CN109635411A - 一种计及ftu漏报和误报的配电网故障分层定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法，按如下步骤进行故障定位：步骤一、对配电网各支路进行二端口等效；步骤二、构建计及漏报和误报的配电网故障分层模型；步骤三、故障信息采集；步骤四、第一层故障端口定位；步骤五、第二层故障区段定位，本发明优点是：本发明直接将FTU节点的漏报、误报与馈线区段一起作为故障假说变量，故障定位解析模型变量维度会增加数倍；为了降低变量维度，在算法上利用故障矛盾假说将变量维度减小到三倍的节点数；接着，通过构建分层定位模型，将整个故障定位分为两次，一次定位故障端口，二次定位故障区段，于是，计及漏报和误报以后的故障定位的准确率和容错能力较大提高。

Description

一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法

技术领域

本发明涉及配电网故障定位方法的技术领域，更具体地说是涉及计及FTU漏报和误报的配电网故障定位分层解析模型的技术领域。

背景技术

随着用电负荷日益增长和分布式电源(DG)大量接入电网，配电系统的结构和潮流日益趋向大型化、复杂化，传统的单源辐射型网络的故障定位方法变得不再适用。基于人工智能算法的配电网故障区段定位方法因具有高的容错性能且原理简单，近年来被大量研究，并取得了丰硕的成果。

遗传算法率先在配电网区段定位当中使用，随后蚁群算法、仿电磁学算法、粒子群算法、差分算法、和声算法、免疫算法、非线性方程光滑算法等相继被应用到配电网故障定位中。以上配电网区段定位方法的共同点是：都只以区段状态假说为变量，没有计及节点的漏报和误报情况，导致当节点状态变量在通信过程中发生多点畸变时，将无法准确定位故障区段。有些方法在区段定位模型中计入了漏报、误报(张勇,董明,张岩,文福拴,戴彦,孙维真.含分布式电源配电系统中计及警报错误的故障定位[J].电力系统自动化,2012,36(15):57-62+82.)，但是并没有提出降低粒子维度的方法，当配电网的节点数较多时，故障假设变量成倍增加，故障定位准确度反而会降低。因此，发展计及FTU漏报和误报的配电网故障定位方法，对确保配电网安全稳定运行具有重要作用。

发明内容

本发明就是为了克服上述现有技术的不足而提供的一种可降低粒子维度，提高故障定位准确度，确保配电网安全稳定运行的计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法，按如下步骤进行故障定位：

步骤一、对配电网各支路进行二端口等效：对含分布式电源的配电网以多分支节点为边界进行支路划分，每条支路等效为一个二端口等效，每个二端口含有一个端口线路和一个端口节点，端口线路由端口内部所有区段组成，端口节点为端口内部最靠近主电源的节点；

步骤二、构建计及漏报和误报的配电网故障分层模型：所有二端口组成第一层定位模型；在第一层模型中以区域状态s_i、端口节点漏报l_i、端口节点误报w_i为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，模型中以端口节点的故障矛盾假说为约束条件，每个二端口内部即为第二层定位模型；在第二层模型中，以区段状态s_j、普通节点漏报l_j、普通节点误报w_j为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，模型中以普通节点的故障矛盾假说为约束条件；

步骤三、故障信息采集：当故障发生时，根据FTU采集的整个配电网所有节点状态信息，通过通信装置，上传到SCADA系统；

步骤四、第一层故障端口定位：从SCADA系统中读取所有区域节点的状态信息，根据第一层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体二端口；

步骤五、第二层故障区段定位：根据第一层故障端口定位结果，读取故障二端口内部所有节点的状态信息，根据第二层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体区段。

在所述步骤五中，利用第二层故障区段定位结果对第一层故障端口定位结果进行校验。

本发明与现有技术相比有下列显著效果：本发明直接将FTU节点的漏报、误报与馈线区段一起作为故障假说变量，故障定位解析模型变量维度会增加数倍。为了降低变量维度，在算法上利用故障矛盾假说将变量维度减小到三倍的节点数；接着，在分析配电网拓扑结构和考虑配电线路采集装置实际配置的基础上，通过构建分层定位模型，将整个故障定位分为两次，一次定位故障端口，二次定位故障区段，第一次定位的变量维度降低到三倍的端口数，第二次定位的变量维度降低到三倍的故障端口内部节点数，于是，计及漏报和误报以后的故障定位的准确率和容错能力较大提高。于此同时，分层以后，第一次定位模型的粒子维度大，容易发生未成熟收敛，第二次定位模型的粒子维度相对较小，不容易发生未成熟收敛，因此，分层模型还能通过故障区段定位对端口定位结果进行校验，进一步确保了定位准确率。

(1)计及信息漏报和误报以后，节点状态的期望值和实际值之间的拟合更加匹配，因此，在多个节点发生信息漏报和误报时，所提模型依然能够准确定位出故障元件，定位容错性大幅提高。

(2)端口节点的漏报和误报作为故障假设变量，使得故障定位能够同步获得漏报和误报位置告警信息。

(3)在构建的分层定位模型中，第二层故障区段定位结果对第一层故障端口定位结果具有一定的校验作用，因此整个故障定位准确率得到提高。

附图说明

图1为T型配电网拓扑图；

图2为支路c的等效二端口；

图3为T型配电网分层模型图；

图4为信号传递图；

图5为配电网实例分析图；

图6为二端口等效图。

具体实施方式

一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法，按如下步骤进行故障定位：

步骤一：对配电网各支路进行二端口等效：对含分布式电源的配电网以多分支节点为边界进行支路划分，每条支路等效为一个二端口等效，每个二端口含有一个端口线路和一个端口节点，端口线路由端口内部所有区段组成，端口节点为端口内部最靠近主电源的节点。

T型节点是配电网拓扑结构的重要组成部分，决定着配电网拓扑结构的复杂程度，故以T型节点为例，如图1所示，分析二端口的等效方法。

在含DG配电网故障定位中，开关函数一般采用以下基于逻辑关系的式子进行构建：

I_j(s)＝I_ju(s)-I_jd(s) (3)

I_j(s)表示开关函数，I_ju(s)、I_jd(s)分别表示上游开关函数和下游开关函数； 分别表示从节点j到上游电源s_u、节点j到下游电源s_d之间区段的状态，s_u和s_d包括主电源S、分布式电源DG、感性负荷L三种类型，M′、N′分别为上游电源的个数和下游电源个数；s_j,d、s_j,u分别表示节点j到下游、节点j到上游之间所有区段的状态，M、N分别为上游所有区段的个数和下游所有区段的个数；Π表示逻辑或，K_u、K_d分别表示上游和下游的电源系数，电源接入则为1，电源退出则为0。

1)当分支c上的区段(7)发生故障时，有s₇＝1、s_i≠7＝0，根据公式(1)、(2)、(3)，得出分支a上节点1的开关函数为：

I_1u(s)＝(1-s₁|s₂|s₃)|(1-s₄|s₅|s₆)*(s₇|s₈|s₉)＝1 (4)

I_1d(s)＝(1-s₇|s₈|s₉)*(s₄|s₅|s₆|s₇|s₈|s₉)＝0 (5)

I₁(s)＝I_1u(s)-I_1d(s)＝1 (6)

同理可得分支a上节点2、3和分支b上节点4、5、6的开关函数为：

I₂(s)＝I_2u(s)-I_2d(s)＝1 (7)

I₃(s)＝I_3u(s)-I_3d(s)＝1 (8)

I₄(s)＝I_4u(s)-I_4d(s)＝-1 (9)

I₅(s)＝I_5u(s)-I_5d(s)＝-1 (10)

I₆(s)＝I_6u(s)-I_6d(s)＝-1 (11)

很明显，分支a上所有节点的开关函数满足：

I₁(s)＝I₂(s)＝I₃(s)＝1 (12)

分支b上的所有开关函数满足：

I₄(s)＝I₅(s)＝I₆(s)＝-1 (13)

2)当分支c上的区段(8)发生故障时，根据开关函数构建公式，得出分支a上的开关函数为：I₁(s)＝I₂(s)＝I₃(s)＝1，依然满足式(12)，分支b上的开关函数为：I₄(s)＝I₅(s)＝I₆(s)＝-1，依然满足式(13)。同理当区段(9)发生故障时，分支a上的开关函数满足式(12)，分支b上的开关函数满足式(13)。

3)当分支c上的区段(7)和(8)同时发生故障时，分支a上的开关函数依然满足式(12)，分支b上的开关函数也满足式(13)。同理，区段(7)和(9)，区段(8)和(9)发生双重故障时，分支a、b依然满足式(12)、(13)。

通过以上分析，可以得出以下结论：只要故障在分支c上，无论哪个区段故障或者多个区段同时故障，支路c对其他支路开关函数构建的影响相同。根据对外等效定则，支路c的区段(7)、(8)、(9)在构建开关函数时可以合成一个“广义区段”即端口线路，节点7、8、9合成一个“广义区段节点”即端口节点，整个支路看成无源网络，“对外等效成”一个二端口，如图2所示。

同理分析支路a、b，可以得出同样的结论，于是整个T型节点可以等效成三个二端口。

步骤二：构建计及漏报和误报的配电网故障分层模型：所有二端口组成第一层定位模型；构建第一层定位模型的目标函数，在第一层定位模型中以区域状态s_i、端口节点漏报l_i、端口节点误报w_i为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，构建第一层定位模型的约束条件，在第一层定位模型中以端口节点的故障矛盾假说为约束条件；

每个二端口内部包含的普通节点和区段构成第二层定位模型；构建第二层定位模型的目标函数，在第二层定位模型中以区段状态s_j、普通节点漏报l_j、普通节点误报w_j为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，构建第二层定位模型的约束条件，第二层定位模型中以普通节点的故障矛盾假说为约束条件。

以图2为例，将其三个二端口构成第一层定位模型。每个二端口内部包含的普通节点和区段构成第二层定位模型。具体如图3所示。

为了在两层定位模型中计入节点的漏报和误报，其适应度函数、约束条件的构建方式如下：

1)目标函数

在含DG配电网中，故障定位可以转化为求目标函数的最大值问题。未计及FTU漏报和误报的目标函数可以用式(14)表示：

其中，fit(n)表示第n个个体的适应度值，T₁为设置的大数，此处设置为2D，其中D为FTU节点个数；I_j为SCADA系统实际收到的FTU节点状态信息；是未计及漏报和误报的FTU节点状态期望，I_j(s)是未计及漏报和误报的开关函数；s_i为故障假说变量，表示区段状态，s_i＝1表示区段发生故障，s_i＝0表示区段没有发生故障，其维度为D；ω为权系数，常数为0.5。

为了准确计入FTU漏报和误报，需先对漏报和误报的特性进行分类和定义。在含DG配电网故障定位当中，FTU采集的故障方向信息编码状态有：-1、0、1三种情况。定义：为一类漏报，表示-1到0的漏报；为二类漏报，表示1到0的漏报；为一类误报，表示0到-1的误报；为二类误报，表示1到-1的误报；为三类误报，表示-1到1的误报；为四类误报，表示0到1的误报；z_i为真报，即没有发生任何误报和漏报，包含-1到-1、0到0、1到1三种情况。等于1，表示区段发生相应的漏报和误报，等于0，表示区段没有发生相应的漏报和误报。

在FTU与SCADA系统通信过程中，信号传递可以分为图4的三种情况。在计及FTU信息漏报和误报以后，故障定位的目标函数可以用式(15)表示，

其中，T₂为设置的大数，I_j′是计及漏报和误报以后FTU节点状态期望；s_i， 是故障假说变量，变量维度增加到7D；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄为权重系数。

确定权重系数ω₁、ω₂、ω₃、ω₄的设置原则如下：

a)|I_j-I′_j|是不同故障元件假说s_i之间适应度差别的主要反映，是故障定位的主要判据；|l_i|、|w_i|反映了在适应度值相同的情况下，漏报和误报最少的故障假说可信度最高，是故障定位的辅助判据，故ω₁＞＞ω_2,3,4。

b)元件故障、信息漏报、信息误报具有不确定性，故ω₂、ω₃、ω₄应根据元件故障概率信息漏报概率信息误报概率的相对值确定。

根据设置原则，设置ω₁＝20，ω₂＝0.55，ω₃＝ω₄＝1。根据权重系数的设置，为了保证整个适应度值为正数，此次设置为T₂＝30D。

为了确定I′_j的表达式，分别写出图4中a、b、c对应的I′_j与的关系式，如式(16)、(17)、(18)所示：

式中""表示逻辑非，"+-·"表示相应代数运算。

将式(16)、(17)、(18)合在一起，得出整个故障定位的I′_j与的关系式：

其中，sign为符号函数。

由于故是关于故障假说变量s_i的函数，结合式(19)，可以得出：I′_j是关于故障假说变量s_i，的函数。

通过以上分析，可以得出适应度Fit(n)是关于故障假说变量s_i， 的函数，于是式(15)可以表示为：

max Fit(n)＝max I(SLW)_D (20)

其中，I表示函数规则，S、L、W分别表示区段状态变量、漏报变量、误报变量的集合，s_i∈S、D表示整个配电网的FTU节点数量。

2)约束条件分析

未计及FTU信息漏报和误报之前，式(14)没有约束条件。在计及FTU信息漏报和误报以后，故障定位中的故障假说变量包含：s_i、变量维度从D增加到7D，若直接按公式(20)进行故障定位，维度过大，造成故障定位准确率过低。为了降低变量维度，将故障矛盾假说作为故障定位目标函数的约束条件，将目标函数变量维度减小到三倍的节点数量。矛盾假说包含“既漏报又误报、有报警又漏报、无报警又误报、同时多个漏报、同时多个误报”，据此，分别写出图4中a、b、c对应的约束条件：

其中，“&”代表逻辑与。

将式(21)、(22)、(23)合在一起，得出整个目标函数的约束条件：

从上式可以看出，约束条件是关于故障假说变量的函数，于是式(24)可以表示为：

s.t.G(L W)_D＝1 (25)

其中，G表示函数规则，L、W分别表示漏报变量、误报变量的集合,D表示整个配电网的FTU节点数量。

根据式(25)，可以确定变量中三分之二的取值，此时模型的变量维度下降为3D。

根据前面的分析，计及漏报和误报后配电网的故障定位问题转换为求解有约束的0-1整数规划问题，如式(26)所示：

在利用智能优化算法求解式(26)的最大值中，本发明使用二进制粒子群-遗传算法(BGAPSO)。

步骤三：故障信息采集：当故障发生时，根据FTU采集的整个配电网所有节点状态信息，通过通信装置，上传到SCADA系统。

故障发生后，FTU根据安装在配电线路上的电压、电流互感器采集线路的故障特征量，判断出故障方向，规定主电源流向负荷方向为正方向，根据式(27)得出该节点的状态编码。

通过通信路径，将遥信数据传递给SCADA系统，通信过程可能发生信息畸变。

步骤四：第一层故障端口定位：从SCADA系统中读取所有区域节点的状态信息，根据第一层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体二端口。

当图1中的区段9故障发生时，故障定位算法首先从SCADA系统中读取端口节点1、4、8的状态信息，利用BPSOGA算法求解式(28)，定位出二端口c发生故障。

其中，R表示整个配电网等效二端口的数量，此处R＝3。在此次定位中，Fit1(n)的变量维度为7R，在利用约束条件确定变量L、W中三分之二的变量后，变量维度下降为3R。

步骤五：第二层故障区段定位：根据第一层故障端口定位结果，读取故障二端口内部所有节点的状态信息，根据第二层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体区段，利用第二层故障区段定位结果对第一层故障端口定位结果进行校验。

根据故障端口的定位结果，故障定位算法从SCADA系统中读取故障二端口c内部所有普通节点7、8、9的状态信息，利用BPSOGA算法求解式(29)，定位出区段9发生故障。

其中，H表示故障端口c包含的普通节点数量，此处H＝3。在此次定位中，Fit2(n)的变量维度为7H，在利用约束条件确定变量L、W中三分之二的变量后，此时模变量维度下降为3H。

实施例：

采用如图5所示的含有风电机组的配电线路模型。该模型共有30个馈线节点、30个区段，具体编号如图所示。S为系统主电源，DG₁、DG₂为风电机组，L₁、L₂为感性负荷。

1)对配电网各支路进行二端口等效。以多分支节点为边界将配电网等效为十个二端口，如图6所示：

2)构建计及漏报和误报的配电网故障分层模型。十个二端口构建出第一层定位模型，单个二端口都属于第二层定位模型，每个二端口包含的普通节点和区段如表1所示，其中有下划线的节点为端口节点。

表1二端口包含节点和区段

3)故障信息采集。设置故障区段5发生三相短路故障，SCADA系统实际接收的节点故障方向信息为：[1111-1-1-1-1-10-1-1-1-1-1-1-1000-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1]，其中节点10发生了一类漏报、节点5发生了二类误报。

4)第一层故障端口定位。系统读取所有端口节点[1,2,3,6,10,13,18,21,23,28]的故障方向信息：[111-10-10-1-1-1]。利用BPSOGA算法求解式(28)，此时R＝10，在粒子迭代前，利用约束条件确定的故障假说变量为：

实际参与迭代的粒子：

其中s₁-s₂₈为十个端口的状态变量，最为十个端口节点的漏报和误报变量。

最终得出的寻优结果为：

X＝[01 1000000000000000100000000000]

从以上定位结果可以得出以下结论：端口二和端口三发生了故障，节点10发生了一类漏报。很明显端口定位迭代中出现了未成熟收敛，导致端口二被判定为故障端口。

5)第二层故障区段定位。读取故障端口二内部所有节点2故障方向信息：[1]；端口三内部所有节点3 4 5故障方向信息：[11-1]。两个故障端口同时利用BPSOGA算法和式(29)进行寻优，此时H₂＝1、H₃＝3。端口二和端口三在粒子迭代前，利用约束条件确定的故障假说变量为：

故障端口二中，实际参与迭代的粒子：

s₂其中表示端口二中所有区段的状态变量，表示端口二中所有区段的漏报和误报变量。

故障端口三中，实际参与迭代的粒子：

s₃-s₅其中表示端口三中所有区段的状态变量，表示端口三中所有区段的漏报和误报变量。

最终得出的寻优结果为：

X₂＝[000]；X₃＝[001000001]

从X₂中可以看出：故障端口二实际没有发生故障，这说明区段定位能够对端口定位进行纠错和校验，提高了整个故障定位的准确率。从X₃中可以看出：区段5发生了故障，节点5发生了二类误报，与设置故障相符。

将本发明模型(模型一)与未计及漏报误报的分层模型(模型二)、计及漏报和误报的单层模型(模型三)、未计及漏报和误报的单层模型(模型四)进行对比。设置区段3发生单一故障，区段3和14发生双重故障，涉及的漏报和误报的节点和类型为： 对比结果如表2、表3所示。

表2单一故障仿真结果

表3双重故障仿真结果

从以上仿真结果可以发现：模型四在漏报和误报位置超过两个时，开始无法准确定位故障元件，且无法同步获得漏报和误报位置告警。模型三由于变量维度过大，无法准确定位故障，也无法同步获得准确的漏报和误报位置告警。模型二能够降低单次故障定位的变量维度，同时，由于整个故障定位分为两次，单次定位并非涉及全部漏报和误报位置，故在漏报和误报位置不超过六个时，依然能够准确定位；其不足在于，当漏报和误报位置超过六个时，定位准确率下降，同时，无法同步获得漏报和误报位置告警。本发明模型在漏报和误报位置达到十个时，依然能够准确定位故障元件，并且能够同步获得漏报和误报位置告警。这说明当故障信息发生大面积畸变时，本发明模型在容错性和准确性上具有明显优势。

Claims (2)

1.一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法，其特征在于：按如下步骤进行故障定位：

步骤一、对配电网各支路进行二端口等效：对含分布式电源的配电网以多分支节点为边界进行支路划分，每条支路等效为一个二端口等效，每个二端口含有一个端口线路和一个端口节点，端口线路由端口内部所有区段组成，端口节点为端口内部最靠近主电源的节点；

步骤二、构建计及漏报和误报的配电网故障分层模型：所有二端口组成第一层定位模型；在第一层模型中以区域状态、端口节点漏报、端口节点误报为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，模型中以端口节点的故障矛盾假说为约束条件，每个二端口内部即为第二层定位模型；在第二层模型中，以区段状态、普通节点漏报、普通节点误报为假说变量，各假说变量通过加权组合的方式构成目标函数，模型中以普通节点的故障矛盾假说为约束条件；

步骤三、故障信息采集：当故障发生时，根据FTU采集的整个配电网所有节点状态信息，通过通信装置，上传到SCADA系统；

步骤四、第一层故障端口定位：从SCADA系统中读取所有区域节点的状态信息，根据第一层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体二端口；

步骤五、第二层故障区段定位：根据第一层故障端口定位结果，读取故障二端口内部所有节点的状态信息，根据第二层定位模型的目标函数和约束条件，通过二进制粒子群-遗传算法BPSOGA算法进行寻优迭代，将故障定位到具体区段。

2.根据权利要求1所述的一种计及FTU漏报和误报的配电网故障分层定位方法，其特征在于：在所述步骤五中，利用第二层故障区段定位结果对第一层故障端口定位结果进行校验。