CN109557423A - 一种配电网故障诊断系统、方法及应用 - Google Patents

一种配电网故障诊断系统、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种配电网故障诊断系统、方法及应用，将包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的录波文件进行格式转换，读取配置文件信息，读取网络基础数据与拓扑参数信息；根据录波文件中的输入电压/电流的模拟量，按照配置的算法，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量；根据输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，依次进行故障启动判据检测、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果，本公开实现了开放性的数据来源、标准化的数据格式与数据处理流程。

Description

一种配电网故障诊断系统、方法及应用
技术领域
本公开涉及一种配电网故障诊断系统、方法及应用。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前配电网的自动化程度低，故障发生后的定位主要依靠巡线人员查找故障点，停电时间长、供电可靠性差。为提高供电可靠性，实现智能配电网关于自愈性的要求，有必要针对配电网中的故障开发诊断与定位算法。大量随机性、波动性分布式电源接入配电网后，使配电网的潮流和故障特征发生根本性变化，对配电网故障诊断与定位算法提出了新的要求。
传统故障诊断与定位算法使用的数据只是本地量测信息，数据来源单一。只使用就地信息的缺点是系统孤立，无法对配电网进行实时监控，不能够得到全局最优的解决方案。随着广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)在电力系统中的发展，逐步实现了对电力系统的全局量的实时监控与测量。相量测量单元(Phasor MeasurementUnit,PMU)作为其主要组成部分，实现了对电力系统电压、电流、功角和频率的实时、高精度同步采集。以PMU装置为基本单元的WAMS系统通过全球定位系统(GPS)对事件信号的时间序列进行标记，实现采样数据的同步性，所得到的高精度、具有时标的测量信息为配电网故障诊断算法提供了可靠的数据源。
一般的故障诊断算法开发过程为，选择故障特征编写特定的算法，搭建仿真模型或使用现场数据对算法的正确性进行验证。现有的测试方法有：1)现场测试，方法与实际应用场景相同，但风险较大，成本高。2)仿真实验，使用软件进行仿真试验，该方法简单易行，但存在一定误差，不能完全模拟配电网实际情况；3)实验室测试，利用高压冲击进行测试，对实验设备要求较高；4)传统动模实验测试，只能够模拟机电暂态，不能完全模拟实际线路，对于某些算法和装置无法验证。以上开发与测试过程中的故障特征计算、仿真模型搭建等步骤并没有实现流程化，故障诊断算法模块开发与测试的成本较高。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种配电网故障诊断系统、方法及应用，本公开实现了算法开发过程中的基本需求：开放性的数据来源、标准化的数据格式、故障诊断模块的可拓展性、格式化的测试报告。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种配电网故障诊断系统，包括：
数据接口层，被配置为将包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的录波文件进行格式转换，读取配置文件信息，读取网络基础数据与拓扑参数信息，接收并传送故障诊断结果；
相量计算层，被配置为根据录波文件中的输入电压/电流的模拟量，按照配置的算法，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量；
诊断算法层，被配置为根据输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，依次进行故障启动判据检测、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果。
一种配电网故障诊断方法，包括以下步骤：
(1)将包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的录波文件进行格式转换，读取配置文件信息，读取网络基础数据与拓扑参数信息；
(2)根据录波文件中的输入电压/电流的模拟量，按照配置的算法，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量；
(3)根据输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，依次进行故障启动判据检测、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果。
作为进一步的限定，所述步骤(1)中，将COMTRADE文件进行格式转换，COMTRADE定义了用于包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的文件格式，所述COMTRADE文件采用顺序存取，逗号用作COMTRADE配置、信息和数据三种不同的文件样本内的数据记录的定义符，对于同一数据来源的文件名必须相同，以关联所有文件。
作为进一步的限定，所述步骤(1)中，配置文件用来说明数据文件的格式，数据转换公式为：Y＝a*x+b；其中Y为实际值，X为数据文件中的存储值，a、b分别是配置文件中模拟通道信息值。
作为进一步的限定，所述步骤(1)中，读入COMTRADE录波文件存在的路径和路径中的配置文件，按行读取配置文件信息，得到变电站名称、装置特征、通道数量类型、模拟通道与数字通道信息；
读取配置文件信息后，读入相应的数据文件，按照配置文件中所定义的数据格式进行数据提取，并将所存储的数字量数据转化为模拟量数据保存，得到三相电压/电流模拟量和零序电流模拟量。
作为进一步的限定，所述步骤(1)中，所述网络基础数据与拓扑参数信息具体包括线路模型的电阻、电抗、变压器的接线方式、额定电压、额定容量、各线路与设备的连接关系和/或各个设备之间的通断状态。
作为进一步的限定，所述步骤(2)中，所计算的相量数据在故障状态与非故障状态连续记录；所计算的广义特征相量主要包括三相电压/电流的幅值/相角、电压/电流的突变量和/或电压/电流的谐波畸变率。
作为进一步的限定，所述步骤(3)中，故障启动判据检测过程中，根据故障电气量与对应整定值的关系，启动相应的故障判据。
作为进一步的限定，所述步骤(3)中，故障类型的识别依靠相电流突变量和零序电压值来实现，通过相电流突变量实现故障相别的识别，找出故障相；通过零序电压值判断是否为接地故障；综合故障相别和接地情况确定故障类型。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种配电网故障诊断方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种配电网故障诊断方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过数据格式的规定与统一的格式转换，开发系统满足多种数据来源，实现了数据源的开放性。使用相量计算算法提前计算所需要的故障特征量，将故障定位算法与所用到的特征量分离，在相量计算层实现了模块的可拓展性。
本公开通过故障诊断流程的梳理，细化了故障启动判据检测、故障类型辨识、故障定位的过程，最终可得故障类型、故障区段等诊断结果，将诊断结果与仿真模型中设置的故障场景对比，可得该诊断与定位算法的正确性，以便为算法开发的调整提供参考。
本公开各个模块具有一定的可扩展性，能够满足不同开发人员对故障特征的要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本公开的COMTRADE数据处理的流程框图；
图2是本公开的PMU相量计算示意图；
图3是本公开的诊断算法层的故障诊断流程图；
图4是本公开的配电网故障诊断系统架构图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为实现配电网中的故障诊断算法开发与测试的流程化，本实施例提出了一种故障诊断系统，故障诊断系统分为数据接口层、相量计算层、诊断算法层三个部分。该配电网故障诊断系统实现了算法开发中的基本需求：开放性的数据来源、标准化的数据格式、故障诊断模块的可拓展性、格式化的测试报告。
具体的，如图4所示，数据接口层完成COMTRADE录波文件的转换，得到电压电流模拟量信息；相量计算层利用电压电流模拟量计算所需要的故障特征；诊断算法层开发故障诊断模块，得到故障诊断结果。三个部分形成了一个完整配电网故障诊断系统，实现了开放性的数据来源、标准化的数据格式与数据处理流程。
主要内容包括如下3个方面：
(1)在数据接口层完成数据的输入与处理。不同数据来源的数据处理流程不同，需要对不同数据来源的信息统一数据格式，以实现数据源的开放性。在数据接口层输入故障录波数据，录波数据采用统一的COMTRADE格式表示，支持实验室模拟、现场试验和数值仿真等多种数据来源，实现了数据来源的开放性。数据接口层将保存在录波文件中的电压电流数字量信息转换为模拟量信息，同时输入网络的拓扑信息和基本参数信息。数据接口层还包括所输出的故障类型、故障定位等诊断结果。
(2)在相量计算层计算所需要的故障特征。在进行配电网故障诊断算法开发时，需要计算故障特征。需要从输入的电压电流信号中计算并提取所需要的故障特征，相量计算的方法应当具有可扩展性，以满足不同开发人员对故障特征的要求。
(3)在诊断算法层利用故障特征开发诊断算法。在相量计算层中故障特征计算完毕后，在诊断算法层需要使用这些故障特征开发故障诊断与定位算法。诊断算法的开发方式要通用性强，在MATLAB环境中支持Stateflow和MATLAB-Function两种方式。实现故障诊断流程中的故障启动、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果。
具体的，(1)数据接口层数据的输入与处理。
步骤1)：将COMTRADE文件进行格式转换。COMTRADE定义了用于包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的文件格式。COMTRADE文件采用顺序存取，逗号用作COMTRADE配置(.CFG)、信息(.INF)、数据(.DAT)文件样本内的数据记录的定义符，对于同一数据来源的文件名必须相同，以关联所有文件。CFG配置文件用来说明数据文件的格式，数据转换公式为：Y＝a*x+b；其中Y为实际值，X为DAT文件中的存储值，a,b分别是CFG文件中模拟通道信息的a,b值，通过该公式对DAT存储的数据进行处理。如图1所示。
读入COMTRADE录波文件存在的路径和路径中的配置文件，按行读取配置文件信息，得到变电站名称，装置特征，通道数量类型，模拟通道与数字通道等信息，用来解释DAT数据文件的格式。读取CFG配置文件信息后，读入相应的数据文件，按照配置文件中所定义的数据格式进行数据提取，并将所存储的数字量数据转化为模拟量数据保存至MAT文件中。循环上述过程，直到完成所有的录波文件处理，得到三相电压/电流模拟量和零序电流模拟量。
步骤2)：输入网络基础数据与拓扑参数信息。数据接口层输入网络的基础数据如线路模型的电阻、电抗，变压器的接线方式、额定电压、额定容量，各线路与设备的连接关系、各个设备之间的通断状态等。
步骤3)：诊断结果的输出。数据接口层还包括故障类型、故障区段等故障诊断结果，其具体的输入、输出参数见表1。
表1数据接口层输入、输出参数
(2)相量计算层计算故障特征
如图1所示，相量计算层输入电压/电流的模拟量，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量。PMU相量计算模块模拟配电网中的相量测量单元，输入电压电流信号计算故障特征量，供故障诊断模块开发使用。相量计算层中所计算的相量数据在故障状态与非故障状态连续记录，采样间隔为10ms；所计算的广义特征相量主要包括三相电压/电流的幅值/相角、电压/电流的突变量、电压/电流的谐波畸变率等。PMU相量计算模块支持三角函数拟合、离散傅里叶变换、Prony算法等多种实现方法，开发者可根据需要自行计算所需要的故障特征，实现了相量计算层的可扩展性。
相量计算层相量计算的方法，不限于本发明中提到的三角函数拟合等方法，为实现可拓展性，这里的方法包括可以使用计算故障特征其他方法。其中所计算的故障特征也不限于电压/电流的幅值、电压/电流的相角，也包括其他定位算法中需要用到的故障特征量，如三次谐波、五次谐波等。
(3)诊断算法层利用故障特征开发算法
诊断算法层输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，在故障诊断模块完成算法开发工作，输出故障诊断结果。诊断算法层的故障诊断流程如图3所示，主要分为故障启动判据检测、故障类型判别、故障定位三部分。诊断算法层输入相量计算模块所计算的相量数据，持续对启动判据进行检测，当满足启动判据满足时，进行故障类型的辨识。在诊断定位算法开发过程中，根据故障电流的大小与故障特征的强弱，将主要故障定位算法分为两类：小电流接地故障和短路故障；其中，小电流接地系统的单相接地故障称为小电流接地故障，小电流接地系统的其他故障类型和大电流接地系统的所有故障类型称为短路故障。
步骤1)：故障启动判据检测。
持续检测故障启动判据，故障启动的详细列表如表2所示。满足任意一个启动判据则进行下一步的流程，进行故障类型和定位算法的执行。
表2故障启动判据列表
步骤2)：故障类型识别。
配电网故障类型的识别主要依靠相电流突变量和零序电压值来实现，通过相电流突变量实现故障相别的识别，找出故障相；通过零序电压值判断是否为接地故障；综合故障相别和接地情况可以得到故障类型。将故障类型分为单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地和三相短路故障供10种故障类型，具体的故障类型代号如表2所示。
表3故障类型代号
步骤3)：故障定位算法开发。
当满足短路故障判据或小电流接地判据时，执行相应的定位算法程序，输出定位结果。由于整个开发系统在MATLAB系统下进行开发，开发系统提供了Stateflow和MATLAB-Function两种算法开发方式，其中Stateflow使用可视化编程，流程更加清晰直观；而M-Function使用函数模块，可以直接使用现有的M函数，对现有代码的可移植性强。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种配电网故障诊断系统，其特征是：包括：
数据接口层，被配置为将包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的录波文件进行格式转换，读取配置文件信息，读取网络基础数据与拓扑参数信息，接收并传送故障诊断结果；
相量计算层，被配置为根据录波文件中的输入电压/电流的模拟量，按照配置的算法，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量；
诊断算法层，被配置为根据输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，依次进行故障启动判据检测、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果。
2.一种配电网故障诊断方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的录波文件进行格式转换，读取配置文件信息，读取网络基础数据与拓扑参数信息；
(2)根据录波文件中的输入电压/电流的模拟量，按照配置的算法，计算得到故障诊断所需要的故障特征相量；
(3)根据输入电压/电流的模拟量以及计算所得到的相量信息，依次进行故障启动判据检测、故障类型判别和故障定位，输出故障诊断结果。
3.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，将COMTRADE文件进行格式转换，COMTRADE定义了用于包含从实际电力系统或模型导出的暂态波形和事件数据的文件格式，所述COMTRADE文件采用顺序存取，逗号用作COMTRADE配置、信息和数据三种不同的文件样本内的数据记录的定义符，对于同一数据来源的文件名必须相同，以关联所有文件。
4.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，配置文件用来说明数据文件的格式，数据转换公式为：Y＝a*x+b；其中Y为实际值，X为数据文件中的存储值，a、b分别是配置文件中模拟通道信息值。
5.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，读入COMTRADE录波文件存在的路径和路径中的配置文件，按行读取配置文件信息，得到变电站名称、装置特征、通道数量类型、模拟通道与数字通道信息；
读取配置文件信息后，读入相应的数据文件，按照配置文件中所定义的数据格式进行数据提取，并将所存储的数字量数据转化为模拟量数据保存，得到三相电压/电流模拟量和零序电流模拟量。
6.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，所述网络基础数据与拓扑参数信息具体包括线路模型的电阻、电抗、变压器的接线方式、额定电压、额定容量、各线路与设备的连接关系和/或各个设备之间的通断状态。
7.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，所计算的相量数据在故障状态与非故障状态连续记录；所计算的广义特征相量主要包括三相电压/电流的幅值/相角、电压/电流的突变量和/或电压/电流的谐波畸变率。
8.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(3)中，故障启动判据检测过程中，根据故障电气量与对应整定值的关系，启动相应的故障判据。
9.如权利要求2所述的一种配电网故障诊断方法，其特征是：所述步骤(3)中，故障类型的识别依靠相电流突变量和零序电压值来实现，通过相电流突变量实现故障相别的识别，找出故障相；通过零序电压值判断是否为接地故障；综合故障相别和接地情况确定故障类型。
10.一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征是：所述指令适于由处理器加载并执行权利要求2-9中任一项所述的一种配电网故障诊断方法。
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