自适应网络结构的故障行波定位方法邓丰概要.docx
- 文档编号:23517173
- 上传时间:2023-05-17
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:247.79KB
自适应网络结构的故障行波定位方法邓丰概要.docx
《自适应网络结构的故障行波定位方法邓丰概要.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自适应网络结构的故障行波定位方法邓丰概要.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
自适应网络结构的故障行波定位方法邓丰概要
自适应网络结构的故障行波定位方法
邓丰1,曾祥君1,陈楠2,李泽文1,李立彬3
(1.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410015;2.武汉大学电气工程学院,湖北省武汉市430072;
3.中国水利水电第八工程局,湖南省长沙市410015
摘要:
输电网中环路的存在会影响故障初始行波到达时间与行波传输路径的匹配,影响故障点位置的计算。
为此,提出了一种自适应网络结构的故障行波定位方法。
对于故障线路不包含于环路的情况,利用Floyd算法搜索故障点到网络中各节点的最短路径;对于故障线路包含于环路的情况,确定环路中初始行波到达时间最大的节点为解环点,并提出了剔除无效路径的时间判据,将复杂故障网络简化为辐射形网络。
在辐射形网络中,运用基于整个电网的故障行波定位算法,实现全网综合定位。
仿真结果表明,该方法实现简单,适用于任何结构的电网,能够有效弥补现有行波网络定位算法的缺陷和不足。
关键词:
输电网;行波;故障定位;环路;双回线路中图分类号:
TM773
收稿日期:
2008-11-18;修回日期:
2009-06-07。
国家自然科学基金资助项目(50577001;湖南省自然科学基金资助项目(07JJ3110;国家发明专利(专利号:
200710035479。
0引言
1993年,加拿大在B.C.Hydro500kV输电网的14个变电站安装行波定位装置,形成了全球第1个行波测量网络[1]。
自此以后,基于网络的故障定
位方法得到广泛关注[1-6]
。
文献[3-5]提出了基于整个输电网的行波定位系统,通过构建行波定位网络,在电网中每个变电站安装行波定位装置,记录各变电站行波到达时间以实现全网定位。
文献[6]提出了一种基于整个输电网的故障行波定位算法,通过对网络中所有变电站的时间信息进行纠错融合,实现全网定位。
这些文献均提出了全网定位的思想,故障后,每个变电站启动行波定位装置记录故障行波到达的初始时刻,并上传至故障定位主站,计算故障距离。
文献[6]给出了网络故障定位的实现步骤,并进行了仿真分析,但均没有解决网络定位方法的核心问题:
行波到达时间与行波传输路径的匹配。
文献[6]进行网络故障定位计算时根据仿真结果进行数据分组,没有提出通用的匹配方法。
同时,上述文献没有提及故障行波在双回线路中的传输路径和定位方法,无法适用于任意拓扑结构的电网。
本文在图论的基础上[7],深入分析网络中故障行波第1波头传输路径与波头到达时间的关系,提出行波到达时间与传输路径的匹配原则,并通过网
络简化的方法加以实现,在此基础上得出了一种自适应网络结构的故障行波定位方法。
1电网故障行波传输分析
1.1行波测量网络的图论描述
从图论的角度,不考虑网络元件的特性而只研究行波测量网络的拓扑关系时,可将电力系统抽象成由n个顶点和b条边构成的图G=(V,E,V表示图的顶点集合,E表示图的边的集合,分别对应于
电力系统中母线(变电站和支路的集合[8]
。
图1所示为行波测量网络的拓扑结构图,其中V={v1,v2,,v8},E={e1,e2,,e9}。
对电网拓扑图的边(vi,vj赋予数量指标,称之为权,代表输电线路长度,其中i,j为网络中的任一顶点。
故障后,每个变电站vi启动行波定位装置记录故障行波到达的初始时刻,并上传至故障定位主站,
计算故障距离。
图1行波测量网络的拓扑结构
Fig.1Topologystructureformeasurement
networkoftravelingwave
1.2初始行波到达时间与传输路径的匹配
由双端故障行波定位式(1可知,要正确计算故
第33卷第19期2009年10月10日Vol.33No.19Oct.10,2009
障点位置,必须知道2个计算点的初始行波到达时间ti和tj与这2点间的线路全长lij。
对于单条线路而言,lij即为该线路全长。
di=
2
[v(ti-tj+lij](1对于整个网络而言,lij必须满足一定的条件。
定义lij为一条计算路径,应用于定位计算的ti和tj必须对应由故障点向两端传播的故障初始行波波头,也就是说,lij必须包含故障线路。
对于辐射形网络,只要按要求选择2个计算点i和j,lij是唯一确定的,ti和tj与lij可以直接匹配;对于包含环路的复杂网络,lij=lfi+lfj,其中,lfi和lfj表示故障点与i和j之间的距离,在环网中lfi和lfj有多种路径选择,从而导致lij并不唯一确定,故ti和tj与lij无法直接匹配。
行波到达检测点的最早时间对应行波由故障点向检测点传输的最短路径,因此在环网中应有:
lij=lfi.min+lfj.min,lfi.min和lfj.min表示故障点与i和j之间的最短距离。
由最短路径的唯一性可知,最短路径网络为一辐射形网络,而辐射形网络中ti和tj与lij是直接匹配的。
因此对于包含环路的复杂网络,首先应该寻找故障点到网络中各节点的最短路径,将复杂网络简化为辐射形网络。
通过以上分析,可以明确网络中初始行波到达时间与传输路径的匹配原则为:
1用于故障定位的计算路径lij必须包含故障线路,且为最短。
2对于辐射形网络,满足计算条件的lij唯一确定,ti和tj与lij可以直接匹配。
3对于包含环路的复杂网络,lij=lfi.min+lfj.min。
首先计算故障点到网络中各节点的最短路径,移除非最短路径,将复杂网络简化为辐射形网络,再进行ti和tj与lij的匹配。
2复杂测量网络的简化
2.1利用Floyd算法简化网络
为了求取计算路径lij,必须求取故障点距离各节点的最短路径。
首先考虑故障点不在环路中的情况,如图2所示,此时无论故障点位置如何变化,最短路径都只与环路结构有关。
在这种情况下,可以采用Floyd算法对网络中的最短路径进行搜索[8-9]。
Floyd算法的具体步骤如下:
1输入权矩阵L(0=L。
2计算L(k=(l(kijnn,k=1,2,,n,其中
l(kij=min(l(k-1
ij,l(k-1
ik+l(k-1
kj,表示从vi点到vj点或直接有边或以vk点为中间点时的最短路径;n
为测量网络中所有变电站的个数。
图2故障线路不包含于环路中的行波测量网络
Fig.2Themeasurementnetworkwhichthe
faultlineisnotincludedintheloop
3L(n=(l(nijnn中元素g(nij就是从vi点到vj点的最短路径。
其中,权矩阵为:
L=(lijnn
lij=
wij(i,jE
其他
式中:
E为网络中连接所有变电站的输电线路的集
合;wij为边(i,j的权值。
图2所示的网络中,以故障线路两端节点C或D为参考点,按Floyd算法处理得到的最短路径网络如图3所示。
图3利用Floyd算法的网络解环结果
Fig.3ThesimplifiedresultbyFloydalgorithm
2.2利用动态简化原则简化网络
当故障点位于环路中时,此时若将各变电站作为静态节点,将故障点作为动态节点,由于动态节点f位置未知,f到达其他节点的距离是不确定的。
这时Floyd算法会导致某些问题,如图4中环路DGE,当故障点靠近D时,以E和G作为计算点进行定位计算,由图中参数可知最短路径应取线路lEDG,而Floyd算法搜索的最短路径为lEG,根本不满足计算条件,因此会导致一次漏算。
改变故障点位置,也可能会导致其他情况的漏算,最严重的情况是故障线路的长度大于环路中其他线路之和,此时故障线路会被作为非最短路径而删除,导致定位失败。
因此,对于包含故障线路的环路,Floyd算法具有一定的局限性。
为了弥补Floyd算法的局限性,提出利用故障线路所在环路中各变电站记录的初始行波到达时间动态确定行波传输的最短路径。
同样在环路DEG中,当故障点靠近D时,故障波头沿DE到达E点,
研制与开发邓丰,等自适应网络结构的故障行波定位方法
此时分析tE和tD与lDE的关系可知:
满足tE-tD=lDE/v,其中tE和tD分别为D点和E点记录的初始行波到达时间,lDE为DE线路全长,v为行波传输速度;而tE和tG与lGE则不满足上述关系。
由以上分析可知,lEDG为最短路径,lGE为无效路径,因此环路中的最短路径与相应节点记录的时间满足一定的关系,通过判断此关系是否成立可以准确地剔除环路
中的无效路径。
图4故障线路包含于环路中的行波测量网络Fig.4Themeasurementnetworkwhichthefault
lineisincludedintheloop
上述结论适用于任何结构的环路。
实际上,对于包含故障线路的任意结构环路,初始波头由波源(故障点出发,分别向两端沿线路传播,最终在环路中某点汇合流出环网,该点即为环路中时间最大的节点,该点所在线路就是环路中要删除的无效路径,具体可由路径两端节点的时间关系来确定。
因此,对于任意包含故障线路的环路,提出剔除该环路中无效路径的时间判据的步骤为:
1选择包含故障线路的一个环路,寻找环路中时间最大的节点Dtmax。
2验证该环路中与Dtmax直接相连的所有节点i记录的初始行波到达时间ti与Dtmax记录的时间tD是否满足下式:
tD-ti=
Di
vDi
(2式中:
lDi为节点Dtmax与节点i之间的线路全长;vDi为故障行波在线路lDi上的传播速度。
若满足式(2,表明线路lDi隶属于最短路径,应予以保留;若不满足,则表明线路lDi为无效路径,应予以剔除。
3若故障线路还包含于其他环路中,重复步骤1和步骤2。
利用该判据对图4环路DEG进行解网,假设故障点靠近D时,简化结果如图5所示。
对于故障线路外的环路,该判据同样适用,也可以直接运用Floyd算法,按2.1节进行简化。
2.3最不利情况时简化网络
按2.2节可以根据故障点的不同位置确定初始行波传输的最短路径,实现动态解网,但前提条件是环路中节点Dtmax以及与之直接相连的节点i
的时间图5环路DEG的动态解环结果
Fig.5ThesimplifiedloopDEGbydynamic
simplificationprinciple
被准确记录,当环路中某节点时间记录失败或错误时,可能会导致动态解网的失败。
定义最不利情况为故障发生在环路中,且环路中某节点时间记录失败。
在这种情况下,上述2种简化方法均有缺陷。
由2.2节的分析,Floyd算法会导致某些情况的漏算,最严重的情况是将故障线路删除。
如果在设置算法搜索最短路径时,强制保留故障线路,那么无论何种情况,算法都能计算故障点位置,只是以牺牲某个计算点为代价。
因此,当动态解网失败时,仍然可以利用Floyd算法进行网络简化,具体步骤为:
1确定故障线路,不论何种情况都予以保留。
2由Floyd算法搜索该环路中任意2个节点的最短路径,判断是否经过故障线路。
若经过,予以保留;若不经过,予以剔除。
在图4中,假设环路DEG中E的时间记录失败,环路DEG按上述原则解网的结果如图6所示。
对比图5,该原则牺牲了E点,从而导致了计算路径EDG的漏算,但仍可以由其他计算节点准确计算故障点位置。
由于Floyd算法只局限于包含故障线路的环路,相对整个网络而言,牺牲该环路中的少数非关键节点(故障线路两端的节点为关键节点不会对
整个计算结果带来很大影响。
图6最不利情况下环路DEG的解环结果Fig.6ThesimplifiedloopDEGunder
theworstconditions
2.4包含双回线路的网络简化
图7为某110kV双回线路系统,假定线路与线路相差L,令线路长出部分的中点为F。
当发生区外故障时,根据最短路径原则,故障初始行波的传输路径与线路无关,如图7所示。
同理,当故障发生在线路,故障初始行波的传输路径与线路无关;当故障发生在线路MF区域,故障初始行波的传输路径与线路无关,如图8所示。
2009,33(19
图7某110kV双回线路区外故障Fig.7Externalfaultofdouble-circuit
lines
图8某110kV双回线路区内故障Fig.8Internalfaultofdouble-circuitlines
当故障发生在线路FN区域,根据行波传输
的最短路径原则,故障初始行波在变电站N的反射波沿线路率先到达变电站M,此时故障初始行波的传输路径与线路MF区段无关,可以将线路在M点断开,构成一个T形网络,如图9
所示。
图9FN区域发生故障
Fig.9ThefaultoccurredinFNarea
根据1.2节的分析,该T形网络任意2个初始行波到达时间都是相关的,因此网络中任一节点i记录的时间ti均与tN满足下式:
ti-tN=Ni
v
(3
式中:
lNi为节点i与节点N间的距离;v为波速。
由于T形网络的特殊结构,图9中f点故障后故障定位算法计算得到的结果将是母线N处发生
故障[10]
。
根据该结论,当式(3中tN记录失败时,仍然可以利用节点M和S的时间进行判断。
定义FN区域为双回线路定位死区。
当故障发生在定位死区,无需简化网络,直接在定位死区查询故障点,最大定位误差为L/2。
通过以上分析,可以得到包含双回线路的网络简化原则为:
1通过断路器跳闸信息,确定故障线路。
2若为外部故障,则删除双回线中的长线路,保留短线路。
3若为双回线内部故障,且不满足式(3,则保留故障线路,删除非故障线路。
4将双回线路简化为单回线路,直接运用2.1节至2.3节的方法进行网络简化。
5若为双回线内部故障,且满足前文介绍的FN区域故障判据,则判断为死区故障。
此时无需
网络简化,直接在靠近母线的L/2区域内查询故障
点即可。
包含多回线路的网络同样可以利用以上原则进行简化。
3任意复杂网络故障定位方法实现流程
将复杂网络简化为辐射形网络后,就可以运用基于整个电网的故障行波定位算法[6],实现全网综合定位。
任意复杂网络的故障定位方法实现流程如附录A图A1所示,实现步骤为:
1读取一次故障事件数据,包括故障线路信息和各变电站记录的有效初始行波到达时间。
2搜索网络中的双回线路,按2.4节简化双回线路。
3搜索网络中的环路,判断故障线路相对于该环路的位置。
4若故障线路位于该环路外,按2.1节简化网络。
5若故障线路位于该环路中,且该环路中各变电站记录的初始行波到达时间准确、有效,按2.2节简化网络。
6若故障线路位于该环路中,但该环路中某些变电站记录时间失败或错误,按2.3节简化网络。
7继续搜索下一环路,直到网络中所有环路搜索完毕。
8根据网络故障定位方法计算故障点位置。
4仿真分析
为验证网络简化方法的正确性,利用电磁暂态程序(EMTP对某电网110kV系统进行仿真。
附录A图A2(a中f2和f1分别为环路内、外部故障的2个故障点,且故障点f2发生在双回线路上。
附录A图A2(b,(c,(d分别为故障发生在环路外、故障发生在环路中且环路内所有时间记录有效以及故障发生在环路中但环路内某变电站时间记录无效的简化网络。
本文分别对以上各种故障情况进行仿真分析,均得到满意结果,如表1所示。
表1仿真定位结果
Table1Faultlocationresults
故障位置时间记录错误或失败的变电站
定位结果/km定位误差/m线路EI距变电站I为10km双回线路DE中线路距变电站D为8.250km双回线路DE中线路距变电站D为0.128km
无9.98020无8.28232变电站D
8.31767无
母线D故障
128
研制与开发邓丰,等自适应网络结构的故障行波定位方法
5结语
本文提出了复杂故障网络的简化方法,简化得到的辐射形网络即为故障行波第1波头传输路径网络。
该网络简化方法不受故障点位置、双回或多回线路等网络结构的影响,在某变电站时间记录错误的情况下,仍然可以正确匹配故障行波到达时间和传输路径。
借鉴T形网络定位算法,解决了双回线路定位死区问题。
基于该方法的行波定位系统已在株洲电网成功运行,运行结果表明,该方法误差小于150m,可靠性高、鲁棒性强,较好地满足了电网运行要求。
附录见本刊网络版(http:
//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx。
参考文献
[1]LEEH,MOUSAAM.GPStravelingwavefaultlocatorsystemsinvestigationintotheanomalousmeasurementsrelatedtolightningstrikes.IEEETransonPowerDelivery,1996,11(3:
1214-1223.
[2]曾祥君.电力线路故障检测与定位新原理及其信息融合实现研究[D].武汉:
华中科技大学,2000.
[3]曾祥君,尹项根,陈德树,等.基于整个输电网GPS行波故障定位系统的研究.电力系统自动化,1999,23(10:
8-10,16.
ZENGXiangjun,YINXianggen,CHENDeshu,etal.GPStravelling-wavefaultlocationsystemsfortransmissionnetwork.AutomationofElectricPowerSystems,1999,23(10:
8-10,16.
[4]曾祥君,尹项根,陈德树,等.新型输电线路故障综合定位系统研究.电力系统自动化,2000,24(22:
39-40.
ZENGXiangjun,YINXianggen,CHENDeshu,etal.Studyonanewtypeofintegrativefaultlocationsystemfortransmission
line.AutomationofElectricPowerSystems,2000,24(22:
39-40.
[5]曾祥君,尹项根,林福昌.基于行波传感器的输电线路故障定位方法研究.中国电机工程学报,2002,22(6:
42-47.
ZENGXiangjun,YINXianggen,LINFuchang.Studyonfaultlocationfortransmissionlinesbasedonthesensoroftravelling-wave.ProceedingsoftheCSEE,2002,22(6:
42-47.
[6]李泽文,姚建刚,曾祥君,等.基于整个输电网的电压行波故障定位算法.电力系统自动化,2008,32(1:
66-69.
LIZewen,YAOJiangang,ZENGXiangjun,etal.Studyonvoltage-travelingwavebasedfaultlocationfortransmissionnetwork.AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(1:
66-69.
[7]戴一奇.图论与代数结构.北京:
清华大学出版社,1995.
[8]MYOUPOJF,FABRETAC.AmodularsystoliclinearizationoftheWarshal-lFloydalgorithm.IEEETransonParallelan
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自适应 网络 结构 故障 行波 定位 方法 概要