一种基于拓扑脉冲反射融合的建筑配电故障定位方法与流程

本发明属于大规模电网安全保障用智能传感系统，涉及配电线路故障检测，具体是一种基于拓扑脉冲反射融合的建筑配电故障定位方法。

背景技术：

1、公共建筑、泵站、水厂及市政综合体的配电网络通常具有线路较短、分支密集、接头较多和末端负载类型复杂的特点。已公开应用的时域反射技术通过注入脉冲并测量阻抗不连续处的回波，根据传播时间估计故障距离；频域反射技术利用扫频响应恢复距离信息；多端行波测量则结合不同节点的到达时间判断故障区段。上述方法能够提供线路异常及距离线索，但在短支路网络中，分支节点、末端负载和故障点的回波可能重叠，不同支路上的等电气距离故障还可能形成近似响应，仅凭单个回波峰值难以确定所属支路。带电检测时，整流负载和变频负载的高频阻抗随工频相位及运行状态变化，开关干扰与慢变漂移进一步影响微弱故障回波。固定健康基准难以同时反映当前拓扑、温度和逐次负载边界，多次追加测量采用独立阈值还可能使正确候选故障被误淘汰的概率随判据数量增加。因此，需要将可控边界扰动、当前拓扑预测和与实际时序匹配的差分处理结合，在保留全网多次反射的条件下区分候选支路，并为不可观测区域和测量失配提供明确输出。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于拓扑脉冲反射融合的建筑配电故障定位方法，以解决多分支短线路中等电气距离故障难以区分，以及逐次负载边界变化、时序漂移和反射叠加影响定位的问题，通过可切换高频阻抗标记产生可控边界变化，结合实际时刻差分及检测拓扑图进行候选故障校验。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于拓扑脉冲反射融合的建筑配电故障定位方法，包括：配置脉冲收发及同步采样单元和支路末端的可切换高频阻抗标记，校准得到经验误差界；依据断路器状态重构检测拓扑图，结合逐次测得的高频负载阻抗和温度生成健康预测波形，根据实测波形与健康预测波形之差形成原始差分，按故障位置及故障状态生成候选故障集合；以发射节点、被测导体对和目标标记组成测量动作，根据候选故障的标记故障增量预测差异选择测量动作；跟踪工频相位，按对称状态序列切换目标标记并发射脉冲，以实际发射时刻的常数项、1次项和2次项为拟合基，对状态符号向量作最小二乘拟合，利用非零拟合残差构造差分权重，分别对实测波形和逐次实测条件下的健康预测波形加权，得到实测标记差分和标记差分基准，将实测标记差分减去标记差分基准得到标记故障增量；按照相同处理流程生成原始差分预测和标记故障增量预测，依据经验误差界分别校验原始差分和标记故障增量，保留通过校验的候选故障，追加测量动作并细分位置以更新候选故障集合，输出故障定位结果。

3、进一步地，配电柜脉冲收发及同步采样单元101设置于配电柜，分支脉冲收发及同步采样单元110设置于选定分支节点，可切换高频阻抗标记包括第一隔直耦合电容206、第二隔直耦合电容207、高频隔离变压器208以及由射频开关209选通的第一电阻支路210和第二电阻支路211，分别形成标记状态1和标记状态2，标定至线路接入端的标记阻抗与高频负载阻抗并联构成末端边界；配置负载支路高频电流取样通道203和标记支路高频电流取样通道205，由校验开关303选取电流，与共用端口电压采样通道302采集的电压配对，配合小信号校准源301测量高频负载阻抗及标记阻抗；各装置配置隔离耦合端口、独立辅助电源及通信链路，以公共时钟、光纤触发和参考回环校正采样时刻及通道延迟；健康校准获得电缆及收发参数、开关稳定时间、阻抗测量有效量程、工频周期范围、相位容差、回波主瓣宽度、双反射分辨间距和单故障定位误差限，登记电缆段起点节点，建立特性阻抗和传播常数的温度标定表，形成健康基准。

4、进一步地，建立动作表并预存时隙表，动作表记录测量动作的待执行、已完成和已终止状态；按触发相位及时序条件索引健康线路及已知位置标准阻抗样件的实测波形、已知状态预测波形及两者之差；原始差分误差和标记故障增量误差采用中位数合成后的数据，标记差分误差及时序稳定误差采用逐组数据，组间一致误差采用测量组对的数据；校准残差包括网格近似误差；按实际差分权重重放独立预校准记录，以均方根偏差与同流程量化误差的较大者作为各分量误差尺度；每轮对全部误差类别、测量动作、时隙表行、适用测量组、接收节点及完整回波记录窗内分量的尺度归一化误差取最大值，将多轮最大值的99.5%分位值与1的较大者乘以各分量误差尺度，得到经验误差界；在线随实际差分权重更新各分量误差尺度，经验误差界与动作表、时隙表及处理规则共同登记版本；对待比较数据的各对应分量求差值绝对值，除以对应经验误差界后取最大值，得到归一化偏差。

5、进一步地，将电缆段表示为传输线二端口，按实测温度插值修正特性阻抗和传播常数，结合逐次实测末端边界，按节点电压连续、电流守恒逐频点求解并作逆傅里叶变换，保留全网透射、多次反射及叠加，预测和实测采用相同耦合及采样处理；全部可切换高频阻抗标记处于标记状态1时发射3个相同脉冲，以发射参考波形校正时间零点及幅值，将实测波形与对应健康预测波形之差逐点取中位数得到原始差分；按双反射分辨间距与最小位置步长中的较大者划分位置单元，以位置单元中点设置串联电阻增量、并联电导增量、断路和短路状态，记录故障连接导体对，采用本轮定位过程内位置和参数恒定的单故障模型；最小位置步长取单故障定位误差限与时基、波速标定误差折算距离中的较大者；串联电阻增量和并联电导增量以检测频带中心处特性阻抗实部及其倒数为初值，按2倍和1/2倍扩展参数网格，向小值扩展至全部待执行及已完成测量动作的原始差分预测和标记故障增量预测相对零向量的归一化偏差均不大于1，向大值扩展至与相应断路或短路边界预测的归一化偏差不大于1；按位置单元、故障状态及故障连接导体对以最小可检测网格值登记检测下限，可检测网格值数量为0时登记不可观测区域。

6、进一步地，针对待执行测量动作切换目标标记，其余可切换高频阻抗标记置于标记状态1，按当前负载、温度及计划触发时刻生成标记故障增量预测；将电缆段相异或位置间距超过最小位置步长的候选故障组成候选故障对，归一化偏差大于2时登记为可分候选故障对；选择覆盖可分候选故障对最多的测量动作；以覆盖的候选故障对按经验误差界归一化后的绝对预测差值峰值时刻为中心，向两侧各扩展1个回波主瓣宽度并合并为消歧采样窗；覆盖数量为0时按最大归一化偏差选择测量动作及预测差值峰值窗；候选故障对数量为0时选择标记差分基准峰值最大的测量动作及主回波窗。

7、进一步地，完整回波记录窗覆盖回波尾迹衰减至静默噪声的时段，长度小于工频周期下限的1/5；时隙表包括4行，每行记录按时钟刻度伪随机选取的2个相异间隔，间隔为完整回波记录窗长度的1倍至2倍；将间隔与工频周期下限的比值乘以360度形成相位间隔，从参考相上升过零相位累积形成3个触发相位，由锁相环连续跟踪；目标标记依次采用标记状态1、标记状态2、标记状态2、标记状态1、标记状态2、标记状态1、标记状态1和标记状态2，切换稳定后依次安排校准周期、定位周期和校准周期，分别在3个触发相位测量高频负载阻抗、发射相同脉冲和测量高频负载阻抗；定位周期同步采集末端端口电压和负载支路电流，经通道幅相校正后取同窗脉冲增量电压频谱与脉冲增量电流频谱之比作为高频负载阻抗，超出阻抗测量有效量程的频点采用前后校准周期同相位测量值按实际时刻线性插值补齐，插值误差纳入校准残差；高频负载阻抗与每次发射逐次对应，完成记录和阻抗反馈后推进，相邻脉冲间隔至少覆盖完整回波记录窗。

8、进一步地，将相同触发相位对应的8次发射组成1个测量组；将实际发射时刻线性归一化，使首末时刻分别对应－1和1，以常数1、归一化时刻及归一化时刻的平方构造3列拟合矩阵；将标记状态1和标记状态2编码为－1和1，利用3列拟合矩阵通过正交三角分解计算状态符号向量的最小二乘拟合值，由状态符号向量减去最小二乘拟合值形成残差向量；残差向量的元素平方和不小于4时，将各元素乘以2再除以元素平方和，得到差分权重；按接收节点对8条校正后的实测波形和对应健康预测波形分别加权求和，得到实测标记差分和标记差分基准；候选故障比较使用3组标记故障增量与3组标记故障增量预测各自逐点取中位数的结果，完整回波记录窗用于质量校验，消歧采样窗用于候选故障比较。

9、进一步地，原始差分与原始差分预测、各已完成测量动作的标记故障增量与标记故障增量预测的归一化偏差分别不大于1，且测量组有效性校验通过时，保留候选故障；在3列拟合矩阵后追加状态符号向量，对8次发射中相同采样延迟的实测值与候选故障预测值之差作最小二乘拟合，将拟合剩余与零向量的归一化偏差用于时序稳定校验；将3组标记故障增量与对应标记故障增量预测之差两两相减，并相对零向量计算归一化偏差，用于组间一致校验；至少2个测量组的时序稳定校验及2个测量组之间的组间一致校验的归一化偏差均不大于1时，测量组有效性校验通过；3个测量组均满足标记差分基准相对零向量的归一化偏差大于2、实测标记差分相对零向量的归一化偏差不大于1时，通过校验开关303核验2种标记阻抗和切换状态，核验通过后保留标记故障增量参与校验并恢复标记状态1。

10、进一步地，序列结束后恢复标记状态1，状态反馈与指令一致、相位误差处于相位容差内且3个测量组的残差向量元素平方和均不小于4时，登记测量动作为已完成，否则换用时隙表下一行重采，累计3次重采仍越界时登记为已终止；候选故障集合为空时恢复校验前候选故障集合，优先重采仅有1个越界测量动作的候选故障对应的测量动作，其余情形选择在候选故障集合中最小归一化偏差最大的测量动作；原始差分越界时同步重采，各测量动作分别累计全部重采次数，原始差分单独计数，上限均为3；以质量合格的重采数据替换旧数据并重新校验，候选故障集合仍为空时立即细分位置及参数；检测拓扑图版本变化时恢复标记状态1并重建候选故障集合。

11、进一步地，位置步长逐次减半，以最小位置步长为下限，相邻参数之间二分复算至细分前后预测的归一化偏差不大于1，粗网格越界的位置单元保留至重采及细分完成；用全部已完成测量动作共同校验，保存候选故障和校验结果，更新检测下限；细分结束后候选故障集合为空时，保存的候选故障中存在通过测量组有效性校验的候选故障则输出模型复核标识，否则输出测量一致性待复核标识；按不可观测区域记录区分可观测候选故障与不可观测候选故障，2类候选故障共同校验，剩余候选故障涉及1个电缆段时输出支路定位结果，可观测候选故障涉及1个电缆段且存在跨段不可观测候选故障时，输出可观测范围定位结果并列出不可观测候选故障，否则继续执行待执行测量动作，测量动作耗尽后输出2类剩余候选故障；距离区间由通过校验的位置单元并集按单故障定位误差限扩展并裁剪至对应电缆段，以电缆段起点节点为参照，附带故障状态、检测下限和测量动作终止记录；定位期间保持健康基准版本，经检修确认线路健康后更新健康基准。

12、本发明的有益效果为：通过切换支路末端的高频阻抗，使原本具有相近传播距离的候选故障在可控边界变化下产生不同的标记故障增量，为支路判断提供原始回波之外的观测依据；按照实际发射时刻构造差分权重，使切换稳定、阻抗测量和反馈等待造成的非等间隔采样仍能抑制低阶时间背景，并通过逐次负载阻抗及温度修正减少健康预测失配。原始差分与标记故障增量分别校验，保留弱标记信息的判别作用；整轮校准覆盖可执行测量动作及处理类别，使经验误差界覆盖追加测量采用的判据。动作选择围绕当前可分候选故障对展开，结合消歧采样窗减少无区分能力的重复测量。标记自检与全网反射预测共同处理可见性降低，分层恢复先检查测量扰动再执行细分，降低扰动导致错误位置收敛的可能。位置单元检测下限、不可观测区域和复核标识随结果输出，使故障位置结论与实际观测能力对应；独立供电及通信保持故障后的标记状态可核验，支持关键建筑回路的定向检修。