CN110045226A - 一种基于压缩感知的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩感知的配电网故障定位方法，属电力系统继电保护技术领域。利用分布安装于配电线路各节点的多个智能终端对故障前后电压V_i ^abc(p)和V_i ^abc(f)测量计算得到电压暂降向量ΔV_i ^abc，然后利用电压暂降向量ΔV_i ^abc和各测量节点的阻抗矩阵Z_ij ^abc通过压缩感知算法重构出对应各节点的故障电流向量|ΔI_i ^abc|，故障电流向量|ΔI_i ^abc|的非零元素对应的节点就是故障发生的节点。本发明依据压缩感知算法可以实现多分支配电网线路在不同故障类型及不同过渡电阻下的故障定位，利用电压暂降作为故障定位的特征量提高了故障定位的准确率。

Description

一种基于压缩感知的配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知的配电网故障定位方法，属电力系统继电保护技术领域。

背景技术

国内的配电网主要以中性点非有效性接地方式为主。长期以来，对于采用小电流接地方式的系统，国内外学者在理论上都做了大量的研究，另外针对现场配电网线路故障定位问题也提出了多种的解决办法，但因配电网中性点采用经消弧线圈接地减小了故障点故障电流从而严重削弱了故障特征量，这就导致配电网故障定位的难度大有增加。而当配电系统发生故障时，故障电压变化量更为明显，因此，本发明选用了配电网节点电压作为故障定位方法的特征量。另外传统的信号处理方法存在采样数据量大、采样时间长、而压缩感知可以实现采样与压缩同时完成，极大地将低了采样的数据量和采样速率。为此，本发明提供一种基于压缩感知技术的配电网故障定位方法，为解决多分支、复杂拓扑的配电线路故障定位提供了一种准确有效的定位方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于压缩感知的配电网故障定位方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于压缩感知的配电网故障定位方法，利用分布安装于配电线路各节点的多个智能终端对故障前后电压V_i ^abc(p)和V_i ^abc(f)测量计算得到电压暂降向量ΔV_i ^abc，然后利用电压暂降向量ΔV_i ^abc和各测量节点的阻抗矩阵Z_ij ^abc通过压缩感知算法重构出对应各节点的故障电流向量|ΔI_i ^abc|，由于故障电流向量|ΔI_i ^abc|由于具有少量的非零元素而具有良好的稀疏性，所以故障电流向量|ΔI_i ^abc|的非零元素对应的节点就是故障发生的节点。

具体步骤为：

Step1：配电网拓扑参数的识别计算

(1)读入故障前系统拓扑信息和故障信息；

(2)基于系统拓扑信息及故障信息形成节点阻抗矩阵Z_bus；

式中，Z_bus为节点阻抗矩阵，Z_ij ^abc(i,j＝1,...,N)节点间阻抗矩阵，N为节点总数，k为故障节点；

Step2：故障电压特征量计算

(1)利用小波变换对故障电压进行信号处理，将突变信号提取出来，从而实现对故障电压暂降起止时间的精确定位；

(2)通过仿真获得M个测点故障前后的电压并计算电压暂降ΔV_i ^abc；

ΔV_i ^abc＝|V_i ^abc(p)|-|V_i ^abc(f)|,i＝1,…,M (2)

式中，ΔV_i ^abc为电压暂降，|V_i ^abc(p)|和|V_i ^abc(f)|是配电网线路节点i在故障前时刻和故障后时刻所测得的电压幅值，M为监测点数量；

Step3：利用故障前后A、B、C三相电压幅值差|ΔV_i ^abc|，通过符号函数SGN对差值进行运算，统计运算结果中函数值为1的个数来确定故障类型；

当函数值为1的个数等于1时，对应故障类型为单相接地故障；

当函数值为1的个数等于2时，对应的故障类型为相间故障；

当函数值为1的个数等于3时，对应的故障类型为三相故障；

Step4：对上述不同的故障类型求解序分量，针对单相接地故障选用零序电压分量ΔV_i ⁰和零序阻抗Z_bus(i) ⁰来重构节点故障零序电流向量ΔI⁰ _i；针对相间或三相故障选用电压暂降正序电压分量ΔV_i ⁺和正序阻抗Z_bus(i) ⁺来重构节点故障正序电流向量ΔI⁺ _i：

式中，ΔV_i ⁰、ΔV_i ⁺、ΔV_i ^-分别为零序电流向量、正序电流向量、负序电流向量，a＝e^j2π/3为对称分量旋转因子，ΔV_i ^a、ΔV_i ^b、ΔV_i ^c分别为a、b、c三相电压暂降，M为监测点数量；

Step5：利用压缩感知算法重构出节点故障注入电流向量|ΔI_i ^abc|，其中中元素最大值对应节点即为故障节点，重构表达式为：

||ΔV_i ⁺-Z⁺·ΔI^abc _i||₂≤ε (7)

式中，为待还原信号矩阵，||·||₁为l¹范数，Z⁺为测量矩阵，ε为误差值。在计算时根据实际情况取一个较小的数。

本发明的有益效果是：

1、利用电压暂降作为故障定位的特征量提高了故障定位的准确率；

2、压缩感知算法实现了采样与压缩同时完成，极大地降低了采集的数据量和采样速率；

3、与传统信号处理方式相比，压缩感知算法能够利用低采样频率实现稀疏信号的精确重构，即可以通过利用少量的测点数据来恢复出原始信号；

附图说明

图1是本发明23节点配电系统实验拓扑图；

图2是本发明图1中3号节点故障重构定位结果图；

图3是本发明图1中7号节点故障重构定位结果图；

图4是本发明图1中8号节点故障重构定位结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

本发明用利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建某地23节点架空线路仿真模型，对不同节点的多类型故障进行仿真，利用MATLAB进行数据处理并验证基于压缩感知的故障定位方法。某地配电网架空线路的拓扑如图1所示，拓扑中各节点间距离如表1所示，系统电源采用无穷大电源等效，多分支配电网馈线单一区段线路长度一般在几公里范围内，为了提高故障定位的精确度，配电线路选用集中参数的π模型，配电网系统采用中性点不接地方式运行。具体实施如下：

实施例1：在图1所示拓扑中选取节点6、10、14、19、23五个节点为监测点，设置13号节点为故障节点。仿真得出包含单相接地故障(LG)、相间短路故障(LL)、相间接地故障(LLG)、三相短路故障(LLLG)四种故障类型和过渡电阻分别为R_f＝0.5Ω、R_f＝10Ω、R_f＝50Ω三种过渡电阻的故障数据。经过故障仿真和参数处理，最后利用压缩感知算法得到如图2(a)单相接地故障定位重构结果、(b)三相短路接地故障定位重构结果、(c)相间接地故障定位重构结果、(d)相间短路接地故障定位重构结果。其定位结果均在13号节点，且不受故障类型和过渡电阻的影响，定位结果准确有效。

表1：各节点间的距离

实施例2：在图1所示拓扑中选取节点6、10、14、19、23五个节点为监测点，设置7号节点为故障节点。仿真得出包含单相接地故障(LG)、相间短路故障(LL)、相间接地故障(LLG)、三相短路故障(LLLG)四种故障类型和过渡电阻分别为R_f＝0.5Ω、R_f＝10Ω、R_f＝50Ω三种过渡电阻的故障数据。经过故障仿真和参数处理，最后利用压缩感知算法得到如图3(a)单相接地故障定位重构结果、(b)三相短路接地故障定位重构结果、(c)相间接地故障定位重构结果、(d)相间短路接地故障定位重构结果。其定位结果均在7号节点上，且不受故障类型和过渡电阻的影响，定位结果准确有效。

实施例3：在图1所示拓扑中选取节点6、10、14、19、23五个节点为监测点，设置8号节点为故障节点。仿真得出包含单相接地故障(LG)、相间短路故障(LL)、相间接地故障(LLG)、三相短路故障(LLLG)四种故障类型和过渡电阻分别为R_f＝0.5Ω、R_f＝10Ω、R_f＝50Ω三种过渡电阻的故障数据。经过故障仿真和参数处理，最后利用压缩感知算法得到如图4(a)单相接地故障定位重构结果、(b)三相短路接地故障定位重构结果、(c)相间接地故障定位重构结果、(d)相间短路接地故障定位重构结果。其定位结果均在8号节点上，且不受故障类型和过渡电阻的影响，定位结果准确有效。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于压缩感知的配电网故障定位方法，其特征在于：利用分布安装于配电线路各节点的多个智能终端对故障前后电压V_i ^abc(p)和V_i ^abc(f)测量计算得到电压暂降向量ΔV_i ^abc，然后利用电压暂降向量ΔV_i ^abc和各测量节点的阻抗矩阵Z_ij ^abc通过压缩感知算法重构出对应各节点的故障电流向量|ΔI_i ^abc|，故障电流向量|ΔI_i ^abc|的非零元素对应的节点就是故障发生的节点。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的配电网故障定位方法，其特征在于具体步骤为：

Step1：配电网拓扑参数的识别计算

(1)读入故障前系统拓扑信息和故障信息；

(2)基于系统拓扑信息及故障信息形成节点阻抗矩阵Z_bus；

式中，Z_bus为节点阻抗矩阵，Z_ij ^abc(i,j＝1,...,N)节点间阻抗矩阵，N为节点总数，k为故障节点；

Step2：故障电压特征量计算

(1)利用小波变换对故障电压进行信号处理，将突变信号提取出来，从而实现对故障电压暂降起止时间的精确定位；

(2)通过仿真获得M个测点故障前后的电压并计算电压暂降ΔV_i ^abc；

ΔV_i ^abc＝|V_i ^abc(p)|-|V_i ^abc(f)|,i＝1,…,M (2)

式中，ΔV_i ^abc为电压暂降，|V_i ^abc(p)|和|V_i ^abc(f)|是配电网线路节点i在故障前时刻和故障后时刻所测得的电压幅值，M为监测点数量；

Step3：利用故障前后A、B、C三相电压幅值差|ΔV_i ^abc|，通过符号函数SGN对差值进行运算，统计运算结果中函数值为1的个数来确定故障类型；

当函数值为1的个数等于1时，对应故障类型为单相接地故障；

当函数值为1的个数等于2时，对应的故障类型为相间故障；

当函数值为1的个数等于3时，对应的故障类型为三相故障；

Step4：对上述不同的故障类型求解序分量，针对单相接地故障选用零序电压分量ΔV_i ⁰和零序阻抗Z_bus(i) ⁰来重构节点故障零序电流向量ΔI⁰ _i；针对相间或三相故障选用电压暂降正序电压分量ΔV_i ⁺和正序阻抗Z_bus(i) ⁺来重构节点故障正序电流向量ΔI⁺ _i：

式中，ΔV_i ⁰、ΔV_i ⁺、ΔV_i ^-分别为零序电流向量、正序电流向量、负序电流向量，a＝e^j2π/3为对称分量旋转因子，ΔV_i ^a、ΔV_i ^b、ΔV_i ^c分别为a、b、c三相电压暂降，M为监测点数量；

Step5：利用压缩感知算法重构出节点故障注入电流向量|ΔI_i ^abc|，其中中元素最大值对应节点即为故障节点，重构表达式为：

||ΔV_i ⁺-Z⁺·ΔI^abc _i||₂≤ε (7)

式中，为待还原信号矩阵，||·||₁为l¹范数，Z⁺为测量矩阵，ε为误差值。