基于故障分量的广域后备保护方法

摘要

本发明公开了属于电力系统继电保护领域的基于故障分量的广域后备保护方法。该方法在电网正常运行时，根据网络的拓扑结构和PMU配置情况，划分保护关联域。根据开关变位信息，采用启发式搜索技术实时更新保护关联域。故障发生时，提取电流和电压故障稳态分量，并由各关联域内差动电流的故障稳态分量，界定故障关联域。实时计算该关联域内的故障关联因子，确定故障支路。本方法能够在PMU有限测点的情况下，准确定位故障；不受系统运行方式的影响，避免了传统后备保护极易出现的配合不当或灵敏度不足的情况；不受负荷电流的影响，有很高的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及基于故障分量的广域后备保护方法。

背景技术

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。截至2009年底，我国电网发电装机容量已突破8.5亿千瓦，居世界第二位，且在“十一五”期间仍将保持10.5％的年增长率；按照电力发展规划，到2020年，我国电网将成为装机容量超过16亿千瓦，西电东送容量超过1.5亿千瓦的超大规模全国互联电网。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课题。

继电保护是保障大电网安全的第一道防线。电力系统故障不可避免，如果保护装置正确、快速、可靠动作，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。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。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。同时由于电网结构日趋复杂，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。因此，考虑电网全局信息的后备保护系统研究迫在眉睫。

近年来，人们对广域保护的方法进行了初步研究。目前广域保护的方法主要包括：

1)收集电网中多个距离保护元件的判断结果、依靠专家系统集中决策的广域后备保护算法，从缩短动作延时、减小故障切除范围等方面提高后备保护系统性能(Tan J.C，Crossley P.A，Kirschen D，et al.IEEE Trans.on PowerDelivery，2000，15(2)：508-514)。

2)广域电流差动保护：将差动保护的保护范围从一个元件扩展到该元件相邻的区域，从而完成主保护和后备保护的功能(Serizawa Y，Myoijin M，Kitamura K，et al.IEEE Trans.on Power Delivery，1998，13(4)：1046-1052；丛伟，潘贞存，赵建国，等.电网技术，2006，30(5)：91-95；苏盛，K.K.Li，W.L.Chan，等.电网技术，2005，29(3)：55-58)。

3)广域方向纵联保护：集中多个方向元件指示的故障方向信息确定故障元件(杨增力，石东源，段献忠.中国电机工程学报，2008，8(22)：87-93)。

长期以来，由于故障分量提取方法的困难，使得故障分量只能用于瞬时动作的主保护，而不能作为带延时的后备保护。然而，故障稳态分量具有不反应负荷电流和负荷电压等优势，同时又有保护三相短路等负序和零序分量不具备的优势，若能将其应用于后备保护，将极大提高后备保护的灵敏性和可靠性。广域测量系统的出现，使得故障稳态分量应用于后备保护成为可能。目前将故障稳态分量应用于后备保护的方法还没有见报导。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所描述的目前电力系统后备保护存在的问题，提出了基于故障分量的广域后备保护方法。

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据网络的拓扑结构和PMU的配置情况，划分保护关联域；

步骤二：当电网发生正常开关变位事件时，采用启发式搜索技术快速更新保护关联域；

步骤三：发生故障后，提取电压和电流的故障稳态分量，根据各关联域内差动电流的故障稳态分量界定故障关联域；

步骤四：对于广义关联域，根据故障关联因子确定故障支路。

所述步骤一中PMU的配置：PMU测点的选取需要满足电力系统对故障稳态分量的可观性和经济性，规则如下：

1)一个已经配置了PMU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)若某无注入节点有k条支路相连，其中k-1条支路电流已知，则第k条支路电流能被虚拟测量。

3)若n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n个有注入节点上配置PMU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PMU即可满足该网络可观。

所述保护关联域分为狭义关联域和广义关联域。根据网络的拓扑结构和PMU的配置情况，保护关联域的划分步骤如下：

步骤1-1：搜索未配置PMU的节点，形成关联矩阵，在此基础上，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PMU的节点(以下简称广义节点)；

步骤1-2：按配置PMU的节点在前，未配置PMU的节点在后的顺序形成网络的节点关联矩阵A。

$A=\left(\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{12}^T& A_{22}\end{array}\right)$

其中：A₁₁为配置PMU的节点之间的关联矩阵，A₂₂为未配置PMU的节点(包括广义节点)之间的关联矩阵，A₁₂为配置PMU的节点和未配置PMU的节点之间的关联矩阵。

步骤1-3：根据关联矩阵A₁₁，将配置PMU的节点中任两个相邻的节点划分为一个保护关联域，作为狭义关联域。

步骤1-4：根据关联矩阵A₁₂，将未配置PMU的节点(包括广义节点)向外延伸至相邻的已配置PMU的节点，并将已配置PMU的节点包围的区域划分为一个保护关联域，作为广义关联域。

所述步骤二中采用启发式搜索完成关联域的快速更新，包含以下情况：

一、如果开关发生“合”事件，保护关联域的更新情况如下：

1)若合位开关两端节点i、j均配置了PMU，则这两个节点将形成一个新的关联域；

2)若节点i未配置PMU，节点j配置了PMU，且开关合位前节点i、j属于同一关联域，则关联域不变；否则，将节点j加入节点i所属的关联域；

3)若节点i、j都未配置PMU，且开关合位前i、j属同一关联域，则关联域不变；若开关合位前i、j属于不同关联域，则将节点i、j所属的两个关联域合并；

二、如果开关发生“开”事件，保护关联域的更新情况如下：

1)若开关两端节点i、j均配置PMU，则在开关断开后，将节点i、j构成的关联域删除；

2)若节点i未配置PMU，节点j配置了PMU，且节点j仅通过一条支路与节点i或节点i所属的广义节点相连，则在开关断开后，将节点j从节点i、j所属的关联域内删除；若节点j通过多条支路与节点i或节点i所属的广义节点相连，则关联域不变；

3)若节点i、j都未配置PMU，且开关断开后，两个节点所属的关联域形成两个区域，则删除该关联域，更新节点关联矩阵，重新建立节点i、j各自的关联域；若开关断开后，两个节点所属的关联域仍然连通，则关联域不变。

所述步骤三中故障稳态电流和电压提取方法为：

将发电机和负荷电流都用节点注入电流来表示，故障状态网络可以看成线性网络(不计系统中电力电子等非线性器件)。由叠加原理，故障状态网络可以由无故障状态网络、故障暂态网络和故障稳态网络组成。其中故障状态是指发生故障的系统所处的实际状态，无故障状态是指故障发生前系统所处的实际状态，故障暂态是故障发生后由节点注入电流变化而引起的暂态过渡过程，故障稳态是故障点附加电源引起的状态。故障稳态网络中支路电流向量的提取算法为：节点电压向量提取算法为：其中是故障后支路电流测量值向量，Y_B是支路导纳矩阵，A_a是节点-支路关联矩阵，Y是节点导纳矩阵，是故障前的节点注入电流向量变化量，是故障后节点注入电流向量的变化量，是故障后节点电压测量值向量。

广域后备保护启动后，计算每个保护关联域内差动电流故障稳态分量，若某个保护关联域的，则判定该关联域为故障关联域。其中，ε为节点注入电流造成误差的门槛值。

所述步骤四中确定故障支路，包括：

1.狭义关联域

对于故障关联域属于狭义关联域的情况，界定故障关联域相当于直接确定故障支路。

2.广义关联域

对于故障关联域属于广义关联域的情况，需要借助故障关联因子确定具体的故障支路。

图1所示广义关联域故障稳态网络示意图，可能存在无注入节点通过多条支路与配置PMU的节点相连的情况，如节点N+1通过两条支路分别与1和2节点相连。这种情况下，若要确定具体的故障支路，需要满足M个无注入节点与H条支路一一对应。为此采用节点扩展的方法将M个无注入节点扩展为H个无注入节点：原始无注入节点之间的拓扑结构保持不变，且新增节点仅通过一条虚拟的无阻抗支路与原始节点相连。图2为扩展后的广义关联域。

将支路电流看作无注入节点网络的注入，计算向量

$\overrightarrow{E}=Z_{\mathrm{Ai}}^{-1}(\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_T\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_H\end{array}\right)-Z_A\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_1-y_1{\stackrel{·}{U}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_T-y_T{\stackrel{·}{U}}_T\\ .\\ .\\ ,\\ {\stackrel{·}{I}}_H-y_H{\stackrel{·}{U}}_H\end{array}\right)-Z_G\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_1-y_1{\stackrel{·}{U}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_T-y_T{\stackrel{·}{U}}_T\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_H-y_H{\stackrel{·}{U}}_H\end{array}\right))$

其中：Z_A是无注入节点网络的节点阻抗矩阵，Z_G是连接配置PMU节点和无注入节点网络的支路阻抗矩阵；(i＝1…H)，是支路电流故障稳态分量；(i＝1…H)，是配置PMU节点的电压故障稳态分量；Z_Ai是Z_A的第i列元素组成对角矩阵。

令向量其中j＝1…H；z_N+i，N+i是Z_A矩阵的第i个主对角元素；z_i是支路i的阻抗。然后计算每条支路的故障关联因子$C_i=\max \left\{\right|\overrightarrow{S}\left(j_1\right)-\overrightarrow{S}\left(j_2\right)\left|\right\},j_1,j_2\ne i.$

对于支路i，若其故障关联因子满足条件|C_i|＜η，则i为故障支路；否则i为无故障支路。

若H条支路均不满足故障条件，则故障支路在无注入节点网络内：首先利用节点1…H的电压和相应的支路电流推算与之相连的节点N+1…N+H的电压和支路电流，然后重新执行上述过程，直至确定故障支路。

理论上，阈值η应为0。考虑到实际电网参数误差、测量误差与计算误差等因素的影响，并结合大量仿真结果，将其整定为5。

本方法能够在PMU有限测点的情况下，准确定位故障；不受系统运行方式的影响，避免了传统后备保护极易出现的配合不当或灵敏度不足的情况；不受负荷电流的影响，有很高的可靠性。

附图说明

图1：本发明实施例中广义关联域示意图；

图2：本发明实施例中广义关联域节点扩展示意图；

图3：本发明实施例中新英格兰10机39节点系统示意图；

图4：本发明实施例中单相短路时不同关联域的差动电流故障稳态分量比较；

图5：本发明实施例中三相短路时不同关联域的差动电流故障稳态分量比较。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图3为新英格兰10机39节点系统结构示意图。采用本发明方法的PMU配置情况如表1所示。关联域划分结果如表2和表3所示。

表1PMU配置情况

表2狭义关联域的划分结果

表3广义关联域的划分结果

在完成保护关联域的划分后，当电网发生正常开关变位事件时，关联域更新结果如下。

若开关发生“合”事件：

(1)若节点4、15连通，则增加一个关联域4-15。

(2)若节点3、1连通，则关联域不变；若节点4、9连通，将节点4加入关联域19，更新后的关联域19包含配置PMU的节点为8、39、4，未配置PMU的节点为节点9。

(3)若节点1、9连通，将关联域19合并到关联域17中，形成新的关联域；原关联域19删除，更新的关联域17包含配置PMU的节点为3、25、30、39、8，未配置PMU的节点为1、2、9。

若开关发生“开”事件：

(1)若支路3-4断开，则删除关联域1。

(2)若支路4-5断开，则关联域不变；若支路8-5断开，将节点8从关联域18中删除。

(3)若支路6-11断开，对关联域18包含未配置PMU的节点重新进行可达性矩阵分析。经判断节点6和节点11仍属于同一广义节点，即关联域18包含的未配置PMU的节点仍然属于同一广义节点。则关联域18包含的节点不变。

支路①(16-19)上发生故障时，各关联域差动电流故障稳态分量比较分别如图4和图5所示。图4为单相短路时不同关联域的差动电流故障稳态分量比较，图5为三相短路时不同关联域的差动电流故障稳态分量比较。故障关联域的故障稳态差动电流远远大于其它关联域的差动电流，由此可界定故障关联域。

支路①发生各种类型故障时，支路①、②和③的故障关联因子结果如表4所示。

表4支路①、②和③的故障关联因子

由表4，对于任何类型的故障，支路①的故障关联因子C1都在保护整定范围内；而支路②和③的故障关联因子C2和C3都在保护整定范围外，可以判定支路①发生故障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。