CN105954651B - 一种基于配电网络故障定位的ftu配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法，所述基于配电网络故障定位的FTU配置方法利用主干线路两端FTU接收到故障波时间差值确定故障区段，利用HHT变换结合单双端测距算法计算具体的故障位置。本发明在投入较少FTU装置的情况下依然能够有效排除伪故障点并准确判断出故障区段，进而确定出较准确的故障点；相比其他人工智能方法易于理解，操作简单，便于工程实施且效果佳。因此采用本发明可以大大减少其配置数目，节约成本且易于理解，操作简单，便于工程实施、效果俱佳；基于本发明所述FTU配置方法的，可以结合所有配置的FTU装置接收到故障信号的时刻判断出任一给定网络的故障所在区段，计算出故障点的位置。

Description

一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法

技术领域

本发明属于电力***保护技术领域，尤其涉及一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法。

背景技术

目前配电网发生故障后，大多利用馈线终端单元FTU采集信息上传至自动化主站，由主站进行故障定位。而基于故障定位的故障信息采集装置配置主要有以下几类方法：1)结合电场或磁场传感器沿线布置故障指示器，当发生高阻接地时故障信号微弱指示器不能可靠动作且采用此种方法需要在每段线路上都安装指示装置，经济性差；2)结合研究基于故障定位的网络数学模型及求解算法，根据模型与算法需要进行配置；3)为提高配电网故障定位的准确性及鲁棒性结合人工智能优化算法如采用遗传算法、蚁群算法、最小生成树以及模拟退火法等来配置。

实际证明，这几种方法对于大规模网络的优化求解效率比较低，当网络规模较大时难以保证求得全局最优解，需要配置装置数目较多，实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法，旨在解决现有基于故障定位的故障信息采集方法存在对于大规模网络的优化求解效率比较低，当网络规模较大时难以保证求得全局最优解，需要配置装置数目较多，实用性较差的问题。

本发明是这样实现的，一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法，所述基于配电网络故障定位的FTU配置方法利用HHT变换算法对FTU接收到的故障波形进行经验模态分解得到本征模态函数，然后对获得的本征模态函数求取Hilbert变换，最终得到频率突变时刻即为故障波形传输到该FTU的时刻，用同样的方法获得所有FTU接收到的故障时刻后，结合单双端测距算法判断故障区段并结算故障点；若故障发生在两FTU之间所在的线路上，假设两FTU之间所在的线路长度为L,故障波形传输速度为v，则可以直接利用两端FTU接收到故障波形时刻差值Δt判断区段并由式计算故障距离；若故障发生在分支线路，且一端未配置FTU时，则需要两次利用单端测距然后求取均值的方法计算具体的故障位置。

进一步，所述故障波时间差值为靠近变电站的FTU接收到故障信号时间为t₁，另一端接收到故障信号时间为t₂，则两端首次接收到故障波形的时间差Δt为：Δt＝t₁-t₂，以Δt_B、Δt_C分别表示线路上B、C两分支点发生故障时两端FTU接收到故障波形的时间差，则：

Δt_B＜Δt＜Δt_C，Δt在该范围即说明B-C段发生故障，初步判断出故障区间后再计算故障距离。

进一步，当故障位于主干线路时，主干线路总长度为L，故障波形传输速度为v，故障点距离变电站为x，有：

当判断出故障位于分支点或分支线路时，用X₁，X₂分别表示分支线路某处发生故障时该点与两端FTU的距离，L_AB表示靠近变电站端(线路首端)FTU位置与主干线路上距离故障点最近的分支点(变电站侧)的距离，如线路B-C段发生故障，则L_AB表示变电站端(线路首端)FTU位置到线路分支点B的距离，故障距离X为：

进一步，所述确定故障区段之前需要：

分析配电网络拓扑结构；确定需要进行FTU配置的网络拓扑，分析所有分支点和支路并对分支点进行编号A、B、C、C₁、L₁₁、……；

然后依据原则确定网络的主干线路和分支线路，在主干线路首末端分别配置一套FTU；当两端FTU检测到故障时刻后，可以根据两端FTU检测到故障时刻的差值Δt确定出故障是位于主干线路还是主干线路上的分支点(分支线路)，假设故障点距离变电站为x，可由计算出主干线路上所有故障点的具***置；

分析简单分支和复杂分支，简单分支不再作处理，对于复杂分支需要再次确定主干线路。由于上一步骤只能确定出主干线路及简单(单一)分支线路的故障点，不能判断复杂分支线路故障，因此需要对于复杂分支线路再次确定主干线路，循环以上步骤直到能判断出所有的区段及故障点；将复杂分支转化为简单分支，其直接技术效果为判断出所有复杂分支的故障。

进一步，所述配电网络拓扑结构从变电站出发沿不同线路确定每段线路及每段线路的长度；用A、B、C、D、…、N、…分别表示每个分支点，A1、B1、C1、…分别表示对应分支线路末端。

进一步，所述确定主干线路：分别从变电站每条线路出发，选择包含分支线路最多的线路为主干线路，在每条主干线路末端配置一套FTU；

确定简单分支线路和复杂分支线路：主干线路确定出来后，分别沿每条主干线路分析分支线路，若分支线路上无分支点则为简单分支，若分支线路上还有其他分支的分支线路定义为复杂分支线路。

进一步，所述遇到复杂分支后，沿复杂分支再次确定一条主干线路，在新的主干线路末端配置一套FTU装置。

本发明提供的基于配电网络故障定位的FTU配置方法，在投入较少数目FTU装置的情况下依然能够有效排除伪故障点并准确判断出故障区段，如在附图1中对线路3若要实现完全的双端测距算法，则需要在变电站、L₂、L₁₁、N₁、P₁、M₁配置7套FTU配置，而采用本方案则仅需在变电站、L₂、配置3套FTU配置即可；由变电站、Q两套装置可以判断出除复杂分支L-L₁-L₁₁、L-L₁-L₂之外的所有故障，而根据变电站和L₂(或L₂与Q)两处的FTU可以判断出复杂分支L-L₁-L₁₁、L-L₁-L₂的故障，如此便能判断出线路3所有区段的故障，进而确定出较准确的故障点；而若采用单端测距会在分支点处产生伪故障点。目前常用的基于人工智能算法如利用遗传算法、模拟退火法、粒子群算法等优化配置地点，其过程多依据故障可观测为寻优原则，其配置的地点数目较本发明多，且当网络较大时计算复杂；如对本发明附图1中配网拓扑结构采用故障可观测原理分别利用遗传算法和粒子群算法均需要在变电站、节点C、B₁、F₁、G、H₁、I、L₁、N、P、M₁配置11套FTU；若用传统的双端测距法则需要在变电站、B₁、C₁、D、F₁、G₁、H₁、J、I₁、L₂、L₁₁、N₁、M₁、P₁、Q处配置15套FTU装置；而采用本发明则仅需配置5套FTU装置便能实现故障点的检测。因此采用本发明可以大大减少其配置数目，节约成本且易于理解，操作简单，便于工程实施、效果佳。基于本发明所述FTU配置方法的，可以结合所有配置的FTU装置接收到故障信号的时刻判断出任一给定网络的故障所在区段，然后计算出故障点位置。

附图说明

图1是本发明实施例提供的FTU配置方法的辐射状配电网的拓扑图。

图2是本发明实施例提供的基于配电网络故障定位的FTU配置方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的所述对应配置方案的故障区间判断及定位方法的流程图。

图4是本发明实施例提供的验证本发明的实施案例网络拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，为描述本发明所述FTU配置方法的辐射状配电网的拓扑图；其中变电站共有3条馈线：A-D；E-J；K-Q。在馈线A-D线路上有B、C两个分支点，馈线E-J线路上有F、G、H、I四个分支点，馈线K-Q线路上有L、M、N、P、L₁五个分支点。Z1、Z2、Z3、Z4、Z5均为联络开关，线路正常运行时为断开状态，体现了闭环设计，开环运行的理念。每段线路上都分布有负荷点。

如图2所示，为本发明基于配电网故障定位的FTU配置方法的流程图，它包括以下步骤：

(1)确定配电网络的拓扑结构，从变电站端出发依次观察各分支点并对其进行编号，用A、B、C、D、…、N、…分别表示每个分支点，A₁、B₁、C₁、…分别表示对应分支线路末端。

(2)确定主干线路，其选择原则为：以包含分支点最多的线路为主干线路。在主干线路首端(变电站母线侧)和末端(整条线路终端)各配置一套FTU装置。如图1中，分别有A-B-C-D；E-F-G-H-I-J；K-L-M-N-P-Q三条主干线路。根据配置原则，需在A、E、K、D、J、Q六处配置FTU装置，但3条主干线路首端都与变电站母线相接，则无论哪条主干线路发生故障，图1中A、E、K三处检测到的故障时刻都一致，所以考虑经济性，只需要在变电站母线侧配置一套FTU装置即可。则对于有m条主干线路(变电站馈线)的配电网，需要配置的FTU数目为:y₁＝m+1。

(3)然后依次沿主干线路观察每一个分支点，定义分支线路上再无其他分支点的分支为简单分支，如图1主干线路A-B-C-D上的B-B₁，C-C₁两条分支线路即为简单分支；同理，主干线路E-F-G-H-I-J上的F-F₁，G-G₁，H-H₁，I-I₁；主干线路K-L-M-N-P-Q上的M-M₁，N-N₁，P-P₁均为简单分支线路。简单分支线路上无需配置FTU装置。

(4)定义分支线路上还有其他分支点的分支线路为复杂分支，遇到复杂分支后重复步骤(2)(3)，沿复杂分支再次确定一条主干线路。在主干线路末端配置一套FTU装置，如图1中分支线路L-L₁-L₂上有分支点L₁，因此该分支线路为复杂分支，再次选择K-L-L₁-L₂为一条新的主干线路，在线路末端L₂处增加配置一套FTU装置。对于有n条复杂分支的网络，需要增加配置n套FTU装置。对于有m条变电站出线，n条复杂分支线路的配电网，需要配置的FTU数目为:y＝m+n+1。

(5)判断故障区段：当故障位于主干线路时，假设主干线路B-C段发生故障，设靠近变电站的FTU接收到故障信号时间为t₁，另一端接收到故障信号时间为t₂，则两端首次接收到故障波形的时间差Δt为：Δt＝t₁-t₂，以Δt_B、Δt_C分别表示线路上B、C两分支点发生故障时两端FTU接收到故障波形的时间差，则：

Δt_B＜Δt＜Δt_C，若Δt在该范围即说明线路B-C段发生故障，初步判断出故障区间后再计算故障距离。

以A相发生金属性接地短路进行仿真验证。以图1所示网络为例，当线路A-D主干线路B处发生金属性单相接地故障时，根据HHT得到线路首端及末端接收到故障波形时刻为t₁＝8.22us，t₂＝38.37us，即Δt＝t₁-t₂＝-30.15us；当C处发生金属性单相接地故障时，根据HHT得到线路首端及末端接收到故障波形时刻为t₁＝22.61us，t₂＝23.98us，即Δt＝t₁-t₂＝-1.38us。当故障发生在线路A-D主干线路B-C段距离变电站4.5KM处时，计算得到线路首端及末端FTU接收到故障波形时间差Δt＝-15.74us。由于Δt满足条件：-30.15us<-15.74us<-1.38us，所以可判断出故障发生在主干线路B-C段。线路E-J、各区段发生单相接地故障时区段定位结果见表1。由于K-Q线路存在复杂分支，所以判断出故障在复杂分支线路后需要再次确定主干线路，然后重复线路A-D故障时的判断方法分析即可。

表1根据时间差定位故障区段

当故障位于分支线路时，以分支线路B-B₁段发生故障为例，此时主干线路两端FTU接收到故障波形的时间差Δt满足：Δt＝t₁-t₂＝Δt_B，即在分支线路B-B₁段发生故障所得的时间差与主干线路上分支点B故障所得的时间差相等。

(6)计算故障距离：

当故障位于主干线路时，设主干线路总长度为L，故障波形传输速度为v，故障点距离变电站为x，有：

当判断出故障位于分支点或分支线路时，用X₁，X₂分别表示分支线路B-B₁段某处发生故障时该点与两端FTU的距离，L_AB表示靠近变电站端(线路首端)FTU位置与主干线路上距离故障点最近的分支点(变电站侧)的距离，如线路B-C段发生故障，则L_AB表示变电站端(线路首端)FTU位置到线路分支点B的距离，。故障距离X为：

设置故障发生在线路A-D主干线路B-C段距离变电站4.5KM处，计算得到线路首端及末端FTU接收到故障波形时间差Δt为-15.74us。则利用式(2-1)计算得到故障点距离变电站侧FTU为4.42KM，误差仅为80m。其他地点发生故障后的验证结果如表2所示。

表2配电网络各段故障时区段判断及定位结果

由结果可以看出，无论故障发生在主干线路还是分支线路都能够实现故障区间的判断以及故障点的确定。当故障发生在复杂分支L₁-L₂、L₁-L₁₁上时也能较准确地计算出故障点。

(7)实施例2：图4为123节点配电网络拓扑图。根据本发明所提出的配置方法，确定主干线路如表3所示，最终配置FTU地点为32、16、11、6、39、151、66、152、96、85、450、114、197，即共需要13套FTU装置就能实现123节点配网故障可观测。

表3 IEEE123节点配网FTU配置

本发明的有效性通过实验进行了验证，不仅能够较好地判断故障区段，而且能计算出较为准确的故障距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于配电网络故障定位的FTU配置方法，其特征在于，所述基于配电网络故障定位的FTU配置方法利用主干线路两端FTU接收到故障波时间差值确定故障区段，利用HHT变换结合单双端测距算法计算具体的故障位置；

所述故障波时间差值为靠近变电站的FTU接收到故障信号时间为t₁，另一端接收到故障信号时间为t₂，则两端首次接收到故障波形的时间差Δt为：Δt＝t₁-t₂，以Δt_B、Δt_C分别表示线路上B、C两分支点分别发生故障时两端FTU接收到故障波形的时间差，Δt_B＜Δt＜Δt_C，Δt在该范围即说明线路B-C段发生故障，初步判断出故障区间后再计算故障距离；

所述确定故障区段之前需要：

分析配电网络拓扑结构；

然后依据原则确定网络的主干线路和分支线路，在主干线路首末端分别配置FTU；

对于复杂分支确定主干线路；

遇到复杂分支后，沿复杂分支再次确定一条主干线路，在新的主干线路末端配置FTU装置。

2.如权利要求1所述的基于配电网络故障定位的FTU配置方法，其特征在于，当故障位于主干线路时，主干线路总长度为L，故障波形传输速度为v，故障点距离变电站为X，有：

当判断出故障位于分支点或分支线路时，用X₁，X₂分别表示分支线路某处发生故障时该点与两端FTU的距离，L_AB表示靠近变电站端(线路首端)FTU位置与主干线路上距离故障点最近的分支点(变电站侧)的距离，如线路B-C段发生故障，则L_AB表示变电站端(线路首端)FTU位置到线路分支点B的距离，故障距离X为：

3.如权利要求1所述的基于配电网络故障定位的FTU配置方法，其特征在于，所述配电网络拓扑结构从变电站出发沿不同线路确定每段线路及每段线路的长度；用A、B、C、D、…、N、…分别表示每个分支点，A1、B1、C1、…分别表示对应分支线路末端。

4.如权利要求1所述的基于配电网络故障定位的FTU配置方法，其特征在于，所述确定主干线路：分别从变电站每条线路出发，选择包含分支线路最多的线路为主干线路，在每条主干线路末端配置FTU；

确定简单分支线路和复杂分支线路：主干线路确定出来后，分别沿每条主干线路分析分支线路，若分支线路上无分支点则为简单分支，若分支线路上还有其他分支的分支线路定义为复杂分支线路。