基于WAMS的线路参数辨识在电网中的应用

左剑，向萌，张斌，宋军英，姜新凡，沈阳武，李晨坤

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙 410007；2.国网湖南省电力公司调控中心，湖南长沙 410007）

基于WAMS的线路参数辨识在电网中的应用

左剑1，向萌1，张斌1，宋军英2，姜新凡2，沈阳武1，李晨坤1

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙 410007；2.国网湖南省电力公司调控中心，湖南长沙 410007）

广域量测系统广泛应用于电力系统动态运行状态监测，对于电力系统安全稳定运行具有重要意义。提出了基于广域量测系统（WAMS）的线路参数辨识改进方法,运用最小二乘法及归一化的输电线路模型对线路参数进行辨识，通过线路参数动态辨识进行线路参数校核以及线路跳闸事故反演分析。基于WAMS的线路参数动态辨识在线路山火预警中的应用分析表明，该方法能及时准确地监测山火对输电线路的影响并提供预警，具有良好的应用前景。

参数辨识；广域量测系统；相量量测单元；最小二乘法；事故反演；山火预警

随着电网规模越来越大，结构越来越复杂，电网运行人员对于电网的运行状态以及特性的把握也越来越依赖于电网的实时监测和分析。准确的电网参数是建立电网模型，进而进行状态估计、潮流计算、故障分析等电力系统计算分析的基础。在电网的实际运行中，随着线路的改建，运行环境的变化等导致设备实际参数与电网计算分析中采用的参数（一般为设计参数或设备投运后的实测参数）有区别。因此，需要有一种手段能定期对设备参数进行辨识。电力系统发生故障或设备损坏，往往从某些设备的参数发生异常开始。如能对某些设备的参数进行连续的辨识与监测，发现异常及时预警并采取措施，将有助于提高系统运行可靠性。

广域量测系统WAMS由同步相量测量装置PMU组成，由于采用全球定位系统（GPS）或北斗定位系统对时，使得PMU在电网不同地点采集具有同步时间标签的电流电压相量（幅值和相角）之间具备了物理意义的联系。随着WAMS系统广泛推广，基于WAMS的高级应用研究也取得很大进展[1-3]。运用同步测量相量不仅可以实时获取电力系统动态信息，还可以动态辨识线路、变压器等设备的参数，从而为建立电网实测数据与真实参数之间的联系提供了重要手段[4-6]。

1 输电线路参数辨识算法

输电线路模型有分布式参数模型和集中参数π形等效模型[7-10]。以最常用的集中参数π形等效电路为例，文献[11-12]均提出基于WAMS的输电线路在线参数辨识算法，但文献[11]中提出的粒子群算法过于复杂，文献[12]中辨识算法未对不同的线路拓扑结构进行讨论且辨识结果容易受测量中的“坏数据”影响。本文针对3种不同输电线路拓扑结构进行讨论，并结合最小二乘法对线路参数辨识算法进行进一步的改进。图1为3种常见输电线路结构。

图1 3种常见输电线路结构等效模型Fig.1 Equivalent models of three common transmission line structures

以图1（a）为例，PMU安装在线路2端，可以直接同步测量线路2端的电压和电流相量，分别为，待求的参数为线路阻抗以及线路对地导纳。建立线路2端电流电压关系：

因此，

通过式（3）和式（4）可由线路2端的PMU测量的电流电压相量求得线路的阻抗和对地导纳。如果线路一端安装有并联高抗，如图1（b）所示线路送端安装有并联高抗（受端安装有并联高抗类似），由于PMU测量的送端电流中一部分流经高抗，因此需要计算分流后实际注入受端线路的电流：

若线路2端都装有并联高抗，如图1（c）所示，则均需要计算送端实际注入线路和受端线路实际接收的电流：

考虑采用最小二乘法进一步提高参数辨识的准确度，由（3）、（4）可知：

考虑误差，令：

则有：

式（15）可写为相量形式：

由最小二乘法可得的最小二乘估计为

2 应用举例

2.1 交流线路参数辨识

表1 500 kV交流线路参数比较Tab.1 Parameters comparison of a 500 kV AC line

选取实际电网中两端安装PMU的220 kV线路（图1（a）拓扑结构），基准电压230 kV，功率基准值100 MV·A，根据公式（17），最小二乘法辨识的线路参数如表2所示.

表2 220 kV交流线路参数比较Tab.Parameters comparison of a 220 kV AC line

算例中，采用WAMS数据对500 kV和220 kV线路参数的辨识值与现有模型中的原始值基本一致，偏差均在10%以内。该方法可以用于模型参数的校核，当原始值与辨识值偏差较大时，如偏差超过20%，则在排除PMU测量数据问题的基础上需要进一步对模型参数进行验证。

2.2 事故反演分析

输电线路跳闸事故是电网常见的故障之一。线路跳闸事故的类型，事故发展的过程又各不一样。借助WAMS数据对于线路参数的辨识，能帮助事故分析人员快速掌握事故的发展过程，分析事故的产生原因。

以一次500 kV线路跳闸事故为例，图2中通过WAMS数据进行线路参数辨识，从15时08分01秒160毫秒开始，A相线路辨识的电阻参数发生突变，240 ms后B相和C相线路辨识的电阻参数同时发生突变，初步可以判断这是一起由A相故障跳闸导致的三相跳闸事故，该过程中A相线路未重合闸。

图2 500 kV线路跳闸事故中线路参数辨识Fig.2 Line parameter identification in 500 kV transmission line trip accidents

通过对比保护动作记录，基于WAMS线路参数辨识所得到的事故过程与保护动作记录几乎完全一致：先是A相接地故障跳闸，非全相保护延时195 ms后跳开三相线路，在此期间A相未重合闸。

以另一次220 kV线路跳闸事故为例。图3中通过PMU量测数据进行线路参数辨识，从15时33分9秒480毫秒开始，A相线路辨识电阻参数发生突变，840 ms后即15时33分10秒320 msA相电阻参数恢复正常，在此期间B相和C相电阻参数有小幅波动。初步可以判定A相故障跳闸，约800多ms后重合成功。

图3 220 kV线路跳闸事故中线路参数辨识Fig.3 Line parameter identification in 220 kV transmission line trip accidents

事故调查结论与通过分析基于WAMS线路参数所得到的事故过程几乎完全一致：A相遭遇雷击跳闸，延时约800 ms后重合成功。

从这2个实际例子可以看出，在事故反演分析中，基于WAMS的线路参数辨识对于分析事故的发展过程、加快分析事故的原因和增强事故分析的可信度十分有益。

3 其他应用展望

通过第2节分析和实例，可以看出基于WAMS的线路参数辨识具有良好的准确度和快速辨识能力，为实时检测电网参数的动态变化提供了实用的手段。电网参数的动态监测为其他电网应用提供了技术基础，例如基于输电线路参数异常监测的山火预警。

南方某省山火导致线路跳闸的频率较高，据统计，2005年—2014年，山火导致220 kV及以上的输电线路跳闸次数多达157条次[13]，因此，山火导致输电线路跳闸的原因以及预防和预警措施成为研究的热点。传统的山火预警方法采用卫星遥感技术[14-15]，适用于大面积的山火预警，但精确定位到某1条线路较为困难（取决于卫星遥感技术的分辨率以及定位算法精度等）。本文展望采用基于WAMS的输电线路参数辨识以及参数异常监测应用于短期乃至早期山火预警，可以精确定位到某条受影响的线路，并实时监测线路受影响的程度，可作为基于卫星遥感技术的山火预警措施的补充。

通过国内外学者的研究，山火导致输电线路跳闸主要有以下原因[16-18]：

1）火焰的高温导致输电线路附近空气密度变小，导致绝缘水平下降。

2）火焰中的电荷导致输电线路附近电场发生畸变。

3）山火产生的悬浮颗粒导致的触发放电。

以上综合因素导致输电线路相与相之间或相与地之间的空气绝缘被破坏，经历由1个量变到质变的过程，最终导致输电线路对地或相间放电跳闸。因此，在山火导致线路跳闸的量变到质变过程中，通过监视由WAMS数据动态辨识的线路参数，是可以提供山火导致线路跳闸事故的短期乃至早期预警的。

在基于WAMS数据的线路参数辨识中，线路的对地电纳参数对于线路的放电十分敏感。图4（a）和图4（b）分别是同一条220 kV线路在雷雨天以及晴天的线路对地电纳参数辨识值，两者主要的区别在于雷雨天输电线路对地电纳参数辨识值有许多“毛刺”，而晴天输电线路对地电纳参数辨识值基本上是一条直线。这些“毛刺”同时出现在输电线路的A、B、C三相，由PMU的A、B、C 3个独立的通道的测量数据辨识而成，且“毛刺”多次重复出现，可以排除是由PMU测量“坏数据”引起的。线路的电晕放电与气压、湿度等因素直接相关[18-20]，输电线路在晴好天气下一般不会发生电晕放电，雨、雾或大湿度条件下易于在导线表面形成水滴，引起导线表面电场畸变，降低导线起晕电压，从而发生电晕[21]。因此，图4（a）线路对地电纳参数辨识值中这些“毛刺”应是由雷雨天线路电晕放电所产生。

图4 某条220 kV三相线路对地电纳参数辨识值Fig.4 The identification value of the geoelectric susceptance of a certain 220 kV 3-phase transmission line

另一个例子是某条220 kV线路由于人为燃放烟花导致的线路三相对地放电跳闸。图5是这起事故中基于WAMS测量数据的线路对地电纳参数辨识值，在最终导致三相跳闸的时间点前约104 s，线路三相对地电纳参数辨识值同时出现了一个“毛刺”。在排除了PMU的测量“坏数据”的基础上，可以认为“毛刺”是由于燃放烟花所引起的线路放电导致线路对地电纳参数突变而产生，燃放烟花所产生的悬浮颗粒与山火产生的颗粒类似，可以引发线路触发放电。

由于种种原因，目前暂未收集到山火导致线路跳闸案例WAMS数据，但是通过这2个例子，可以看出基于WAMS数据的线路参数辨识中线路对地电纳参数对于线路的放电（无论是恶劣天气下的电晕放电还是最终导致线路跳闸的线路相间或线路对地放电）都十分敏感。因此，对于同样是最终导致线路放电跳闸的山火，有理由相信基于WAMS数据的线路对地电纳参数辨识以及异常参数监测的可以提供短期乃至早期的线路山火预警。

图5 某条220 kV线路由于燃放烟花导致跳闸过程中三相线路对地电纳参数辨识值Fig.5 The identification value of the geoelectric susceptance of the 3-phase transmission line when a trip occurs due to fireworks on a 220 kV line

4 结语

本文介绍了基于WAMS的线路参数辨识方法，并在现有参数辨识方法的基础上针对3种不同的线路拓扑结构结合最小二乘法进行进一步讨论。利用基于WAMS的线路参数辨识，本文结合实际案例，展示线路参数辨识在校核线路计算参数和事故反演上的应用。结合现有的WAMS案例数据，分析了所辨识的线路对地电纳参数对于线路放电的敏感性，并结合已知的山火引起线路跳闸的过程，提出了基于WAMS的线路对地电纳参数辨识在线路山火预警方面的应用。下一步，在掌握具体山火导致线路跳闸的WAMS数据基础上，将进一步深入研究该应用的具体实现方式。

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（编辑 董小兵）

Applications of WAMS-Based Transmission Line Parameters Identification in Power Grids

ZUO Jian1,XIANG Meng1,ZHANG Bin1,SONG Junying2,JIANG Xinfan2,SHEN Yangwu1,LI Chenkun1
（1.State Grid Hunan Electric Power Research Institute,Changsha 410007,Hunan,China；2.Dispatch Center of State Grid Hunan Electric Power Company,Changsha 410007,Hunan,China）

In view of three typical transmission line topologies,this paper proposes a transmission line parameters identification method based on Wide-area Measurement System（WAMS）and important applications of transmission line parameters identification in parameter verification and post event analysis are shown with the actual case.Finally,other applications of the transmission line parameter identification in the power grid are prospected,for example in the early-warning of forest fires in the transmission line operation.

parameter identification;wide-area measurement system （WAMS）；phasors measurement unit（PMU）；least square method;post event analysis;wild fire early-warning

1674-3814（2017）06-0001-06

TM711

A

2016-12-11。

左 剑（1980—），男，博士，高级工程师，主要从事电力系统分析以及广域测量应用研究；

向 萌（1988—），女，硕士，工程师，主要从事电力系统仿真分析工作；

张 斌（1965—），女，硕士，高级工程师，主要从事电力系统分析和规划研究。

国家自然科学基金项目（51407035）；国网湖南省电力公司科技项目（5216A01400DW）。

Project Supported by the National Nature Science Foundation of China （51407035）； State Grid Hunan Electric Power Company Research Program（5216A01400DW）.