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配電網同步測量技術及應用(精)/智能電網技術與裝備叢書 版權信息
- ISBN：9787030685100
- 條形碼：9787030685100 ; 978-7-03-068510-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
配電網同步測量技術及應用(精)/智能電網技術與裝備叢書 內容簡介
本書系統論述有源配電網的信號特征，介紹寬頻帶多態信號的精細化分析方法，對比分析同步相量及頻率測量方法，并針對部分理論、算法給出并分析實測效果。此外，本書總結有源配電網同步測量裝置及系統的典型功能、結構和性能指標，綜述同步測量技術在配電網中的典型應用場景，并重點介紹基于同步波形進行小電流接地故障診斷與定位、弧光高阻故障診斷時的應用方法和效果。 本書適合配電網繼電保護與自動化領域的科研人員、技術管理人員、工程技術人員等閱讀，也可作為電力系統自動化專業高校師生的參考書。
配電網同步測量技術及應用(精)/智能電網技術與裝備叢書 目錄
目錄
“智能電網技術與裝備叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 電力系統監測的發展歷程 1
1.2 電力電子化電力系統監測需求 2
1.3 有源配電網故障診斷對數據源的新需求 6
1.4 配電網寬頻同步測量系統 7
參考文獻 8
第2章 有源配電網信號特征及噪聲處理方法 10
2.1 有源配電網實測信號特征分析 10
2.2 有源配電網寬頻帶多態信號模型 13
2.3 隨機脈沖噪聲快速處理方法 17
2.3.1 魯棒局部回歸平滑濾波方法簡述 18
2.3.2 快速魯棒局部回歸平滑濾波 19
2.3.3 算例驗證 22
2.4 本章小結 23
參考文獻 24
第3章 寬頻帶多態信號精細化分析方法 26
3.1 寬頻帶確定性分量自適應感知方法 26
3.1.1 寬頻帶信號感知方法性能比較 26
3.1.2 噪聲強度頻域自適應跟蹤方法 28
3.1.3 寬頻帶信號自適應感知算法 32
3.1.4 算例驗證 36
3.1.5 實測數據分析 44
3.2 寬頻帶多態信號高精度辨識方法 45
3.2.1 改進的魯棒局部回歸平滑濾波方法 46
3.2.2 改進的魯棒局部回歸平滑濾波頻域補償方法 48
3.2.3 確定性分量自適應感知與參數辨識 50
3.2.4 多態噪聲自適應辨識 55
3.2.5 寬頻帶信噪高精度辨識方法的整體方案 58
3.2.6 算例驗證 59
3.2.7 寬頻帶信噪高精度辨識應用 64
3.3 本章小結 70
參考文獻 70
第4章 同步相量及頻率測量方法 72
4.1 同步相量測量基本原理 72
4.1.1 離散傅里葉變換法 72
4.1.2 卡爾曼濾波法 75
4.1.3 瞬時值算法 77
4.1.4 基于自適應線性元件神經網絡的快速算法 79
4.1.5 小波變換法 82
4.2 典型頻率估計方法 85
4.2.1 周期法 85
4.2.2 基于離散傅里葉變換的測頻法 86
4.2.3 *小二乘算法 89
4.2.4 牛頓類算法 91
4.2.5 卡爾曼濾波算法 93
4.3 寬頻帶相量與頻率估計方法 96
4.3.1 快速泰勒傅里葉變換方法 96
4.3.2 算例驗證 98
4.3.3 *大可承受多態噪聲強度分析 100
4.4 本章小結 103
參考文獻 103
第5章 配電網同步測量裝置與系統 105
5.1 配電網PMU技術應用需求 105
5.2 國內外配電網PMU技術及發展現狀 106
5.3 配電網同步相量測量裝置 108
5.3.1 配電網同步相量測量裝置功能特點 108
5.3.2 配電網同步相量測量裝置硬件組成 109
5.4 配電網同步測量系統 111
5.4.1 混合組網架構 112
5.4.2 數據協議 112
5.4.3 數據服務系統 112
5.5 基于配電網同步測量系統的高級應用功能 113
5.5.1 診斷類應用 113
5.5.2 控制類應用 115
5.6 本章小結 116
參考文獻 116
第6章 配電網小電流接地故障診斷與定位 117
6.1 故障區段與健全區段暫態電流分析 117
6.2 基于暫態能量的區段定位方法 122
6.2.1 定位原理 122
6.2.2 區段定位算法的實現流程 123
6.3 算例仿真及應用分析 125
6.3.1 仿真驗證 125
6.3.2 現場實際故障試驗驗證 127
6.4 本章小結 128
參考文獻 128
第7章 基于同步波形的弧光高阻故障診斷 130
7.1 基于諧波能量的弧光高阻故障建模及辨識方法 131
7.1.1 弧光高阻故障的建模 131
7.1.2 弧光高阻故障辨識方法 133
7.2 算例仿真及應用分析 141
7.2.1 靈敏性分析 142
7.2.2 安全性分析 144
7.2.3 算法檢測窗口長度的選擇 144
7.3 本章小結 147
參考文獻 147
“智能電網技術與裝備叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 電力系統監測的發展歷程 1
1.2 電力電子化電力系統監測需求 2
1.3 有源配電網故障診斷對數據源的新需求 6
1.4 配電網寬頻同步測量系統 7
參考文獻 8
第2章 有源配電網信號特征及噪聲處理方法 10
2.1 有源配電網實測信號特征分析 10
2.2 有源配電網寬頻帶多態信號模型 13
2.3 隨機脈沖噪聲快速處理方法 17
2.3.1 魯棒局部回歸平滑濾波方法簡述 18
2.3.2 快速魯棒局部回歸平滑濾波 19
2.3.3 算例驗證 22
2.4 本章小結 23
參考文獻 24
第3章 寬頻帶多態信號精細化分析方法 26
3.1 寬頻帶確定性分量自適應感知方法 26
3.1.1 寬頻帶信號感知方法性能比較 26
3.1.2 噪聲強度頻域自適應跟蹤方法 28
3.1.3 寬頻帶信號自適應感知算法 32
3.1.4 算例驗證 36
3.1.5 實測數據分析 44
3.2 寬頻帶多態信號高精度辨識方法 45
3.2.1 改進的魯棒局部回歸平滑濾波方法 46
3.2.2 改進的魯棒局部回歸平滑濾波頻域補償方法 48
3.2.3 確定性分量自適應感知與參數辨識 50
3.2.4 多態噪聲自適應辨識 55
3.2.5 寬頻帶信噪高精度辨識方法的整體方案 58
3.2.6 算例驗證 59
3.2.7 寬頻帶信噪高精度辨識應用 64
3.3 本章小結 70
參考文獻 70
第4章 同步相量及頻率測量方法 72
4.1 同步相量測量基本原理 72
4.1.1 離散傅里葉變換法 72
4.1.2 卡爾曼濾波法 75
4.1.3 瞬時值算法 77
4.1.4 基于自適應線性元件神經網絡的快速算法 79
4.1.5 小波變換法 82
4.2 典型頻率估計方法 85
4.2.1 周期法 85
4.2.2 基于離散傅里葉變換的測頻法 86
4.2.3 *小二乘算法 89
4.2.4 牛頓類算法 91
4.2.5 卡爾曼濾波算法 93
4.3 寬頻帶相量與頻率估計方法 96
4.3.1 快速泰勒傅里葉變換方法 96
4.3.2 算例驗證 98
4.3.3 *大可承受多態噪聲強度分析 100
4.4 本章小結 103
參考文獻 103
第5章 配電網同步測量裝置與系統 105
5.1 配電網PMU技術應用需求 105
5.2 國內外配電網PMU技術及發展現狀 106
5.3 配電網同步相量測量裝置 108
5.3.1 配電網同步相量測量裝置功能特點 108
5.3.2 配電網同步相量測量裝置硬件組成 109
5.4 配電網同步測量系統 111
5.4.1 混合組網架構 112
5.4.2 數據協議 112
5.4.3 數據服務系統 112
5.5 基于配電網同步測量系統的高級應用功能 113
5.5.1 診斷類應用 113
5.5.2 控制類應用 115
5.6 本章小結 116
參考文獻 116
第6章 配電網小電流接地故障診斷與定位 117
6.1 故障區段與健全區段暫態電流分析 117
6.2 基于暫態能量的區段定位方法 122
6.2.1 定位原理 122
6.2.2 區段定位算法的實現流程 123
6.3 算例仿真及應用分析 125
6.3.1 仿真驗證 125
6.3.2 現場實際故障試驗驗證 127
6.4 本章小結 128
參考文獻 128
第7章 基于同步波形的弧光高阻故障診斷 130
7.1 基于諧波能量的弧光高阻故障建模及辨識方法 131
7.1.1 弧光高阻故障的建模 131
7.1.2 弧光高阻故障辨識方法 133
7.2 算例仿真及應用分析 141
7.2.1 靈敏性分析 142
7.2.2 安全性分析 144
7.2.3 算法檢測窗口長度的選擇 144
7.3 本章小結 147
參考文獻 147
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配電網同步測量技術及應用(精)/智能電網技術與裝備叢書 節選
第1章 緒論 1.1 電力系統監測的發展歷程 能源是推動社會發展的重要動力。隨著社會的不斷發展，國防、工業、農業、高新技術產業等越來越依賴于安全穩定、高質量、清潔的電力系統的支撐[1，2]。電力系統的經濟和安全運行可概括為兩點：無故障發生時，能夠通過全局優化或局部優化將經濟性擴展到*大；發生故障時，能夠迅速進行控制，避免大停電事故發生。為了達到以上兩點要求，要獲知電力系統實時行為狀態，以對電網進行控制和優化。因此，加強電力系統運行狀態實時監測，為調度控制提供及時可靠的運行狀態測量數據，是提高系統運行安全穩定性的重要措施[3]。 電力系統形成初期，受限于當時數據采集、傳輸等電子信息技術限制，調度人員無法及時獲取遠方電廠、變電站、斷路器等設備運行狀態，更無法及時控制，操作人員只能根據歷史數據，就地讀取測量值，然后根據自己的經驗采取控制措施。1892年，電話技術使調度人員能夠通過電話獲取廠站運行數據并下達控制指令，初步實現電力系統遠程監控。1927年，出現電力系統監測日志系統，該系統負責收集遠方發電廠和變電站發送來的數據，然后打印運行狀態的變化及其發生的時間和位置。但是上述監控方式費時費力，只能獲取極其有限的歷史信息，調度人員仍需根據個人經驗選擇控制措施，再用電話通知發電廠、變電站運行人員進行控制調整，很難保證操作的有效性。 以“四遙”為主要功能的布線邏輯式遠動技術可以有效地對電力系統的運行狀態進行實時監測，并能夠直接對某些開關進行合閘和斷開操作、對發電機出力進行調節，極大地提高了監控實時性。隨著電力系統的結構和運行方式越來越復雜，對供電可靠性的要求越來越高，布線邏輯式遠動裝置無法提供高可靠度和高精度的運行數據，且面對龐大的實時運行數據，僅憑調度人員人工計算分析得到的運行方式和控制指令很難滿足上述需求。 20世紀60年代，電子信息技術的快速進步極大地推動了電力系統監控技術的發展。基于微機的遠方終端逐漸應用到發電廠和變電站，其獲取的測量數據可靠性和精度都遠超舊式布線邏輯式遠動裝置，數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)逐漸成熟。為了提高調度中心的數據處理能力，計算機技術逐漸取代人腦，以快速計算分析海量實時運行數據，*早實現電力系統經濟調度。20世紀80年代，SCADA技術的成熟催生了包含狀態估計、*優潮流、靜態安全分析等一系列高級應用功能的能量管理系統(energy management system，EMS)，大大提高了系統運行的經濟性和安全水平[4，5]。時至今日，SCADA/EMS系統仍然在電力系統穩態監控方面發揮著重要作用。 為了提高電力系統抗干擾能力，實現電力資源高效利用，區域電網開始互聯運行。但是電網互聯后，系統可能存在聯絡線狀態接近穩定運行極限和區域間繼電保護裝置缺乏協調性等情況。當系統發生大擾動或出現故障時，可能會觸發連鎖反應進而導致大面積停電，例如1996年7月2日由線路單相接地故障引起的美國西部互聯電網大停電事故、2003年9月28日由故障線路潮流轉移引起的意大利電網崩潰事故。電網互聯后，世界范圍內發生了多起大停電事故，暴露了SCADA/EMS的重大漏洞，即在關鍵時刻無法快速給調度人員提供準確的同步動態信息，很難應對大范圍連鎖事故。全球定位系統(global positioning system，GPS)相關技術的應用使同步測量成為可能，催生了以相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)為測量終端的廣域測量系統(wide area measurement system，WAMS)[6，7]。WAMS與SCADA的重要區別在于WAMS能夠實時獲取帶有統一時間標記的工頻信號相位、幅值和頻率，通過高速通信網絡實現測量數據的低延時傳輸與集中，時間分辨率達到10ms，使調度中心能夠同步動態跟蹤電力系統全局運行狀態，實現了低頻振蕩監測、振蕩源定位、孤島監測、電壓穩定監測、動態狀態估計、在線廣域穩定控制等功能[8，9]，標志著電力系統監測進入廣域同步監測時代，大大提高了互聯電網運行穩定性。 1.2 電力電子化電力系統監測需求 大力開發可再生能源，加速負荷電氣化升級將有助于緩解能源危機和環境污染問題。以電力電子裝備為核心的風電/光伏等可再生能源發電、交直流輸配電網架、電動汽車/儲能等大功率互動性多元電氣化負荷接入電網的比例日益升高，不僅使輸電網形態日趨復雜，也使配電網呈現有源化、運行狀態多變化，使電力系統源-網-荷呈高度電力電子化趨勢[10]。 電力電子化電力系統呈低慣性、弱阻尼特征，會使系統穩定特性出現巨大變化。主網層面，系統發生有功擾動后，通過電力電子裝置并網的分布式發電因缺少有功控制模塊無法像同步發電機組一樣向系統提供及時的有功支撐，容易引起系統頻率的快速變化和大幅偏移，甚至導致頻率崩潰[11，12]。缺少輔助控制模塊的電力電子化裝置接入系統會降低系統阻尼，削弱系統抑制小干擾引起的或大干擾后的低頻振蕩的能力。配網層面，分布式發電功率隨機波動、多元化負荷隨機波動、電網運行狀態變化等都會引起短期難以預測的隨機擾動，動態行為更加復雜[10]，嚴重時可引發連鎖故障，擾動*終可能會傳播到主網，危及主網安全穩定。輕型廣域測量系統(WAMS Light)監測到的某配電網擾動傳播事件如圖1-1所示，某35kV電纜線路突然發生故障，隨后故障相繼引發某110kV系統和某330kV系統失負荷，造成直流輸電閉鎖故障。 圖1-1 實測擾動傳播事件 另外，電力電子裝置的大規模應用給電網注入大量低頻和高頻分量，使電網信號呈現寬頻分布特征，威脅系統運行安全和供電質量。可再生能源分布式發電并網、高壓直流輸電、柔性交/直流輸電、直流微電網等技術的應用均依靠控制策略靈活多變的變流器，變流器與電網之間的相互作用可能會引起功率振蕩問題。由于變流器的快速響應特性，振蕩頻率往往高于機電低頻振蕩，對系統表現為持續的次/超同步諧波源，使變流器與系統之間在多個非工頻的頻率下進行能量交換，易引起電壓/電流大幅波動，觸發變流器等電力裝置的過壓/過流保護動作，也可能會導致變壓器振動、損壞補償裝置等[13]。當次/超同步諧波信號傳播范圍內存在常規機組時，如果次/超同步分量的頻率與汽輪機軸系扭振頻率互補，還可能引起汽輪機軸系扭振[14]，嚴重時可觸發扭振保護動作導致切機事故，使系統遭受有功擾動，特別是在電力電子化電力系統慣性不足的情況下極易引發系統頻率快速變化甚至崩潰，造成大停電事故。此外，變流器與變流器之間也可能由于控制器參數設置不當引起相互作用，振蕩頻率可達到上千赫茲，可能會激發系統諧振。與傳統的機電低頻振蕩、次超同步諧振不同，電力電子裝置引起的寬頻振蕩與同步發電機組沒有直接關系，且振蕩頻率和阻尼特性與變流器和電網參數密切相關，呈現時變特征，基于振蕩機理模型的離線分析與控制方法難以應對參數時變的振蕩問題。配網側的分布式發電并網變流器之間、變流器與系統之間也存在相同機理的振蕩問題。監測到的某配電網電壓振蕩事件如圖1-2所示，城市A電網系統接入了大量風電，城市A與城市B處于同一同步電網。監測到城市A電壓幅值振蕩，振蕩導致城市A配電網在16:31:10與主網解列，并在16:32:02開始孤島運行，但電壓仍出現持續振蕩。由城市A頻率曲線可知，16:32:02～17:20:36期間經歷了5次切負荷，每次切負荷后電壓都處于增幅振蕩，*終在17:20:36導致該配電網停電。 配電網信號中的寬頻帶分量主要源于非線性負荷引起的諧波、間諧波分量，如基于整流器的電動汽車充電負荷、重工業負荷、計算機/調光燈等家用負荷與基于整流-逆變的變頻調速負荷等。其中，間諧波分量主要由變頻負荷產生，變頻器連接電感或電容的容量有限，會使直流側出現紋波，導致系統側出現間諧波電流[15]。隨著電力電子化非線性負荷占比越來越高，配電網信號寬頻化問題將更加嚴重，給系統帶來各種不利的影響。穩態方面，大量諧波、間諧波的引入會引起更多電能質量問題，如電壓閃變，引起電力設備的過熱、振動和使用壽命縮短[16]；電壓或電流的波形畸變也會降低功率因數[17]。動態方面，諧波特別是間諧波的存在，使電網信號覆蓋頻率范圍更寬；另外，有源配電網分布式電源控制策略變化、電力濾波器的投切及控制策略變化、繼電保護裝置動作或配電網運行方式調整引起的網架結構變化都會導致系統電氣諧振頻率的變化，當信號中存在接近系統諧振頻率的分量時，易激發系統諧振。繼電保護方面，間諧波會使波形過零點偏移，不但能造成測量儀器采樣數據產生誤差，影響其測量結果與準確度，還會造成過零工作的數字繼電器誤動作，甚至引起連鎖事故。 綜上所述，電力電子化電力系統的低慣性、弱阻尼特征使系統抵御大擾動和低頻振蕩能力減弱，易出現頻率快速變化和大幅偏移問題，威脅區域電網互聯運行穩定性。換流器與系統、換流器與換流器之間的相互作用會引起寬頻振蕩問題，振蕩頻率從幾赫茲到幾千赫茲，易造成機組跳閘和裝置損壞，甚至激發系統諧振；非線性負荷引起的信號寬頻化會引起電能質量、系統諧振、繼電保護誤動作等問題。上述問題之間也會相互影響，使系統動態行為錯綜復雜，難以預測，因此，基于模型的離線分析與控制方法難以應對復雜多變的電力電子化電力系統動態，僅依靠以基波分量動態跟蹤為核心功能的WAMS及其高級應用也難以應對信號寬頻化帶來的一系列問題。為了提升高度電力電子化電力系統的運行狀態監控能力，需要將動態監測技術由輸電網滲透到配電網、同步測量范圍由窄帶基頻分量擴大到寬頻分量，研究以寬頻帶相量測量數據為支撐、覆蓋源-網-荷的新一代全景式監測技術。這一技術將為電網寬頻振蕩監測、諧振監測、精細化電能質量分析、諧波/間諧波溯源、故障診斷等提供高精度寬頻帶同步測量數據，使運行人員及時準確地掌握系統運行狀態，做出合理的決策；也有助于把握電力電子化電力系統的信號特征，發現新的電網安全穩定現象和隱患。 1.3 有源配電網故障診斷對數據源的新需求 配電網是電力系統的重要組成部分，其供電的可靠性與用戶安全生產、正常生活密切相關。配網線路具有結構復雜的特征，中性點接地方式有不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地等不同形式，線路存在架空線、電纜及其混聯線路等，且分支點多、線長、面廣，運行條件惡劣，極易造成單相接地故障和短路故障。據統計，目前全國年均停電損失上千億元，90%以上停電事故是配電網線路故障所引起的。 目前，配電網的接線方式多為帶聯絡輻射型線路或環網線路，線路普遍采用多分段結構，平均每段線路長度約為2km；分布式電源的接入比例較低，正常和故障狀態下潮流雙向特征尚不明顯。現有配電網一般配置電流保護+重合閘，正在逐步推廣應用配電自動化系統，預計2020年實現配電自動化覆蓋率90%以上。隨著智能電網的發展和分布式電源(distributed generator，DG)的大量接入，配電網將成為一個功率雙向流動的有源網絡，現有的依賴于就地電壓、電流幅值信息的故障診斷和定位方案，難以滿足智能配電網安全、可靠運行的要求。同步相量測量技術的發展和應用成為保障新形勢下配電網安全可靠運行的新方法、新手段。配電網PMU將各測點電壓/電流的幅值、相位等信息傳入主站，利用全局同步電壓/電流相量，對電網運行特征進行實時監測、分析，為DG高滲透率下的故障特征辨識和故障區段定位提供新的思路[18]。 單相接地故障檢測和定位是配電網面臨的又一難題。統計表明，單相接地故障占到配電網故障的80%，其中瞬時性故障又占有很大比例。配電網廣泛采用小電流接地方式，根據接地電容電流的大小，又細分為中性點不接地方式和中性點經消弧線圈接地兩種方式。單相接地故障電流等于各個線路的對地電容電流之和，故障電流微弱，系統的三相線電壓基本保持不變，系統可以帶電運行一段時間，以便采取處理措施，保證了負荷的連續性供電。當發生瞬
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