制系统状态恶化，起到保障电网安全可靠运行的作用；反之，可能将加速 系统崩溃过程，导致大面积、长时间的停电。c m r g 的一项研究表明，2 7 的电力 系统扰动可以归因于保护系统的误动作。北美电力可靠性委员会( n e r c ) 统计了 1 7 年的事故数据，发现6 3 的电力系统事故和继电保护不正确动作有关。对近3 0 年来国内外频繁发生的大停电事件调查也表明：大停电事故往往引发于保护配合不 当与连锁反应。2 0 0 3 年8 月1 4 日，“美加大停电”事故就是由于美国俄亥俄州北部 a k r o n 到c l e v e l a n d 之间的4 条联络线因过负荷被后备保护切除而快速扩展。2 0 0 6 年7 月1 日，5 0 0 k v 嵩山至郑州两回输电线因故障保护误动相继切除，直接造成豫 西、豫中多条2 2 0 k v 线路因严重过载被后备保护切除，致使豫西地区大面积停电。 因此，在复杂大电网环境下，审视传统继电保护存在的问题，研究新的保护原理与 配置方案是保障电网安全的重要内容。 继电保护的任务是反映被保护元件的故障和不正常运行状态，按照功能可分为 主保护与后备保护1 2 】。其中主保护只担负着快速切除被保护元件故障的任务，基本 不受系统运行方式的影响。随着光纤通道的应用，基于双端电气量的高压、超高压 系统主保护技术已日臻成熟。而后备保护还担负着做相邻电气元件远后备的任务， 由于存在着变电站直流电源失效的可能，这一责任是不能取消的【3 1 。现有电网中的 后备保护仅反应保护安装处的信息，受电网拓扑连接关系与运行方式的影响。为保 证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置与整定；为保证其选择性，不得不 牺牲后备保护的快速性与灵敏性【4 】。同时由于电网结构同趋复杂，就导致： 1 ) 后备保护配合关系复杂，动作时间长。严重时有可能不满足系统稳定性所 华北电力大学硕上学位论文 要求的极限切除时间，进而成为大电网的安全隐患。 2 ) 后备保护配置与整定的难度大，且不能跟踪系统运行方式的变化，甚至可 能出现保护失配或灵敏度不足的情况。 3 ) 后备保护不能区分内部故障与故障切除后引起的潮流转移，这有可能导致 重负荷情况下的后备保护连锁跳闸。 在大停电事故中，就出现了尽管电力系统后备保护按照设计原则正确动作，但 是客观上却加快了系统崩溃的现象【5 】。因此，考虑电网全局信息的后备保护系统研 究迫在眉睫。 广域同步测量系统( w a m s ) 为在后备保护中引入系统信息提供了可能。w a m s 一是可以同步获取全网内的电气相量，实现了电力系统动态过程的监测；二是将量 测量的更新速度由几秒缩减到几十毫秒，为实现电力系统动态过程控制创造了条 件，使得从电网整体最优的角度进行后备保护的设计成为可能 6 - 9 j 。因此，国内外 广泛开展了基于w a m s 的电力系统保护的研究。国际上，广域同步相量测量( p m u ) 技术及w a m s 的概念首先由美国研究工作者提出，于上世纪9 0 年代初开始在美国 一些电网上安装【1 0 。12 1 。2 0 0 3 年“美加大停电 事故后，美国能源部在美国东部电网 启动了同步相量测量网络与大电网保护项目e i p p ( e a s t e r ni n t e r c o n n e c t i o np h a s o r p r o j e c t ) 。2 0 0 6 年扩展到整个北美地区，更名为n a s p i ( n o r t ha m e r i c as y n c h r o p h a s o r i n i t i a t i v e ) ，并制定了l o 年研究计划，以解决复杂大电网的动态安全监控与保护问 题【4 1 。 我国自1 9 9 6 年起，陆续在南方、西北、华东、四川等区域电网构筑了实时动 态监测系统。2 0 0 3 年，首次颁布电力系统实时动态监测系统技术规范，之后先 后在三峡电力系统( 左岸) 、华北电网及东北电网构筑了实时动态监测系统。2 0 0 4 年和2 0 0 5 年东北电网曾利用w a m s 进行了2 次大扰动试验，通过p m u w a m s 系 统进行记录和分析；华东电网于2 0 0 5 年开始建设广域监测分析与保护控制系统 ( w i d ea r e am e a s u r e m e n ta n a l y s i sp r o t e c t i o ns y s t e m ，w a m a p ) ，在w a m s 系统的基础 上实现保护及控制功能【”】。这为研究构建我国复杂大电网的后备保护系统提供了绝 佳的支撑平台。 广域后备保护系统的目标是当电网故障时快速查找故障元件，以尽可能快的动 作和尽可能小的范围切除故障元件【1 6 】。因此，研究基于广域测量的故障定位方法， 具有很重要的理论价值和现实意义。 1 2 故障定位方法的研究现状 广域同步相量测量技术的应用，使得继电保护系统可利用的信息资源发生了根 本性的变化，从而引发继电保护在配置、原理、整定以及实现技术等方面的重大变 2 华北电力大学硕1 ：学位论文 革。广域后备保护系统可采集多点信息，不必牺牲动作时间来保证选择性，可以根 据广域信息定位故障，在主保护拒动、断路器失灵等情况下克服后备保护动作时间 过长、停电范围扩大的问题，还可以防止故障后相邻线路过负荷导致后备保护误动 作的现象。 目前国内外广泛开展了广域后备保护系统的研究，以利用广域同步信息改进和 提高后备保护的性能。作为广域后备保护的一个关键环节，目前基于广域测量的故 障定位方法，大体上可以分为两类：一类是利用保护动作信息和断路器状态进行判 断，确定故障元件，如依靠专家系统集中决策的方法1 1 7 】：另一类是利用电气量信息 判断故障，如基于多点测量信息的广域电流差动方法【1 8 】，基于方向比较原理【1 9 】的方 法和基于纵联比较原理【2 0 】的方法等。 文献 1 7 】提出了建立基于专家系统的广域后备保护系统。该系统采用集中决策 的结构形式，通过采集故障相邻区域四段距离保护( i t - 向三段加上反向一段) 的判断 结果，运用专家系统的知识进行决策，判断故障具体位置，并能处理诸如断路器失 灵、保护拒动等问题给故障判断带来的影响。 文献【2 l 】提出利用保护方向信息与母线差动保护动作信息定位故障的后备保护 方案。首先建立变电站故障与信息量输出间的关系表，故障时通过保护方向信息向 量和关系表中向量的距离确定故障元件。在有数据传输错误的情况下，仍能得到正如 确结果，有较好的容错性能。 文献【1 8 】提出基于电流差动原理的广域后备保护系统，将差动保护的范围从一 个元件扩展到该元件相邻的区域。故障发生后用广域差动判据定位故障。 赢 文献【1 9 】提出一种收集保护方向信息进行集中决策的后备保护原理。根据发电 厂或变电站的主接线形式和方向元件位置，分别形成厂站内一次设备和厂站出线对 应的一次设备方向元件关联矩阵。系统发生故障后，根据方向元件指示的故障方向 信息和一次设备方向元件关联矩阵形成一次设备故障方向关联矩阵，据此确定具 体的故障元件。 文献【2 0 】提出根据故障方向信息进行决策的广域保护原理。首先划定每个保护 i e d 的主保护范围和后备保护范围，同一个保护范围内的保护i e d 相互交换信息。 通过综合比较同一个保护范围内所有i e d 的故障方向信息确定故障元件。 文献 2 2 】提出了一种基于增广状态估计的广域继电保护算法。用差动原理和方 向信息确定故障元件；通过坏数据检测和辨识排除坏数据引起的误判，提高故障定 位的准确度。 文献【2 3 】提出一种应用于舰船电力系统的故障定位方法：划分差动保护的内部 保护区、增广保护区和最大保护区。当最大保护区保护启动时，对每个内部保护区 进行故障判别，并用增广保护区校验判断结果，以排除错误数据引起的误判。 文献 2 4 】提出一种基于广域测量的故障定位算法。该方法每隔一条母线配置一 3 i 华北电力大学硕上学位论文 个p m u 。故障发生后，首先判断故障发生的区段。在故障区段内迭代求解线路方 程，计算故障位置。利用故障位置的计算结果确定故障线路。 文献 2 5 提出一种基于电压匹配指标故障定位算法。故障发生后，在每条线路 上每个步长的位置，计算系统矩阵。用遍历搜索的方法，计算每个位置的电压匹配 指标。取匹配指标最小的点为故障位置，该点所在的支路为故障支路。 1 3 论文主要工作 本文首先研究了保护关联域划分与更新、故障关联域界定等方面的内容，在此 基础上，分别提出了基于故障关联因子和基于支路关联度的故障定位方法。具体研 究内容如下： ( 1 ) 研究了保护关联域快速更新及故障关联域界定的方法。该方法在系统正常 运行时，根据p m u 的配置和网络拓扑结构，划分保护关联域；根据开关变位信息， 借助启发式搜索技术实时更新保护关联域；在系统发生故障情况下，根据差动电流 故障稳态分量界定故障关联域。 ( 2 ) 提出了基于故障关联因子的故障定位方法。在故障发生后，通过实时计算 故障关联域内的故障关联因子，确定具体的故障支路。新英格兰1 0 机3 9 节点系统 的仿真结果表明该方法不受系统运行方式的影响，能够灵敏、可靠地识别故障支路。 ( 3 ) 提出了基于支路关联度的故障定位方法。在故障发生后，实时计算故障关 联域内的支路关联度，以此确定故障位置。该方法无需修改网络矩阵，解决了故障 后网络矩阵不确定的问题，计算量小，易于实现。i e e e 9 节点系统和新英格兰lo 机3 9 节点系统均验证了该方法的正确性和有效性。 4 i 一 华北电力大学硕上学位论文 2 i 概述 i 第二章广域保护系统结构 本章比较了广域后备保护系统三种结构的优缺点，选择了区域调度集中式结构来实 现本文的故障定位方法。研究了该结构下故障定位的实现过程。 2 2 广域保护系统结构比较 广域后备保护系统的基本结构可以分为3 类【1 9 】：分散式广域后备保护系统，即广域 后备保护系统的核心决策系统位于分散的智能电子设备( i e d ) 内；变电站集中式广域后 备保护系统，即广域后备保护系统的核心决策系统位于变电站内；区域调度中心集中决 策式广域后备保护系统，即广域后备保护系统的核心决策系统位于区域调度中心。 2 2 1 分散式结构 分散式结构只在各测量点装设i e d ，不设中央单元。每个i e d 的地位是平等的，它扫 们完成的功能主要有：采集安装点的模拟量信息和开关量信息，与其它l e d 进行对等? 通信，根据自身信息和其它l e d 的信息做出保护和控制策略，执行跳、合开关的操作【2 6 1 。 分散式结构将保护和控制功能完全分散到各个l e d 中完成，它对l e d 的要求比较， 高，需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执 行功能。分散式结构的系统受l e d 故障的影响较小，某个l e d 故障一般不会影响到整 个保护系统工作，因此除了特别重要的测量点，一般没有必要对l e d 进行双机或多机 备用配置。分散式结构通信延时较短，但是获得的信息有限，而且数据分析能力和决策 能力有刚z ，所作出的保护和控制策略不能做到全局最优。 2 2 2 变电站集中式结构 变电站集中式广域后备保护系统在变电站的每个测量点处都装设终端设备，在变电 站内设置中央单元。终端设备完成的功能主要有：采集安装点的模拟量信息和开关量信 息；对信息进行简单的处理；向中央单元上传信息，接收来中央单元的命令信息；根据 接收的命令信息执行跳、合开关的操作。中央单元接收保护系统所在变电站及相邻变电 站内智能电子设备的信息，完成广域保护系统的各种功能，做出保护和控制决策后，再 经通信系统下达至终端设备执行【2 6 1 。 以变电站为中心的集中式结构对变电站级的决策系统有较高的依赖性。为了提高可 靠性，避免因某套决策支持系统故障而造成整个保护系统退出运行，可以采用冗余方式 华北电力人学硕十学位论文 提高系统的可靠性【19 1 。 2 2 3 区域调度集中式结构 区域调度集中式广域保护系统从整个电力系统采集数据，在区域调度控制中心集中 进行数据分析和控制决策，然后把控制命令发给各个终端以实施保护和控制。由于是从 整个系统的角度来分析和决策，可以做到全局最优控制，更能体现广域保护的优势。区 域调度集中式结构对通信系统的依赖程度很高，通信系统的可靠性和实时性对整个系统 的功能实现至关重要。但在通信系统和分析决策系统的能力达到要求的f j f 提下，区域调 度集中式结构优于其它结构【27 1 。 2 3 故障定位系统的结构选择 本文的故障定位系统采用区域调度中心集中决策式结构，如图2 1 所示，调度控制 中心的广域后备保护决策支持系统，利用分散安装在变电站内的p m u 测量装置实时提 供的广域同步信息，起决策协调作用。在电力系统正常运行情况下，监视系统运行状态， 跟踪系统拓扑变化，实时更新保护关联域。一旦电力系统发生故障，快速界定故障关联 域，确定故障位置。 2 4 小结 图2 一l广域保护系统结构 本章比较了三种广域后备保护系统结构的优缺点，研究了基于区域调度集中式结构 的故障定位实现过程。 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章保护关联域的划分与更新 本章研究了保护关联域划分与快速更新的方法。该方法在系统正常运行时，根 据p m u 的配置和网络拓扑结构，划分保护关联域；根据开关变位信息，借助启发 式搜索技术实时更新保护关联域。 3 2p m u 的配置 在所有的厂站配置p m u 会大大改善电力系统的监控水平。但是，要对每个厂 站都配置p m u 需付出极大的代价，主要原因是：p m u 价格不菲；厂站的通信 条件制约了p m u 布点的实施，有时通信设备的费用远高于p m u 的费用；由p m u 带来的海量数据对主站系统的数据处理水平要求较高【2 引。由此可见，如何选择恰当 的p m u 安装地点非常重要。 一般来说，p m u 测点的选取需要满足电力系统的可观性和经济性。p m u 最优 配置问题是指确定配置p m u 的最小数目和最合适的位置，以达到最大的网络结构 可观性和较大的数据冗余度。由于至今还无法直接得到同时满足系统可观测性和经 济性的最小p m u 配置数引2 9 1 ，因此对这类问题都是利用迭代试探方法求解。 3 2 1 电力系统的可观性 考察一个系统是否可观，通常可以从代数可观与拓扑可观两个角度来分析【30 1 。 ( 1 ) 代数可观 一个有个节点、m 个量测量的电力系统可以用下面的线性量测模型来描述： z = h x + v ( 3 - 1 ) 式中：z 为m 维测量矢量：h 为m ( 2 - 1 ) 维测量雅可比矩阵：x 为2 - l 维电压状 态矢量；v 为m 维测量噪声矢量。 代数可观性的理论基础就是系统线性量测模型可以直接求解，换句话说，如果 r a n k ( h ) = 2 n - 1 ，即日满秩，则可认为系统是代数可观的。 ( 2 ) 拓扑可观 从图论的角度可以将电力系统看作一个由个顶点、b 条边构成的图g = ( y ， e ) ，其中v 表示图的顶点集合，e 表示图的边集合，它们分别对应于系统的母线与 7 华北电力大学硕上学位论文 支路集合。测量网络构成了一个测量子图g k ( 矿，e 。) ，并有y y ，e 7 e 。如果 测量子图g 与图g 的关系满足y v ，即子图g f 包含图g 的所有顶点，则系统是 拓扑可观的。 系统代数可观即意味着系统拓扑可观，反之不一定成立，即系统拓扑可观，并 不一定能得出系统代数可观的结论【3 。 3 2 2p m u 配置方法 目前p m u 的配置方法，主要是为了实现以下几个目标： ( 1 ) 系统不完全可观时p m u 效用最大【2 8 j ； ( 2 ) 系统正常运行时全网可观i j 2 j ； ( 3 ) 系统n l 状态或发生连锁故障情况下，保证全网可观【3 3 j ；或者与关键线路 相连的节点可观，而剩余母线仅在正常情况下完全可观【3 4 】； ( 4 ) p m u 退出一台时，保证系统完全可观【3 5 j ： ( 5 ) 满足特殊应用的要求：如使得状态估计精度达到最高【3 引，使潮流方程直接可 解【37 1 ，发电机功角稳定监视【38 1 ，电压稳定在线监视【3 9 1 ，识别潮流转移3 1 ，以及故障 定位1 2 4 2 5 】等。 保证系统可观性的p m u 配置方法主要有两类：一类是基于图论的优化算法， 利用系统的网络拓扑关系和p m u 的配置规则，寻找一种能使系统完全可观的算法， 主要有深度优先搜索法、改进的深度优先搜索法、末端节点优先考虑的方法、最小 生成树算法和最大测量树算法等；一类是智能算法，包括模拟退火算法、遗传算法、 改进的遗传算法、禁忌搜索算法和粒子群算法等。 在没有故障存在的情况下，p m u 的配置需要满足如下四个规则【35 】： ( 1 ) 支路一端电压和电流相量已知，由支路约束方程可以求出另一端电压相量。 ( 2 ) 一条支路两端电压都已知，该支路电流可计算出来。 ( 3 ) 与未配置p m u 的无注入节点相关联的支路电流仅一个未知，由基尔霍夫 电流定律( k c l ) 可求出该支路电流。 ( 4 ) 与一个无注入节点相邻的所有节点电压相量全部已知时，可由节点方程求 出该无注入节点的电压相量。 这四条规则是由基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律和系统的拓扑约束决定 的，在系统正常运行或者故障切除之后完全适用。然而本文所研究的故障定位问题， 需要在故障过程中实现。故障发生后，由于故障位置尚未确定，以上规则不能完全 应用，例如：( 1 ) 若某条支路一端装有p m u ，则该支路另一端的节点电压不能被虚 拟测量；( 2 ) 若某条支路两端节点电压已知，则该支路电流不能被虚拟测量。这是因 为故障支路不确定时，如果将无故障情况下的元件约束和拓扑约束应用于故障支 路，将得到错误的虚拟测量值。 8 华北电力大学硕士学位论文 然而在故障期间，以下规则仍然适用【3 6 引】： ( 1 ) 一个已经配置了p m u 的节点，其电压及连接到该节点的每条支路的电流 都能被测量。 ( 2 ) 若某个无注入节点有k 条支路相连，其中如1 条支路电流已知，则第k 条 支路电流能被虚拟测量。 ( 3 ) 若疗个有注入节点与某个无注入节点网络相邻，且该无注入节点网络没有 形成环路，则只需在玎个有注入节点上配置p m u 即可满足无注入节点网络可观； 若无注入节点网络中某些节点形成了环路，则在环路中出线数最多的无注入节点上 加装p m u 即可满足该网络可观。 实际电网发生故障后，必然要经历一个暂态过程，使得电网各节点的注入电流 ( 发电机和负荷电流) 随之发生变化，这是由于故障扰动对系统中的一些发电机出力 和负荷有较大的影响，使得在扰动发生后的暂态过程中，这些发电机和负荷节点的 网络注入电流产生了较大的变动【3 1 。因此，需要在所有的发电机和负荷节点配置 p m u ，测量发电机和负荷的电流变化，跟踪系统的实际运行状态。在此基础上，应 用以上规则，确定其余节点的p m u 配置情况。 ”+ 3 3 保护关联域的划分 保护关联域的划分是一个拓扑分析的过程，在系统正常运行时，可以通过分析 节点的连通性来实现。当系统运行方式发生改变时，为确保正确的配合关系，。需要 及时更新关联域。 3 3 1 保护关联域的初始拓扑分析 保护关联域可在系统正常运行时，由网络的拓扑结构和p m u 的配置情况划分。 保护关联域的初始拓扑分析如下： 步骤1 ：按配置p m u 的节点在前，未配置p m u 的节点在后的顺序形成网络的 节点关联矩阵a 。 a = 隐 ( 3 - 2 ) 其中a l l 为配置p m u 的节点之间的关联矩阵，a 2 2 为未配置p m u 的节点之间的关 联矩阵，a 1 2 为配置p m u 的节点和未配置p m u 的节点之间的关联矩阵。 步骤2 ：根据关联矩阵a l l ，将配置p m u 的节点中任两个相邻的节点划分为一 个保护关联域，定义为狭义关联域。 9 华北电力大学硕士学位论文 步骤3 ：根据关联矩阵a 2 2 ，用布尔矩阵算法形成未配置p m u 节点的可达性矩 阵，由可达性矩阵分析这些节点的连通性。对于连通的节点，将其等效为一个广义 未配置p m u 的节点( 以下简称广义节点) 。 步骤4 ：将未配置p m u ( 包括广义节点) 的节点向外延伸至相邻的已配置p m u 的节点，并将已配置p m u 的节点包围的区域划分为一个保护关联域，定义为广义 关联域。 3 3 2 基于开关变位信息的保护关联域快速更新 在完成保护关联域的初始拓扑分析之后，当电网发生正常开关变位事件时，需 要实时更新关联域。当调度员人为改变某些开关的状态时，发生变位的开关通常只 有少数几个，即网络结构仅发生局部变化。 保护关联域的快速更新可根据这个特点，采用启发式搜索技术完成【4 2 。4 3 1 。通过 对原有关联域划分的结果进行局部修正，避免了重新对全网做拓扑分析的过程，极 大减少处理时间。针对不同的开关变位事件，分两种情况进行分析： 如果连接节点f 、，的开关发生“合”事件，保护关联域的更新情况如下： ( 1 ) 若节点f 、，均配置了p m u ，则这两个节点将形成一个新的关联域。 ( 2 ) 若节点f 未配置p m u ，节点，配置了p m u ，且开关合位前节点f 、，属于同 一关联域，则所有关联域不变；否则，将节点，加入节点f 所属的关联域。 ( 3 ) 若节点f 、，都未配置p m u ，且开关合位前f 、，属于同一关联域，则关联域 不变；若开关合位前f 、，属于不同关联域，则将节点f 、，所属的两个关联域合并。 如果连接节点f 、，的开关发生“开”事件，保护关联域的更新情况如下： ( 1 ) 若开关两端节点i 、，均配置了p m u ，则在开关断开后，将节点f 、，构成的 关联域删除。 ( 2 ) 若节点，未配置p m u ，节点，配置了p m u ，且开关变位前节点，仅通过一 条支路与节点f 或节点f 所属的广义节点相连，则在开关断开后，需要将节点，从 节点f 、，所属的关联域内删除；若开关变位前节点，通过多条支路与节点f 或节点 ，所属的广义节点相连，则关联域不变。 ( 3 ) 若节点f 、，都未配置p m u 。开关断开后，由可达性矩阵判断节点j 和，是 否仍属于同一广义节点。若两个节点不属于同一广义节点，则删除该关联域；重新 建立节点f 、，各自的关联域；若两个节点属于同一广义节点，即两个节点所属的关 联域仍然连通，则关联域不变。 从以上分析步骤可以看出，要实现基于启发式搜索技术的保护关联域快速划 分，先决条件是关联域的初始拓扑分析。初始分析会耗费一定的时间，然而在连续 的运行环境下，这些分析一旦完成，以后的分析只是在此基础上做少许修改。因此， 该算法可以大幅减少搜索节点数目，缩短拓扑跟踪时间，有效提高实时性。 1 0 3 4 仿真结果与分析 华北电力大学硕士学位论文 以新英格兰1 0 机3 9 节点测试系统( 系统结构见附录a ) ，对保护关联域划分和 快速更新算法进行全面的分析和验证。 3 4 1p m u 配置结果 根据p m u 的配置规则，可以得到p m u 的配置情况如表3 1 所示。 表3 1p m u 配置情况 配置p m u 的节点未配置p m u 的节点 3 , 4 , 7 ，8 , 1 2 , 1 5 , 1 6 , 1 8 , 2 0 , 2 1 , 2 3 ，, ( 2 4 ，, ，2 5 , 2 6 , 1 ，2 ，5 ，6 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 3 ，1 4 ，1 7 ，1 9 ，2 2 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，31 ，3 2 ，3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 ，3 7 ，3 8 ，3 9 一。一 ”一 3 4 2 保护关联域的初始拓扑分析 根据网络拓扑和p m u 配置的情况，按照配置p m u 的节点在前，未配置p m u 的节点在后的顺序，形成系统的节点关联矩阵a 及其各个部分a 1 1 、a 1 2 和a 2 2 ，如 下所示。 a l l2 ( 3 3 ) l l o o o 0 o o o o 0 0 0 0 0 o 0 o o 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 o 0 0 o o o 0 o o o o o o o o l o o o o o o 0 o o 0 o o 0 o o o 0 o 0 0 o l o o 0 o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o 0 0 o o 0 o 0 o 0 o 0 0 o 0 o o o 0 0 o 0 0 o 0 o 0 0 o 0 0 o o o o 0 0 0 o o l o 0 0 o o 0 o 0 o o 0 0 o o 0 0 o o 0 o 0 0 0 o ，o o o 0 o o 0 0 o o 0 o o o o o o o o o o o o 0 o l o o 0 o 0 o o o o o 0 0 o 0 o o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 1 o o 0 o o o o o o 0 o o o 0 0 o 0 o o 0 o o 0 o 0 o o o 0 0 o o o o o 0 0 o o o 0 0 o o 0 o o 0 0 o o o o 0 o 0 o o 0 o o 0 0 o 0 o 0 0 o o o o l 0 l l o 0 o 0 0 o o o 0 o o 0 0 o o o o 0 0 o o 0 1 o l o o 0 o o o o 0 o o o 0 o o o o o 0 o 0 0 o 0 l 0 o o 0 o 0 o o 0 o o o o o o 0 0 o o o o 0 o 0 l l ll o o o 0 0 o 0 o o o o o o o 0 0 o 0 o 0 0 0 1 o o 0 o o 0 o o o o 0 o o o o o 0 0 o o 0 o o o o o o 0 0 o o o o 0 0 o 0 0 o 0 0 o o o o 0 l 0 o 0 o 0 0 o 0 o 0 o o 0 o o 0 0 o o 0 l 0 0 0 0 o 0 o 0 0 0 o o 0 o 0 o o o o 0 0 o o 0 o o 0 o o 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 o o o o l o o o o o o l 0 o o 0 o o o o o 0 o 0 o o o o 0 o o 0 0 0 o o 1 0 0 l 0 0 o o 0 0 o 0 0 o 0 0 0 o 0 0 o o o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o o o 0 o 0 o 0 o 0 o o o 0 0 0 0 o o o 0 0 0 0 0 o 0 o 0 0 0 o 0 o 0 o o o 0 o ，l o o o 0 0 o o 0 0 0 o 0 o 0 o o o o o o o o 0 o 0 l o o o 0 0 0 o o 0 o o 0 o o o o o o o o o o o l 0 0 0 0 0 o o 0 0 o o 0 o o o 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o l ，0 o o o 0 0 0 o 0 0 o o o o 0 0 0 o o o 0 0 o 0 a 1 2 = a 2 22 华北电力大学硕士学位论文 t ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 将a 1 内每个不为零的非对角元素对应的两个节点划分为一个狭义关联域，划 分结果如表3 2 所示。 表3 2 狭义关联域的初始拓扑分析结果 由a 2 2 ，形成未配置p m u 节点之间的可达性矩阵m ，如式( 3 6 ) 所示，可达性 矩阵中元素相等的行对应连通的未配置p m u 节点。将连通的节点等效为一个广义 节点。由矩阵m 可知，该系统有2 个广义节点，与4 个未配置p m u 的单个节点一 起，共形成6 个广义关联域。然后根据a 1 2 搜索与每个未配置p m u 节点( 包括广 义节点) 相邻的配置p m u 的节点，与该节点划归同一关联域。 1 2 1 0 0 0 ，0 o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o 0 o o 0 0 o o 0 0 o 0 o 0 0 o o 0 0 o 0 0 o o 0 o 0 0 o 0 o o 0 o 0 0 0 o o 0 0 0 1 o o o o 0 o o o o o 0 0 o o 0 o 0 0 0 o o o 1 0 0 o 0 0 0 l