基于有限PMU的广域后备保护研究.pdf

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基于有限PMU的广域后备保护研究1 基于有限PMU的广域后备保护研究2 基于有限PMU的广域后备保护研究3 基于有限PMU的广域后备保护研究4 基于有限PMU的广域后备保护研究5 基于有限PMU的广域后备保护研究6
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第4O卷第17期2012年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlvo1.40NO.17Sep.1,2012基于有限PMU的广域后备保护研究陈静17刘涤尘,王宝华(1.武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072;2.南京JES-大学自动化学院,江苏南京210094)摘要:对新型的基于有限数量相量测量单元(PMU)的广域后备保护进行了研究。通过布点算法,在电网相关母线中安装有“”限的相量测量单元,根据布点算法形成的电压推算关系构成保护区,将故障视为透明,利用安装点的实测值推算保护区内其余的母线电压。故障时,根据正序电压幅值分布特征定位故障关联母线,推算该母线关联支路的有功功率,根据相对误差特征选出故障线路。PMU的高速实测数据的引入使得实时故障定位成为可能。算例仿真验证了基于有限PMU的广域后备保护的正确性和有效性。关键词:广域后备保护;相量测量单元;布点算法;母线电压;支路有功潮流StudyofwideareabackupprotectionbasedonlimitednumberofPMUCHENJing,LIUDi.chen,WANGBao.hua2(1.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.DepartmentofAutomation,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:AprincipleofwideareabackupprotectionbasedonlimitednumberofPMUisanalyzed.Throughaplacementalgorithm,ⅣalimitednumberofPnJsareplacedonafewbusesinthepowergrid.Then.thepowergridisdividedintoseveralprotectionzonesaccordingtotheestimationstructureformedbytheplacementalgorithm.Whenashort-circuitfaultOccursinthetransmissionline.thebuswiththelowestpositivesequencevoltagewillbeidentified.Then.thebranchesconnectedtotheidenttiffedbusareselectedandactivepowerflowiSestimated.Theshort.circuitfaultiSinvisibleduringtheestimationprocess.ThenthefaultedlineiSidentifiedaccordingtoth—erelativeerror.ThehighspeeddataofPMUmakesrealtimefaultlocationpossible.Theschemesandalgorithmsmentionedaboveareprovedtobecorrectandeffectivebylotsofsimulations.ThisworkiSsupposedbyNmionalNaturalScienceFoundmionofChina(No.51077103).Keywords:wideareabackupprotection;phasormeasurementunits;PMUplacementalgorithm;busvoltage;activepowerflow中图分类号:TM77文献标识码:A文章编号:1674.3415(2012)17-0067-050引言传统后备保护之间缺乏通信,在电网潮流转移时容易因为过负荷而误动【l】。和传统后备保护相比,广域后备保护存在如下优点:1)符合电力系统大规模互联发展的趋势。传统后备保护在高压和超高压存在着先天不足,但随着电力系统的发展,电压等级不断升高,只好用一些辅助手段缩小影响范围。而广域后备保护从全网的角度选择控制手段,大大降低了连锁故障的可能性。2)符合电网智能化发展的趋势。我国已将建设坚强智能电网作为重大战略规划之一,其主要特征之一是自愈功能Lzj。广域后基金项目:国家自然科学基金项目(51077103)备保护依靠通信设备和智能算法,可以在线获取全网的运行数据,具有较强的自适应能力pJ。由于短路故障点的正序电压最低【4J,距离故障点越远正序电压越高,文献[5】提出故障相关集结合正序电流相位差的选线原理。该保护方案需要在全网每条母线上装设PMU装置,短期内可操作性不强,并且线路两端相位差的计算受通信同步性的影响较大。文献[6]提出基于实测值与计算值比较的选线判据。这种方案同样需要全网母线电压实时可测,存在与文献[5]相同的缺陷。文献【7】对具体的通信架构进行了讨论,但保护仍建立在广泛安装PMU的基础上。综上所述,采用母线正序电压幅值比较的故障选线方案合理可行,但已有的基于该方案的广域后电力系统保护与控制备保护原 ̄[5-6,81存在误选线和PMU全网实测条件过于理想化两方面的问题。应用以PMU为核心的WAMS系统可以根据广域信息,对系统状态作出实时的判,是未来智能电网发展的必然趋势,有限数量PMU的配置方案则权衡了经济性与实用性,在传统电网向智能电网的过渡阶段具有重要意义。1电压与功率的推算根据欧姆定律和基尔霍夫电流定律(KCL),可以由已知的母线电压和支路电流、导纳推算未知的母线电压。将PMU安装点设为第1类节点,和PMU安装点关联的设为第2类节点,不与任何PMU关联的设为第3类节点。本文对于某节点,将其电压推算所用节点中与之关联的节点称为该节点的源推算节点,PMU安装点的源推算节点为其本身。推算主要有以下几种情况,以图1为例。图1接线示意图Fig.1Awiringdiagram当已知、,,、,、时,可由欧姆定律推算、、;当已知、、时,可由基尔霍夫电流定律(KCL)推算。在母线电压和支路潮流的推算过程中,将故障“”事件视为透明,即假设所有线路均正常运行,故障支路PMU所测电流为短路电流,用该电流结合故障前线路导纳得到的推算值不能反映实际节点电压,且幅值和相位均有较大偏差,如图2所示。+半斗≥卜由于推算值比实际值更低,所以全网正序电压幅值推算最低点仍与故障支路关联。从母线输出的有功功率推算值为=(一—cos0,7)gsin0/jbo ̄(1)而从母线f输出的有功潮流实际值为=(一UyCOS)一Uiussinbe(2)不难证明:1)若,由推算得到,即母线,电压推算值为U,则(3)从母线确出的有功功率推算正确。2)若,与之间无推算关系,即母线,电压推算值为,则,≠(4)从母线输出的有功功率推算有误。在上述特征的基础上可以构成故障选线判据。2有限PMU的布点分析在PMU布点算法方面,已有较多的研究成果见诸报道IJ¨J,但大多用于状态估计,其配置不足以支持故障选线。由图2分析可知,为了确保推算得到的正序电压最低值(无论正确与否)所在母线与故障支路关联,全网母线中至多只能有一条(特殊情况下为两条)母线电压推算有误,否则错误将不断传递扩散,导致推算数据失去原有分布特征。因此,PMU的安装位置有以下要求:1)每个节点至少与一个PMU安装点关联(或其本身为安装点)。这样才能保证推算得到的正序电压最小幅值所在母线位于故障支路两端。2)特殊地,若某母线只关联一条母线,则其可以不与PMU安装点关联,即为前文定义的第3类节点。这种情况下,如果正序电压推算最小幅值位于该节点,则可能是由上一级线路故障产生的错误值衍生出的另一个错误值,没有参考价值。但由于只关联了一条母线,所以正序电压的次低点一定与故障支路关联,可以改用次低点进行故障选线。具体的布点算法可以在启发式搜索[12-15】的基础上结合上文新增的两个限制条件。在电网结构已知的情况下,遍历全网母线搜索最优的安装点,用最少的PMU实现故障选线。3故障选线的判据首先,搜索全网各母线电压(包括推算值和实际值),找到正序电压幅值最低的母线,假设为,由前文分析可知,该母线与故障支路关联。分别查找与该母线关联的支路作为故障判断集合。利用陈静,等基于有限PMU的广域后备保护研究.69.线路两端电压和导纳,分别计算内每条支路向,传送的有功功率,将该功率设为估计值;分别查找内每条支路的对侧母线(设为k),根据某节点既不能产生功率,也不能消耗功率的自然规律,可得支路有功的实际值为∑ez==+(5)≠其中m为k所关联支路的对侧母线,且m,;下标移和mk表示功率传输方向;表示母线k的注入功率(发电机或负荷)。内各支路有功推算的相对误差可表示为-l等I㈦当故障位置不同时,Q内支路有功功率的推算有如下对应特征:A.母线,关联三条及以上支路1)故障支路两端母线有推算关系时,则全网仅有故障支路的对侧母线电压推算有误。若,为源推算节点(即PMU安装点),根据式(3)和式(5)得故障支路正确,但有误,其余支路和均正确。因此内仅故障支路有功推算相对误差明显偏大:若,为被推算节点(即未安装PMU),则同理分析得内仅故障支路推算相对误差小,其余支路误差较大。2)故障支路两端母线无推算关系时,全网母线电压推算值均正确。所有功率推算值中,仅故障支路的有误,因此,内仅故障支路明显偏大。综上,当母线,关联三条及以上支路时,故障Ⅳ支路为内有功推算相对误差的特殊项,即1大Ⅳ小中的较大项或1小大中较小项。B.母线,关联两条支路此时内有功推算相对误差不存在特殊项,选线需要辅助判据。由布点方案可知,母线,关联的两条母线(设为a和b)中有且仅有1条为其源推算节点(设为a),此时,分别利用欧姆定律和KCL可得母线,正序电压的两个推算值和。由图2可知,故障支路的推算值小于实际值,因此,若Va】>1,则故障发生在支路b_=,,反之,故障在支路b_=,。C.母线,仅关联一条支路由前文分析可知,此时,不一定与故障支路关联,应改由正序电压次低的母线进行判断,选线过程同上文A和B。需要说明的是,不对称故障下电网三相运行状态也不对称,因此虽然理论上任取A、B、C相中的任一相判断即可,但由于三相功率不平衡程度与故障类型有关,所选单相不能保证在各种故障情况下都有较高的判断裕度。为了提高故障选线的准确性和可靠性,可以考虑分别计算A、B、C相功率后叠加,放大故障支路与非故障支路的区别,使得选线在各种故障类型下均有较高的可靠性。另一方面,发电机和负荷模型是简化的近似模型,在推算过程中,将发电机功率视为恒定,负荷视为恒阻抗。4算例仿真算例采用WEPRI.36节点标准电网测试模型,元件参数采用原电网设计参数,以中国电力科学研究院PSASP软件仿真数据作为实测值,以Matlab编程实现广域后备保护的选线。电网结构如图3。图3WEPRI.36系统结构图Fig.3WEPRI一36network电网运行于纯交流方式,节点编号不连续,有效母线编号为1~31、33、34、50、51和52,未标出的10、15和17号节点为三绕组变压器中心点虚拟母线。阻抗标幺值约为0.0001的支路(支路—————11_25、12.26、12_27、13-28、3cI_一31、29-34、—3133)用于模拟母联开关,不作为输电线路考虑。PMU布点结果如表1所示。表1PMU布点结果Table1ResultsofPMUplacement全网有效节点总数36PMU计划安装节点911121318192229314.1故障1—在支路2221之间分别设置故障情况如下:(a)AB两相相间短路;(b)AB两相接地短路,过渡电阻0.05;(C)ABC三相短路。全网母线正序电压实际值(实线)与推算值(虚.70.电力系统保护与控制线)分布情况如图4。num(a)AB两相相间短路1.20o0100000.80000.60000.40000.2000nm(b)AB两相相间短路,过渡电阻0.05hum(c)ABC= ̄相短路图4故障1正序电压分布Fig.4Positivevoltagedistributionoffault1由图4可知,三种故障情况下正序电压推算最低值均位于21号母线,由图3得,故障判断集合—中包含线路161、19_2l和2221,图4.(a)、图4(b)、图4(c)有功功率推算情况分别如表2所示。表2故障1有功推算Table2Activepowerestimationoffault1—由表中数据分析可知,三种情况下支路2221有功功率推算相对误差均明显小于其他支路,为推算特殊项,与故障情况相符。4.2故障2、—支路249之间30%处设置B相单相接地故障,过渡电阻标幺值为0.O1。全网母线正序电压实际值(实线)与推算值(虚线)分布情况如图5。nUm图5故障2正序电压分布Fig.5Positivevoltagedistributionoffault2全网正序电压推算最低值位于1号母线,由于该母线为前文所述的第三类节点,不能用于故障选线,所以改用次低值所在的24号母线进行判断,如表3所示。表3故障2有功推算Table3Activepowerestimationoffault2—支路9_24有功功率推算相对误差明显小于其他支路,为推算特殊项,与故障情况相符。4.3故障3—在支路3334之间50%处设置A相单相接地故障。图6中实线和虚线分别对应31和34号母线推算33号时的全网正序电压分布。虽然正序电压最低值位于33号母线,但该母线仅关联两条支路,所以有功推算不存在特殊项。由图6数据可知,31号推算到的33号母线正序电压0.9326大于34号推算的0.5756,根据上文选线的辅助判据,判定34号—为故障支路关联的另一条母线,即故障位于支路3334,与实际情况相符。nUm图6故障3正序电压分布Fig.6Positivevoltagedistributionoffault3以上算例测试结果表明,本文所研究的保护原理在不同故障支路、不同故障类型(包括单相接地、单相带过渡电阻接地、两相相间、两相带过渡电阻一LOOO0l100OOO陈静,等基于有限PMU的广域后备保护研究.71.接地、三相短路等)下均能可靠进行故障选线,且能耐受很高的过渡电阻。5结论本文重点研究了利用有限数量的相量测量单元(PMu)装置进行故障选线的方法,在原理方面提出了一些新的思路,总结如下:1)改进了启发式搜索布点算法。传统的布点算法以PMU数量最少为优化目标,其配置只能用于正常工况下的状态估计,而不足以支持故障选线。本文在原有算法的基础上新增了两个限制条件,只允许末级的发电机或负荷母线不与PMU装置直接相邻,并在布点过程中确定全网各母线之间的推算关系,使得新的配置方案既能监测系统运行状态,又能识别故障元件。2)在故障情况下,仅应用PMU安装点的实时量测信息,结合支路导纳参数即可完成故障选线的保护算法。传统的SCADA测量装置在故障情况下饱和【1刨,而高速的PMU数据则不受故障影响,且大大缩短了后备保护的动作时间,使实时监控故障的发展成为可能。本文研究了基于有限PMU的广域后备保护原理,仅利用少量PMU的实测值即可进行故障选线。WEPRI.36节点的算例仿真验证了该保护原理在不同故障支路和故障类型下的有效性。参考文献[1]AndreChemanoff,ClaudeCorroyer.ThepowersystemfailureofDec19,1978[J].RGE,1980,89(4).[2]肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化,2009,33(9):1-4.XIAOShi-jie.ConsiderationoftechnologyforconstructingChinesesmartgrid[J].AutomationofElectricPowerSystems,2009,33(9):1-4.“”[3]丛伟,潘贞存,丁磊,等.满足三道防线要求的广域保护系统及其在电力系统中的应用[J].电网技术,2004,28(18):29-33.—CONGWei,PANZhenCUD,DINGLei.eta1.Wideareaprotectionsystemtodefendthreedifferenttypesofpowersystemstabilityproblemsanditsapplication[J].PowerSystemTechnology,2004,28(18):29-33.[4]何仰赞,温增银.电力系统分析【M】.武汉:华中科技大学出版社,2002.HEYang-zan,WENZengyin.Powersystemanalysis[M].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnology,2002.[5]曾飞,苗世洪,林湘宁,等.基于序分量的电网广域后备保护算法[J].电力系统自动化,2010,34(23):57_63.——ZENGFei,MIAOShihong,LINXiangning,eta1.Awideareabackupprotectionalgorithmforpowergridbasedonsequencecomponent[J].AutomationofElectric—PowerSystems,2010,34(23):5763.[6]汪华,张哲,尹项根,等.基于故障电压分布的广域—后备保护算法[J】_电力系统自动化,2011,35(7):4852.—WANGHua,ZHANGZhe,YINXianggen,eta1.Awideareaback・叩protectionalgorithmbasedonfaultvoltagedistribution[J].AutomationofElectricPowerSystems,2011,35(7):48-52.[7]EissaMM.MasoudME,ElanwarMMM.Anovelbackupwideareaprotectiontechniqueforpowertransmissiongridsusingphasormeasurementunit[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2010,25(1):270-278.[8]徐岩,宋艳争,张亚刚,等.基于广域测量系统的改进电网拓扑结构识别[J】.电网技术,2010,34(9):88-93.XUYan,SONGYan-zheng,ZHANGYa-gang,eta1.Animprovedmethodforpowernetworktopologyidentificationbasedonwideareameasurementsystem[J].PowerSystemTechnology,2010,34(9):88-93.[9]徐天奇,尹项根,游大海,等.广域保护系统功能与可行结构分析[J】.电力系统保护与控制,2009,37(3):93.97.XUTian-qi,YINXiang-gen,YOUDa-hai,eta1.Analysisonfunctionalityandfeasiblestructureofwideareaprotectionsystem[J].PowerSystemProtectionandCont—rol,2009,37(3):9397.[1O]陈芳,韩学山,李华东.基于PMU分解协调的状态估计算法[J】.电力系统保护与控制,2009,37(17):44-48.CHENFang,HANXue-shan,LIHua-dong.DecompositionandcoordinationstateestimationbasedPMU[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(17):44-48.[11]李新振,滕欢.考虑潮流方程直接可解的PMU最优配置[J】.电力系统保护与控制,2009,37(16):63-67.LIXin.zlsen.TENGHuan.OptimalconfigurationofPMUconsideringdirectsolvablepowerflow[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(16):63-67.[12]李强.基于PMU量测的电力系统状态估计研究[D】.北京:中国电力科学研究院,2006.LIQiang.PowersystemPMU[D].Beijing:ChinaInstitute,2006.stateestimationbasedonElectricPowerResearch[13]BaldwinTL,MillL,BoisenMB,eta1.Powersystemobservabilitywithminimalphasormeasurementplacement[J].IEEETransonPowerSystems,1993,8(2):707.715.(下转第77页continuedonpage77)马兰珍,等新型多电平光伏并网逆变器控制策略研究.77.(上接第71页continuedfrompage71)[14]彭疆南,孙元章,王海风.考虑系统完全可观测性的PMU最优配置方法[J】_电力系统自动化,2003,27(4):—1016.—PENGJiang-nan,SUNYuan-zhang,WANGHaifeng.Anoptim 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周大爷
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