一种环网配电线路的行波故障测距定位方法、设备及装置与流程

本技术涉及配电线路故障定位，具体涉及一种环网配电线路的行波故障测距定位方法、设备及装置。

背景技术：

1、随着对配电线路稳定性运行和可靠性供电的要求越来越高，对配电线路低故障频率、精准故障定位以及故障后自愈能力的要求也逐渐变高。环网状配电线路的特点是具有闭合回路结构，存在多条供电路径，闭环运行时呈现双向潮流的特点，与辐射状配电线路上故障的诊断方法存在根本差异。

2、用于辐射状网络的阻抗法、矩阵算法、行波定位法等常用故障诊断方法，依赖的是单向潮流的电参数特征，如电流幅值、线路阻抗等，并不适用于环网配电线路。随着分布式电源的接入，例如逆变型分布式电源iidg（inverter-interfaced distributedgenerator），不仅会造成故障电流方向的改变，还会限制故障电流使其通常不超过额定值的2倍且衰减较快，传统故障测距定位的方法可能根本检测不到弱电流。同时，由于环网中存在多条供电线路，不同线路的类型和长度等基础参数存在差异，导致行波波速并非恒定值，受到线路类型、频率等因素的影响。

3、因此，针对分布式电源接入的环网状配电线路，仍需一种能够进行故障测距、精准定位的方法、设备及装置，既能在弱电流条件下有效识别波头，又能兼容非恒定行波波速对测距精度的影响，并能在故障位于闭合环路内时仍能给出唯一的故障点位置。

技术实现思路

1、为了解决分布式电源接入下环网状配电线路弱电流故障信号难以检测、行波波速非恒定以及环路多路径导致传统双端测距失效的技术问题，本技术提供了一种环网配电线路的行波故障测距定位方法、设备及装置，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，本技术提出了一种环网配电线路的行波故障测距定位方法，该方法包括以下步骤：

3、在环网配电线路的关键节点部署监测点，对各监测点同步采集暂态行波电流信号并进行带通滤波、小波去噪与幅值归一化预处理；

4、对每个监测点的预处理信号计算相对变化率，并按时序拟合得到各监测点的相对变化率曲线；

5、对每个监测点的相对变化率曲线自适应选择最优时间尺度，并基于该尺度下的二阶差分算子标定各监测点的波头到达时间；

6、基于各监测点的波头到达时间与配电网拓扑结构判断故障点是否位于闭合环路内，并将故障区域划分为非环路故障或环路故障；

7、当判定为非环路故障时，基于双端测距算法与最短路径搜索获取故障点的初步位置信息；当判定为环路故障时，将环路双向行波汇合的拓扑对称监测点虚拟断开形成等效辐射状网络，并基于所有有效监测点的时间差构建位置方程组进行最小二乘求解获取故障点的初步位置信息；

8、基于全网有效监测点波头到达时间的时间差构建波速优化目标函数，求解修正波速后重新计算故障位置，完成故障测距定位。

9、在一个实施例中，所述相对变化率的获取方法为：

10、将第k个监测点在t时刻下电流信号幅值与一个采样周期之前的电流信号幅值的差值，再除以该监测点在设定时间窗口内采集的电流信号幅值最大值，得到第k个监测点在t时刻下的相对变化率。

11、在一个实施例中，所述最优时间尺度的获取方法为：

12、对第k个监测点的相对变化率曲线在不同时间尺度r下分别求解二阶差分算子，选取使得二阶差分算子在故障波头到达时刻取得最大值、且在非故障波头到达时刻保持小波动的尺度作为最优时间尺度。

13、在一个实施例中，时间尺度的上下限的确定方法为：

14、上限为最大尺度系数与最小期望波头上升时间及采样频率的乘积，下限为最小尺度系数与最大期望波头上升时间及采样频率的乘积，且下限的最小取值为3；其中最大尺度系数的取值范围为0.8至1，最小尺度系数的取值范围为0.5至0.8。

15、在一个实施例中，故障点是否位于闭合环路内的判断方法为：

16、对于每条环路，计算该环路内各监测点波头到达时间之间的时间间隔，将所有所述时间间隔中的最大值与时间阈值进行比较；若所述最大值小于所述时间阈值，则判定故障位于该环路内或该环路的相邻线路；若所述最大值大于等于所述时间阈值，则判定故障位于该环路外；所述时间阈值为闭合回路的所有线路路段长度之和与2倍标准波速的比值。

17、在一个实施例中，非环路故障的故障点的初步位置信息的获取方法为：

18、利用线路距离矩阵构建邻接矩阵，并通过最短路径搜索算法搜索行波波头到达时间最早的两个监测点之间的最短路径，结合双端测距公式求解故障点沿所述最短路径与两端监测点之间的路径距离，再通过累加搜索确定故障点所在的线段及精确位置，并通过分支搜索处理故障点位于分支线路的情形。

19、在一个实施例中，累加搜索和分支搜索的具体步骤为：

20、累加搜索：初始化累加距离，沿着最短路径，对每个线路路段依次累加，若，1≤p≤q-1，则故障点位于第p个线路路段上，距离该两端节点的距离分别为和，结束初步搜索；若，则更新累加距离为，进一步与比较，进行第p+1个线路路段上的搜索，直至完成初步搜索；

21、分支搜索：使用波头达到时间第三早的监测点o，获取监测点m到监测点o的最短路径，计算出沿着最短路径的故障点距离监测点m的距离，分别以监测点n、监测点o为圆心，距离、为半径取圆，将两个圆的交点且在配电网线路上的点，作为初步定位的故障点位置；

22、表示第p个线路路段线路长度，表示监测点m对应的故障距离，q表示最短路径线路路段的数量，、分别表示故障点距离第p个线路路段两端端点的距离，表示第p+1个线路路段线路长度，表示监测点n对应的故障距离。

23、在一个实施例中，所述修正波速的获取方法为：

24、基于全网有效监测点的波头到达时间的时间差，构建以修正波速为自变量的波速优化目标函数，并约束修正波速位于标准行波波速的0.8至1.2倍范围内；求解前先校验时间差的极差是否超过同步分辨率阈值；求解采用黄金分割搜索法或牛顿迭代法，收敛条件为相邻两次迭代的波速变化率不超过1%；求解完成后将修正波速代入测距公式重新计算故障位置。

25、第二方面，本技术提出了一种环网配电线路的行波故障测距定位设备，该设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述的环网配电线路的行波故障测距定位方法的步骤。

26、第三方面，本技术提出了一种环网配电线路的行波故障测距定位装置，所述装置包括行波信号采集单元、预处理单元、相对变化率计算单元、波头标定单元、故障分类单元、测距执行单元以及波速优化单元；其中，所述行波信号采集单元与所述预处理单元通信连接，所述预处理单元与所述相对变化率计算单元通信连接，所述相对变化率计算单元与所述波头标定单元通信连接，所述波头标定单元与所述故障分类单元通信连接，所述故障分类单元与所述测距执行单元通信连接，所述测距执行单元与所述波速优化单元通信连接。

27、本技术的有益效果为：

28、本技术通过针对每个监测点自适应选择最优时间尺度，既能检测强故障的电流信号又能检测弱电流信号的模糊波头，并将所述最优时间尺度用于后续求解时目标函数中的权重设置，使得后续求解结果更匹配配电网线路上监测点的信号特征；本技术中通过对故障区域的划分，为不同故障区域选择对应的故障测距方法，避免在非环路场景下使用复杂的测距算法，同时也避免直接在故障环路上使用简单的辐射网测距而造成定位误差；本技术考虑了行波波速并不恒定、受到多因素影响的问题，基于初步的故障定位信息对波速进行反演求解，实现基于标准波速定位结果的修正，提高故障测距的准确性；本技术的测距方法针对弱电流信号特点，不依赖传统的故障电流幅值阈值检测，使用暂态突变特征进行检测，即使对分布式电源的接入也有更强的稳定性；本技术同时提供用于执行上述方法的电子设备和部署于配电网关键节点的现场装置，使得该方法能够在硬件层面落地，并便于工程化推广。