一种环型配电网故障区段定位方法与流程

1.本发明属于配电网故障定位领域，具体是指一种利用ftu上传的故障信息与配电网的拓扑结构，结合优化算法判断ftu上传信息是否发生畸变，从而对畸变情况下的定位错误结果进行修正，具体涉及一种环型配电网故障区段定位方法。


背景技术：

2.据当前相关数据表明:电力系统95％的停电事故都发生在配电网中，而由线路发生接地或短路性这类事故性不对称故障大约占配电网总故障85％。当电网某点发生故障时，快速定位故障，迅速隔离故障区域，并通过控制相关的开关和电源对非故障区域恢复供电，对保证供电可靠性十分重要。输电网由于其结构简单，各种测量监控设备相对完善，因此对其进行故障定位取得了良好的效果。而配电网结构多样，线路分支多，中性点接地方式也不尽相同，且配电环网中，潮流方向的双向流动，增加了故障定位的难度。
3.随着配网自动化的发展与完善，馈线终端装置ftu(feeder terminal unit) 等通信设备大规模使用，基于配网自动化的故障定位方法已成为主要的发展方向。ftu是安装在配电室或馈线上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。ftu是用先进的dsp数字信号处理技术、多cpu集成技术、高速工业网络通信技术、隔离技术嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。目前针对配电网区段定位的研究中主要分为两类：一类是基于 ftu遥测数据的故障区段定位，通过计算采集数据的相关系数、波形衰减常数等进行区段定位。此类方法均需要对所采集的数据进行特征量的提取或进行数学变换，处理过程繁琐。另一类是基于ftu遥信数据的故障区段定位方法，其具有对数据的分析处理简单且快速的优点。此类方法主要包括矩阵算法和智能算法。其中，矩阵算法是基于配电网拓扑结构的一种快速故障定位方法。矩阵算法定位速度快，但容错性差，因为若各ftu通信正常，主站能够获取完整的故障信息，则通过故障定位算法可以准确定位故障。但配电网外部条件复杂，设备长期在恶劣环境下工作可能会出现通信故障。而如果出现通信失效，就可能导致定位结果错误或不准确，其中可能包含以下情况：
4.(1)漏判，即虽然配电网中发生了故障但根据故障定位算法判定结果为无故障。在这种情况下，当配电网线路中发生故障时，系统无法检测到故障，需要受故障影响的客户对故障情况进行上报才可获知故障信息，从而做出响应。
5.(2)错判，即所定位的故障区段与实际故障区段不符。考虑到与后续故障隔离功能的配合，若发生错判则可能导致故障区域没有正确隔离，乃至正常区域被错误隔离，这将造成供电可靠性下降且电网运行人员工作量增大。
6.(3)范围扩大，即所定位的故障范围大于实际故障区段，还需要再进行进一步的判断或现场检查。需要维修人员到达停电区域，沿配电线路跳闸断路器进行配电网线路巡逻，
人工寻找故障发生区域。然后再通过适当的切换动作，隔离故障段，恢复配电网其他区域的供电。可见，不论何种情况出现，都会增加配电网运行的风险以及停电时间，同时增加配电网运行人员的工作强度。
7.而粒子群算法、蝙蝠算法、和声算法等智能算法的原理，则是首先将ftu 上传的故障信息代入所建立的评价函数中，然后通过智能算法找出能够最好解释告警信息的故障区段，从而实现故障定位。智能算法具有一定的容错性，但是故障定位速度相对较慢，且存在局部收敛的问题。


技术实现要素：

8.本发明所要实现的是一种环型配电网故障区段定位方法，解决环型配电网中发生故障时功率双向流动对定位造成的困难，通过假定正方向来处理功率双向流动带来的问题。并通过优化算法与开关函数的联合作用，以此来应对ftu上传信息畸变或漏报的情况，实现定位的快速性与高容错性。
9.为此，本发明采用如下的技术方案，一种高环型配电网故障区段定位方法，其包括：
10.s1、应用图论算法将配电网的结构描述为多个节点与连接该些节点之间连接关系的一个图；
11.s2、定义配电网中电流流向，电流正向流过的第一个节点为父节点，其余为子节点，并建立网络描述矩阵dn×n，n为节点的个数；
12.s3、根据各节点的ftu实际上传的告警信息建立故障信息矩阵gn，根据网络描述矩阵dn×n和故障信息矩阵gn形成故障判别矩阵p；
13.s4、将节点之间的区段划分为t接区段、末端区段和普通区段；利用故障判据对故障判别矩阵p中的元素进行分析，从而定位出故障区段；
14.s5、构造开关函数g
n’，该开关函数g
n’反映了各节点处ftu期望上传的告警信息与区段状态之间的逻辑或关系，n为节点的个数；判断gn与g
n’对应的矩阵元素是否相等，若相等，直接输出s4的结果，否则，对s4输出结果进行校验，得出可疑故障区段；
15.s6、构建评价函数，对校验结果得出的可疑故障区段进行优化处理，根据优化处理结果，输出最终的故障区段定位结果。
16.优选地，定义环型配电网中由主电源流向各分布式电源或者分支末端的方向为正方向。
17.优选地，所述网络描述矩阵dn×n中的各元素定义如下：
[0018][0019]
其中，i、j均小于等于n，父、子节点正向连接表示电流正向依次流过父、子节点。
[0020]
优选地，各节点的ftu将根据是否检测到故障电流以及故障电流的流向与网络正方向是否相同，上传“1，0，-1”三种逻辑信号至配电主站；故障信息矩阵gn，的元素定义如下式：
[0021]
其中，k为不大于n的正整数，表示故障信息矩阵gn的第k个元素，正向故障过电流表示故障电流为正方向，反向故障过电流表示故障电流为反方向。
[0022]
优选地，所述故障判别矩阵p中的各元素为下式：
[0023][0024]
优选地，根据区段划分，根据条件一至条件三任意一个条件定位出故障区段：条件一：对p
ii
＝1、p
ij
＝1的节点j，都有p
jj
＝0或-1，其中i≠j；
[0025]
条件二：对p
ii
＝-1、p
ji
＝1的节点j，都有p
jj
＝0，其中i≠j；
[0026]
条件三：对p
ii
＝0、p
ij
＝1的节点j，都有p
jj
＝-1，其中i≠j；
[0027]
满足三个条件中任意一个条件，且
[0028]
若节点i和节点j之间的区段为普通区段，则故障发生在节点i与节点j 构成的普通区段内；
[0029]
若节点i和节点j之间的区段为t接区段，则根据三个条件中任意一个定位t接区段的两个子节点j1、j2与父节点之间故障，若定位结果一致，则故障发生在该t接区段内；若定位结果彼此矛盾，且其所有子节点过流信息均不等于1，则该t接区段故障；否则该t接区段无故障；
[0030]
若节点i所在的区段为末端区段，当满足p
ii
＝1，p
ij
＝0，其中i≠j，该末端区段故障。
[0031]
优选地，所述开关函数如下式：
[0032][0033]
其中，上游为以开关节点i为分界线且含有主电源的部分，其余部分为下游；ku、kd取1或0，1代表有电源接入，0代表无电源接入，s
j,gu
、s
i,gd
分别表示开关节点i到上游主电源gu和下游电源gd之间的区段的状态值； s
i,u
、s
i,d
分别表示上游部分和下游部分所有区段的状态值；ug、dg分别为上游部分与下游部分电源的数量；us、ds分别表示上游部分与下游部分所有区段的总数；π表示逻辑或运算。
[0034]
优选地，对s4输出结果进行校验，包含将s4的结果代下式：构建式子ρ(x)＝[x(1),x(2),
···
,x(m)]
t
，式中m为区段数，ρ(x)中每一行元素为对应区段的故障状态，即变量x(m)代表区段(m)的区段状态，其取值均为0或1，0 代表区段无故障，1代表区段有故障。
[0035]
优选地，所述评价函数为：
[0036]
式中β为修正系数。
[0037]
优选地，将开关函数校验后得出的可疑故障区段代入评价函数，通过求解评价函
数，得出节点信息畸变情况下的故障区段定位结果。
[0038]
本发明具有的有益效果是：
[0039]
1)提出了明确的、具有比较完备的理论支撑的快速故障区段定位方法。该方法能够实现快速的故障区段定位；
[0040]
2)该方法不仅能适应传统的辐射型配电网，对于功率双向流动的环型配电网也能实现准确的故障定位，能够适应不同类型配电网的故障区段定位；
[0041]
3)该方法提出了明确的、针对安装与于户外的ftu上传的告警信息受到干扰情况下导致定位结果错误的处理方法，提高了矩阵算法在信息畸变情况下的容错性。
附图说明
[0042]
图1为本发明方法实施流程图；
[0043]
图2为本发明所建立的配电环网拓扑结构图。
具体实施方式
[0044]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种环型配电网故障区段定位方法作进一步详细说明。
[0045]
如图1所示，按照下列步骤实施本方法：
[0046]
s1、应用图论的有关知识，可以把配电网的结构简单描述为多个节点与连接该些节点区段的一个关系图。其中，节点由隔离开关、断路器、分段开关组成，区段由连接上述三者设备的输电线路组成。
[0047]
s2、相较于传统的辐射型配电网，本例中的环型配电网中功率流向复杂，给故障定位增加了困难。为此，需定义环型配电网中电流流向，本例中设定环型配电网中的网络功率由主电源流向各分布式电源或者分支末端(如图2 中的区段(21)、区段(25)等)的方向为正方向，从而将此类环型配电网等效为传统的辐射型配电网，并定义每个区段中电流正方向流过的第一个节点为父节点，其余为子节点。
[0048]
建立网络描述矩阵dn×n，n为节点的个数。其实质是一个描述环型配电网中所有节点连接关系的不对称邻接矩阵，本例中，其元素定义如下式：
[0049][0050]
其中，i、j均小于等于n，父、子节点正向连接表示电流正向依次流过父、子节点。对于t接区段(有三个节点的区段，如图2的区段(3))而言，有一个父节点和两个子节点，特规定其子节点之间的连接关系为0。
[0051]
s3、建立节点上传的故障信息矩阵gn。环型配电网发生故障后，功率流向发生改变。安装于各节点的ftu将根据是否检测到故障电流以及故障电流的流向与网络正方向是否相同，上传“1，0，-1”三种逻辑信号至配电主站。
[0052]
本例中，故障信息矩阵gn中的各元素定义如下式：
[0053][0054]
其中，k为不大于n的正整数，表示故障信息矩阵gn的第k个元素，正向故障过电流表示故障电流为正方向，反向故障过电流表示故障电流为反方向。
[0055]
根据建立的网络描述矩阵dn×n和故障信息矩阵gn形成故障判别矩阵p。
[0056]
优选地，该故障判别矩阵p如下式；
[0057][0058]
s4、为了方便对不同的区段故障进行定位，本例将区段分为t接区段、末端区段和普通区段，普通区段表示只有两个节点，末端区段对应的只有一个节点，并有如下三个故障判据：
[0059]
条件一：对p
ii
＝1、p
ij
＝1的节点j，都有p
jj
＝0或-1，其中i≠j；
[0060]
条件二：对p
ii
＝-1、p
ji
＝1的节点j，都有p
jj
＝0，其中i≠j；
[0061]
条件三：对p
ii
＝0、p
ij
＝1的节点j，都有p
jj
＝-1，其中i≠j；
[0062]
满足三个条件中任意一个条件，且
[0063]
若节点i和节点j之间的区段为普通区段，则故障发生在节点i与节点j 构成的普通区段内；
[0064]
若节点i和节点j之间的区段为t接区段，则根据三个条件中任意一个定位t接区段的两个子节点j1、j2与父节点之间故障，若定位结果一致，则故障发生在该t接区段内；由于t接区段有两个子节点，因此一般把t接区段看作两个普通区段分别定位，但是故障位置的不同，可能导致上述两个定位的结果矛盾，若定位结果彼此矛盾，且其所有子节点的故障过电流信息(gk) 均不等于1，则该t接区段故障；否则该t接区段无故障；
[0065]
若节点i所在的区段为末端区段，当满足p
ii
＝1，p
ij
＝0，其中i≠j，该末端区段故障。
[0066]
利用故障判据对故障判别矩阵p中的元素进行分析，从而判断出故障区段。
[0067]
s5、构造一个开关函数，该函数反映了各个节点处ftu期望上传告警信息与区段状态之间的逻辑或关系。本例中采用了如式(4)所示的适用于环型配电网中功率双向流动的开关函数；
[0068][0069]
式中，上游为以开关节点i为分界线且含有主电源的部分，其余部分为下游；ku、kd取1或0，表示上游与下游部分电源的接入情况，1代表有电源接入，0代表无电源接入；s
j,gu
、s
i,gd
分别表示开关节点i到上游主电源gu和下游电源gd之间的区段的状态值；s
i,u
、s
i,d
分别表示上游部分和下游部分所有区段的状态值；ug、dg分别为上游部分与下游部分电源的数量；us、ds分别表示上游部分与下游部分所有区段的总数；π表示逻辑或运算。
[0070]
判断gn与g
n’是否相等，若相等，判断实际上传的告警信息正确，直接输出s4的判断结果；否则，将gn与g
n’中不相等的矩阵元素为可疑故障区段，并组成下列(5)式；
[0071]
ρ(x)＝[x(1),x(2),
···
,x(m)]
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
式中，m为可疑区段数，ρ(x)中每一行元素为对应区段的故障状态，即变量x(m)代表区段m的区段状态，故其取值均为0或1，0代表区段无故障， 1代表区段有故障。
[0073]
s6、构建了如式(6)所示的适用于环型配电网的评价函数，该函数为基于逻辑关系的0-1整数规划模型，
[0074][0075]
式中，β为修正系数，可选的β＝0.7。
[0076]
将开关函数g
n’校验后得出的可疑故障区段代入式(6)，通过求解评价函数，便可以得出节点信息畸变情况下的故障区段定位结果。
[0077]
本发明具有的有益效果是：
[0078]
1)提出了明确的、具有比较完备的理论支撑的快速故障区段定位方法。该方法能够实现快速的故障区段定位；
[0079]
2)该方法不仅能适应传统的辐射型配电网，对于功率双向流动的环型配电网也能实现准确的故障定位，能够适应不同类型配电网的故障区段定位；
[0080]
3)该方法提出了明确的、针对安装与于户外的ftu上传的告警信息受到干扰情况下导致定位结果错误的处理方法，提高了矩阵算法在信息畸变情况下的容错性。
[0081]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。