CN111157839A

CN111157839A - 一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法

Info

Publication number: CN111157839A
Application number: CN201911263253.7A
Authority: CN
Inventors: 王毅; 梁栋辉
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明涉及一种低压电网环境下故障定位系统及方法，属于配电网故障定位领域。该系统包含多个若干故障测距装置，分布在电网中，向待测电网发送混沌信号，持续性的对电网进行故障监测。故障发生后，混沌信号经故障处发生反射，发送端采集到反射信号，与同步参考信号进行相关计算，得到与故障点的距离。快速确定各个故障测距装置到故障点的最短距离，并标识出潜在故障分支，根据本文提出的方法进行故障子网络判别，最后融合多个信息源的信息，得到准确故障位置。故障修复后，继续对电网进行故障监测，持续性的最大化减少故障带来的影响。该方法可以持续性的对电网进行故障检测，故障发生后，可以准确、快速的进行故障定位，进而最大程度的减小因电网故障造成的经济损失，且整个故障检测过程仅需要综合多个测距装置的测距结果进行计算，实施简单，系统成本低。

Description

一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法

技术领域

本发明属于配电网故障定位领域，涉及一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法

背景技术

配电网作为电网系统中的最后一环，具有覆盖范围广，结构复杂，工作环境多变等特点，使其更容易发生故障，且难以检测。而这其中，低压电网作为配电网中最接近用户的部分，其拓扑结构相较高压配电网要更复杂，分支更多且长度较短。因此，有必要对低压电网中的故障定位方法进行研究。

目前在高压配电网和输电网中，行波测距技术已经获得了广泛的研究。该方法在电网中布置大量采样点，电网故障时，采样得到故障行波的数据，再进行信息融合处理，从而计算出故障点的准确位置。该方法受到时间同步精度的直接影响，时间同步精度越高，其定位精度越高。

不同于高压电网，低压电网中分支更多且更短，目前行波法的精度受到时间同步的影响，并不适用于低压电网。反射测量法是一种目前已经很成熟的方法，该方法向电缆中发射测试信号，该信号经过故障点时反射回来，计算得到信号注入和反射的时间差进行故障测距。作为多种测试信号中的一种，混沌信号因其宽频谱、易生成、对初值的敏感性以及良好的相关性等良好的特性将在多点共同检测方面具有更大的优势。因此，本专利将基于混沌信号发明一种低压电网环境下的故障定位方法，通过多点联合检测的方法解决了复杂网络中单点检测面临的位置模糊的问题，实现了低压电网准确、快速的故障定位。

发明内容

有鉴于此，提出了一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法，可以解决低压电网环境下的故障定位问题，且实现方式简单，易于掌握。本发明的技术方案如下：

一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法，其特征在于，包含故障测距装置和多点联合检测方法，其中，故障测距装置是多点联合检测方法的基础，故障测距装置测得距离故障点的最短距离，联合多个故障测距装置的测量结果进行故障定位；

所述故障测距装置具有生成混沌信号源、信号发送、信号接收以及故障位置计算功能，其中，生成混沌信号源用于生成高精度、宽频谱且具有良好相关性的混沌信号，信号发送用于将生成的混沌信号发送至待测网络中，信号接收用于接收测试信号在网络中反射回来的信号，故障位置计算用于通过发射信号和反射信号计算出相应的故障距离；

所述多点联合检测方法，联合电网中多个测试点测得的故障点的距离，确定距离故障点最近的测试点，由该测试点的测试结果确定可能的故障分支，建立该点的故障分支集合，根据故障分支集合判断故障子网络，并基于故障子网络进行测试点的搜索并进行信息融合，确定故障准确位置。

进一步的，所述故障测距装置建立混沌模型，生成高精度、宽频谱且具有良好相关性的混沌信号，通过信号发送的功能将混沌信号发送到待测电网，并接收来自电网的反射信号，电网故障后，根据同步的发送信号和反射信号计算得到相应的故障距离。

进一步的，电网发生故障后，电网中多个测试点分别测得与故障点的最短距离，此时，首先综合所有测试点的测量结果，确定距离故障点最近的测试点，由该测试点的测试结果确定可能的故障分支，建立该点的故障分支集合，判定该集合中各元素所属故障子网络，根据故障子网络进行测试点的搜索，将搜索到的测试点的测试结果进行信息融合，确定故障准确位置。

进一步的，所述故障测距装置通过低压宽带耦合器持续性的将混沌信号发送进入电网，并接收来自电网的反射信号，通过相关性计算得到相关曲线图，根据相关峰的位置判断电网中阻抗不匹配点的距离信息。

进一步的，所述故障测距装置持续性的对电网进行检测，电网发生故障后，将计算的故障状态相关曲线图与电网健康状态相关曲线图对比，可以确定故障距离信息。

进一步的，电网故障后，故障的存在导致电网结构发生变化，各个测试点发送的测试信号在电网中的故障处产生反射波和折射波，反射波反射回测试点，折射波继续向前传播，遇到阻抗不匹配点继续发生折反射，进而形成复杂的传输网络。相比健康状态的相关曲线，故障状态的相关曲线由于故障点的存在而发生变化，出现新的相关峰，在时间轴上，故障点代表的相关峰是最靠前的，进而可以得到故障点与测试点的距离信息。

进一步的，所述故障测距装置采用混沌信号作为测试信号，改变混沌模型的初值，可以生成多路混沌信号，且满足多个故障测距装置互不影响。

进一步的，根据最近测试点的测量结果建立潜在的故障分支集合，该集合包含故障可能存在的分支。

进一步的，所述子网络由一个核心节点和与其相连的分支组成，所述故障子网络是指存在故障分支的子网络。

进一步的，确定故障子网络后，由故障子网络的核心节点向外搜索，将搜索到的测试点的测试结果进行信息融合。所述以信息融合的方式对故障子网络进行故障的准确定位，是指将多个测试点的测试结果进行信息融合，可以消除单个测试点对线缆网络测试时具有的不确定性。

进一步的，所述对故障子网络进行信息融合以消除不确定性，所需测试点数量与子网络的分支数量n的关系为：n-1。

进一步的，所述信息融合，是在确定故障子网络，搜索到做信息融合的测试点后，分别建立其在故障子网络范围内的潜在故障分支集合，集合中的元素均为故障子网络的分支。将几个集合进行交集运算，最后唯一存在的元素即为故障分支。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明所提出通过混沌信号进行低压电网环境下的故障定位，在进行故障检测时，测试信号与低压电网本身所存在的信号互不影响；同时，混沌信号对于初值的敏感性使得同一个模型可以产生多路互不相关的混沌信号，大大降低了工作量；最后，混沌信号的生成方式简单，可以大大降低成本。本发明所提出的低压电网环境下的故障定位方法不需要对电网中的每条线路进行测试，只需要综合分布在电网中的多个测试点的测试结果，按照本发明提出的分析方法，可以准确、快速的计算出故障的具体位置，大大降低了电网故障后的故障定位所需时间，为快速恢复电网正常运行提供了基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明实施例提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例提供的低压电网故障定位的拓扑图；

图2为本发明实施例提供的故障测距装置结构图；

图3为本发明实施例提供的故障测距结构图；

图4为本发明实施例提供的多点联合检测原理图；

图5为本发明实施例提供的基于混沌信号的低压电网故障定位实现流程；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述。

本发明实施例中提供一种基于混沌信号的低压电网故障定位方法，低压电网故障定位拓扑结构如图1所示，包含多个测试点。本实施例中，所述故障测距装置以FPGA开发板为基础建立混沌模型，生成高精度、宽频谱且具有良好相关性的混沌信号，通过信号发送的功能将混沌信号发送到待测电网，并接收来自电网的反射信号，电网故障后，根据同步的发送信号和反射信号计算得到相应的故障距离，故障测距装置结构图如图2所示。电网故障后，电网中多个测试点分别测得与故障点的最短距离，此时，首先综合所有测试点的测量结果，确定距离故障点最近的测试点，由该测试点确定可能的故障分支，建立该点的故障分支集合，判定该集合中各元素所属故障子网络，根据故障子网络进行测试点的搜索，将搜索到的测试点的测试结果进行信息融合，确定故障准确位置，多点联合检测原理图如图4所示。

本发明实施例中，所述混沌模型通过PC端的system generator进行搭建，仿真成功后，将搭建的模型生成IP核，导入vivado中，设计顶层文件并进行管脚约束，综合、实现后生成比特流，将其导入到FPGA开发板中，实现混沌信号源的设计。

本发明实施例中，通过混沌信号源生成的测试信号进行测试的测试结构图如图3所示，测试信号由D/A模块输出后经功分器分为两路，一路作为参考信号直接输入到FPGA的A/D模块的一个端口进行采样，另一路作为测试信号经过低压宽带耦合器发送到待测电网中，遇到阻抗不匹配处产生反射波，反射波反射回来，通过耦合器隔绝工频电压，经过T型连接器，导入到FPGA的A/D模块的另一个端口进行采样，采样数据导入到缓存器中。缓存器的数据导入到相关计算模块进行相关计算，确定故障点与测试点的距离。

本发明实施例中，FPGA中的缓存器位数和深度可以根据FPGA开发板的型号进行设计，在设计的过程中，需要FPGA自身的逻辑计算单元可以对缓存器中的数据进行计算。

本发明实施例中，相关计算模块将两路信号进行相关计算后，通过判断相关峰的位置来确定阻抗不匹配点的位置，确定低压电网的线缆参数后，可以计算出信号的传输速度，从而将相关峰的位置与距离联系在一起。

本发明实施例中，故障测距装置是基于FPGA进行设计的，对于其他的实施例，可以通过其他的方式进行故障测距装置的硬件设计。

本发明实施例中，故障测距装置在低压电网中安置位置如图1所示，可以满足电网中的所有线路的可观测性，对于其他的实施例，也需要满足电网各线路可观测的条件。

本发明实施例中，电网中各个测试点对电网进行持续性的检测，并周期性的保存电网健康状态时的相关曲线，故障发生后，将保存的电网健康状态的相关曲线与故障后的相关曲线进行对比分析，确定故障点与测试点的距离。

本发明实施例中，如图1，故障点位于线路R₃R₆，距离节点R₃10米。故障发生后，获取电网中各个测试点的测量数据，与电网健康状态时测得的相关曲线进行对比分析，确定各个测试点与故障点的距离。综合各个测试点的测量结果，确定距离故障点最近的测试点，本实施例中，最近的测试点是R₃，由该测试点的测试结果确定可能的故障分支，并建立该测试点的故障分支集合

G₃＝(R₁R₃，R₃R₄，R₃R₅，R₃R₆)

该集合中包含由测试点R₃测得的可能的故障分支。由故障分支集合确定故障子网络，本实施例中，由图1所示的拓扑结构可知，该集合中的元素都属于以R₃为核心的子网络，即故障子网络。

确定故障子网络后，以该网络的节点为核心，向外搜索测试点，将搜索到的测试点的测试结果进行信息融合，对故障进行准确定位。本实施例中，以故障子网络的节点R₃为起点向外搜索测试点，所需测试点数量为3，搜索结果为R₀，R₄，R₇，已知这三个测试点的测试结果，分别建立其在故障子网络范围内的潜在故障分支集合：

将其进行交集运算，唯一存在的元素为故障分支：

G₀∩G₄∩G₇＝(R₃R₆)

结合反射测量法的特性可知，测试距离越远，误差越大。因此，故障准确距离由最近测试点R₃测得的故障最短距离确定。

本实施例中故障测距装置结构图如图2所示。

本实施例中的故障测距结构图如图3所示。

本实施例中所提出的多点联合检测方法原理图如图4所示，结合故障测距装置的开发过程，基于混沌信号的低压电网故障定位系统及方法实现流程如图5 所示。

此外，本文中所公开的实施例描述的模块功能可利用技术领域内的相关形式方法来实现。

对所公开的本发明实施例的上述说明，使本领域的相关技术人员可以实现或使用本发明。并且，对本领域的技术专业人才来讲，对本发明实施例进行多处修改是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，包含故障测距装置和多点联合检测方法，其中，故障测距装置是多点联合检测方法的基础，故障测距装置测得距离故障点的最短距离，联合多个故障测距装置的测量结果进行故障定位；

所述多点联合检测方法，联合电网中多个故障测距装置测得的故障点的距离，确定距离故障点最近的测试点，由该测试点确定可能的故障分支，建立该点的故障分支集合，根据故障分支集合判断故障子网络，并基于故障子网络进行测试点的搜索并进行信息融合，确定故障准确位置。

2.一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，包含故障测距装置；

所述故障测距装置建立混沌模型，生成高精度、宽频谱且具有良好相关性的混沌信号，通过信号发送的功能将混沌信号发送到待测电网，并接收来自电网的反射信号，电网故障后，根据同步的发送信号和反射信号计算得到相应的故障距离。

3.一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，多点联合检测方法；

电网发生故障后，电网中多个故障测距装置分别测得与故障点的最短距离，此时，首先综合所有故障测距装置的测量结果，确定距离故障点最近的测试点，由该测试点确定可能的故障分支，建立该点的故障分支集合，判定该集合中各元素所属故障子网络，根据故障子网络进行测试点的搜索，将搜索到的测试点的测试结果进行信息融合，确定故障准确位置。

4.根据权利要求2所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述故障测距装置通过低压宽带耦合器持续性的将混沌信号发送进入电网，并接收来自电网的反射信号，通过相关性计算得到相关曲线图，根据相关峰的位置判断电网中阻抗不匹配点的距离信息。

5.根据权利要求2所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述故障测距装置持续性的对电网进行检测，电网发生故障后，将计算的故障状态相关曲线图与电网健康状态相关曲线图对比，可以确定故障距离信息。

6.根据权利要求2所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述故障测距装置采用混沌信号作为测试信号，改变混沌模型的初值，可以生成多路混沌信号，且满足多个故障测距装置互不影响。

7.根据权利要求3所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，根据最近故障测距装置的测量结果建立潜在的故障分支集合，该集合包含故障可能存在的分支。

8.根据权利要求3所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述子网络由一个核心节点和与其相连的分支组成，所述故障子网络是指存在故障分支的子网络。

9.根据权利要求8所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，确定故障子网络后，由故障子网络的核心节点向外搜索，将搜索到的故障测距装置的测试结果进行信息融合。所述以信息融合的方式对故障子网络进行故障的准确定位，是指将多个故障测距装置的测试结果进行信息融合，可以消除单个故障测距装置对线缆网络测试时具有的不确定性。

10.根据权利要求9所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述对故障子网络进行信息融合以消除不确定性，所需故障测距装置数量与子网络的分支数量n的关系为：n-1。

11.根据权利要求9所述的一种基于混沌信号的故障定位系统及方法，其特征在于，所述信息融合，是在确定故障子网络，搜索到做信息融合的故障测距装置后，分别建立其在故障子网络范围内的潜在故障分支集合，集合中的元素均为故障子网络的分支。将几个集合进行交集运算，最后唯一存在的元素即为故障分支。