基于两点相量测量辨识的现代配电网故障建模方法

1、1.引言2.现代配电网故障建模的TPMI方法3.TPMI在配电网谐波故障分析中的应用案例4.TPMI方法在配电网低频功率振荡分析中的应用5.TPMI方法的应用展望 解决电力系统故障问题的需求是推动电力系统故障建模技术发展的主要原动力。 近年来，由于分布式电源和电力电子装置大规模地接入配电网，使现代配电网成为本质上随机的时变非线性巨系统，基于广域测量辨识（wide-area measurement identification，WAMI ）方法建立的系统模型适用于多节点大规模电力系统分析。应用电力系统模型分析局部配电网电力故障，则存在建模复杂、故障分析准确性差、难以给出满意的解决方案的问题。 作

2、者在解决大功率电力电子设备引发的配电网谐波故障和高密度不确定性分布式电源引发的配电网低频功率振荡等故障时，提出一种基于两点相量测量辨识（two-point phasor measurement identification，TPMI）的现代配电网故障建模方法，应用TPMI方法建立的故障模型分析局部电力故障建模简单、故障分析准确、能够给出满意的解决方案。 本报告的重点是作者在现代配电网建模中提出的新概念、新方法，并通过工程案例验证其正确性、可用性。2.1 2.1 现代配电网的基本特性现代配电网的基本特性 工农业的规模化、电力电子装置的大量应用和分布式电源的高密度接入配电网，使配电网的非线性、负荷

3、节点功率潮流的不确定性、冲击性、不对称性越来越严重，随之配电系统的故障特性越来越复杂、发生频度越来越高 。2.22.2现代配电网的简化结构现代配电网的简化结构三线配电网络三线配电网络（1 1）集中广义负荷）集中广义负荷 在配电网计算时，将分布式电源看作负功率特性的负载，多个分布式电源和负载集中接于一个节点的负荷称之为集中广义负荷。（2 2）三线配电网络的构成）三线配电网络的构成 无论实际配电网含有多少电源和负载，对分析单条线路及所带广义负荷故障，都可以简化为三线配电网络。三线配电网络由配电母线和三条线路构成。三条线路包括：一条含电压源供电线路，一条故障线路，一条集中广义负荷虚拟线路。 典型的三

4、线配电网络结2-1所示。（3 3）三线配电网络的参数）三线配电网络的参数 :系统电源电压， :供电母线电压， ：系统阻抗； :A点测量阻抗， ：供电线路电流， ：供电线路集中广义负荷阻抗； :B点测量阻抗， :故障线路电流， ：故障线路集中广义负荷阻抗； ：C点测量阻抗， ：虚拟线路电流。 ：虚拟线路集中广义负荷阻抗。 图2-1 三线配电网络结构SUSZAIAUBZBI,L CZCIAZ,L BZCZ,L AZ2.3 2.3 三线配电网络的测量点三线配电网络的测量点（1 1）两点）两点 当供电母线带多条广义负荷线路且有一条确定故障线路时，则需要两个A、B两个同步相量测量点。（2 2）两点重合）

5、两点重合 故障线路为供电母线总进线时，则两点合一，只需要一个测量点A。（3 3）两两组合）两两组合 当有多条故障线路时，则两两组合测量，然后综合分析。2.4 2.4 测量数据测量数据 故障工况下，两点三相电压电流同步录波数据。2.5 2.5 现代配电网故障测量辨识现代配电网故障测量辨识（1 1）基本计算）基本计算AAjAAAAAUZRjXZ eIBBjBBBBBUZRjXZ eI（2 2）阻抗测量辨识理论要点）阻抗测量辨识理论要点ccjCABcccccUIIIZRjXZ eI，阻抗角功率潮流方向阻抗属性阻抗特性系统电源负载集中负荷阻抗 阻感性负载系统电源系统阻抗 阻容性负载系统电源系统阻抗 阻

6、感性系统电源负载集中负荷阻抗 阻容性00900A0018090A00270180A00360270A阻抗角功率潮流方向阻抗属性阻抗特性系统电源负载故障线路负荷阻抗阻感性负载系统电源系统阻抗 阻容性负载系统电源系统阻抗 阻感性系统电源负载故障线路负荷阻抗阻容性00900B0018090B00270180B00360270BCLBLAZZZ,/SAZZSAZZCLBLAZZZ,/BLBZZ,CLSBZZZ,/CLSBZZZ,/BLBZZ,阻抗角功率潮流方向阻抗属性阻抗特性系统电源负载虚拟线路负荷阻抗阻感性负载系统电源系统阻抗 阻容性负载系统电源系统阻抗阻感性系统电源负载虚拟线路负荷阻抗阻容性009

7、00C0018090C00270180C00360270CCLCZZ,BLSCZZZ,/BLSCZZZ,/CLCZZ,3.13.1故障描述故障描述 某汽车冷轧厂生产时，80MVA、110kV/10kV供电变压器发出刺耳高频啸叫声，220V控制电源所带部分电源模块发生随机损坏。初步分析是控制电源中的高次谐波电压超标造成的，谐波源为酸轧机的10kV高压变频器。3.23.2故障建模的故障建模的TPMITPMI设计设计（1 1）建模目的）建模目的 根据测试数据，计算谐波电流源的负荷阻抗、系统谐波阻抗，建立谐波传输模型，给出解决方案。（2 2）建模方法：）建模方法：TPMI（3 3）测量点）测量点 10

8、kV供电母线总进线公共连接点A 和酸轧机10kV馈线供电关口B。（4 4）测量工况）测量工况 供配电系统为正常运行方式；正常生产。（5 5） 测量内容测量内容 A、B两点三相电压和三相电流同步录波，数据采集速度：每通道128k/s，采样精度：16位，录波长度：1小时。（6 6）辨识内容）辨识内容 故障模型结构与参数：A、B两点电压和电流波形与频谱图；A、B两点基波和主导谐波的电压、电流、阻抗及功率参数；主导谐波电压电流传输特性参数。（7 7）辨识验证及模型参数的内插、外推）辨识验证及模型参数的内插、外推 及修改及修改 辨识验证：辨识结果与已知参数相符，仿真结果与辨识结果相符。 模型参数的内插、

9、外推及修改：应用仿真曲线实现。（8 8）故障分析结论）故障分析结论 根据特征谐波传输特性的辨识结果分析故障的根源。（9 9）解决方案：）解决方案： 通过重构配电网，改变B点的阻抗特性，从而改变谐波传输特性，减小谐波对配电网的干扰。3.3 3.3 测量辨识结果测量辨识结果（1 1）供配电系统及测量点）供配电系统及测量点 如图3-1所示： 图3-1 供配电系统及测量点（2 2）A A、B B两点电压电流波形与频谱图两点电压电流波形与频谱图图3-2 A（上图）、B（下图）电压电流波形与频谱（3 3）模型参数计算结果）模型参数计算结果 A点模型参数计算结果h65666768Uh (V)26042090

10、450UH (V)=779.4HRUh(%)测量值4.77.61.78.1THDU(%)=13.5限值0.70.70.70.7THDU(%)8.0限值*1.01.01.01.0THDU(%)6.0 h()22.2-163.884.9-131.0IA,h (A)1627627IS,H (A)=47.6HRIA,h(%)2.424.080.914.08THDS,I(%)=7.2 A,h()116.3-72.2-178.3-38.9h-A,h()-94.1-91.6-96.8-92.1ZA,h（）测量值16.2515.561516.67计算值15.8516.1016.3416.59XA,1（）测量值

11、0.2500.2360.2440.244平均值：0.244计算值0.244KI,h=IA,h/IB,h4.04.11.23.9KI,h= ZB,h/ZA,hPA,h（kW）-0.297-0.317-0.064-0.445PA,h =1.123QA,h(kVar)-4.149-11.336-0.536-12.142QA,h =28.163B点模型参数计算结果h65666768Uh (V)190560260360UH (V)=814.1HRUh(%)测量值3.410.24.76.6THDU(%)=14.1限值0.70.70.70.7THDU(%)8.0限值*1.01.01.01.0THDU(%)6

12、.0 h()67.7-94.4-66.8140.6IB,h (A) 4.011.05.07.0IN,H (A)=22.0HRIB,h(%)2.25.92.73.8THDN,I(%)=11.9 B,h()-154.243.784.0-67.9 h()-N,h() -138.1-138.1-150.8-151.5ZB,h（）47.550.915251.43ZA,h（）15.8516.1016.3416.59计算值KI,h=ZB,h/ZA,h3.003.163.183.10KI,h=IA,h/IB,hPB,h（kW）-0.566-4.585-1.135-2.215PN,h =8.501QB,h(kv

13、ar)-0.508-4.114-0.634-1.202QN,h =6.458（4 4）谐波电流系数仿真曲线）谐波电流系数仿真曲线（5 5）测量辨识验证）测量辨识验证 A点系统基波阻抗；测量辨识值2.50，实际值2.44，误差+2.5% ； 流入系统的65、66、67、68次谐波电流放大倍数：测量辨识值分别为3.00、3.16、3.18、3.10，仿真值分别为2.60、2.73、2.86、3.00, 误差分别为+15.4%、+15.8%、+11.2%、+3.3%。01020304050607080012345678KhHarmonic order（6 6）测量辨识的内插、外推与修改）测量辨识的内

14、插、外推与修改 根据图3-3仿真曲线，可以内插、外推与修改谐波电流系数。（7 7）故障分析结论）故障分析结论 从B点往系统看其66次等特征谐波阻抗是从A点往系统看的3倍，酸轧机产生的特征谐波电流放大3倍流入系统，致使特征谐波电压含有率高达10%左右，远大于配用电网络与设备的电磁兼容值（小于0.5%），这是该配电网发生变压器高频啸叫和控制设备损坏故障的根本原因。 3.4 3.4 解决方案解决方案 从B点往系统看其特征谐波阻抗大是配电电缆电容与系统电源的感性阻抗发生并联谐振的结果，从仿真曲线可看出，谐振次数为70。于是我们得到如下解决思路：重构阻抗网络，使谐振次数左移至非特征谐波次数，并使特征谐波

15、的谐波电流系数小于1。 图3-4是在该10kV供电母线上每相并联4.92f电容后的仿真曲线。010203040506070800123456789KhHarmonic order图3-4 配电网重构后的KI,hh 曲线 3.5 3.5 国内推广应用情况国内推广应用情况 我们与上海宝钢安大电能质量有限公司合作，应用TPMI方法低成本、有效地解决了宝钢、梅钢、宁波不锈钢、马钢、韶钢等轧机配电网的高次谐波故障问题。 图3-5和图3-6为某热轧厂治理前后总进线供电点电压电流波形与频谱。很容易看出，治理效果非常显著。 图3-5 某轧钢厂治理前35kV总进线供电点电压电流波形与频谱 01020304050

16、60-500502014年 8月 19日 11时 32分 21秒 35kV母 线 和 302总 进 线 波 形 与 频 谱U ( kV )050990 50990 509901%10%100%Ua=20.86 a=8.9 THDua=10.65%Ub=21.12 b=-110.57 THDub=15.3%Uc=21.19 c=128.65 THDuc=8.76%0102030405060-5000500I ( A )050990 50990 509901%10%100%Ia=15.4 a=72.21Ib=0 b=0Ic=12.3 c=-156.230102030405060-500502014

17、年 8月 19日 11时 35分 21秒 35kV母 线 和 302总 进 线 的 波 形 与 频 谱U ( kV )050990 50990 509901%10%100%Ua=20.89 a=-45.81 THDua=3.56%Ub=21.15 b=-165.29 THDub=4.09%Uc=21.22 c=73.94 THDuc=3.52%0102030405060-5000500I ( A )050990 50990 509901%10%100%Ia=45.46 a=21.82Ib=0 b=0Ic=43.79 c=144.97 图3-6 某轧钢厂治理后35kV总进线供电点电压电流波形与频

18、谱4.14.1故障描述故障描述 某港口桥吊为变频桥吊，当货船多、桥吊投入数量大且工作频度高时，10kV母线总进线桥吊群供电点发生严重的低频功率振荡故障，减少投入运行的桥吊数量，振荡故障消除。4.24.2故障建模的故障建模的TPMITPMI设计要点设计要点（1 1）测量点）测量点 因为10kV母线只给桥吊供电，10kV总进线也是故障线路，因此只需要在一个公共连接点测量即可。（2) 2) 建模重点建模重点 桥吊吊起重物时用电，放下物时发电，配电网是一个含高密度不确定性分布式电源的非线性配电系统，建模重点是分析低频功率振荡的原因、计算特征参数、优化控制方案。4.3 4.3 测量结果测量结果（1 1）

19、低频功率振荡全过程曲线）低频功率振荡全过程曲线012345678910-10010202012年 11月 19日 13时 42分 19秒 10kV总 进 线 三 相 基 波 功 率 趋 势P1 (MW)012345678910-20-1001020t (s)Q1 (Mvar)（2 2）低频电压振荡全过程曲线）低频电压振荡全过程曲线0123456789105.25.45.65.866.26.46.62012年 11月 19日 13时 42分 19秒 中 港 站 10kV母 线 电 压 变 化 趋 势U1 (kV)t（ s）ABC（3 3）低频功率增幅振荡曲线）低频功率增幅振荡曲线22.12.22

20、.32.42.52.62.72.82.9366.577.588.5P0 (MW)10kV总 进 线 有 功 功 率 趋 势 分 解 （ 2012年 11月 19日 13时 42分 19秒 ）22.12.22.32.42.52.62.72.82.93-2-10123Pm (MW)s（4 4）低频衰减功率振荡）低频衰减功率振荡6.56.66.76.86.977.17.27.37.47.54.44.64.855.25.4P0 (MW)10kV总 进 线 有 功 功 率 趋 势 分 解 （ 2012年 11月 19日 13时 42分 19秒 ）6.56.66.76.86.977.17.27.37.47

21、.5-4-2024Pm (MW)s（5 5）发生低频振荡时典型电压电流波形与频谱）发生低频振荡时典型电压电流波形与频谱020406080100120-100102012年11月20日9时8分3秒 10kV母线电压和10kV进线电流U ( kV )025490 25490 254901%10%100%Ua=5.76 a=-140.58 THDua=0.65%Ub=5.7 b=99.48 THDub=0.99%Uc=5.76 c=-20.32 THDuc=1.01%020406080100120-200002000I ( A )025490 25490 254901%10%100%Ia=238.4

22、7 a=-161.89Ib=231.66 b=72.72Ic=216.73 c=-44.28（6 6）发生低频振荡时主导间谐波电压电流报表（）发生低频振荡时主导间谐波电压电流报表（A A相）相）15760100-141.6238.5-161.920.30.2519.60.34150.981.7-131.9-77.20.5016.10.28-169.720.6-53.3-116.40.7531.10.54-174.346.1-105.9-68.41.25439.57.3662.0618.3154.5-92.51.5012.70.22121.713.2145.223.51.7527.60.48-1

23、42.618.4-37.8-104.8h,( )A hUV,(%)A hTHU, ,( )A u h,( )A hIA, ,( )A I h, , ,( )A u hA I h（7 7）数学模型及验证）数学模型及验证1141.615.760jtUe1161.91238.5jtIe112100f1.2562.01.250.460jtUe1.25154.31.25618.3tIe1.25121.25125f11.25UUU11.25III*11.2511.25111.251.25( )()()()()SPjQUIUIUIUIUI11.251.2512.52,UUU忽 略 含项 目 ， 于 是 ：1

24、1374cos20.33561cos(0.2564.1 )Ptmax4850PkWmin2272PkW 11289avePPkW11374sin 20.33561sin(0.2564.1 )Qtmax4038QkVarmin3094QkVar 1477aveQQkVar1.2592.31.251.250.744jUZeI10.595SX210/ 0.595168()SCSM VA515.760 1 1374sin20.33561sin(0.2564.1 )/1.68 10UtkVmax5.760 1.0556.077UkV15.7600.9910.064sin(0.2564.1 )UtkVma

25、x5.7600.9275.340UkV4.3 4.3 故障模型参数计算与故障分析故障模型参数计算与故障分析（1 1）故障模型参数）故障模型参数 4.2(1)(2)(3)(4) 所描述的典型低频振荡过程，其特征参数计算如下： 振荡频率：约 ； 振荡全过程时间：7S ，其中增幅振荡过程2.5S,等幅振荡过程1.5S，衰减振荡过程3.0S，； 有功功率振荡幅值（峰峰值）22.5MW,无功功率振荡幅值（峰峰值）22.5Mvar； 额定基波相电压5774V,相电压振荡幅值（峰峰值）850V。 参数验证：已知10kV母线运行短路容180MVA,由振荡模型参数计算 运行短路容量为 22.55774/850=

26、153MVA（2 2）故障分析）故障分析 由（5）和（6）可看出，桥吊逆变器群产生1.25次间谐波电流注入电网，使系统阻尼减小为负值时，系统发生12.5Hz的增幅低频振荡，减小注入系统的1.25次间谐波电流可以使系统阻尼由负变化正，使低频振荡衰减。12.5ZH4.4 4.4 解决方案解决方案 设计一套超级电容储能式功率协调控制器，在注入电网的1.25次间谐波电流达到限值时，控制器 发出大小相等、相位相反的1.25次间谐波电流减小，增大系统阻尼，抑制低频振荡 。 控制效果见下图：21762176.521772177.521782178.521792179.521805101520252014年 9月 29日 9时 34分 29秒 中 港 站 10kVI段 母 线 1.25次 间 谐 波 电 压t(s)间谐波电压，V21762176.521772177.521782178.521792179.5218010203040502014年 9月 29日 9时 34分 29秒 中 港 站 10kVI段 总 进 线 1.25次 间 谐 波 电 流t(s)间谐波电流，A21762176.521772