CN104483601B - 一种基于故障指示器的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障指示器的配电网故障定位方法，包括构建关联矩阵、故障指示器发送状态信息至主站控制中心、生成触发向量、定位故障区段几个步骤，关联矩阵构建单元生成关联矩阵，故障指示器通过Zigbee无线网络将状态信息传送至主站，故障定位单元生成触发向量，并对触发向量和关联矩阵进行矩阵运算得到故障区段向量，进而分析定位故障区段并诊断故障信息。本发明可实现配网多重故障及含分布式电源情况下有效的故障定位。应用本发明方法定位配电网故障，无需规格化关联矩阵，能实现多故障点、多电源系统、复杂配电网结构下的故障定位，具有一定的容错能力，判断原理简单，计算量小，故障定位稳定可靠、快速准确，成本低。

Description

一种基于故障指示器的配电网故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，主要是一种基于故障指示器的配电网故障定位方法。

背景技术

因配电网结构复杂，分支多，线路故障率高，又常采取中性点不接地或者经消弧线圈接地的方式，故障后难以定位，严重影响着供电可靠性。为提高配电网的供电可靠性和及时处理故障的能力，配电网自动化越来越受到国内供电企业的重视。配网自动化包括管理控制、数据采集系统、停电管理系统、事故电话系统(95598)、用户信息系统、故障检测、隔离和自愈系统、最优电压控制、故障分析和网架重构等功能，这些功能通过不同的接口与数据库相连，应用于主站、馈线和客户自动化。配网自动化中的事故电话系统、停电管理系统和用户信息系统负责收集用户停电、异常等报警信息。而故障检测、定位隔离和自愈系统(FaultDetection，Isolation and Restoration，FDIR)模块则直接关乎着故障停电时间，影响着供电可靠性，在配网自动化中具有极其重要的作用。

目前配电网中基于各种线路设备进行故障定位的方法层出不穷，采用的定位算法也非常之多，各有特点。而针对馈线终端进行矩阵分析定位故障的方法一直备受认可，蒋秀洁等(蒋秀洁，熊信银，吴耀武，唐剑东.改进矩阵算法及其在配电网故障定位中的应用[J].电网技术，2004，28(19):60-63.)提出一种改进的矩阵算法，能够解决配电网末端故障及不同线路上的多重故障问题，但需要依靠价格昂贵的FTU和RTU进行故障检测及信息传送，且需要对矩阵进行规格化处理，也无法解决含分布式电源的故障定位。刘健等(刘健，倪建立，杜宇。配电网故障区段判断和隔离的统一矩阵算法[J].电力系统自动化，1999，23(1):31-33.)提出通过矩阵算法来准确定位故障区段，然而，需要价格昂贵的RTU进行故障检测，并需要对矩阵进行规格化处理。朱发国等(朱发国，孙德胜，姚玉斌，陈学允.基于现场监控终端的线路故障定位优化矩阵算法[J].电力系统自动化，2000-08，24(15):42-44.)提出一种可解决多电源系统下的故障定位方法，以现场监控终端为故障测量装置，通过优化矩阵算法对故障进行定位，FTU等监控设备不仅价格昂贵，而且这种方法需要对矩阵进行规格化处理才能实现故障定位。

公开日为2008年5月22日，公开号为CN101281229A的专利文献公开了名称为配电网配电线路故障定位系统的技术方案，它采用关联矩阵和由配电变压器副边检测、通信模块得到的状态矩阵，处理得到故障点定位矩阵，然而故障点定位矩阵需要较为复杂的规格处理才能得到故障定位。公布日为2013年5月1日，公告号为CN103076540A的专利文献公开了名称为配电网矩阵算法故障定位结果容错纠正的方法的技术方案，提出一种配电网矩阵算法故障定位结果容错纠正的方法，利用评价函数对矩阵算法的故障区段定位结果及其拆分组合进行评价，实现对配电网的容错故障定位，但对多重故障容错计算较为麻烦，并且计算量也不小。

故障指示设备通常有断路器、馈线终端(FTU)和故障指示器(Fault indicators，FI_S)等。而故障指示器因低成本和出色的故障定位能力，在配电网中得到了广泛的应用，目前的故障指示器一般都带有通信和检测电流方向的模块，主站可以通过无线通信网络如ZigBee收集故障指示器的状态。ZigBee作为一种新兴的无线通信方式，克服了传统的数据点对点无线传输的局限性，拓扑结构具有动态性、自组织性以及网络分布式特性，同时具有低成本、低功耗、超强通信能力、通信距离远和抗干扰能力强等诸多有优点，适合测量点多、范围分散场合的信息传输。配网自动化的主站通过ZigBee收集故障指示器状态信息，根据故障指示器状态信息进行故障定位。当故障发生时，来自停电管理系统、事故电话系统和用户信息系统的警报和故障信息都会爆炸式地展现在系统操作面，通过人工逐个确认故障指示器的状态，做出准确的故障位置判断变得不现实；从这么多的信息里面确定故障区段也非常困难，不仅费时费力，而且容易做出错误判断，特别是在多故障发生或者含分布式电源配网故障时，故障信息会更加复杂。因而寻找一种快速、经济、可靠的故障自动定位方法显得非常必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无需规格化关联矩阵，能实现多故障点、多电源系统、复杂配电网结构下的故障定位，判断原理简单，计算量小，故障定位稳定可靠、快速准确，成本低的基于故障指示器的配电网故障定位方法。

本发明主要是通过下述技术方案以解决上述技术问题：

一种基于故障指示器的配电网故障定位方法，包括以下步骤：

(1)、构建关联矩阵：采集故障指示器在网架中的地理位置，按照配电网的拓扑结构，以配电网线路潮流方向为正方向，以配电网中变电站电源为起始节点，对故障指示器节点依次进行节点编号，对每一节点之后至下一节点之前的线路以及最末端节点之后的线路依次进行区段编号，定义故障指示器的个数为m个，区段的个数为n个，分别将上述故障指示器的个数m、区段的个数n、节点编号和区段编号输入主站控制中心的关联矩阵构建单元，关联矩阵构建单元生成关联矩阵A；A为m×n矩阵，A中每个元素a_ij的定义为：当节点i的注入电流流经区段j，则a_ij＝1，否则a_ij＝0；其中1≤i≤m，1≤j≤n；

(2)、故障指示器发送状态信息至主站控制中心：故障指示器通过无线网络与主站控制中心的通信单元通信；故障指示器检测到故障电流并判断故障电流的方向，若故障电流与步骤(1)中所述正方向同向，则故障指示器通过无线网络将其状态信息上传至主站控制中心的通信单元，当故障电流与正方向反向或者没有检测到故障电流，故障指示器不上传其状态信息；

(3)、生成触发向量：主站控制中心的通信单元将接收到故障指示器的状态信息传送到故障定位单元，故障定位单元根据故障指示器的状态信息生成触发向量I_L，I_L为m维向量，I_L中每个元素I_L(k)定义为：收到第k个故障指示器的状态信息，则I_L(k)＝1，否则,I_L(k)＝0，其中1≤k≤m；

(4)、定位故障区段：故障定位单元将触发向量I_L和关联矩阵A按下述矩阵运算公式进行运算：

I_FD＝A^-1×I_L；

I_FD为n维的故障定位向量，I_FD每个元素的定义为：I_FD(k)＝1表示第k区段发生故障，I_FD(k)≠1表示第k区段未发生故障，其中1≤k≤n。

进一步地提高容错能力的方法为步骤(4)之后继续执行以下诊断故障信息步骤：

若故障定位向量I_FD中有j个元素为1，那么该j个元素相互组合产生t种故障可能情况，t＝2^j-1，其中1≤j≤n；每种故障可能情况形成一个故障区段向量I_FDi，I_FDi为n维向量，其中1≤i≤t；I_FDi中每个元素I_FDi(k)＝1定义为：故障在区段k，则I_FDi(k)＝1，否则,I_FDi(k)＝0，其中1≤k≤n；

上述t个故障区段向量I_FDi组成故障状态矩阵C，C是n×t阶的矩阵，C的列分量C_i＝I_FDi，其中1≤i≤t；

按下列公式计算：

B＝A×C；

得到故障诊断信息矩阵B，B是n×t阶的矩阵，B的列分量B_i即为诊断触发向量，其中1≤i≤t；

按下列公式进行向量同或计算：

得到故障重合度向量f_i，其中1≤i≤t，表征触发向量I_L和诊断触发向量B_i之间的接近程度，故障重合度向量f_i中等于1的元素越多，表明触发向量I_L和诊断触发向量B_i重合度越高；

t个f_i作为列分量组成n×t阶的故障重合度矩阵f，f中等于1的元素最多的列分量f_i对应的I_FDi则是最终的故障区段向量，I_FDi中的元素I_FDi(k)＝1则表明故障在区段k，其中1≤k≤n。

所述步骤(2)中无线网络采用无线ZigBee网络。

本发明的优点是：(1)故障定位方法所依托的硬件——故障指示器价格低廉、可靠，适用范围广；(2)运算量小、计算速度快，而且无需对矩阵进行规格化处理，原理简单，直观，可有效的判断故障的位置；(3)能够对多故障、含分布式电源配电网的故障进行故障定位；(4)只将故障电流与正方向相同且动作的故障指示器状态信息上传至主站控制中心，上传的信息量少，避免了逆变型分布式电源提供的故障电流太小，不足以触发故障指示器动作而引起故障定位失败的问题；(5)具有一定的容错能力，当单个故障指示器发生拒动时，通过故障重合度矩阵依然能判断出故障区段；(6)采用的无线通信方式为低成本、低功耗、短时延和高安全的Zigbee通信，使用方便，工作可靠。

附图说明

图1是应用本发明方法进行故障指示器节点编号和区段编号的配电网拓扑结构示意图；

图2是实施例1应用本发明方法的多点故障的配电网拓扑结构示意图；

图3是实施例2应用本发明方法的单点故障的配电网拓扑结构示意图，其中配电网中含分布式电源系统DG；

图4是实施例3应用本发明方法的单点故障的配电网拓扑结构示意图，其中故障指示器FI₄拒动；

图中：FI1—FI7分别表示故障指示器节点编号，FD1—FD7分别表示区段编号；DG表示分布式电源；

表示未动作的故障指示器，表示检测到正向故障电流并动作的故障指示器，表示检测到反向故障电流并动作的故障指示器，表示故障点，→表示故障电流方向。

具体实施方式

下面结合图1-4和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，配电网拓扑结构中有7个故障指示器，以配电网线路潮流方向为正方向，以配电网中电源节点为起始编号，按照故障指示器在网架中的地理位置，对故障指示器节点依次进行节点编号为FI₁-FI₇，对节点之间的线路以及最末端节点之后的线路依次进行区段编号为FD₁-FD₇。

主站控制中心的关联矩阵构建单元生成关联矩阵：

节点注入电流即是流入节点的电流，线路电流即是两节点所连支路中流通的电流，关联矩阵表示的便是注入电流与线路电流之间的关系，可通过配电网的拓扑结构进行构建。关联矩阵A为7×7矩阵，以配电网线路电流方向为正方向，当节点k上的注入电流流过区段j时，即k中的注入电流对区段j的关联因子为1，也即A矩阵中的第k行和j列元素为1，否则为0；由此生成关联矩阵A：

当配电网中发生多点故障时，如图2所示，故障发生在区段FD₃和FD₆，此时FI₁、FI₂、FI₃和FI₆检测到故障电流后触发动作，并通过ZigBee无线网络将状态信息发送至主站控制中心。

主站控制中心的故障定位单元接收到FI₁、FI₂、FI₃和FI₆的状态信息，生成触发向量I_L：

I_L＝[1 1 1 0 0 1 0]^T

故障定位单元按下述矩阵运算公式进行运算：

I_FD＝A^-1×I_L

得到故障定位向量：

I_FD＝[0 -1 1 0 0 1 0]^T

故障定位向量I_FD中元素值为1的区段即为故障区段。I_FD中第3个元素和第6个元素为1，那么故障发生在区段FD₃和FD₆；第2个元素为-1,说明多重故障发生路径汇合点在区段FD₂。

实施例2：

图3为含分布式电源DG的配电网拓扑结构图，节点编号、区段编号、构建关联矩阵A同实施例1。故障指示器有电流方向检测的功能，能根据电流的方向进行动作。故障发生在FD₃区段。因线路中接入分布式电源DG，使得线路中潮流方向发生了变化，即系统中含有两个电源进行供电，注入电流和线路电流便不再是单一辐射型，设定变电站电源提供的电流方向为正方向。当故障指示器检测到故障电流与正方向同向时，故障指示器触发动作并将状态信息通过ZigBee无线网络发送到主站控制中心；当故障指示器检测到故障电流与正方向反向时，故障指示器触发动作但不发送状态信息；当故障指示器检测不到故障电流时，不触发动作，不发送状态信息。本实施例中，FI₆有反方向的故障电流流过，FI₆触发动作但不将状态信息发送至主站控制中心。主站控制中心的故障定位单元收集到FI₁、FI₂和FI₃的状态信息，生成触发向量为：

I_L＝[1 1 1 0 0 0 0]^T

故障定位单元按下述矩阵运算公式进行运算：

I_FD＝A^-1×I_L

得到故障定位向量：

I_FD＝[0 0 1 0 0 0 0]^T

I_FD第3个元素为1，因此定位故障发生在FD₃区段。

实施例3：

图4为含7个故障指示器的配电网拓扑结构图，节点编号、区段编号、构建关联矩阵A同实施例1。故障发生在FD₅区段，其中故障指示器FI₄拒动。主站控制中心的故障定位单元收集到FI₁、FI₂、FI₃和FI₅的状态信息，生成触发向量为：

I_L＝[1 1 1 0 1 0 0]^T

故障定位单元按下述矩阵运算公式进行运算：

I_FD＝A^-1×I_L

得到故障定位向量：

I_FD＝[0 0 1 -1 1 0 0]^T

I_FD中第3个元素和第5个元素为1，那么故障可能情况有三种，分别为：故障在区段FD₃、故障在区段FD₅、区段FD₃和区段FD₅同时发生故障，由此形成三个故障区段向量I_FD1、I_FD2、I_FD3：

I_FD1＝[0 0 1 0 0 0 0]^T

I_FD2＝[0 0 0 0 1 0 0]^T

I_FD3＝[0 0 1 0 1 0 0]^T

由三个故障区段向量I_FD1、I_FD2、I_FD3组成的故障状态矩阵C为：

相应的故障诊断信息矩阵按下述运算公式进行计算：

B＝A×C

得到故障诊断信息矩阵B：

故障重合度向量f_i按照下述公式计算：

其中1≤i≤3；

将故障重合度向量f_i按顺序排列可得故障重合度矩阵f：

f＝[f₁ f₂ f₃]

故障重合度矩阵f中第2列的元素1最多，那么第二种故障可能情况概率最大，I_FD2为最终故障区段向量，I_FD2中第5个元素为1，表明区段FD₅发生故障，与实际情况相符。

Claims (1)

1.一种基于故障指示器的配电网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、构建关联矩阵：采集故障指示器在网架中的地理位置，按照配电网的拓扑结构，以配电网线路潮流方向为正方向，以配电网中变电站电源为起始节点，对故障指示器节点依次进行节点编号，对每一节点之后至下一节点之前的线路以及最末端节点之后的线路依次进行区段编号，定义故障指示器的个数为m个，区段的个数为n个，分别将上述故障指示器的个数m、区段的个数n、节点编号和区段编号输入主站控制中心的关联矩阵构建单元，关联矩阵构建单元生成关联矩阵A；A为m×n矩阵，A中每个元素a_ij的定义为：当节点i的注入电流流经区段j，则a_ij＝1，否则a_ij＝0；其中1≤i≤m，1≤j≤n；

(2)、故障指示器发送状态信息至主站控制中心：故障指示器通过无线网络与主站控制中心的通信单元通信；故障指示器检测到故障电流并判断故障电流的方向，若故障电流与步骤(1)中所述正方向同向，则故障指示器通过无线网络将其状态信息上传至主站控制中心的通信单元，当故障电流与正方向反向或者没有检测到故障电流，故障指示器不上传其状态信息；

(3)、生成触发向量：主站控制中心的通信单元将接收到故障指示器的状态信息传送到故障定位单元，故障定位单元根据故障指示器的状态信息生成触发向量I_L，I_L为m维向量，I_L中每个元素I_L(k)定义为：收到第k个故障指示器的状态信息，则I_L(k)＝1，否则,I_L(k)＝0，其中1≤k≤m；

(4)、定位故障区段：故障定位单元将触发向量I_L和关联矩阵A按下述矩阵运算公式进行运算：

I_FD＝A^-1×I_L；

I_FD为n维的故障定位向量，I_FD每个元素的定义为：I_FD(k)＝1表示第k区段发生故障，I_FD(k)≠1表示第k区段未发生故障，其中1≤k≤n；

进一步地提高容错能力的方法为步骤(4)之后继续执行以下诊断故障信息步骤：

若故障定位向量I_FD中有j个元素为1，那么该j个元素相互组合产生t种故障可能情况，t＝2^j-1，其中1≤j≤n；每种故障可能情况形成一个故障区段向量I_FDi，I_FDi为n维向量，其中1≤i≤t；I_FDi中每个元素I_FDi(k)＝1定义为：故障在区段k，则I_FDi(k)＝1，否则,I_FDi(k)＝0，其中1≤k≤n；

上述t个故障区段向量I_FDi组成故障状态矩阵C，C是n×t阶的矩阵，C的列分量C_i＝I_FDi，其中1≤i≤t；

按下列公式计算：

B＝A×C；

得到故障诊断信息矩阵B，B是n×t阶的矩阵，B的列分量B_i即为诊断触发向量，其中1≤i≤t；

按下列公式进行向量同或计算：

f_i＝I_L⊙B_i；

得到故障重合度向量f_i，其中1≤i≤t，表征触发向量I_L和诊断触发向量B_i之间的接近程度，故障重合度向量f_i中等于1的元素越多，表明触发向量I_L和诊断触发向量B_i重合度越高；

t个f_i作为列分量组成n×t阶的故障重合度矩阵f，f中等于1的元素最多的列分量f_i对应的I_FDi则是最终的故障区段向量，I_FDi中的元素I_FDi(k)＝1则表明故障在区段k，其中1≤k≤n。