CN107271852B - 基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法。本发明步骤包括：(1)利用馈线监控终端上报的故障过流信息初步确定故障区段；(2)利用馈线监控终端上传的故障中电流向量信息确定故障点短路电流量；(3)利用各监测点上传的电压暂降信息及***节点阻抗矩阵计算故障点短路电流量；(4)遍历***中的各节点，计算短路电流偏差值，确定故障节点。本发明实现了复杂配电网的精确故障定位。对于分支线路较多、结构复杂的实际配电网，其定位结果较为准确，不受分支线的影响，且结果受接地电阻、负荷模型、故障类型影响较小，有利于缩短实际配电网故障巡线时间、用户停电时间，从而提高配电网可靠性指标。

Description

基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及配电自动化、配电网故障诊断，属于智能电网领域，具体涉及基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法。

技术背景

随着我国经济的发展，各行各业对电能质量的要求不断提高，过长的故障停电时间将带来严重的经济损失。据统计，用户80％的停电事件是由配电网的故障引起的，因此，在配电网发生故障后，实现快速、准确的故障定位能够缩短故障停运时间，为故障隔离和恢复提供基础，进而提高配电网的可靠性指标。传统的配电网故障定位方法多是基于馈线终端单元(FTU)上传的故障过流信息，利用矩阵算法或人工智能算法确定故障区段，这种定位方法仅能将故障定位到两个馈线监控终端之间，定位结果的精度不高，尤其是对于电缆线路而言，其仍需要较长的故障巡线时间。同时，由于我国配电自动化水平不高，大多数配电网中的分支线上没有安装馈线监控单元，仅通过熔断器来进行保护，故传统的故障定位方法适用范围较小。对于配电自动化水平不高、分支线较多的复杂配电网，基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法研究在实际应用中有更强的适应性和鲁棒性，具有十分重要的理论与现实意义。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法。本发明在配电网故障定位方案设计中，提出利用馈线监控终端(FTU)以及电能质量监测***记录电压暂降信息、电流信息实现故障点的精确定位，同时该方法仅需要简单的复数运算，容易程序化实现，最大程度地提高故障定位的准确度，缩短故障巡线时间，提高用户满意度。

为解决技术问题，本发明的解决方案包括以下步骤：

步骤1、利用馈线监控终端上报的故障过流信息初步确定故障区段；

按照分段开关及FTU的位置将配电网分成几个区段，利用馈线监控终端上报的故障过流信息形成故障信息向量，与描述配电网拓扑的网络描述矩阵结合，计算得到故障判定矩阵，从而初步确定故障区段，将故障范围缩小到两个终端之间。

步骤2、利用馈线监控终端上传的故障中电流向量信息确定故障点短路电流量；将与各区段直接相邻的FTU分为两类，一类电流从FTU流入该故障区段，另一类电流从FTU流出该故障区段。确定故障区段后，忽略故障过程中故障区段内负荷电流的影响，估算得到故障点实际的故障电流向量。

步骤3、利用电能质量监测***中各监测点上传的电压暂降信息及***节点阻抗矩阵计算故障点故障电流向量；对该故障区段内的各节点进行故障分析：假定故障发生在各节点，利用各监测点的电压暂降信息计算得到各节点的故障电流向量。

步骤4、遍历该故障区段内的各节点，将得到的故障电流向量与利用FTU信息计算的实际故障电流向量对比，计算故障电流向量偏差值，即故障电流向量偏差值最小的节点即认为是真正的故障节点。

本发明中，所述步骤(1)是通过下述方式实现的：

根据配电网的拓扑，将各FTU安装点作为故障区段对应的分界节点，形成描述网络结构的网络描述矩阵M，其维数即网络中安装FTU的数量，当节点i与节点j之间存在馈线时，对应的元素M_ij、M_ji为1，其余元素为0；当配电网发生故障后，根据FTU上传的故障过流信息形成故障信息矩阵G，如果节点处的FTU没有流过超过提前设定阈值的故障电流，则其对应的对角元素G_ii为1，其余元素为0。对于单电源的辐射状配电网络，当其发生故障时，若与区段相连的FTU既有流过故障电流又有未流过故障电流的，则该区段为故障区段。因此，将网络描述矩阵M与故障信息矩阵G相乘得到故障判定矩阵Q，对其进行规格化处理后即可判断故障区段。

本发明中，所述步骤(2)是通过下述方式实现的：

将与故障区段直接相邻的FTU分为两类：一类电流从FTU流入该故障区段，流过该类FTU的故障中电流向量记为I_i；另一类电流从FTU流出该故障区段，流过该类FTU的故障中电流向量记为I_j。计算实际故障时故障点短路电流值的公式为：

式中，I_fe为故障电流向量近似值，N₁、N₂分别与为该故障区段相邻第一类、第二类FTU的数量。

本发明中，所述步骤(3)是通过下述方式实现的：

配电网发生故障后，相当于在故障点f处加入了一个注入电流-I_f，从而能够将故障中的配电网分成两个部分，因此，网络中任一节点处的电压值能够分为两部分：正常分量和故障分量，如式所示：

式中：U_i为节点i处故障中的电压向量，U_i ⁽⁰⁾为节点i处故障前的电压向量，Z_if为节点i与故障点f处的互阻抗，I_f为故障电流向量，N为网络中的节点数。Z_if通过离线计算网络的节点阻抗矩阵得到，得到节点阻抗矩阵后，利用电能质量监测***得到各监测点故障前及故障中的电压向量U_i ⁽⁰⁾、U_i，即可计算得到故障节点处的故障电流向量。

本发明中，所述步骤(4)是通过下述方式实现的：

确定故障点所在区段后，对该故障区段内的各节点进行故障分析：假定故障发生在各节点，从而得到各节点的故障电流向量，将得到的故障电流向量与利用FTU信息计算的故障电流向量对比计算电流向量偏差值，即电流向量偏差值最小的节点即认为是真正的故障节点，定义电流向量偏差值为：

式中：δ_k为假设第k个节点故障得到的故障电流平均值与实际故障电流偏差向量的模，I_fkm为假设第k个节点故障,由第m个监测点电压暂降信息得到的故障电流向量，N_node为故障区段内的总节点数，N_m为电能质量监测点的总个数。

得到所有δ_k后，其最小值所对应的节点即输出为故障诊断的故障节点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用少数几个电能质量监测点提供的电压暂降信息及馈线监控终端的信息，实现了复杂配电网的精确故障定位。对于分支线路较多、结构复杂的实际配电网，其定位结果较为准确，不受分支线的影响，且结果受接地电阻、负荷模型、故障类型影响较小，有利于缩短实际配电网故障巡线时间、用户停电时间，从而提高配电网可靠性指标。基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法在实际应用中针对结构复杂的配电网具有更强的适应性和鲁棒性。

附图说明

图1是基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法设计流程图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和具体执行方法进行描述。

如图1所示，基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其具体流程包括：

(1)利用馈线监控终端上报的故障过流信息初步确定故障区段；

(2)利用馈线监控终端上传的故障中电流向量信息确定故障点短路电流量；

(3)利用各监测点上传的电压暂降信息及***节点阻抗矩阵计算故障点短路电流量；

(4)遍历***中的各节点，计算短路电流偏差值，确定故障节点。

所述步骤(1)包括：

采用矩阵算法，利用馈线监控终端上报的故障过流信息形成故障信息向量，与描述配电网拓扑的网络描述矩阵结合，计算得到故障判定矩阵，从而初步确定故障区段，将故障范围缩小到两个终端之间。

所述步骤(2)包括：

按照分段开关及FTU的位置将配电网分成几个区段，将与各区段直接相邻的FTU分为两类，一类电流从FTU流入该区段，另一类电流从FTU流出该区段。确定故障区段后，忽略故障过程中故障区段内负荷电流的影响，估算得到故障点实际的短路电流值。

所述步骤(3)包括：

对该区段内的各节点进行故障分析，假定故障发生在各节点，利用各监测点的电压向量信息，计算得到各节点的故障电流值。

所述步骤(4)包括：

遍历故障区段内的所有节点，将得到的故障电流向量与利用FTU信息计算的实际故障电流对比，误差最小的节点即认为是真正的故障节点。

本发明中，所述步骤(1)是通过下述方式实现的：

根据配电网的拓扑，将各FTU安装点作为对应节点，形成描述网络结构的网络描述矩阵M，其维数即网络中安装FTU的数量，当节点i与节点j之间存在馈线时，对应的元素M_ij、M_ji为1，其余元素为0；当配电网发生故障后，根据FTU上传的故障过流信息形成故障信息矩阵G，如果节点处的FTU没有流过超过提前设定阈值的故障电流，则其对应的对角元素G_ii为1，其余元素为0。对于单电源的辐射状配电网络，当其发生故障时，若与区段相连的FTU既有流过故障电流又有未流过故障电流的，则该区段为故障区段。因此，将网络描述矩阵M与故障信息矩阵G相乘得到故障判定矩阵Q，对其进行规格化处理后即可判断故障区段。

本发明中，所述步骤(2)是通过下述方式实现的：

将与各区段直接相邻的FTU分为两类，一类电流从FTU流入该区段，流过该类FTU的故障中电流记为I_i；另一类电流从FTU流出该区段，流过该类FTU的故障中电流记为I_j。计算实际故障时故障点短路电流的公式为：

式中，I_fe为故障电流向量近似值，N₁、N₂分别与为该区段相邻第一类、第二类FTU的数量。

本发明中，所述步骤(3)是通过下述方式实现的：

配电网发生故障后，相当于在故障点f处加入了一个注入电流-I_f，可以将故障中的配电网分成两个部分，因此，网络中任一节点处的电压值可以分为两部分，正常分量和故障分量，如式所示：

式中：U_i为节点i处故障中的电压向量，U_i ⁽⁰⁾为节点i处故障前的电压向量，Z_if为节点i与故障点f处的互阻抗，I_f为故障电流向量，N为网络中的节点数。Z_if可以通过离线计算网络的节点阻抗矩阵得到，得到节点阻抗矩阵后，利用电能质量监测***得到各监测点故障前及故障中的电压向量U_i ⁽⁰⁾、U_i，即可计算得到故障节点处的故障电流向量。

本发明中，所述步骤(4)是通过下述方式实现的：

确定故障点所在区段后，对该区段内的各节点进行故障分析，假定故障发生在各节点，可以得到各节点的故障电流值，将得到的故障电流向量与利用FTU信息计算的故障电流对比，误差最小的节点即认为是真正的故障节点。定义电流向量偏差值为：

式中：δ_k为假设第k个节点故障得到的故障电流平均值与实际故障电流偏差向量的模，I_fkm为假设第k个节点故障,由第m个监测点电压暂降信息得到的故障电流，N_node为故障区段内的总节点数，N_m为电能质量监测点的总个数。

得到所有δ_k后，其最小值所对应的节点即输出为故障诊断的故障节点。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)、利用馈线监控终端上报的故障过流信息初步确定故障区段；

按照分段开关及馈线监控终端的位置将配电网分成几个区段，利用馈线监控终端上报的故障过流信息形成故障信息向量，与描述配电网拓扑的网络描述矩阵结合，计算得到故障判定矩阵，从而初步确定故障区段，将故障范围缩小到两个终端之间；

步骤(2)、利用馈线监控终端上传的故障中电流向量信息确定故障点短路电流量；将与各区段直接相邻的馈线监控终端分为两类，一类电流从馈线监控终端流入该故障区段，另一类电流从馈线监控终端流出该故障区段；确定故障区段后，忽略故障过程中故障区段内负荷电流的影响，估算得到故障点实际的故障电流向量；

步骤(3)、利用电能质量监测***中各监测点上传的电压暂降信息及***节点阻抗矩阵计算故障点故障电流向量；对该故障区段内的各节点进行故障分析：假定故障发生在各节点，利用各监测点的电压暂降信息计算得到各节点的故障电流向量；

步骤(4)、遍历该故障区段内的各节点，将得到的故障电流向量与利用馈线监控终端信息计算的实际故障电流向量对比，计算故障电流向量偏差值，即故障电流向量偏差值最小的节点即认为是真正的故障节点。

2.根据权利要求1所述的基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其特征在于所述步骤(1)是通过下述方式实现的：

根据配电网的拓扑，将各馈线监控终端安装点作为故障区段对应的分界节点，形成描述网络结构的网络描述矩阵M，其维数即网络中安装馈线监控终端的数量，当节点i与节点j之间存在馈线时，对应的元素M_ij、M_ji为1，其余元素为0；当配电网发生故障后，根据馈线监控终端上传的故障过流信息形成故障信息矩阵G，如果节点处的馈线监控终端没有流过超过提前设定阈值的故障电流，则其对应的对角元素G_ii为1，其余元素为0；对于单电源的辐射状配电网络，当其发生故障时，若与区段相连的馈线监控终端既有流过故障电流又有未流过故障电流的，则该区段为故障区段；因此，将网络描述矩阵M与故障信息矩阵G相乘得到故障判定矩阵Q，对其进行规格化处理后即可判断故障区段。

3.根据权利要求2所述的基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其特征在于所述步骤(2)是通过下述方式实现的：

将与故障区段直接相邻的馈线监控终端分为两类：一类电流从馈线监控终端流入该故障区段，流过该类馈线监控终端的故障中电流向量记为I_i；另一类电流从馈线监控终端流出该故障区段，流过该类馈线监控终端的故障中电流向量记为I_j；计算实际故障时故障点短路电流值的公式为：

式中，I_fe为故障电流向量近似值，N₁、N₂分别与为该故障区段相邻第一类、第二类馈线监控终端的数量。

4.根据权利要求3所述的基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其特征在于所述步骤(3)是通过下述方式实现的：

配电网发生故障后，相当于在故障点f处加入了一个注入电流-I_f，从而能够将故障中的配电网分成两个部分，因此，网络中任一节点处的电压值能够分为两部分：正常分量和故障分量，如式所示：

式中：U_i为节点i处故障中的电压向量，U_i ⁽⁰⁾为节点i处故障前的电压向量，Z_if为节点i与故障点f处的互阻抗，I_f为故障电流向量，N为网络中的节点数；Z_if通过离线计算网络的节点阻抗矩阵得到，得到节点阻抗矩阵后，利用电能质量监测***得到各监测点故障前及故障中的电压向量U_i ⁽⁰⁾、U_i，即可计算得到故障节点处的故障电流向量。

5.根据权利要求4所述的基于电压暂降信息的复杂配电网故障定位方法，其特征在于所述步骤(4)是通过下述方式实现的：

确定故障点所在区段后，对该故障区段内的各节点进行故障分析：假定故障发生在各节点，从而得到各节点的故障电流向量，将得到的故障电流向量与利用馈线监控终端信息计算的故障电流向量对比计算电流向量偏差值，即电流向量偏差值最小的节点即认为是真正的故障节点，定义电流向量偏差值为：

式中：δ_k为假设第k个节点故障得到的故障电流平均值与实际故障电流偏差向量的模，I_fkm为假设第k个节点故障,由第m个监测点电压暂降信息得到的故障电流向量，N_node为故障区段内的总节点数，N_m为电能质量监测点的总个数；

得到所有δ_k后，其最小值所对应的节点即输出为故障诊断的故障节点。