CN105117540A - 基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，包括以下步骤：建立典型配电网络故障模型，该模型对各个监测点进行分类，并仿真得到各类型监测点的特征波形；将待测试的配电网络的各个监测点与配电网络故障模型中的分类类型进行对应；配置测试仪至待测试的配电网络的各个监测点处；对待测试的配电网络的任意一个监测点，根据其特征波形及实际参数计算预测故障波形，并输出预测故障波形至测试仪中；对任意一个监测点，设置状态序列；各监测点的测试仪进行精确对时后，分别按照状态序列输出预测故障波形至配电终端，完成有源配电网的仿真。该仿真方法建模简单，有效地减少了仿真测试的准备时间及测试费用，提高了测试效率。

Description

基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法

技术领域

本发明涉及有源配电网故障仿真技术领域，特别涉及一种基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法。

背景技术

分布式能源接入配电网络，渗透率逐年提高，改变了原有配电网络的单端供电模式，导致配电网潮流及短路电流分布发生明显变化，影响到配电网的继电保护和馈线自动化，主动配电网、微电网等都是解决分布式能源接入的解决方案。但是，如何在现场验证含分布式电源的配电网络中的自动化系统的故障处理能力，即含分布式电源的馈线自动化，尚无有效的解决方法。

一般的，都是在实验室通过RTDS(实时数字仿真仪)搭建与实际现场完全一致的模型，然后接入与现场一致的自动化系统进行验证，验证代价非常大，难以进行大面积推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，以解决现有的有源配电网故障仿真验证代价较大、难以推广的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立典型配电网络故障模型，该模型对发生故障时的各个监测点进行分类，并通过仿真得到各类型监测点的特征波形；

步骤(2)：配置测试仪至待测试的配电网络的各个监测点处，各监测点的测试仪进行精确对时；

步骤(3)：对待测试的配电网络进行网络拓扑分析，将待测试的配电网络的各个监测点与所述典型配电网络故障模型中的监测点的分类类型进行对应；

步骤(4)：计算待测试的配电网络的各个监测点的预测故障波形，并输出预测故障波形至各个对应的测试仪中；

步骤(5)：对各个监测点，设置其对应的状态序列；

步骤(6)：测试仪分别按照所述状态序列输出各监测点的预测故障波形至其配电终端，得到当前状态的有源配电网的仿真结果；

步骤(7)：判断待测试的配电网络是否发送状态切换，如发生，返回继续执行步骤(3)，如未发生，保留当前仿真结果。

较佳地，所述步骤(1)具体包括：至少一个故障点，并按照典型电力设备参数、开关与开关间的连接关系、开关与分布式电源间的连接关系、开关与配电终端间的对应关系，建立所述配电网络故障模型，且所述配电网络故障模型具体为一配电网络的拓扑网络，该拓扑网络的节点为开关或电源，拓扑网络的任一个边为开关与开关间的关系或开关与电源间的关系；各类监测点处的配电终端检测对应的开关的实时电气信息，通过拓扑网络分析得到各类监测点的特征波形。

较佳地，依据配电网络故障模型的网络拓扑结构及分布式电源的大小、分布特征将各个监测点分类；各个监测点的分类包括以下类型：故障点上游主干线、故障点上游分支线带大容量DG、故障点上游分支线带小容量DG、故障点上游分支线无DG、故障点下游带大容量DG、故障点下游带小容量DG、故障点下游分支线无DG。

较佳地，所述步骤(2)中，将所述测试仪与配电终端相连，并控制所述测试仪输出预测故障波形至所述配电终端处，以验证由配电终端组成的待测试的有源配电网络是否正常处理故障。

较佳地，所述步骤(2)中，各个监测点的测试仪通过卫星定位系统的时间进行精确对时，以使待测试配电网络中的各个测试仪约定一相同时间。

较佳地，所述步骤(3)中，通过网络拓扑分析，根据待测试配电网络的在当前时刻的实际拓扑连接关系对各个监测点进行与配电网络故障模型的各类节点的对应分类。

较佳地，步骤(4)中，计算每个测试点处的预测故障波形时，对于监测点j，其最大输出功率为S_j，0<j≤n，n为待测试的配电网络的监测点总数，则计算该监测点的预测故障波形的幅值W_j为：

$W_j=W_i\&times;\frac{S_j}{S_i},$

其中，S_i为第i类型的监测点的特征波形的最大输出功率，W_i为第i类型的监测点的特征波形的幅值，W_j为输出的预测故障波形幅值，且输出的预测故障波形的频率及相位与i类型特征波形的频率及相位相同。

较佳地，所述状态序列包括：开关状态以及波形启动、停止时间或其他配电终端的状态类型。

较佳地，所述状态序列是由网络拓扑分析或人工配置配电网络各项电力参数后得到的每个监测点处在各个时刻的开关状态、预测故障波形、波形启动及停止时间或其他状态的序列。

较佳地，所述步骤(7)中，每隔间隔时间Δt进行判断待测试的配电网络是否发生状态变化，所述状态切换包括：配电网络中任意一个开关的状态由合变分或者由分变合，电源停止、启动或容量发生变化。

本发明提供的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，通过建立典型的配电网络故障模型，通过该模型对配电网中的节点进行分类并在各类型的节点处仿真获得对应的特征波形。在实际的配电网的故障仿真时，将实际的配电网中的各个监测点与模型中的节点进行类型匹配后，根据实际的监测点的参数及其所对应分类的特征波形计算得到预测故障波形后，所有的监测点安装设置的状态序列进行分别播放。由于各个监测点类型与配电网络故障模型中的监测点类型相对应，当全部监测点处的测试仪播放计算的预测故障波形时，则该有源配电网处于仿真的故障状态中，也即实现了有源配电网的故障场景仿真。此时，测试仪与各个监测点的配电终端相连，故障场景仿真时，各测试仪将计算的预测故障波形输出至对应的配电终端，则可以检测故障发生时，各个配电终端是否能够及时响应，从而检测出实际的配电网络中的配电终端是否发生故障或失灵，及是否能够起到保护配电网、故障定位、故障隔离与非故障区域恢复供电的作用。

该仿真方法建模简单，仅需根据典型的电力参数设置最简单的包括各类型节点的模型即可。该模型可以用于与实际的配电网络进行及时的匹配及测试，从而实现有效地减少仿真测试的准备时间及测试费用，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的方法步骤示意图；

图2为本发明优选实施例提供的典型配电网络故障模型的拓扑网络结构示意图；

图3为本发明优选实施例提供的典型配电网络故障场景仿真时网络结构示意图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

如图1所示，本发明提供的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，包括步骤S101～S107，具体如下：

步骤S101：建立典型配电网络故障模型，并通过仿真得到各类型监测点的特征波形；

该配电网络故障模型对发生故障时的各个监测点进行分类。其中，配电网络中包括至少一个故障点，采用类似DigSilent或RTDS等权威的电力仿真软件，按典型电力设备参数、开关与开关间的连接关系、开关与分布式电源间的连接关系、开关与配电终端间的对应关系，构建如图2所示的配电网络故障模型。

如图2所示，该典型配电网络故障模型具体为一配电网络的拓扑网络，该拓扑网络的节点为开关或电源，拓扑网络的任一个边为开关与开关间的关系或开关与电源间的关系。各类监测点处的配电终端检测对应的开关的实时电气信息。其中，配电网络中三种概念定义如下：

小容量DG(分布式电源)：提供不超过故障定值电流的DG；

大容量DG：提供超过故障定值电流的DG；

直达路径：从故障点到上游主供电电源之间的路径。

则图2所示配电网络的拓扑网络中的节点可以分为以下7类：

I)故障点上游主干线：在直达路径上所有的监测点，如图2中1号开关对应的监测点(以下简称#号监测点)、9号监测点，这类监测点的典型特征是受无穷大主供电电源影响，当下游出线短路故障时，监测到的故障电流非常大，方向为正向；

Ⅱ)故障点上游分支线带大容量DG：不在直达路径上，该监测点有大功率分布式电源与故障点直连，并与直达路径交汇，如2号监测点，这类监测点的典型特征受大容量分布式电源的影响，在故障时，可以检测到大电流，方向为正向；

Ⅲ)故障点上游分支线带小容量DG：不在直达路径上，该监测点有小功率分布式电源与故障点直连，并与直达路径交汇，如3号监测点，这类监测点的典型特征受大容量分布式电源的影响，在故障时，可以检测到小电流，方向为正向；

Ⅳ)故障点上游分支线无DG：不在直达路径上，该监测点无任何分布式电源与故障点直连，但与直达路径交汇，如4号监测点，故障时这些监测点几乎检测不到电流；

Ⅴ)故障点下游带大容量DG：不在直达路径上，该监测点有大功率分布式电源与故障点直连，并与直达路径不交汇，如5、8号监测点，这类监测点的典型特征受大容量分布式电源的影响，在故障时，可以检测到大电流，方向为负向；

Ⅵ)故障点下游带小容量DG：不在直达路径上，该监测点有小功率分布式电源与故障点直连，并与直达路径不交汇，如6号监测点，这类监测点的典型特征受小容量分布式电源的影响，在故障时，可以检测到小电流，方向为负向；

Ⅶ)故障点下游无DG：不在直达路径上，该监测点无任何分布式电源与故障点直连，但与直达路径交汇，如7、10号监测点，故障时这类监测点几乎检测不到电流。

图2中，仿真8、9监测点之间发生故障，并录制第I～Ⅶ类监测点的故障波形分别为W1～W7，记录各类型的监测点对应大容量分布式电源的最大输出功率S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。由此可知，该配电网络中具有7种类型的监测点，通过拓扑网络分析得到各类型监测点的特征波形，对第i类型的监测点(i为1～7之中的任意一个整数)，通过仿真得到其特征波形的最大输出功率为Si，幅值为Wi。

步骤S102：配置测试仪至待测试的配电网络的各个监测点处，各监测点的测试仪进行精确对时；；

如图3所示，在实际的配电网络中，测试仪31与各个监测点的配电终端32相连，且各个监测点的分类与图2中所示的模型中的节点类型相对应。其中，各个监测点的测试仪用于输出预测故障波形至其所在的配电终端处以验证由配电终端组成的待测试的有源配电网络是否能够正常处理故障。

其中，各个监测点的测试仪通过GPS进行精确对时，精确对时后使待测试配电网络中的各个测试仪约定一相同时间。当然，在其他优选实施例中，测试仪也可通过北斗系统等其他卫星定位系统所采用的标准时间进行精确对时。

步骤S103：对待测试的配电网络进行网络拓扑分析，将待测试的配电网络的各个监测点与上述的典型配电网络故障模型中的监测点的分类类型进行对应；

具体地，通过网络拓扑分析，根据待测试配电网络的实际的拓扑连接关系中各个节点及边的特点，对各个监测点进行与配电网络故障模型的7种类型的节点进行对应分类。

步骤S104：计算待测试的配电网络的各个监测点的预测故障波形，并输出预测故障波形至各个对应的测试仪中；

具体地，对待测试的配电网络的任意一个监测点j，其最大输出功率为S_j，其类型为i，则根据第i类型的监测点的特征波形及监测点j的实际参数计算预测故障波形，并输出预测故障波形至测试仪中；

计算每个测试点处的预测故障波形时，对于监测点j，其最大输出功率为S_j，其中，0<j≤n,n为待测试的配电网络的监测点总数，则计算该监测点的预测故障波形的幅值W_j为：

$W_j=W_i\&times;\frac{S_j}{S_i},$

其中，输出的预测故障波形幅值为W_j，频率及相位与i类型特征波形相同。

依次计算n个监测点的预测故障波形，直至全部监测点的预测故障波形计算完成，并输出预测故障波形至各个对应的测试仪中。

步骤S105：对任意一个监测点，设置状态序列；

状态序列包括了开关状态、预测故障波形的形式、波形启动、停止时间或其他配电终端的状态类型。具体地，状态序列是由网络拓扑分析或人工配置配电网络各项电力参数后得到的每个监测点处在各个时刻的开关状态、预测故障波形的形式、波形启动、停止时间或其他的状态的序列信息。

步骤S106：各监测点的测试仪分别按照所述状态序列输出预测故障波形至配电终端，得到当前状态的有源配电网的仿真结果。

配电网络中的全部监测点分别播放其各自的状态序列，由于各个监测点类型与配电网络故障模型中的监测点类型相对应，当全部监测点出的测试仪播放计算的预测故障波形时，则该有源配电网处于仿真的故障状态中，也即实现了有源配电网的故障场景仿真，得到了当前状态的有源配电网的仿真结果。

步骤S107：判断待测试的配电网络是否发送状态切换，如发生，返回继续执行步骤S103，如未发生，保留当前仿真结果。

具体地，每隔时间间隔Δt进行判断待测试的配电网络是否发生状态切换，时间间隔Δt可根据时间需要进行自由选取其大小。其中，状态切换包括：配电网络中任意一个开关的状态由合变分或者由分变合，电源停止、启动或容量发生变化。当发生状态切换时，配电网络的开关的状态或电源停止、启动或容量发生变化，即节点发生改变，此时，需重新返回执行步骤S103，以实现对发生状态改变的配电网络的仿真，这种方法可以根据配电网络的变化实时进行仿真，提高仿真结果的准确性。

在得到当前状态的有源配电网的仿真结果时，测试仪与各个监测点的配电终端相连，故障场景仿真时，各测试仪将计算的预测故障波形输出至对应的配电终端，则可以在当前状态下检测故障发生时，各个配电终端是否能够及时响应，从而检测出实际的配电网络中的配电终端是否发生故障或失灵，及是否能够起到保护配电网、故障定位、故障隔离与非故障区域恢复供电的作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：建立典型配电网络故障模型，该模型对发生故障时的各个监测点进行分类，并通过仿真得到各类型监测点的特征波形；

步骤(2)：配置测试仪至待测试的配电网络的各个监测点处，各监测点的测试仪进行精确对时；

步骤(3)：对待测试的配电网络进行网络拓扑分析，将待测试的配电网络的各个监测点与所述典型配电网络故障模型中的监测点的分类类型进行对应；

步骤(4)：计算待测试的配电网络的各个监测点的预测故障波形，并输出预测故障波形至各个对应的测试仪中；

步骤(5)：对各个监测点，设置其对应的状态序列；

步骤(6)：测试仪分别按照所述状态序列输出各监测点的预测故障波形至其配电终端，得到当前状态的有源配电网的仿真结果；

步骤(7)：判断待测试的配电网络是否发送状态切换，如发生，返回继续执行步骤(3)，如未发生，保留当前仿真结果。

2.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：至少一个故障点，并按照典型电力设备参数、开关与开关间的连接关系、开关与分布式电源间的连接关系、开关与配电终端间的对应关系，建立所述配电网络故障模型，且所述配电网络故障模型具体为一配电网络的拓扑网络，该拓扑网络的节点为开关或电源，拓扑网络的任一个边为开关与开关间的关系或开关与电源间的关系；各类监测点处的配电终端检测对应的开关的实时电气信息，通过拓扑网络分析得到各类监测点的特征波形。

3.根据权利要求1或2所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，依据配电网络故障模型的网络拓扑结构及分布式电源的大小、分布特征将各个监测点分类；各个监测点的分类包括以下类型：故障点上游主干线、故障点上游分支线带大容量DG、故障点上游分支线带小容量DG、故障点上游分支线无DG、故障点下游带大容量DG、故障点下游带小容量DG、故障点下游分支线无DG。

4.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将所述测试仪与配电终端相连，并控制所述测试仪输出预测故障波形至所述配电终端处，以验证由配电终端组成的待测试的有源配电网络是否正常处理故障。

5.根据权利要求1或4所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)中，各个监测点的测试仪通过卫星定位系统的时间进行精确对时，以使待测试配电网络中的各个测试仪约定一相同时间。

6.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过网络拓扑分析，根据待测试配电网络的在当前时刻的实际拓扑连接关系对各个监测点进行与配电网络故障模型的各类节点的对应分类。

7.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，步骤(4)中，计算每个测试点处的预测故障波形时，对于监测点j，其最大输出功率为S_j，0<j≤n，n为待测试的配电网络的监测点总数，则计算该监测点的预测故障波形的幅值W_j为：

$W_j=W_i\&times;\frac{S_j}{S_i},$

其中，S_i为第i类型的监测点的特征波形的最大输出功率，W_i为第i类型的监测点的特征波形的幅值，W_j为输出的预测故障波形幅值，且输出的预测故障波形的频率及相位与i类型特征波形的频率及相位相同。

8.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述状态序列包括：开关状态以及波形启动、停止时间或其他配电终端的状态类型。

9.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述状态序列是由网络拓扑分析或人工配置配电网络各项电力参数后得到的每个监测点处在各个时刻的开关状态、预测故障波形、波形启动及停止时间或其他状态的序列。

10.根据权利要求1所述的基于特征波形的有源配电网故障场景仿真方法，其特征在于，所述步骤(7)中，每隔间隔时间Δt进行判断待测试的配电网络是否发生状态切换，所述状态切换包括：配电网络中任意一个开关的状态由合变分或者由分变合，电源停止、启动或容量发生变化。