CN110133437A - 基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，属于有源配电网故障定位技术领域。该方法基于估计电压列向量和故障后各量测点记录的工频电压信息，构造最小化电压估计误差模型，通过序列二次规划法寻找电压误差最小的线路段和故障位置。本发明只需要收集故障前后的工频量测信息，能够计及分布式电源和配网三相参数不平衡的影响，从而可有效提高配网故障定位的精度。

Description

基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及有源配电网故障定位技术领域，具体涉及一种基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法。

背景技术

快速、准确的故障定位对及时隔离配电网络的故障点和提高系统供电可靠性具有重要意义。分布式电源(distributed generation，DG)的广泛接入使得配网的故障特性发生较大改变，给故障定位的准确性带来了较大挑战。在此背景下，有必要深入研究含分布式电源的有源配电网的故障定位方法。有源配电网的基本结构如图1所示。

有源配电网的故障定位问题已引起众多专家和学者的重视，并已提出多种定位方法。其中基于配电自动化信息的方法仅适用于DG渗透率较低的配电网；而传统的矩阵算法容错性较差，难以实现工程应用。遗传算法、蚁群算法等人工智能优化方法有较好的容错性，但收敛速度慢，定位结果不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够避免分布式电源和配网三相参数不平衡的影响，有效提高配网故障定位精度的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，基于估计电压列向量和故障后各量测点记录的工频电压信息，构造最小化电压估计误差模型，通过序列二次规划法寻找电压误差最小的线路段和故障位置，包括如下流程步骤：

步骤S110：采集故障前母线和各配电终端的量测电压和量测电流；

步骤S120：按广度优先顺序，对馈线各节点和支路进行编号，计算故障前配网运行状态和等值参数；

步骤S130：采集故障后母线和各配电终端的工频量测电压和工频量测电流；

步骤S140：按编号顺序取一条支路，并加入故障补偿电路；

步骤S150：计算故障后有源配电网的节点电压；

步骤S160：构建最小化电压估计误差模型；

步骤S170：采用序列二次规划法求解所述最小化电压估计误差模型，得到最小误差和对应的故障距离；

步骤S180：判断是否所有支路均已处理完毕，若是则转步骤S190，否则转步骤S140；

步骤S190：比较每条支路对应的最小误差，选取误差最小的支路，并输出对应的故障距离。

进一步的，所述步骤S110具体包括：

记录故障前变电站母线N_S和各配电终端的量测电压和量测电流信息，将各电压量测点的集合记为Ω_m，各量测电压构成的列向量记为

进一步的，所述步骤S120具体包括：

步骤S121：通过三相潮流计算获取各节点初始电压和各支路初始电流；

步骤S122：从母线N_S向系统侧看进去的等值诺顿电路参数，如下：

其中，为等值注入电流；Y_eq为系统等值导纳；为故障前由母线N_S流入馈线的初始电流；为故障前母线N_S节点的初始电压；

步骤S123：计算各分布式电源的注入电流如下：

其中，P_DG和Q_DG分别为分布式电源的注入有功功率和注入无功功率；为分布式电源接入点的电压共轭值；j表示虚数单位，即j²＝-1；

步骤S124：计算各负荷的等值阻抗Z_LD，如下：

其中，V_LD为负荷所在节点的电压，为负荷视在功率的共轭值。

进一步的，所述步骤S140具体包括：

按编号顺序取支路l，设其首、末节点分别为i和k，在距离首节点x处加入故障补偿电路，故障补偿电路的接入节点为f,故障补偿电路对应的阻抗阵为：

其中，Z_fa、Z_fb、Z_fc分别为故障点f的A相、B相和C相故障阻抗参数，用于模拟相间短路故障；Z_fg为故障点f的接地阻抗参数，用于模拟接地短路故障。

进一步的，所述步骤S150具体包括：

步骤S151：对包含故障点f在内的有源配电网，形成如下(n+1)×(n+1)的节点阻抗矩阵：

其中，n为系统节点数；Z_bus(x)中的元素均为各节点的自阻抗矩阵或节点间的互阻抗矩阵；

步骤S152：计算故障后有源配电网各节点电压：

式中，和分别是故障后节点1、节点i、节点n和节点f的电压；和分别是由节点1、节点i和节点n注入的等值电流。

进一步的，所述步骤S160具体包括：

针对各电压量测节点，从中抽取对应节点的元素，构成量测点估计电压列向量

构造如下最小化电压估计误差模型：

0≤x≤x_l

其中，R是以各配电终端量测误差的方差为元素的对角阵；x_l为线路l的长度；T代表矩阵的转置。

本发明有益效果：方法简单，只需要收集故障前后的工频量测信息，考虑了分布式电源和配网三相参数不平衡的影响，从而可有效提高配网故障定位的精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术有源配电网基本结构图。

图2为本发明实施例所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法流程图。

图3为本发明实施例所述的故障补偿电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图2所示，本发明实施例提供了一种基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，它的主要步骤为：

步骤1，记录故障前变电站母线N_S和各配电终端(如馈线终端FTU、配变终端TTU等)的量测电压和量测电流信息，将各电压量测点的集合记为Ω_m，各量测电压构成的列向量记为

步骤2，计算故障前配网运行状态和等值参数。包括：

(1)按广度优先顺序，对馈线各节点和支路进行编号。

(2)通过三相潮流计算获取各节点初始电压和各支路初始电流。

(3)从母线N_S向系统侧看进去的等值诺顿电路参数，如下：

其中，为等值注入电流；Y_eq为系统等值导纳；为故障前由母线N_S流入馈线的初始电流；为故障前母线N_S节点的初始电压；

(4)计算各分布式电源的注入电流如下：

其中，P_DG和Q_DG分别为分布式电源的注入有功功率和注入无功功率；为分布式电源接入点的电压共轭值。j表示虚数单位，即j²＝-1。

(5)计算各负荷的等值阻抗Z_LD，如下：

其中，V_LD为负荷所在节点的电压，为负荷视在功率的共轭值。

步骤3，记录故障后母线N_S和各配电终端的工频量测电压和工频量测电流信息。

步骤4，按编号顺序取支路l，设其首、末节点分别为i和k，在距离首节点x处加入故障补偿电路，如图3所示，故障补偿电路的接入节点为f,故障补偿电路对应的阻抗阵为：

其中，Z_fa、Z_fb、Z_fc分别为故障点f的A相、B相和C相故障阻抗参数，用于模拟相间短路故障；Z_fg为故障点f的接地阻抗参数，用于模拟接地短路故障。

步骤5，计算故障后有源配电网的节点电压。包括：

(1)对包含故障点f在内的有源配电网，形成如下(n+1)×(n+1)的节点阻抗矩阵：

其中，n为系统节点数；Z_bus(x)中的元素均为各节点的自阻抗矩阵或节点间的互阻抗矩阵。如为节点i的自阻抗矩阵，为节点i和节点f间的互阻抗矩阵。Z_bus(x)中各元素的取值与故障点的位置x有关。

(2)计算故障后有源配电网各节点电压：

式中，和分别是故障后节点1、节点i、节点n和节点f的电压；和分别是由节点1、节点i和节点n注入的等值电流。对馈线首端节点，其注入电流为对分布式电源，其注入电流为显然，节点电压是故障点位置x的函数。

步骤6，形成最小化电压估计误差模型。

针对各电压量测节点，从中抽取对应节点的元素，构成量测点估计电压列向量

构造如下最小化电压估计误差模型：

其中，R是以各配电终端量测误差的方差为元素的对角阵；x_l为线路l的长度；T代表矩阵的转置。由式(8)计算出的故障点位置x越接近真实值，误差J(x)越小。从数学角度，所提出的最小化电压估计误差模型为二次规划模型。

步骤7，采用序列二次规划法求解步骤6的最小化电压估计误差模型，记录得到的最小误差J和对应的故障距离x。

步骤8，判断是否所有支路均以处理完毕，若是则转步骤9，否则转步骤4。

步骤9，比较每条支路对应的最小误差J，选取误差最小的支路，并输出对应的故障距离x。

综上所述，本发明基于估计电压列向量和故障后各量测点记录的工频电压信息，构造最小化电压估计误差模型，通过序列二次规划法寻找电压误差最小的线路段和故障位置。该方法只需要收集故障前后的工频量测信息，能够计及分布式电源和配网三相参数不平衡的影响，从而可有效提高配网故障定位的精度。

以上所述，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。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

Claims (6)

1.一种基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，基于估计电压列向量和故障后各量测点记录的工频电压信息，构造最小化电压估计误差模型，通过序列二次规划法寻找电压误差最小的线路段和故障位置，包括如下流程步骤：

步骤S110：采集故障前母线和各配电终端的量测电压和量测电流；

步骤S120：按广度优先顺序，对馈线各节点和支路进行编号，计算故障前配网运行状态和等值参数；

步骤S130：采集故障后母线和各配电终端的工频量测电压和工频量测电流；

步骤S140：按编号顺序取一条支路，并加入故障补偿电路；

步骤S150：计算故障后有源配电网的节点电压；

步骤S160：构建最小化电压估计误差模型；

步骤S170：采用序列二次规划法求解所述最小化电压估计误差模型，得到最小误差和对应的故障距离；

步骤S180：判断是否所有支路均已处理完毕，若是则转步骤S190，否则转步骤S140；

步骤S190：比较每条支路对应的最小误差，选取误差最小的支路，并输出对应的故障距离。

2.根据权利要求1所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：

记录故障前变电站母线N_S和各配电终端的量测电压和量测电流信息，将各电压量测点的集合记为Ω_m，各量测电压构成的列向量记为

3.根据权利要求2所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：

步骤S121：通过三相潮流计算获取各节点初始电压和各支路初始电流；

步骤S122：从母线N_S向系统侧看进去的等值诺顿电路参数，如下：

其中，为等值注入电流；Y_eq为系统等值导纳；为故障前由母线N_S流入馈线的初始电流；为故障前母线N_S节点的初始电压；

步骤S123：计算各分布式电源的注入电流如下：

其中，P_DG和Q_DG分别为分布式电源的注入有功功率和注入无功功率；为分布式电源接入点的电压共轭值；j表示虚数单位，即j²＝-1；

步骤S124：计算各负荷的等值阻抗Z_LD，如下：

其中，V_LD为负荷所在节点的电压，为负荷视在功率的共轭值。

4.根据权利要求3所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤S140具体包括：

按编号顺序取支路l，设其首、末节点分别为i和k，在距离首节点x处加入故障补偿电路，故障补偿电路的接入节点为f,故障补偿电路对应的阻抗阵为：

其中，Z_fa、Z_fb、Z_fc分别为故障点f的A相、B相和C相故障阻抗参数，用于模拟相间短路故障；Z_fg为故障点f的接地阻抗参数，用于模拟接地短路故障。

5.根据权利要求4所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤S150具体包括：

步骤S151：对包含故障点f在内的有源配电网，形成如下(n+1)×(n+1)的节点阻抗矩阵：

其中，n为系统节点数；Z_bus(x)中的元素均为各节点的自阻抗矩阵或节点间的互阻抗矩阵；

步骤S152：计算故障后有源配电网各节点电压：

式中，和分别是故障后节点1、节点i、节点n和节点f的电压；和分别是由节点1、节点i和节点n注入的等值电流。

6.根据权利要求5所述的基于最小化电压估计误差的有源配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤S160具体包括：

针对各电压量测节点，从中抽取对应节点的元素，构成量测点估计电压列向量

构造如下最小化电压估计误差模型：

0≤x≤x_l

其中，R是以各配电终端量测误差的方差为元素的对角阵；x_l为线路l的长度；T代表矩阵的转置。