CN111208386A - 一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，包括以下步骤：10)建立设备元件‑开关静态关联矩阵；20)采集开关的位置状态信息，形成开关状态矩阵；30)建立设备元件‑开关动态关联矩阵；40)采集当地开关的过流信息，形成开关过流信息矩阵；50)计算故障设备元件定位矩阵，形成故障定位结果输出矩阵；52)建立过流信息校验矩阵Q1×m；53)计算过流信息校验矩阵Q，并形成过流信息校验结果输出矩阵T；54)判断矩阵B是否存在错误信息，输出故障定位结果。本发明所述的一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，提出了基于设备元件‑开关的关联矩阵和开关的过流信息矩阵实现配电网故障快速定位方法。
Description
技术领域
本发明涉及快速、准确地实现配电网故障定位方法领域，尤其是一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法。
背景技术
配电网作为电力系统的末端环节，直接连接着广大用电客户，是保障供电安全可靠性以及提升电网企业电力服务质量的关键环节。当配电网发生故障时，对故障区域实现准确定位，对于后续实现故障区域快速隔离以及健全区域及时恢复供电等工作有着重要的工程意义，能够有效缩短电力中断时间，显著提升配电网的供电可靠性，保证电力的连续供给。
近年来，随着清洁可再生能源的快速发展，大量分布式电源积极接入配电网，配电网逐渐由传统辐射状网、无源的供电模式向环状网、有源的供电模式演变，呈现潮流不定、运行方式多变、拓扑结构多变的新特征，再加上其周边环境日益复杂，配电网发生故障或者多重故障的概率随之上升，增加了故障信息的不确定性，如何利用故障信息快速、准确地实现配电网故障定位以进一步实现故障区域快速隔离以及健全区域及时恢复供电，已成为提升配电网供电可靠性的研究热点。
目前，针对配电网的故障定位方法研究涌现了大量的成果，大致分为两类：一是利用机器学习、神经网络、Petri网、贝叶斯网络等人工智能算法对配电网的故障信息进行分析和挖掘，利用最小故障集或者状态趋近思想来进一步实现故障区域的定位，能够在信息错误等情况实现故障准确定位，具备不错的容错性；二是利用改进矩阵运算以及优化算法，结合线性整数规划、判断辅助因子等数学模型，把故障定位问题转换为求解全局最优解问题，即先是在信息错误或缺失的情况下获取可疑故障设备元件集合，再通过遍历可疑故障设备元件集合利用求解最优解的方法寻找故障设备元件，具备建模过程简单、求解思路清晰等优势。
目前配电网故障定位方法主要存在以下缺陷：
1、基于各种智能算法的配电网故障定位方法在一定程度上可以在信息错误、缺失等情况下实现故障的可靠定位，具备良好的容错性，但是目前该类研究方法均局限于定性的理论分析思路层次，其故障定位的准确性过度依赖于学习迭代次数以及数据样本的充分性。一般情况下，对于网络拓扑规模较大的配电网，其智能算法的求解迭代次数或学习次数和样本要求较高；
2、对于基于改进矩阵运算以及优化算法的故障定位方法，其数学模型只是针对固定的网络拓扑，当网络拓扑发生变化，需要重新修改其数学模型，其通用性不强，而且优化算法的求解过程较复杂，对于网络拓扑复杂的配电网，其求解的可疑故障设备元件集合可能包含多个元素，需要对可疑故障设备元件的不同组合进行反复计算和验证，计算量较大。
发明内容
本发明为了克服上述中存在的问题，提供了一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，提出了基于设备元件-开关的关联矩阵和开关的过流信息矩阵实现配电网故障快速定位方法；进一步提出了利用设备元件-开关的关联矩阵和故障定位结果矩阵实现错误的过流信息辨识和修正方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，包括以下步骤：10)根据配电网的静态物理网络结构，建立设备元件-开关静态关联矩阵Gn×m，用于描述设备元件与开关的静态物理连接情况，其中n为设备元件的个数，m为开关的个数：
20)通过广域通信网络收集FTU采集的开关位置状态信息，形成开关状态矩阵E1×m
30)建立设备元件-开关动态关联矩阵Dn×m，，实时更新配电网的动态网络拓扑，描述设备元件与开关的实时连接情况；
D＝G×diag(E) (3)
式中，diag为生成对角矩阵运算；
40)各个FTU采集当地开关的过流信息，并上传至自动化子站，形成开关过流信息矩阵B1×m，用于描述各开关是否检测到过流的情况；
50)计算故障设备元件定位矩阵P1×n；
P＝D×B (5)
51)遍历故障设备元件定位矩阵P，形成故障定位结果输出矩阵C1×n；
52)遍历矩阵D的所有列，删除元素全为0的列，形成矩阵H；
建立过流信息校验矩阵Q1×m，其取值按照式(7)进行计算。
Q＝|H-1|×C (7)
53)计算过流信息校验矩阵Q，并形成过流信息校验结果输出矩阵T，对边矩阵B和矩阵T的所有元素；
54)判断矩阵B是否存在错误信息，如果T＝B，则故障定位准确，输出故障定位结果；如果T≠B，则遍历矩阵T和B，修正矩阵B，并且返回步骤50)。
优选地，所述配电网的拓扑结构为由多个开关和设备元件等组成的连通网络，所述开关包括断路器、联络开关、负荷开关，所述设备元件包括线路、母线。
优选地，式1)中，
优选地，式3)中，diag为生成对角矩阵运算。
本发明的有益效果是：一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，首先从配电网网络拓扑出发，建立设备元件-开关静态关联矩阵描述整个配电网的静态网络拓扑，并且根据开关的位置状态信息形成设备元件-开关动态关联矩阵，实时追踪配电网的拓扑变化；当配电网发生故障时，利用各开关上传的过流信息集合实现故障设备元件的快速、准确定位；利用故障设备元件的定位结果计算过流信息校验矩阵，对错误的过流信息进行辨识和修正，重新进行故障定位，能够有效提高配电网故障定位的准确性。能够很好适应配电网网络拓扑的动态变化，及时辨识和修正错误的过流信息，有效提升了配电网故障定位的准确性和容错性，具备数学模型简单、求解过程快捷、计算量少等优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中配电网的拓扑结构示意图；
图2是本发明中硬件部署的整体架构示意图；
图3是本发明中故障定位整体实现流程…结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，配电网的拓扑结构，根据图论的基本知识，配电网的拓扑结构可以抽象为由多个开关和设备元件等组成的连通网络，其中开关包括断路器、联络开关、负荷开关等，设备元件包括线路、母线等。
为描述配电网的网络拓扑结构，建立设备元件-开关静态关联矩阵Gn×m，如式(1)所示，用于描述设备元件与开关的静态物理连接情况，其中n为设备元件的个数，而m为开关的个数。
式中，
建立开关位置状态矩阵E1×m，其取值如式(2)所示。
建立设备元件-开关动态关联矩阵Dn×m，其取值按照式(3)进行计算，根据开关的位置状态实时追踪配电网的拓扑变化。
D＝G×diag(E) (3)
式中，diag为生成对角矩阵运算。
配电网故障定位，一般情况下，当配电网一个或多个设备元件发生故障时，一个或多个开关会检测到过流而动作跳闸从而快速切除故障，在如图1所示的配电网中，当线路L4发生故障，则开关S1、S2、S3和S4均会检测到过流而动作跳闸，而其他开关没有检测到过流而不会动作跳闸，在此情况下，如何利用各开关是否检测到过流的信息组合实现故障区域的快速、准确定位，对于进一步实现故障区域快速隔离以及健全区域及时恢复供电具有重要作用。
建立过流信息矩阵B1×m，用于描述各开关是否检测到过流的情况，其取值如式(4)所示。
建立故障设备元件定位矩阵P1×n，其取值按照式(5)进行计算。
P＝D×B (5)
遍历矩阵P的所有元素，若p1×i＝1，则对应的第i个设备元件为故障设备元件，否则第i个设备元件为非故障设备元件。
建立故障定位结果输出矩阵C1×n，其取值按照式(6)进行计算。
故障定位的准确性校验，在实际工程运行中，各开关分散安装在环境恶劣的户外，其检测的过流信息会在传输、处理等过程中由于通信误码、处理异常等原因发生畸变或缺失的可能性较高，导致过流信息矩阵B存在错误的信息，容易造成对故障区段的定位失败，影响后续的故障区域隔离以及健全区域恢复供电，例如线路L4发生故障，正常情况下，过流信息矩阵B＝[1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0]，但由于开关S2上传的过流信息发生畸变，导致过流信息矩阵B＝[1,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0]，导致故障定位结果为线路L1，L2和L4发生故障，故障定位失败。为此对过流信息的准确性进行校验。
遍历矩阵D的所有列，删除元素全为0的列，形成矩阵H。
建立过流信息校验矩阵Q1×m，其取值按照式(7)进行计算。
Q＝|H-1|×C (7)
遍历矩阵Q的所有元素，若q1×i≠0，则表示对于故障定位结果输出矩阵C，第i个开关应检测到过流信息，否则第i个开关应不会检测到过流信息。
建立过流信息校验结果输出矩阵T1×m，按照式(8)形成矩阵T。
对过流信息矩阵B是否存在错误过流信息进行校验：
①若T＝B，则开关的过流信息矩阵B不存在错误信息，故障定位结果准确。
②若T≠B，则开关的过流信息矩阵B存在错误信息，故障定位结果有误，进行步骤③，对矩阵B的元素进行错误辨识并修正，重新进行故障定位。
③对比矩阵B和矩阵T，若bi≠ti，则对应的第i个开关的过流信息为错误信息，对第i个开关的过流信息bi进行逻辑取反。
方法实现流程，如图2所示，随着配电网自动化建设进程的快速推进，大量的馈线终端装置(Feeder Terminal Unit，FTU)等自动化设备逐渐在配电网中得到广泛的应用，如图2所示，FTU配置在各个开关处，负责实时动态获取配电网各个重要节点的运行信息，包括电压电流模拟量、开关状态量、开关动作量等信息，并通过广域通信网络上传至配电网自动化子站。配电网自动化子站可以获取各个开关的运行信息，对故障区域进行快速、准确定位，并进一步实现故障区域隔离以及健全区域恢复供电等任务。
故障定位整体实现流程如图3所示，整个故障定位方法在配电网自动化子站完成，而FTU负责采集开关的位置状态信息以及过流信息并通过广域通信网路上传至配电网自动化子站：
1)配电网自动化子站首先根据配电网的静态物理网络结构，建立设备元件-开关静态关联矩阵G，并通过广域通信网络收集FTU采集的开关位置状态信息，形成开关状态矩阵E，并基于此形成设备元件-开关动态关联矩阵D，实时更新配电网的动态网络拓扑，描述设备元件与开关的实时连接情况。
2)故障发生时，各个FTU采集当地开关的过流信息，并上传至自动化子站，形成开关过流信息矩阵B，利用矩阵D，计算故障设备元件定位矩阵P，然后遍历P的所有元素，若p1×i＝1，则对应的第i个设备元件为故障设备元件，否则第i个设备元件为非故障设备元件，进而实现故障设备元件定位。
3)遍历故障设备元件定位矩阵P，形成故障定位结果输出矩阵C，根据设备元件-开关动态关联矩阵D形成矩阵H，计算过流信息校验矩阵Q，并形成过流信息校验结果输出矩阵T，对边矩阵B和矩阵T的所有元素，判断矩阵B是否存在错误信息并进行修正，然后重新进行故障定位，直至T＝B。
本发明首先从配电网网络拓扑出发，建立设备元件-开关静态关联矩阵描述整个配电网的静态网络拓扑，并且根据开关的位置状态信息形成设备元件-开关动态关联矩阵，实时追踪配电网的拓扑变化；当配电网发生故障时，利用各开关上传的过流信息集合实现故障设备元件的快速、准确定位；利用故障设备元件的定位结果计算过流信息校验矩阵，对错误的过流信息进行辨识和修正，重新进行故障定位，能够有效提高配电网故障定位的准确性。
本发明所述的一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，能够很好适应配电网网络拓扑的动态变化，及时辨识并修正错误的过流信息，在拓扑变化、信息错误等情况准确实现故障定位，有效提高了配电网故障定位的准确性和容错性，具备数学模型简单、求解过程快捷、计算量少等优势。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：10)根据配电网的静态物理网络结构，建立设备元件-开关静态关联矩阵Gn×m，用于描述设备元件与开关的静态物理连接情况，其中n为设备元件的个数，m为开关的个数：
20)通过广域通信网络收集FTU采集的开关位置状态信息，形成开关状态矩阵E1×m
30)建立设备元件-开关动态关联矩阵Dn×m，，实时更新配电网的动态网络拓扑，描述设备元件与开关的实时连接情况；
D＝G×diag(E) (3)
40)各个FTU采集当地开关的过流信息，并上传至自动化子站，形成开关过流信息矩阵B1×m，用于描述各开关是否检测到过流的情况；
50)计算故障设备元件定位矩阵P1×n；
P＝D×B (5)
51)遍历故障设备元件定位矩阵P，形成故障定位结果输出矩阵C1×n；
52)遍历矩阵D的所有列，删除元素全为0的列，形成矩阵H；
建立过流信息校验矩阵Q1×m，其取值按照式(7)进行计算。
Q＝|H-1|×C (7)
53)计算过流信息校验矩阵Q，并形成过流信息校验结果输出矩阵T，对边矩阵B和矩阵T的所有元素；
54)判断矩阵B是否存在错误信息，如果T＝B，则故障定位准确，输出故障定位结果；如果T≠B，则遍历矩阵T和B，修正矩阵B，并且返回步骤50)。
2.根据权利要求1所述的一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，其特征在于，所述配电网的拓扑结构为由多个开关和设备元件等组成的连通网络，所述开关包括断路器、联络开关、负荷开关，所述设备元件包括线路、母线。
3.根据权利要求2所述的一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，其特征在于，式1)中，
4.根据权利要求3所述的一种适应拓扑变化与信息错误的配电网故障快速定位方法，其特征在于，式3)中，diag为生成对角矩阵运算。
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