基于拓扑编码与图传播解码的主动配电网故障区段定位方法

本发明涉及主动配电网故障定位，具体涉及一种基于拓扑编码与图传播解码的主动配电网故障区段定位方法。

背景技术：

1、现有技术中，分布式光伏在配电网中的渗透率持续升高，传统无源配电网正加速向功率双向流动的主动配电网演变。电力系统中，超过85%的故障发生在配电网，其中单相接地故障占比超过80%。快速、准确地定位故障区段，直接关系到供电可靠性与新能源消纳能力。

2、目前，配电网故障区段定位技术主要分为被动式与主动式两大类。被动式方法依赖于故障自身产生的电气特征量进行判别。相关研究表明，文献[1]中记载的基于暂态零序电流相似性、或文献[2]中记载的暂态无功功率方向的定位方法在中低阻接地工况下表现良好，但在配电网中性点非有效接地方式下，当发生高过渡电阻接地故障时，故障电流幅值可能低至系统额定电流的1%以下。特别是在过渡电阻超过1500ω的工况中，故障特征极其微弱，难以与背景噪声有效区分，致使此类方法的定位准确性明显劣化。文献[3]中指出，基于相电流突变量和零序功率方向的方法在过渡电阻超过1000ω时，定位成功率已降至不足70%。究其根源，被动式方法的性能受限于信源的物理条件，单纯在算法层面进行改进，难以从根本上突破这一瓶颈。

3、为增强故障特征，主动式信号注入方法被提出，其通过向配电网注入特征信号来实现定位。文献[4]提出了基于s信号注入法的单相接地故障定位方案，利用注入的交流信号进行路径探测。然而，现有主动式注入方案仍存在若干不足之处，制约着定位性能的进一步提升：

4、其一，注入频率通常为固定值，未考虑线路阻抗的频率相关特性。文献[5]提出在中性点注入特定频率电流进行故障选线与定位，但所用注入频率为单一固定值。当不同拓扑路径上传播的信号到达共用测量点时，由于频率完全一致，仅凭借幅值与相位信息难以有效区分信号来源路径，导致路径辨识的可区分度不足。文献[6]也指出，固定频率注入方式在多分支配电网络中面临路径混叠问题，不同路径的响应模式高度相似。

5、其二，注入策略与定位算法之间呈松耦合关系。注入信号沿配电网的实际拓扑边进行物理传播，而定位算法的信息聚合路径却并非沿着这些相同的拓扑边进行。现有文献中，文献[4]中记载的主动注入定位方法的解码端多采用阈值比较、文献[7]中记载的全连接神经网络、或文献[8]中记载的卷积神经网络进行特征判别。

6、上述方法中，阈值比较仅利用单节点信息，完全忽略了配电网的拓扑邻接结构；全连接网络将各测量点的特征展平为一维向量进行处理，节点间的拓扑邻接关系在此过程中被丢弃；卷积神经网络依赖规则网格结构来定义卷积核的滑动路径，难以适配配电网非欧拓扑的树状连接特性。文献[9]中在分析基于深度学习的配电网故障定位方法时明确指出，忽视拓扑约束将导致模型在面对拓扑变更时性能严重退化。这种物理传播路径与计算聚合路径在拓扑结构上的不一致，导致物理层获取的空间传播特征在计算层被丢弃或扭曲，损失了关键的判别信息。

7、其三，现有方案未建立注入编码规则与定位模型之间的结构化关联，使得注入端与解码端各自独立设计，缺乏协同优化。文献[10]中综述了基于主动注入的配电网故障定位技术，指出当前研究主要聚焦于注入信号的波形设计与信号检测算法，但注入策略与定位识别模型之间缺乏在拓扑层面的联合设计。当配电网拓扑或线路参数发生变化时，注入端参数调整后，定位模型需重新训练或人工调整阈值，两端无法联动适应。

8、其四，现有方案多未充分顾及控制权限受限、通信延迟及设备异构等工程约束。文献[11]中指出，实际配电网中分布式逆变器存在厂家协议多样、通信方式异构、调度权限不统一等问题，难以保证全网逆变器均具备远程控制能力。文献[12]中在分析配电物联网终端接入现状时也指出，存量ftu设备在采样率、模数转换器位数及通信协议方面存在显著差异，主动注入方案若未考虑此类设备兼容性问题，将难以在实际工程中规模化部署。当配电网拓扑因开关操作等原因发生变更时，现有注入策略与定位模型均需依赖人工重新配置，缺乏对拓扑变化的自适应能力。

9、综上，现有主动注入定位方案的根本缺陷在于：注入信号的物理传播路径与定位算法的信息聚合路径在拓扑结构上错位，信号沿电网拓扑边传播，而定位算法却不沿同一拓扑边聚合信息。如何构建一种使信号传播路径与计算聚合路径在拓扑结构上严格对齐的定位体系，从根本上消除路径错位导致的信息损失，正是本领域亟待解决的技术问题。

10、参考文献：

11、文献[1]:薛永端，李娟，徐丙垠.利用暂态零序电流特征的小电流接地故障检测方法[j]. 电力系统自动化，2017.

12、文献[2]:张保会，尹项根.电力系统继电保护[m].中国电力出版社，2019.

13、文献[3]:李永丽，宋金钊，李博通. 含分布式电源的配电网单相接地故障定位方法综述[j]. 电力系统自动化，2020.

14、文献[4]:刘健， 张志华， 张小庆. 配电网故障处理若干问题探讨[j]. 电力系统自动化， 2012.

15、文献[5]:郭俊宏，陈钢，王宝华. 基于信号注入法的谐振接地系统单相接地故障选线研究[j]. 电力系统保护与控制，2015.

16、文献[6]:蔡新景，张帆. 配电网谐振接地系统故障选线方法综述[j]. 电力系统及其自动化学报，2018.

17、文献[7]:祁忠，施烨，李枫. 基于深度学习的配电网故障智能诊断方法[j]. 电力工程技术,2021.

18、文献[8]:杨莎，高湛军. 基于卷积神经网络的配电网故障区段定位方法[j]. 电力系统保护与控制，2020.

19、文献[9]:陈颖，关慧哲，黄少伟. 基于图深度学习的电力系统暂态稳定评估[j].中国电机工程学报，2019.

20、文献[10]:贾科，施志明，毕天姝. 基于主动注入的配电网单相接地故障定位技术综述[j]. 中国电机工程学报，2018.

21、文献[11]:刘东，盛万兴，王云. 配电自动化系统实用技术[m]. 中国电力出版社，2019.

22、文献[12]:盛万兴，刘科研，孟晓丽. 配电物联网终端接入技术及工程实践[j].电力系统自动化, 2020.

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于拓扑编码与图传播解码的主动配电网故障区段定位方法，该定位方法基于拓扑编码与图传播解码的紧耦合设计，使注入信号的物理传播路径与定位算法的信息聚合路径在配电网拓扑邻接矩阵上严格对齐，从而突破传统方法中路径错位导致的信息损失。该方法在高过渡电阻及分布式光伏高渗透场景下显著提升了故障区段定位的准确性与可分辨性。

2、本发明采取的技术方案为：

3、基于拓扑编码与图传播解码的主动配电网故障区段定位方法，包括以下步骤：

4、步骤1：故障启动与数据采集：

5、实时监测配电网各节点零序电压，当任意节点零序电压超越启动门槛时判定发生接地故障并启动定位流程，同步估算过渡电阻范围并向各馈线终端单元（ftu）下发录波召唤指令；

6、步骤2：拓扑编码与特征注入：

7、主站获取目标配电网的拓扑邻接矩阵，以母线节点为根在拓扑邻接矩阵上执行广度优先搜索得到各并网逆变器至母线的拓扑距离，按照拓扑距离由近及远为各并网逆变器分配递增的特征频率，以形成拓扑编码规则，故障后控制各并网逆变器按照拓扑编码规则注入对应特征频率的注入信号；

8、步骤3：判别矩阵构建与物理一致性校验：

9、各馈线终端单元（ftu）采集暂态波形并进行故障点干扰源分离，通过矢量差运算得到仅由主动注入产生的净注入响应，提取各特征频率的净注入响应幅值与相位，构建以特征频率为行、馈线终端单元（ftu）为列且排列顺序与拓扑邻接矩阵的节点顺序一致的拓扑传播判别矩阵；

10、对拓扑传播判别矩阵执行基于拓扑邻接矩阵的物理一致性校验，将通过校验的拓扑传播判别矩阵标记为有效判别矩阵；

11、步骤4：图传播解码定位：

12、将有效判别矩阵与拓扑邻接矩阵一并输入图传播解码模型，该模型以拓扑邻接矩阵定义消息传递路径，消息仅在拓扑邻接矩阵中相邻节点间传递，经节点特征聚合与边嵌入后输出配电网各支路的故障概率，选取故障概率最大且超过预设置信度阈值的支路作为故障区段定位结果。

13、所述步骤2中，拓扑邻接矩阵满足，当且仅当节点

i与

j之间存在线路连接，即a为对称矩阵，对应配电网线路的双向信号传播特性。

14、以母线节点为根在拓扑邻接矩阵上执行广度优先搜索得到各并网逆变器至母线的拓扑距离，具体过程为：

15、设母线节点，定义拓扑距离，建立队列；

16、当q非空，弹出队首u，遍历所有满足，即节点u与v之间存在线路连接，且未访问的邻居v，将其入队并记录，其中：表示节点到母线节点的拓扑距离；

17、搜索结束后，各并网逆变器k的拓扑距离。

18、所述步骤2中，按照拓扑距离由近及远为各并网逆变器分配递增的特征频率，具体包括：

19、s2.1：将可用特征频率集按数值升序排列，将各并网逆变器按拓扑距离升序排序后，依次分配可用特征频率集中对应频率，形成逆变器-频率映射表；

20、s2.2：路径可分离性验证：对每对逆变器、，遍历所有ftu节点，若和的注入信号均能到达同一ftu节点，则检查和在该节点处的注入特征频率集合是否存在交集；若存在交集，优先将拓扑距离较大者的交叠特征频率后移至可用特征频率集中下一个未被使用的特征频率，保证任意两条拓扑路径在共同经过的ftu处的注入特征频率集合不完全相同；

21、s2.3：传播覆盖验证：对逆变器-频率映射表中每个已分配特征频率，根据线路长度及单位阻抗参数估算其至最远端ftu 处的信号衰减，若衰减后的信噪比低于预设检测阈值，则剔除该特征频率并为对应并网逆变器调整为下一个可用特征频率；

22、s2.4：频谱间隙合规检查：核查逆变器-频率映射表中所有特征频率是否均落在工频整数次谐波之间的频谱间隙内、且任意两个特征频率之差不低于预设频率间隔，若不满足，则调整至最近合规频点。

23、步骤2中，故障后控制各并网逆变器按照拓扑编码规则注入对应特征频率的注入信号；具体为：

24、主站根据映射表向第

k台逆变器下发携带统一时间标签的指令，注入信号采用负序分量形式，其时域表达式为：

25、；

26、其中：为第k台逆变器注入的负序信号瞬时值；为注入幅值，跟网型逆变器为电流幅值，不超过额定电流的2%；构网型逆变器为电压幅值，不超过额定电压的1%；为分配给第k台逆变器的特征频率，满足；为同步初始相位。

27、所述步骤3中，进行故障点干扰源分离，通过矢量差运算得到仅由主动注入产生的净注入响应，具体包括：

28、s3.1：在特征注入启动前，截取至少一个工频周期的波形，提取各特征频率点的背景负序相量；在特征注入期间，同步提取对应特征频率的负序相量；

29、s3.2：按下式计算仅由主动注入产生的净注入响应矩阵元素：

30、；

31、其中：为特征注入期间，ftu节点

j在特征频率处的负序电压相量（复数）；

32、为特征注入启动前，ftu节点

j在特征频率处的背景负序电压相量（复数）；

33、为净注入响应相量，其模值和辐角即为拓扑传播判别矩阵m中第

i行第

j列的元素值；

34、，f为特征频率总个数；，n为ftu节点总数。

35、拓扑传播判别矩阵即以的幅值和相位作为元素值。

36、步骤3中，将步骤s3.2得到的各净注入响应相量，按特征频率为行、ftu节点为列、且列顺序与拓扑邻接矩阵的节点索引严格一致的方式，排列成复数矩阵：

37、；

38、其中，第i行对应特征频率，第j列对应ftu节点j ，

39、元素；

40、f 为特征频率总数，n为ftu总数。为保证相位差提取的有效性，所有ftu列数据必须在同一北斗/gps同步时间窗内采集。

41、步骤3中，物理一致性校验包括趋势校验，所述趋势校验包括：

42、a1：在系统正常运行期间，基于在线参数辨识获取各段线路在特征频率下的阻抗参数，预先计算各相邻节点对在无故障工况下对于特征频率的期望衰减比，具体如下：

43、；

44、其中：分别表示节点i和节点j在特征频率下的电压相量；

45、为基于阻抗模型估计的电压幅值衰减比，即期望衰减比；

46、为线路段的串联阻抗，为线路电阻，为线路电感；

47、为从节点 j 向除 i 方向之外的其余网络看进的等效阻抗，含负载、分布电容及下游网络，由在线参数辨识统一提供。

48、基于连续t天（如30天）正常运行时辨识得到的期望衰减比历史序列，计算其均值和标准差，容差区间按下式确定：

49、[；

50、其中：为特征频率下期望衰减比的容差区间，为区间下限，为区间上限；为置信系数（架空线路取3，电缆取2.5），对应约95%~99.7%置信水平。

51、上述期望衰减比的定义基于信号从节点向节点传播，即较更靠近注入源。在线参数辨识提供的为从节点向除方向之外的其余网络看进的等效阻抗。校验时需根据注入源位置确定信号传播正方向，并选用对应方向的参考衰减比；若该边信号流为，则其期望衰减比应使用。

52、a2：在故障定位时，对于每一受控注入源，沿拓扑邻接矩阵确定的传播路径，计算相邻节点的实测衰减比：

53、；

54、其中为在特征频率下信号从节点

i传播到节点

j的实测电压衰减比；

55、为矩阵中第k行、第列元素的幅值，对应特征频率在节点

i处的补偿后净注入响应幅值。

56、为矩阵中第k行、第列元素的幅值，对应特征频率在节点

j处的补偿后净注入响应幅值。

57、a3：比较与：

58、当与的偏差在所述容差区间内，判定为正常衰减并通过校验；

59、当且偏差超出所述容差区间的下限，标记为异常衰减并生成先验加权信息供步骤s4使用；

60、当且偏差超出所述容差区间的上限或出现幅值逆增，标记为异常增强；仅当出现无物理依据的阶跃式衰减时，判定校验失败并触发备用定位模式。例如在单一节点对或相邻两个测量点间，实测衰减比突降超过50%且无法由开关状态变化、线路参数突变或已知运行方式调整解释。

61、步骤3中，物理一致性校验包括相位校验，所述相位校验包括：

62、b1：对拓扑邻接矩阵上每对相邻节点、（），特征频率下的实测相移定义为：

63、；

64、结果归一化至。

65、其中：表示在频率下从节点 i 到节点 j 的实测电压相移；

66、表示复数的辐角主值；

67、和分别为节点 j 和节点 i 的补偿后净注入响应相量。

68、并基于在线参数辨识提供的和，参考相移按下式计算：

69、；

70、其中：为基于阻抗模型得到的参考相移；为线路段串联阻抗；为下游等效阻抗。

71、该式与期望衰减比共用同一组等效阻抗参数，保证物理一致性。

72、容差区间按下式确定：

73、；

74、其中：为相位容差（度）；为基准容忍值，典型取；l为线路段实际长度（km），为单位长度，取 1 km；为互感器精度系数：0.5 级取 0.5，1 级取 1.0，精度越低，系数越大，容忍区间越宽，符合工程实际。

75、b2：构建差分相位特征，对特征频率、在同一相邻节点对(i,j)上的实测相移计算差值：

76、；

77、其中：为频率与在边 (i,j) 上的实测相移之差，称为差分相位特征；

78、、表示两个不同的注入特征频率；

79、为频率下的实测相移，定义同b1。

80、尽管相量构建前已通过全局同步时延估计补偿了大部分同步偏差，但残余的微小同步误差仍可能在相邻节点对之间引入与频率近似成正比的相移差异；对本对节点的两个不同特征频率求相移差，可进一步削弱该残余影响，提升相位校验的鲁棒性。若实测相移或差分相移超出对应的容差区间，判定相位校验失败。

81、所述步骤4中，图传播解码模型以拓扑邻接矩阵定义消息传递路径，消息仅在拓扑邻接矩阵中相邻节点间传递，包括：

82、4.1：对于ftu节点，将其在矩阵 m 中对应列的所有特征频率响应分解后，构建初始特征向量：

83、；

84、其中：和分别为特征频率在节点j的净注入响应幅值和相位；

85、f为特征频率总数；的维度为3f。

86、4.2：图传播解码模型采用基于消息传递机制的图网络结构，第k层消息传递按下式进

行： ；

87、其中，为节点i在第k+1层经聚合和非线性变换后的特征向量；

88、为非线性激活函数；

89、表示将节点自身也纳入聚合范围；

90、为节点i的邻居集合，本发明将配电线路视为无向边，a为对称矩阵，消息可双向传递；为节点j在第k层的特征表示；为第k层的可学习权重矩阵。

91、4.3：模型层数设置为从最远端并网逆变器至母线的最大拓扑深度，使第层消息传递对应注入信号从跳邻居节点物理传播到达的信息；

92、4.4：对于连接节点i 和j 的支路（），边嵌入向量按下式构造：

93、；

94、其中：为节点i,j 经l层图网络后的高层特征；为特征差异向量；为拼接操作，拼接后边嵌入维度为192。将经分类层（192→32→1）和输出。

95、所述图传播解码模型采用多任务学习架构，包括支路分类主通路和辅助幅值重构通路，模型训练时采用以下总损失函数进行优化：

96、；

97、其中：为支路分类的二元交叉熵损失，为物理正则化损失项，为权重系数；

98、物理正则化损失项定义为：

99、；

100、其中：为拓扑中所有上游→下游边的集合，且i更靠近注入源；

101、分别为辅助重构头预测的节点i和节点j在频率下的无噪声电压幅值；

102、为期望电压衰减比，同趋势校验定义。为特征频率总数。

103、该损失强制图网络学习到的衰减模式符合电路定律，属于物理信息正则化。

104、还包括5：拓扑自适应：

105、当配电网拓扑变更时，自动更新拓扑邻接矩阵，重新生成拓扑编码规则，并触发图传播解码模型的轻量化适配，具体包括：

106、在系统运行期间，图传播解码模型的消息传递主体（gat/gcn层）的权重保持固定，仅适配更新以下三部分可学习参数：

107、1) 输入编码层：权重及偏置；

108、2) 辅助重构头：权重及偏置；

109、3) 分类层：权重及偏置。

110、适配采用少量新拓扑仿真样本（约50~100组）微调5~10轮，学习率，可在1~2分钟内完成更新。

111、还包括时间同步容错与节点数据缺失容错机制；

112、所述时间同步容错包括：利用北斗/gps 秒脉冲实现各 ftu 采样时钟的粗同步后，采用如步骤s3数据预处理中所述的全局同步时延估计方法消除残留同步偏差。

113、所述节点数据缺失容错包括：

114、当个别ftu节点 n 数据缺失时，将矩阵 m 的第 n 列所有元素强行置零：

115、；

116、使得该节点对应的初始特征向量退化为零向量。

117、所述图传播解码模型在消息传递时，缺失节点n虽初始特征为零，但其健康邻居仍向 n 聚合消息，令融合直接邻居信息；经l层迭代后，将融合l跳邻域内健康节点的衰减与相移特征，从而间接推断信号流经该节点的状态。边嵌入利用该推断特征参与支路故障概率计算，实现缺失区域的状态“软恢复”。

118、本发明一种基于拓扑编码与图传播解码的主动配电网故障区段定位方法，技术效果如下：

119、1）本发明通过拓扑邻接矩阵的共享，使注入信号的物理传播路径与图传播解码模型的消息传递路径在拓扑结构上严格对齐。注入信号沿拓扑边传播所产生的空间衰减模式能够被定位算法沿同一拓扑边完整提取，消除了传统方案中因路径错位导致的信息损失。

120、2）本发明基于拓扑邻接矩阵计算各并网逆变器的拓扑距离，并按距离递增分配差异化特征频率，使距离母线近的逆变器以较低频率实现广域覆盖，距离远者以较高频率限定局域影响。结合路径可分离性验证步骤，保证任意两条拓扑路径在共用ftu处的注入特征频率集合不完全相同。该机制利用了线路阻抗的频率依赖特性，使不同路径在共用测量节点处形成可区分的多频响应模式，从根本上解决了固定频率注入方式下面临的路径混叠问题。

121、3）本发明以拓扑邻接矩阵为统一基础，编码端的拓扑编码规则与解码端的消息传递路径均基于拓扑邻接矩阵生成。当配电网拓扑因开关操作等原因发生变更时，系统自动更新拓扑邻接矩阵，联动重新生成拓扑编码规则，并触发图传播解码模型的轻量化适配，仅更新输入编码层、辅助重构头和分类层参数，图网络的消息传递主体结构保持固定。在分支线路投切、联络开关切换、馈线重组等典型拓扑变更场景下，经轻量化适配后定位准确率在30秒至120秒内恢复至90%以上，克服了传统方案中需人工重新配置的缺陷。

122、4）本发明在判别矩阵输入图传播解码模型之前，执行基于拓扑邻接矩阵a 的趋势校验、相位校验和低相关性校验。趋势校验通过比较实测衰减比与参考衰减比的偏差，识别异常衰减或异常增强并生成先验加权信息；相位校验利用差分相位特征有效削弱同步误差敏感性，并通过前置的全局同步时延估计进行精确相位补偿，确保相位信息的高保真输入；低相关性校验保证各频率维度提供的辨识信息不冗余，有效抑制了高阻工况下因信噪比降低导致的误判。

123、5）本发明充分考虑了实际配电网中逆变器控制权限受限、通信条件异构、存量ftu设备性能差异等工程约束。兼容部署模式允许仅对具备远程可控能力的逆变器执行特征注入，主站根据实际可控注入源的拓扑分布自适应调整拓扑编码规则；对于采样率较低的存量ftu设备，可自动切换至包络检波模式或分组时分注入策略。