黨存祿，張佳賓

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

基于WAMS的電網(wǎng)故障檢測新方法

黨存祿，張佳賓

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

廣域測量系統(tǒng)（WAMS）利用相量測量單元（PMU）快速、準(zhǔn)確地提取同步相量，在智能電網(wǎng)中起到了重要的作用。盡管同步相量在電力系統(tǒng)中的重要性是公認(rèn)的，但仍有許多未知的功能隨著技術(shù)發(fā)展的需要被開發(fā)應(yīng)用。

目前，電力系統(tǒng)故障檢測的方法是用保護(hù)繼電器（PR）和斷路器（CB）的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)過去的經(jīng)驗來推斷有故障的部分［1-4］的。傳統(tǒng)上，保護(hù)系統(tǒng)運行的相關(guān)數(shù)據(jù)由監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）每隔2～10 s傳達(dá)給能量管理系統(tǒng)（EMS）提供［5］。然而，在大停電事故中，典型的故障是由于保護(hù)繼電器或斷路器誤動作引起的，這是導(dǎo)致停電范圍擴大的主要原因。雖然目前迫切需要查明故障點使系統(tǒng)恢復(fù)正常，然而故障檢測在發(fā)展中出現(xiàn)了問題，甚至可能做出錯誤的決定［6-7］。因此，為了使保護(hù)系統(tǒng)的性能得到保障，應(yīng)該尋找另一種獨立的故障檢測方法。

目前，PMU的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或近穩(wěn)態(tài)的情況，利用PMU暫態(tài)現(xiàn)象的高采樣特性在電網(wǎng)中已經(jīng)取得了巨大的成就［8-10］。事實上，通過全球定位系統(tǒng)（GPS）產(chǎn)生的同步測量信號，任何繼電器或數(shù)字故障記錄器（DFR）都可以當(dāng)作一個PMU裝置［11］。

本文提出一種利用WAMS對輸電網(wǎng)的故障檢測和定位提供同步測量的新分析方法。該方法利用SCADA和EMS提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和狀態(tài)的在線數(shù)據(jù)，以及PMU提供的實時同步測量的故障電流，通過電路規(guī)則來確定電網(wǎng)中的故障點。隨著通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用越來越重要，基于WAMS測量的故障檢測方法有望在智能電網(wǎng)中成為一種新應(yīng)用［12-16］。

1 問題描述

本文要解決的問題是只使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息確定電網(wǎng)的故障部分，這可以通過SCADA系統(tǒng)以小時為單位對信息進(jìn)行采集，故障電壓和電流信號同步相量數(shù)據(jù)可以通過WAMS以及輸電線路、變壓器和發(fā)電機的參數(shù)數(shù)據(jù)得到［17-20］。提出的輸電網(wǎng)故障檢測方案如圖1所示。該方法與保護(hù)繼電器和斷路器在沒有進(jìn)行測量的情況下就確定電網(wǎng)故障部分的傳統(tǒng)方法完全不同。

圖1 基于廣域測量系統(tǒng)的故障檢測方案Fig.1The fault diagnosis scheme based on wide area measurements

系統(tǒng)發(fā)生故障后，電壓和電流相量根據(jù)故障的位置和類型在不同的母線和支路上發(fā)生變化。主要的思路是適應(yīng)以PMU測量的相量分析電網(wǎng)中不同故障點所產(chǎn)生的相量。用這種方法，疑似故障點所測量的最匹配相量即表示電網(wǎng)中的故障部分，如式（1）、式（2）所示：

式中，Vmeas和Imeas分別為電網(wǎng)中PMU測量得到的電壓和電流相量；φ、T分別為疑似故障點組和各種故障類型為預(yù)期電壓和電流相量在F點發(fā)生T型故障后的復(fù)向量函數(shù)；F*為通過計算式（1）得到的相量和觀測相量的配合確定的故障點。

如圖2所示為式（1）計算所得的向量與測量向量分析對比的二維描述。然而，必須指出的是，式（1）中的向量是M維的，其中M是測量的次數(shù)。

圖2 觀測向量與計算向量的對比Fig.2Comparison of the observed phasors with the calculated phasors

2 輸電線路故障檢測

電力系統(tǒng)工作人員主要面對的是輸電線路中發(fā)生的故障。如果要檢測p母線和q母線之間輸電線路中的故障點m，可先在m點定義一條虛擬母線。然后，將m點添加到疑似故障組中（φ），以便如果m點在線路p-q中發(fā)生故障，那么可以根據(jù)本文提出的故障檢測方法中式（1）和式（2）精確的定位故障點。

由于該輸電線路故障檢測方法在系統(tǒng)線路中需要大量的疑似故障點，可用三階段方法對故障點定位，首先確定電網(wǎng)中的故障區(qū)域，其次確定故障線路，最后在故障線路中精確的定位故障點。

2.1 確定故障區(qū)域

在第一階段，將φ中輸電線路的中點作為疑似故障點。預(yù)計，如果在輸電線路p-q中發(fā)生故障，那么疑似故障點m在這條線路的中點必將有最小擬合殘差，如圖3所示。

圖3 第一階段實際故障點（f）的故障電流Fig.3Fault currents for the actual fault point（f）in stage I

用這種方法，可以確定故障線路。然而，考慮到該方法的不確定因素會導(dǎo)致誤差，以保守的方式，在第一階段將所有線路與檢測線路相連接，在第二階段通過檢測來確定故障線路。

2.2 確定故障線路和故障位置

在第二階段，通過對第一階段研究確定的故障區(qū)域來確定其中的故障線路。

通過檢查該線路中點有最小擬合殘差以及所有線路都與它連接來實現(xiàn)。故障檢測的實現(xiàn)是通過在疑似線路中定義虛擬母線，以便這些母線可以說明這個階段的疑似故障點，如圖4所示。線路利用在疑似故障線路中選出來的最短電氣距離（即阻抗），在其中間定義虛擬母線。然后，所有剩余疑似線路通過新的虛擬母線劃分，以便劃分后的每條線路長度不超過l/2，其中l(wèi)是已經(jīng)分成兩部分的最短線路的長度。因此，當(dāng)相鄰線路的阻抗不相等時可以保證檢測不會出現(xiàn)錯誤。

圖4 第二階段確定故障位置Fig.4Determining the fault location in stage II

最后，根據(jù)式（1）和φ中定義的疑似輸電線路虛擬母線，在其中一條疑似線路出現(xiàn)故障情況時，故障線路以及故障位置可由式（2）算出的虛擬母線確定。

對提出的兩階段輸電線路故障檢測算法可歸納如下。

1）在電網(wǎng)中各條線路的中點定義一條虛擬母線。

2）根據(jù)第二部分的解釋驗證母線故障檢測算法，其中φ包括定義的虛擬母線。

3）從式（2）中找出F*，并對F*所在的線路命名為L*。

4）確定一組疑似輸電線路｛L*，L1，L2，…，LS｝，即與L*有關(guān)聯(lián)的線路。

5）根據(jù)最短電氣距離（l）選擇疑似線路LS，并在其中點定義一條虛擬母線m1。

6）在除LS以外的疑似輸電線路中以同等距離定義更多的虛擬母線｛m2，m3，…，mNV｝，使得由這些虛擬母線創(chuàng)建的每個部分的長度不超過l/2。

7）用φ=｛m1，m2，…，mNV｝、確定的故障點m*和故障類型T*驗證式（1）和式（2）。

8）隨著7）中故障點m*的確定，即可確定故障線路。而且，在檢測線路中，實際的故障位置f可由m*粗略估算出。

2.3 調(diào)整故障位置

調(diào)整在第二階段估計的故障位置，在檢測故障線路中可以定義更多的虛擬母線?？捎梢韵虏襟E實現(xiàn)調(diào)整。

1）在第二階段依照故障點（m*）在靠近虛擬母線的任一側(cè)定義兩條虛擬母線n1和n2。

2）用n1、n2、φ中的m*和選定的檢測故障點n*驗證式（1）和式（2）的母線故障檢測算法。

4）轉(zhuǎn)到1），并用n*替換近似的故障點m*。

必須指出的是，可以通過在檢測線路中定義更多的虛擬母線以進(jìn)一步提高故障定位精度。因此，需要耗費更多的計算時間來對估算的故障點調(diào)整。

3 仿真結(jié)果

為了證明所提出的故障檢測方案的有效性，本文采用IEEE-118節(jié)點系統(tǒng)對其驗證，結(jié)構(gòu)如圖1所示。IEEE-118節(jié)點測試系統(tǒng)由177條輸電線路，9臺輸電變壓器和19臺發(fā)電機組成。

PMU的采樣頻率是4 800 Hz（每周期96個樣本）。PMU的輸入信號首先通過二階模擬（巴特沃思）抗混疊濾波器以350 Hz的截止頻率濾波。其利用數(shù)字模擬濾波器來消除衰減的直流分量。最后，用完整周期的傅里葉變換來提取輸入信號的基波分量。如表1所示為研究電力系統(tǒng)所考慮的WAMS結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由28臺PMU組成，為系統(tǒng)提供完整的可觀測性。將49母線的相電壓角視為PMU測量的參考相位角。

表1 IEEE-118節(jié)點測試系統(tǒng)中的PMU母線Tab.1 PMU buses in the IEEE-118-bus test system

在30母線附近的線路30～38，長度為60%的距離處模擬單相接地短路故障（SLG），以對提出的兩階段方法的應(yīng)用加以說明。如圖5和圖6所示分別為故障電流通過線路37～40的時間和相量域。

圖5 線路30～38發(fā)生故障后由37母線上的PMU對通過線路33～37的故障電流進(jìn)行觀測Fig.5Fault current through line 33～37 observed by the PMU at bus 37 after a fault at line 30～38

圖6 線路30～38發(fā)生故障后相位角和通過線路33～37的故障電流相量的大小Fig.6The phase angle and magnitude of fault current phasor through line 33～37 after a fault at line 30～38

如表2所示，在第一階段，線路30～38的中點發(fā)現(xiàn)有明顯的最小擬合殘差。在第二階段，對輸電線路8～30、26～30和30～38以及疑似故障線路用提出的基于兩階段算法進(jìn)行檢測。由此可以看出，不僅檢測出30～38有故障，而且也估算出故障位置在30母線附近線路長度為66%的距離處。

表2 利用提出的算法對實際的故障支路30～38進(jìn)行輸電線路故障檢測Tab.2 Transmission line fault diagnosis for actual fault at line 30～38

為了比較不同情況下的檢測精確度，精確度指數(shù)（AI）被定義為在第二階段除了實際故障線路，疑似故障線路中虛擬母線的最小殘差與實際故障點的最小殘差之比，如式（4）所示。

這樣，所提出的算法具有通過測量鄰近的線路并從中識別出實際故障線路的能力。為了檢測本檢測方法的魯棒性，在系統(tǒng)出現(xiàn)不同情況時，對不同的故障初始角、PMU的不同采樣頻率、不同的故障類型和不同線路中發(fā)生的故障進(jìn)行分析。

3.1 不同的故障初始角

如表3所示為在不同相位角發(fā)生故障時對所提出算法性能的研究。故障定位（FL）算法和精確度指數(shù)（AI）獲得的結(jié)果表明故障檢測和定位不受故障初始角的影響，證明已成功消除了相量估算中的直流分量。

3.2 PMU的不同采樣頻率

如表4所示闡述了PMU的采樣率對所提出的故障檢測和定位方案的影響。預(yù)計，通過增加采樣率，可得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。精確度可以通過式（4）定義的AI進(jìn)行測量。當(dāng)采樣率超過每個周期96個樣本時，故障定位算法和AI明顯得到了改善。然而，即使在采樣率比較低的情況下，仍然可以獲得可接受的結(jié)果?？梢缘贸龅慕Y(jié)論是，目前許多使用靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)用的PMU采樣率都相對較低，同樣也可以用于廣域故障檢測和定位。

表3 實際故障線路30～38在不同故障初始角情況下的故障檢測和定位Tab.3 Fault diagnosis and location for actual fault at line 30～38 with different fault inception angles

表4 實際故障線路30～38在不同PMU采樣頻率情況下的故障檢測和定位Tab.4 Fault diagnosis and location for actual fault at line 30～38 with different sampling rates for PMUs

3.3 不同的故障類型

將各種可能出現(xiàn)的對稱和不對稱故障施加在線路30～38上以研究本方法識別故障類型以及故障檢測和定位的能力。如表5所示研究的是可能出現(xiàn)的不同故障，即單相接地短路故障、相間短路故障、兩相接地短路故障和三相對稱短路故障。得到的結(jié)果表明該方法成功的檢測出故障類型以及故障位置。

3.4 輸電線路上不同數(shù)量的PMU

為了研究在線路上裝備PMU的情況下本方法的性能，對其他兩條輸電線路即49～69和75～77分別裝備一臺和兩臺PMU進(jìn)行故障檢測和定位研究。如表6所示為第二階段的故障檢測結(jié)果，并在第三階段對這些故障位置進(jìn)行最終的調(diào)整。可以明顯地看出，盡管在第二階段能準(zhǔn)確的檢測出故障線路，但故障位置不夠精確。然而在第三階段，故障定位算法通過調(diào)整得到了顯著的提高。這也可以通過比較這兩階段相應(yīng)的AI指數(shù)看出來。

對比AI指數(shù)反映出的檢測精確度，可以得出結(jié)論：當(dāng)故障線路的一側(cè)或兩側(cè)裝備PMU時可以得到更可靠的結(jié)果。然而，在沒有裝備PMU的線路30～38中，不同的故障通過提出的方案也被精確的檢測出來。

表5 實際故障線路30～38在不同類型的對稱和不對稱故障情況下的故障檢測和定位Tab.5 Fault diagnosis and location for actual fault at line 30～38 with different types of balanced and unbalanced faults

表6 3條輸電線路設(shè)備在裝備不同數(shù)量PMU情況下的故障檢測和定位Tab.6 Fault diagnosis and location for three transmission lines equipped with different number of PMUs

4 結(jié)語

本文提出一種利用廣域測量系統(tǒng)對故障進(jìn)行檢測的新方法。故障發(fā)生時，可由PMU提供的電壓和電流同步相量幫助確定輸電網(wǎng)中的故障。該方法不僅可以確定電網(wǎng)中的故障線路，還可以根據(jù)同步測量確定故障線路中的故障位置。隨著智能電網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，預(yù)計這將成為WAMS在輸電網(wǎng)中一種新的應(yīng)用。當(dāng)電網(wǎng)完全可觀時，所提出的方案表明可以成功地檢測出故障。雖然許多電力系統(tǒng)中的母線裝備了PMU，然而相對于整個系統(tǒng)中的母線來說仍然只是很小的比例，考慮到WAMS的覆蓋范圍是有限的，未來的研究將集中在故障的能觀性上。

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（編輯 董小兵）

A Novel Method of Grid Fault Diagnosis Based on WAMS

DANG Cunlu，ZHANG Jiabin
（School of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China）

當(dāng)出現(xiàn)大范圍的停電事故時，保護(hù)系統(tǒng)自身的故障往往是導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生的原因之一。為了解決這個問題，提出一種利用PMU數(shù)據(jù)和母線阻抗矩陣（Zbus）以替代保護(hù)系統(tǒng)功能的獨立故障檢測方法。首先，根據(jù)提出的方法確定故障區(qū)域，然后確定故障線路。通過廣域測量，故障位置隨著線路的確定也就被估算出來。IEEE-118節(jié)點測試系統(tǒng)驗證結(jié)果表明，該方法成功的檢測出整個電網(wǎng)的故障線路以及故障線路中的故障位置

故障檢測；電力系統(tǒng)；相量測量單元（PMU）；同步相量；廣域測量系統(tǒng)（WAMS）

The malfunction of the protection system itself is often among the suspects of the disaster when an outrage occurs in a large area.In order to solve the problem，the paper proposes an alternative fault diagnosis approach independent of the function of the protection system，which utilizes PMU data and bus impedance matrix（Zbus）.First，the proposed method diagnoses the fault area，and then the fault line.The fault location along the diagnosed line is also estimated by wide-area measurements.The proposed method is applied to the IEEE 118-bus test system where the results indicate successful diagnosis of the faulted lines throughout the grid as well as wide area fault location along the faulted line.

fault diagnosis；power system；phasor measurement unit（PMU）；synchrophasor；wide area measurement system（WAMS）

1674-3814（2015）04-0001-07

TM76

A

2014-10-14。

黨存祿（1964—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為工業(yè)過程控制、控制理論與控制工程等；

張佳賓（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及繼電保護(hù)。

甘肅省自然科學(xué)基金項目（1208RJZA151）；甘肅省教育廳碩導(dǎo)基金項目（1203ZTC025）。

Project Supported by Gansu Province Natural Science Fund Project（1208RJZA151）；Graduate Fund Project of Gansu Province Department of Education（1203ZTC025）.