行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
應用同步相量量測器於多端輸電線故障定位研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 : 個別型
計 畫 編 號 : NSC 95-2221-E-002-397-
執 行 期 間 : 95 年 08 月 01 日至 96 年 08 月 15 日
執 行 單 位 : 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所
計 畫 主 持 人 : 劉志文
計畫參與人員: 博士班研究生-兼任助理:李忠樹、簡士恩、李建鋒
碩士班研究生-兼任助理:周一婷、王子健、鄧明宗
報 告 附 件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處 理 方 式 : 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96 年 09 月 11 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫期末報告
應用同步相量量測器於多端輸電線故障定位研究
計畫編號 :
NSC
95-2221-E-002-397-
執行期限 : 2006.08.01 至 2007.07.31
計畫主持人 : 劉志文教授
計畫參與人員 : 李忠樹、簡士恩、李建鋒、周一婷、王子健、鄧明宗
執行機構及單位名稱: 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所
Tel : (02)33663616 Email :cwliu@cc.ee.ntu.edu.tw 摘要 : 本計畫提出一使用同步量測訊號適用於多端 線路的故障定位法則,各匯流排配備同步相量量測單 元,取得各匯流排的同步電壓和電流相量,本演算法計 算簡單,無需複雜的疊代。使用 EMTP/ATP 模擬器的結 果顯示有可靠的準確度,不受故障型式、故障電阻和故 障位置等影響。 關鍵字 : 故障定位、同步相量量測、多端線路。
Abstract: This project presents a new PMU-based fault
location algorithm for EHV multi-terminal transmission lines. The method does not require fault type identification and its computational cost is very low since it does not require iterative operations. The EMTP/ATP simulator was adopted to verify the accuracy of the method. The simulation studies show that the algorithm provides a high degree of accuracy in fault location. The algorithm is independent of various fault and system conditions such as fault types, fault positions, fault path resistance, pre-fault load flows, and line shunt capacitance, etc.
Keyword : Fault Location, Synchronized Phasor
Measurement, Multi-Terminal lines. 一、介紹 超高壓線路是電力傳輸的命脈,所以故障定位一直 是一個重要的課題,尤其是多端線路本身的複雜性,一 般的故障定位無法應付此一問題。隨著電腦科技的進 步,已經有很多的數位故障定位演算法被提出[1-12]。 但是其中大多只有探討單一未分支線路的故障定位,一 部份提到三端的線路的故障定位法。對於三端線路以上 的故障定位更是少數,而且該類的故障定位演算法,其 計算需要複雜的疊代,且只限於短程的輸電線,本演算 法適用長短程輸電線。 本計畫提出一使用同步量測訊號適用於多端線路 的故障定位法則,它計算簡單無需複雜的疊代。模擬的 結果顯示有可靠的準確度,不受故障型式、故障電阻和 故障位置等影響。 其他的章節安排如下,第二段闡述本文提出的故障 定位法則和理論,並歸納出一簡單的故障區間和故障位 置的判別法則。再來,第三段是使用EMTP/ATP[13]模 擬器以驗証本演算法。最後是本計畫的結論及成果自 評。 二、故障定位演算法 在一線路上,如圖一,任一位置的電壓和電流,可 以由下列的等式表示: 圖 1 傳輸線路單線圖 cm m m m m m m m m m m Z / )] x exp( B ) x exp( A [ I ) x exp( B ) x exp( A V γ − − γ = γ − + γ = (1) m是0、1或2代表的是零、正或負序成份。 m m cm Z Y Z = 表示線路的特性阻抗。 m m m = Z Y γ 表示線路的傳播常數。 另外,常數 和 可由任一線路端所量測的電 壓和電流來決定。 m A Bm 若以受電端為條件且只考慮正序的相量,上式可以 表示為:
(
)
(
)
x R C R x R C R x V Z I e 2 1 e I Z V 2 1 V = + Γ + − −Γ (2)(
)
(
)
x C R C R x R C R x V Z I e ]/Z 2 1 e I Z V 2 1 [ I = + Γ − − −Γ (3) 同理,若以送電端為條件,可表示成:(
)
x S C S L x e V Z I e 2 1 V = −Γ R + Γ(
)
x S C S R V Z I e L e 2 1 Γ − −Γ + (4)(
)
x S C S L x e V Z I e 2 1 [ I = −Γ R + Γ(
S C S)
x C L Z / ] e I Z V e 2 1 Γ R − −Γ − (5) 不管以送電端或受電端為表示式,在線路未故障 時,線路上各點的電壓以(2)或(4)表示皆相等。但當線 路上,有一故障發生時,線路上各點的電壓以(2)或(4)表示不會相等,除了線路上故障點的電壓以外,利用此 一特性求得正確的故障位置x(x=DL)。 A.三端線路的故障定位: 我們一樣以受電端為邊界條件,來表示線路上的電 壓和電流,另選線路上分岐點 p 為新送電端的邊界條 件,如圖 2,所以新的表示式: 圖 2. 三端線路單線圖
(
)
x P C P L x e V Z I e 2 1 V = −Γ R + Γ(
)
x P C P R V Z I e L e 2 1 Γ − −Γ + (6) 而 p 點的電壓和電流,分別以舊的送電端 bus 1 and 2 來估測,先討論若以 bus 1 來估測 p 點的電壓:(
1 C1)
L 1 B _ P e V Z I 2 1 V = −Γ 1 +(
1 C 1 R V Z I L e 2 1 − + Γ)
(7) VP的下標B1,代表該P點的電壓是以bus 1來估測。 而IP=I’1+ I’2(
1 C1)
L 1 e V Z I 2 1 [ I′ = −Γ 1 +(
)
C 1 C 1 L Z / ] I Z V e 2 1 1 − − Γ (8)(
2 C 2)
L 2 e V Z I 2 1 [ I′ = −Γ 2 +(
)
C 2 C 2 L Z / ] I Z V e 2 1 2 − − Γ (9) 由此,可得到新的方程式:(
)
(
)
x R C R x R C R x V Z I e 2 1 e I Z V 2 1 V = + Γ + − −Γ (10)(
)
x P C 1 B _ P L x e V Z I e 2 1 V = −Γ R + Γ(
)
x P C 1 B _ P R V Z I e L e 2 1 Γ − −Γ + (11) 我們可發現,利用(10)和(11),若故障發生在線段 LR,可產生一定位指標D1介於 0~1。若故障發生在線段 L1,D1介於 1~ R 1 R L L L + 。若故障發生在線段L2,D1=1。 但當若故障發生在線段L2時,可知上(10),(11)兩式會相 等,只有在p點,故定位指標D1=1。 同理,若p點的電壓和電流,分別以舊的送電端bus 2 來估測p點的電壓,再重複上述同樣的步驟,可得定位 指標D2。若故障發生在線段LR,D2介於 0~1。若故障發 生在線段L2,D2介於 1~ R 2 R L L L + 。若故障發生在線段 L1,D2=1。 所以三端的線路,可產生兩個定位指標D1 和D2, 其故障區間和故障位置的不同,此兩個定位指標會有一 判別準則,製表如下:(1) 0 < D1 < 1 and 0 < D2 < 1: the fault occurs in LR. Then,
D1 = D2, and both of them are accurate fault locations.
(2) D1 > 1 and D2 = 1: the fault occurs in L1 and D1 is the
actual fault location away from bus R.
(3) D1 = 1 and D2 > 1: the fault occurs in L2 and D2 is the
actual fault location away from bus R.
B.四端線路的故障定位: 我們一樣以受電端為邊界條件,來表示線路上的電 壓和電流,另選線路上分岐點 P1 為新送電端的邊界條 件,如圖 3,所以新的表示式:
(
)
x P C P L x e V Z I e 2 1 V = −Γ R + Γ(
)
x P C P R V Z I e L e 2 1 Γ − −Γ +(12)
而P1 點的電壓和電流,分別以舊的送電端bus 1, 2 and 3 來估測,bus 1 來估測P1 點的電壓,再依三端法的 邏輯和步驟,可得故障定位指標D1。若故障發生在線段 LR,故障定位指標D1介於 0~1。若故障發生在線段L1, 故障定位指標D1介於 1~ R 1 R L L L + 。若故障發生在任一線 段L12,L2, 或L3上時,故障定位指標D1=1。 圖 3. 四端線路單線圖 再來討論若以bus 2 來估測p1 點的電壓,因為bus 2 與p1 點間,有另一分岐點p2,無法直接估測,我們可先 由bus 2 估測p2 點的電壓和電流,再以p2 點來估測p1 點 的電壓,再重複三端法的故障定位法的步驟,可得故障 定位指標D2。若故障發生在線段LR,故障定位指標D2介 於 0~1。若故障發生在線段L12,故障定位指標D2介於 1~ R 12 R L L L + 。若故障發生在線段L2,則故障定位指標D2介於 R 12 R L L L + ~ R 2 12 R L L L L + + 。若故障發生在線段 L1, 故 障 定 位 指 標 D2=1 。 若 故 障 發 生 在 線 段 L3, D2= R 12 R L L L + 。 同理若以bus 3 來估測p1 點的電壓,因為bus 3 與p1 點間,有另一分岐點p2,無法直接估測,我們可先由bus 3 估測p2 點的電壓和電流,再利用KCL電流定理得到分 岐點匯出的電流,再重複同樣的步驟以p2 點來估測p1 點的電壓,再重複三端的步驟,可得故障定位指標D3。 若故障發生在線段LR區段時,故障定位指標D3介於 0~1。若故障發生在線段L12區段時,故障定位指標D3介 於 1~ R 12 R L L L + 。若故障發生在線段L3區段時,故障定 位指標D3介於 R 12 R L L L + ~ R 3 12 R L L L L + + 。若故障發生 在線段L1區段時,故障定位指標D3=1。若若故障發生在 線段L2區段時,故障定位指標D3= R 12 R L L L + 。 四端的線路,可產生三個故障定位指標D1 ,D2和 D3,其故障區間和故障位置的不同,此三個定位指標會 有一判別準則,製表如下: C. 多端(n)線路的故障定位: 我們可將結果,推廣至n+1 端(每一分岐點皆連有 一bus)如圖 4,我們可得到各bus的定位指標D1, D2, ……, D(k-1), Dk, D(k+1)……, D(n-1), Dn ,。依照故障發生在不同的線 段,其有三種不同的結果。 圖 4.多(n)端線路單線圖 產生n個故障定位指標D1, D2, ……, D(k-1), Dk, D(k+1)……, D(n-1), Dn ,,其故障區間和故障位置的不同, 此n個定位指標會有一判別準則,我們整理如下所述的 規則:
Faulted branch identification logic:
1.
Find D1, D2, ……, D(k-1), Dk, D(k+1)……, D(n-1), Dn , faultlocation indexes.
2.
find the biggest indexa. if D1= D2= ……= D(k-1)=Dk =D(k+1)…… =D(n-1)
=Dn=1, the faulted branch is LR. fault index is
fault location.
b. if the number of the biggest index is only one(Dk), the faulted branch is Lk. Dk is fault
location.
c. if the number of the biggest indexes is not only one, Dk =D(k+1)=…= D(n-1) =Dn, the faulted
branch is L(k-1)k. Dk is fault location.
三、模擬結果評估 本章節為驗証本演算法,採用EMTP/ATP模擬器 [13],以一五端線路來模擬,產生故障資料。 A. 模擬系統架構 本節中的模擬系統是一345kV,60Hz的輸電線系 統。線路是轉置的超高壓輸電線,測試的線路為連接匯 流排R、1、2、3和4的五端線路,分岐點有P1、P2和P3, 如下圖5所示,其中的電源和線路參數如表1,該參數以 在台灣的高架線路資料為基礎,由EMTP線路常數程式 [13]取得的。採樣頻率是1920Hz,即一週有32個採樣點。 而基頻的電壓和電流相量是以全波的數位傅立葉轉換 求得。 圖5. 模擬例子-五端線路系統單線圖 (1) 0 < D1 < 1 and 0 < D2 < 1and 0 < D3 < 1: the fault
occurs in LR. Then, D1 = D2,= D3 and all of them are
accurate fault locations.
(2) D1 > 1 and D2 = 1 and D3 = 1: the fault occurs in L1
and D1 is the actual fault location away from bus R.
(3) D2 > R 12 R L L L + and D1 = 1 and D3 = R 12 R L L L + : the fault occurs in L2 and D2 is the actual fault location
away from bus R. (4) D3 > R 12 R L L L + and D1 = 1 and D2 = R 12 R L L L + : the fault occurs in L3 and D3 is the actual fault location
away from bus R. (5) 1< D2 < R 12 R L L L + and 1< D3 < R 12 R L L L + and D1
= 1 , D2 = D3 : the fault occurs in L12 and D2 or D3 is
the actual fault location away from bus R. (6) D1 = 1 and D2 = R 12 R L L L + and D3 = R 12 R L L L + : the fault occurs at point P2 .
(7) D1 = 1 and D2 = 1 and D3 = 1: the fault occurs in point
表1. 模擬系統參數 B. 各線段故障模擬結果 本節假設各種不同的故障型式發生在不同的分枝 線路,由本文提出的故障定位演算法和判別準則,驗 証其故障定位是否正確。其故障定位演算法的誤差由 下式所評估: 100 location actual location estimated (%) Error = − × (13) 由圖6可看出,當內部故障時,故障定位指標可立 即收斂至一常數。如果發生一外部故障時,故障指標無 法收斂,呈現是一不規則的亂數,因些可輕易判別出 內、外部故障。 圖6. 外部故障和內部故障,故障定位指標故 障後的曲線圖 由表2中,可驗証本文所發展出的演算法的正確 性,共有8個不同的故障區間、不同的故障型式和故障 電阻的例子被模擬,有些例子的故障電阻高達10000歐 姆,本演算法仍然準確地指出故障區間和位置,其故障 定位誤差只有0.364%。而且內部故障和外部故障亦可正 確的判別。不受外部故障的干擾,亦証明該演算法的強 健性。 C. 模擬結果統計分析 本文的故障模擬包含不同的故障型式、故障電阻、 和故障入射角等不同的例子,由表3統計結果分析,可 知本演算法不受故障型式、故障電阻、和故障入射角的 影響,模擬結果有很高的準確度,平均誤差遠小於1%。 而故障區間和內、外部故障的選擇完全正確無誤。 表2. 各線段故障模擬結果 四、結論 本計畫提出的多端故障定位演算法,針對多端線路 的複雜性,成功的克服故障定位的困難。並發展出一適 用各種多端線路的判別準則。由模擬中也印証本演算法 的優越性。其適用不同的電源和負載,亦不受故障型 式、故障電阻和故障入射角等的影響。其能正確地選擇 故障區間。故障定位的誤差也遠小於 1%。 表3.模擬結果統計
五、成果自評 本計畫研究內容與原計畫書目標相符,並達成預期 之目標。研究結果兼具實用及學術價值,未來應有應用 於實際台電系統之潛力。而研究成果亦有可能應用至其 它電力系統。 六、參考文獻
[1] D. Novosel, D. G. Hart, E. Udren, and M. M. Saha, “Fault Location Using Digital Relay Data”, IEEE Computer Applications in Power, July 1995, pp. 45-50.
[2] L. Eriksson, M. M. Saha, and G. D. Rockefeller, “ An Accurate Fault Locator with Compensation for Apparent Reactance in the Fault Resistance Resulting from Remote-End Infeed”, IEEE Trans. on Power
Apparatus and Systems, Vol. PAS-104, No. 2,
February 1985, pp. 424-436.
[3] A. O. Ibe and B. J. Cory, “A Traveling Wave Based Fault Locator for Two- and Three-Terminal Networks”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 1, No. 2, April 1986, pp. 283-288.
[4] M. Kezunovic, and B. Perunicic, “An Accurate Fault Location Algorithm Using Synchronized Sampling”, Electric Power Systems Research Journal, Vol. 29, No. 3, May 1994, pp. 161-169.
[5] A. A. Girgis, D. G. Hart, and W. L. Peterson, “A New Fault Location Technique for Two- and Three-Terminal Lines”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 7, No. 1, July 1992, pp. 98-107.
[6] R. K. Aggarwal, D. V. Doury, A. T. Johns, and A. Kalam, “A Practicial Approach to Accurate Fault Location on Extra High Voltage Teed Feeders”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, July 1993, pp. 874-883.
[7] D. Novosel, D. G. Hart, E. Udren, and J. Garitty “Unsynchronized Two-Terminal Fault Location Estimation”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, January 1996, pp. 130-138.
[8] Masayuki Abe, Nobuo Otsuzuki, Tokuo Emura, and Masayasu Takeuchi, “development of a new fault location system for multi-terminal single transmission lines”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 10, No. 1, January 1995, pp. 159-168.
[9] T. Nagasawa, M. Abe, N. Otsuzuki, T. Emura, Y. Jikihara, and M. Takeuchi, “development of a new fault location algorithm for multi-terminal two parallel transmission lines”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 7, No. 3, July 1992, pp. 1516-1532.
[10] J.-A. Jiang, J.-Z. Yang, Y.-H. Lin, C.-W. Liu, and J.-C. Ma, “An Adaptive PMU Based Fault Detection/Location Technique for Transmission Lines, Part I: Theory and Algorithms”, IEEE Trans. on
Power Delivery, Vol. 15, No. 2, April 2000, pp. 486-493.
[11] J.-A. Jiang, Y.-H. Lin, J.-Z. Yang, T.-M. Too, C.-W. Liu, “An Adaptive PMU Based Fault Detection/Location Technique for Transmission Lines, Part II: PMU Implementation and Performance Evaluation”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 15, No. 4, October 2000, pp. 1136-1146.
[12] Ching-Shan Chen, and Chih-Wen Liu "Fast and Accurate Fault Detection/Location Algorithms for Double-Circuit/Three-Terminal Lines Using Phasor Measurement Units", Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol.26, No.3, pp.289-299, 2003.
[13] “Alternative Transient Program Rule Book”, European EMTP Center, Leuven, Belgium, 1987.
出席國際會議心得
一、基本資料
姓名 中文: 李建鋒 英文: Chien-Feng Lee 院系所別 電資學院 電機工程學研究所 學號 F93921018 研究指導 劉志文教授 中文: 高等電力系統自動化與保護國際研討會 會議名稱英文: 2007 International Conference on Advanced Power System Automation and Protection
會議時間 自 2007 年 4 月 24 日 至 2007 年 4 月 27 日 會議地點 Jeju, Korea
中文: 基於 Simulink 之新型測距及差流電驛建模 論文題目
英文: A Novel Simulink Based Distance and Differential Relay Modeling