CN108931709A - 一种高容错率的配网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于交流配电网故障诊断技术领域的一种高容错率的配网故障定位方法。该方法利用FTU故障时上传的过电流信息矩阵与根据网络拓扑结构形成的过电流信息矩阵相比较，进行故障定位，具体包括：将配电网映射为一个有向图；根据配电网的有向图得到理想故障矩阵D；根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G；将理想故障矩阵D与上报信息矩阵G做差，得到故障判别矩阵P，进而得到故障区域；考虑FTU发生漏报、误报的情况，建立故障定位判据，并依据所述故障定位判据以及对应的条件概率来模拟FTU发生误报漏报的故障情况。本发明推理简单，容错性好，特别针对FTU漏报、误报的问题，提出的故障定位判别方法和扩大故障定位区域可提高定位准确率。

Description

一种高容错率的配网故障定位方法

技术领域

本发明属于交流配电网故障诊断技术领域，尤其涉及一种高容错率的配网故障定位方法。

背景技术

随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，城乡配电网得到了长足发展，用电负荷快速增长的同时，用户对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。配电网作为服务用户的终端环节，故障发生后能够精确分析故障、迅速定位故障、有效隔离故障可以最大程度减少用户损失、提高供电可靠性并保证系统的安全稳定运行。

随着配电网自动化水平的提高，大量自动化终端设备如馈线终端单元(feederterminal unit，FTU)应用于配电网，故障时，FTU将故障电流的大小和方向、故障电压和故障时刻等故障信息和开关状态信息上传主站，主站通过相应的故障定位方法来处理信息，定位故障区域，有效提高了故障定位的速度与精度。但由于FTU大多安装在户外，有诸多不利的因素如环境恶劣、电磁干扰、通信错误的、FTU硬件的误判等都会使得FTU上传的故障信息出现畸变或缺失，导致故障定位错误，影响系统的安全运行。

目前，利用FTU信息来实现故障定位的方法主要分为两类：直接算法和间接算法。两种算法一般都先利用FTU来检测过电流判断该区域是否出现故障，再利用对应的算法来定位故障。直接算法中最典型的是矩阵算法，其根据网络拓扑结构和FTU上传的故障信息，得到网络拓扑矩阵和故障信息矩阵，再推导出故障判定矩阵，确定故障区段。该算法对于FTU上传信息的精度要求高，面对FTU漏报、误报的情况，必然会发生误定位。间接算法根据FTU上报的故障电流信息以及配电网的拓扑结构形成评价函数，再利用智能优化算法，来寻找评价函数的最优解，实现故障定位。间接算法相比直接算法，在面对FTU漏报、误报时，具有一定的容错率，但面对多区段的复杂配电网，解的维度增加，使得求解速度下降，且易发生误定位。因此，配电网的故障定位问题在一定程度上没有得到有效解决，有必要提出更加简单高效且具有较高容错性能的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将配电网中装有FTU的断路器、分段开关作为顶点，馈线段作为弧线段，且弧线段的方向与线路潮流方向相同，将配电网映射为一个有向图；利用FTU检测过电流信息，经判断后上传至控制主站；

步骤2、根据配电网的有向图得到各区域故障时FTU上传的理想故障矩阵D，并将其记录于主站中；根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G，将所述理理想故障矩阵D与上报信息矩阵G做差，得到故障判别矩阵P，通过分析故障判别矩阵P的信息得到故障区域；

步骤3、考虑FTU发生漏报、误报的情况，建立故障定位判据，并依据所述故障定位判据以及对应的条件概率来模拟FTU发生误报漏报的故障情况。

所述步骤1的具体过程为：

1)将配电网中装有FTU的断路器、分段开关、联络开关作为节点，对各节点、各开关间的的区域以及电源进行编号；

2)确定配电网的正方向，若配电网仅由一个电源供电，则全网供电功率的流出方向作为配电网络的正方向；若配电网由多个电源供电，则任意选取其中一个电源作为参考，将该电源单独供电、其它电源看做负荷时的功率流出方向作为配电网络的正方向；

3)判断过电流信息并上传，故障发生后，当FTU检测到过流信息，并与网络正方向相同时，向控制主站上报1；当FTU检测到过流信息，并与网络正方向相反时，上报-1；当FTU未检测到过流信息时，上报0。

所述步骤2的具体过程如下：

1)根据配电网的有向图，得到各区域故障时由FTU上传的理想故障矩阵D，所述理想故障矩阵D删除了最接近非参考电源的FTU上报的信息，仅保留最接近参考电源的FTU上报的信息量，以减少矩阵的维度，理想故障矩阵D的第i行表示第i个区域，每行的数据为相应区域故障时各FTU的上报的过流信息量；矩阵D的第j列代表各个FTU，每一列的数据为某一个FTU对于各区域故障时的过流信息量，所述理想故障矩阵D的表达式为：

D(i,j)＝d(j)

式中，D(i,j)为区域i发生故障时第j个FTU上传的信息量，d(j)为第j个FTU上传的信息量；

2)根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G，所述上报信息矩阵G为实际运行时的FTU上报信息矩阵，为了使FTU上报信息量与理想故障信息矩阵D的维度相同，在主站中将得到的故障信息量进行扩展，令上报信息矩阵G的每行元素均等于FTU实际上报信息，上报信息矩阵G的行数等于配电网的区域数量，使得上报信息矩阵G的行列数与理想故障信息矩阵D的行列数相同，得到的上报信息矩阵G的表达式为：

G(m,j)＝G(n,j)＝d(j)

式中：G(m,j)为第m行，第j个FTU上传的信息量；G(n,j)为第n行，第j个FTU上传的信息量；d(j)为第j个FTU上传的信息量；

3)将理想故障矩阵D与上报信息矩阵G比较做差，得到故障判别矩阵P：

P＝D-G

其中，P的每一行代表各个区域，每一列代表各个FTU；

4)分析故障判别矩阵P的信息，确定矩阵P中元素全为0的行对应的区域为故障区域。

所述步骤3采用相似度值的计算方法建立故障定位判据，即将计算得到的矩阵P每行元素绝对值的和作为各区域的相似度值，相似度值最小的行对应的区域即故障区域，所述相似度值的计算公式为：

式中，p_i,j为矩阵P中第i行第j列的元素，m为区域数量，n为上报的FTU数量，x为故障区域对应的行标，第x行对应的区域即为故障区域；

当FTU正确上报时，各区域对应的相似度值如下式所示，

式中，x为故障区域对应的行标，i为非故障区域对应的行标。

所述步骤3考虑馈线终端设备FTU发生漏报误报情况，按照以下条件概率公式进行模拟仿真：

式中，P()表示各种情况的故障概率，S(i)为各测点理想上报信息，SC(i)为各测点实际上报信息。

本发明的有益效果在于：

(1)与矩阵法相比，本发明的容错率大大提高；与人工智能算法相比，本发明更加简单高效，不会有陷入局部收敛，导致定位结果错误的问题；

(2)本发明不仅利用了电流的大小，还利用了电流的方向来判断，使得故障定位准确率提高；

(3)本发明在形成矩阵时，减少了部分FTU的冗余信息，降低了矩阵维度使得计算更加快捷；

(4)本发明适用于多电源并列供电配电网的故障定位，经过系统的验算，本发明提出的故障定位判据能有效提高故障定位准确率，且不影响正常上报情况。

(5)本发明推理简单，容错性好，具有较高的实用价值。

附图说明

附图1为本发明的多电源复杂配电网的故障定位方法流程图；

附图2为多电源配电网的拓扑结构图；

附图3为多电源配电网的FTU理想上报矩阵D；

附图4为区域a故障时的FTU正确上报矩阵G；

附图5为区域a故障时的FTU正确上报的判别矩阵P；

附图6为区域a故障时的FTU未正确上报的判别矩阵P；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图1为本发明的多电源复杂配电网的故障定位方法流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、将配电网中装有FTU的断路器、分段开关作为顶点，馈线段作为弧线段，且弧线段的方向与线路潮流方向相同，将配电网映射为一个有向图；利用FTU检测过电流信息，经判断后上传至控制主站；

步骤2、根据配电网的有向图得到各区域故障时FTU上传的理想故障矩阵D，并将其记录于主站中；根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G，将所述理理想故障矩阵D与上报信息矩阵G做差，得到故障判别矩阵P，通过分析故障判别矩阵P的信息得到故障区域；

步骤3、考虑FTU发生漏报、误报的情况，建立故障定位判据，并依据所述故障定位判据以及对应的条件概率来模拟FTU发生误报漏报的故障情况。

具体的，所述步骤1将配电网映射为一个有向图的具体过程为：首先将配电网中装有FTU的断路器、分段开关、联络开关看做节点并进行编号，再对各开关间的区域以及电源进行编号。然后确定配电网络的正方向，若该配电网仅由一个电源供电时，向全网供电的功率流出方向即为配电网络的正方向。若该配电网由多个电源供电，则任意选取其中一个电源作为参考，将仅由该电源单独供电、其它电源看做负荷时的功率流出方向作为配电网络的正方向；故障发生后，当FTU测到过流信息，并与网络正方向相同时，向控制主站上报1；当FTU测到过流信息，并与网络正方向相反时，上报-1；当FTU未测到过流信息时，上报0。

具体的，所述步骤2的具体过程如下所述：根据配电网的有向图，假设各区域发生故障，得到各区域故障时由FTU上传的理想故障矩阵D，并将其记录于主站中，不管哪个区域发生故障，最接近参考电源的FTU上报的信息量均为1；最接近非参考电源的FTU上报的信息量均为-1。这些冗余信息无法帮助区别故障区域，因此在形成理想故障矩阵D时，可以将其删除，减少矩阵的维度。仅保留最接近参考电源的FTU上报的信息量，删除最接近非参考电源的FTU上报的信息，降低冗余程度并形成方阵。所述理想故障矩阵D如下所示：

D(i,j)＝d(j)

式中，D(i,j)为区域i发生故障时第j个FTU上传的信息量，d(j)即为第j个FTU上传的信息量；

矩阵D的行标代表着各个区域，每行的数据为某区域故障时各FTU的上报的过流信息量；列标代表着各个FTU，每一列的数据为某一个FTU对于各区域故障时的过流信息量。

所述上报信息矩阵G为实际运行时的FTU上报信息矩阵，同样按照步骤1的方法来判断过电流信息并上传，由于此时的FTU上报信息量与理想故障信息矩阵D的维度并不相同。为了接下来能得到故障判别矩阵P，需要在主站中将得到的故障信息量进行扩展，令上报信息矩阵G的每行元素都等于FTU的实际上报信息，上报信息矩阵G的行数等于配电网的区域数量，矩阵G的每一列对应的FTU和矩阵D对应的FTU是一致的，使得矩阵G的行列数与矩阵D的行列数相同。所述上报信息矩阵G的表达式为：

G(m,j)＝G(n,j)＝d(j)

式中：G(m,j)为第m行，第j个FTU上传的信息量；G(n,j)为第n行，第j个FTU上传的信息量；d(j)为第j个FTU上传的信息量；

根据下式得到矩阵P，参照矩阵D的行列所包含的意义，可知P的行标代表着各个区域，列标代表着各个FTU。FTU不发生漏报误报时，理想上报信息量与实际上报信息量应该一致，因此矩阵P中元素全为0的行对应的区域即为故障区域。

P＝D-G

具体的，所述步骤3中，考虑馈线终端设备FTU发生漏报误报情况，为了控制该情况的随机性，按照以下公式进行大量的仿真模拟：

式中，P()表示各种情况的故障概率，且每个式子的概率和为1，S(i)为各测点理想上报信息，SC(i)为各测点实际上报信息。

具体的，所述步骤3采用相似度值的计算方法确定故障区域，即将计算得到的故障判别矩阵P每行元素绝对值的和作为各区域的相似度值，相似度值最小的行对应的区域即故障区域，所述相似度值的计算公式为：

式中，p_i,j为矩阵P中第i行第j列的元素，m为区域数量，n为上报的FTU数量，x为故障区域对应的行标，第x行对应的区域即为故障区域；

当FTU正确上报时，各区域对应的相似度值如下式所示，

式中，x为故障区域对应的行标，i为非故障区域对应的行标。

实施例1

本实施例采用如图2所示的多电源并列供电配电网的拓扑结构图，图中含有5个传统电源，30个节点，26个区域，其中G1-G5为传统电源，数字1-30为装有FTU的各断路器、分段开关、联络开关，字母a-z为所需定位的各区域。设G1为参考电源，画出的网络正方向如图所示。形成矩阵时，可省略27-30节点的4个FTU的信息，减少矩阵维度并形成方阵。综上，理想故障信息矩阵D、上报信息矩阵G、判别故障矩阵P都为26*26的矩阵。

其中，多电源配电网的FTU理想上报矩阵D如图3所示，假设各区域故障得到的FTU理想上报信息量汇聚形成，假设区域a发生故障，节点1测到过电流且与网络正方向相同，上报1；节点2-6、9-14、20-21测到过电流且与网络正方向相反，上报-1；节点7-8、15-19、22-26未测到过流信息，上报0，形成矩阵A＝[1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 00 0 -1 -1 0 0 0 0 0]。故障信息矩阵D第一行即为矩阵A，最后得到的矩阵D如图3所示。

附图4为区域a故障时的FTU实际上报矩阵G。在系统运行期间，区域a发生故障，FTU正确上报信息[1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 0 0 0 -1 -1 0 0 0 00]，经过主站扩展处理后，得到上报信息矩阵G如图4所示。

附图5为区域a故障时的FTU正确上报的判别故障矩阵P，如图5所示，第一行的元素全为0，且元素的绝对值的和为最小，因此第一行对应的区域即为故障区域，即得到区域a发生故障。经过更多的验算得知：当FTU未发生上报错误，且不考虑FTU未检测到故障这种情况时，矩阵P全为0的一行对应的区域必定为故障区域。

附图6为区域a故障时的FTU未正确上报的判别故障矩阵P，网络中节点17、18发生误报，分别上报-1、1。计算得到此时判别矩阵P每行元素绝对值的和的矩阵Sum＝[2 4 6 810 12 11 12 8 10 12 10 12 14 11 11 12 11 13 6 8 8 9 8 9]T，搜索发现第1行最小，解得x＝1，即区域a发生故障，故障定位仍正确。仿真验证了更多的情况，并设置条件概率：FTU上报1或-1时，有0.1的概率发生漏报上报为0；FTU上报0时，各有0.05的概率上报为1或-1。不考虑1变为-1，-1会变为1的情况，可将矩阵P中含有2或-2的行对应的区域排除于故障区域之外。对26个故障区域进行大量验算，每个区域试验100次，共2600次，重复进行上述步骤5次，最后再求5次的平均值并四舍五入，以保证最后结果的可靠性。试验结果统计如表1所示，表1中“相似度值最小”指发生故障的区域对应的相似度值最小，不包括矩阵Sum有几行同时最小的情况，“相似度值前3小”指发生故障的区域处于相似度值最小的3个区域之间，“相似度值前4小”指发生故障的区域处于相似度值最小的4个区域之间。

表1试验结果

仿真结果表明：在FTU发生误报漏报时，本方法可精确定位故障区域，且正确率比较高。由于单个FTU发生误报漏报的概率不高，但随着网络拓扑结构的复杂度增加，测控点数量的增多，FTU上报的全部信息量中发生错误的概率极高，将对故障定位精度有较大影响。因此在得到矩阵Sum后，不妨搜索相似度值最小的几个区域当作可能的故障区域，通过扩大故障区间，保证正确的故障区间在内。以区域l发生故障为例，尽管在100次的试验中，区域l对应的相似度值仅有69次最小，但是该相似度值在最小的3个数之中的次数却达到了100次，因此可以扩大为3个故障区域，使得区域l在内。

需要说明的是，由于配电网中发生的故障大都为单重故障，且本方法重点针对FTU的漏报误报，因此本实施例仅考虑了单重故障发生的情况。若同时考虑多重故障及FTU的漏报误报，会有过高的不确定性，导致故障定位错误。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将配电网中装有FTU的断路器、分段开关作为顶点，馈线段作为弧线段，且弧线段的方向与线路潮流方向相同，将配电网映射为一个有向图；利用FTU检测过电流信息，经判断后上传至控制主站；

步骤2、根据配电网的有向图得到各区域故障时FTU上传的理想故障矩阵D，并将其记录于主站中；根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G，将所述理理想故障矩阵D与上报信息矩阵G做差，得到故障判别矩阵P，通过分析故障判别矩阵P的信息得到故障区域；

步骤3、考虑FTU发生漏报、误报的情况，建立故障定位判据，并依据所述故障定位判据以及对应的条件概率来模拟FTU发生误报漏报的故障情况。

2.根据权利要求1所述的一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：

1)将配电网中装有FTU的断路器、分段开关、联络开关作为节点，对各节点、各开关间的的区域以及电源进行编号；

2)确定配电网的正方向，若配电网仅由一个电源供电，则全网供电功率的流出方向作为配电网络的正方向；若配电网由多个电源供电，则任意选取其中一个电源作为参考，将该电源单独供电、其它电源看做负荷时的功率流出方向作为配电网络的正方向；

3)判断过电流信息并上传，故障发生后，当FTU检测到过流信息，并与网络正方向相同时，向控制主站上报1；当FTU检测到过流信息，并与网络正方向相反时，上报-1；当FTU未检测到过流信息时，上报0。

3.根据权利要求1所述的一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

1)根据配电网的有向图，得到各区域故障时由FTU上传的理想故障矩阵D，所述理想故障矩阵D删除了最接近非参考电源的FTU上报的信息，仅保留最接近参考电源的FTU上报的信息量，以减少矩阵的维度，理想故障矩阵D的第i行表示第i个区域，每行的数据为相应区域故障时各FTU的上报的过流信息量；矩阵D的第j列代表各个FTU，每一列的数据为某一个FTU对于各区域故障时的过流信息量，所述理想故障矩阵D的表达式为：

D(i,j)＝d(j)

式中，D(i,j)为区域i发生故障时第j个FTU上传的信息量，d(j)为第j个FTU上传的信息量；

2)根据FTU实际上传的信息得到上报信息矩阵G，所述上报信息矩阵G为实际运行时的FTU上报信息矩阵，为了使FTU上报信息量与理想故障信息矩阵D的维度相同，在主站中将得到的故障信息量进行扩展，令上报信息矩阵G的每行元素均等于FTU实际上报信息，上报信息矩阵G的行数等于配电网的区域数量，使得上报信息矩阵G的行列数与理想故障信息矩阵D的行列数相同，得到的上报信息矩阵G的表达式为：

G(m,j)＝G(n,j)＝d(j)

式中：G(m,j)为第m行，第j个FTU上传的信息量；G(n,j)为第n行，第j个FTU上传的信息量；d(j)为第j个FTU上传的信息量；

3)将理想故障矩阵D与上报信息矩阵G比较做差，得到故障判别矩阵P：

P＝D-G

其中，P的每一行代表各个区域，每一列代表各个FTU；

4)分析故障判别矩阵P的信息，确定矩阵P中元素全为0的行对应的区域为故障区域。

4.根据权利要求1所述的一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤3采用相似度值的计算方法建立故障定位判据，即将计算得到的矩阵P每行元素绝对值的和作为各区域的相似度值，相似度值最小的行对应的区域即故障区域，所述相似度值的计算公式为：

式中，p_i,j为矩阵P中第i行第j列的元素，m为区域数量，n为上报的FTU数量，x为故障区域对应的行标，第x行对应的区域即为故障区域；

当FTU正确上报时，各区域对应的相似度值如下式所示，

式中，x为故障区域对应的行标，i为非故障区域对应的行标。

5.根据权利要求1所述的一种高容错率的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤3考虑馈线终端设备FTU发生漏报误报情况，按照以下条件概率公式进行模拟仿真：

式中，P()表示各种情况的故障概率，S(i)为各测点理想上报信息，SC(i)为各测点实际上报信息。