CN111398738A - 一种分布式配电网故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式配电网故障定位方法及系统，方法包括以下步骤：步骤1，以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；步骤2，量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；步骤3，确定最小值所对应节点为该故障时全网主定位点及其定位域；步骤4，选取定位域边界中时差最小节点并确定其定位域；步骤5，确定可能的故障区域；步骤6，针对可能的故障区域根据故障定位规则进行故障定位。本发明不仅在故障定位装置失步情况发生时能够进行定位，而且在使用模量速度差进行故障定位时不受易受线路长度、线上设备等影响，大大降低了故障定位的误差。

Description

一种分布式配电网故障定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种分布式配电网故障定位方法及系统，属于配电自动化技术领域。

背景技术

我国配电网络分支线多，区段线路长度不一致，线路末端所带负载类型种类多，之前配电网故障定位是通过变电站端的故障定位设备和故障点下游定位装置的动作，然后配合线路中已有保护装置动作来对故障进行定位。但由于配电网结构复杂，当故障发生所产生的暂态高频信号经过线路分支节点的多次折反射以及线路上的能量衰减后，故障信号到达变电站端时强度无法达到故障定位装置启动条件，从而出现线路保护装置动作，但故障定位装置却没有启动的情况。为了解决这个问题，国内开展了分布式配网故障定位研究，也就是说将配网线路通过故障定位装置的部署划分为多个小的区域，从而减少区域内分支节点数、线路长度、线路阻抗不匹配点等，形成小区域故障定位，进而实现区域主定位装置对于故障点的定位。

目前主要的分布式配网故障定位方法可分类为阻抗定位法和行波定位方法，而根据线路阻抗定位方法受到许多因素的干扰，定位性能在配电网中受到严重影响。行波定位目前国内具有代表性的利用行波时差方法或区域多点信息方法，例如长沙理工大学邓丰等提出的基于多端故障行波时差的方法，该方法根据初始行波到达时刻，搭建故障支路搜索矩阵，根据矩阵元素变化特征判定故障支路，进而计算出精确故障点位置；中国矿业大学梁睿等提出基于广域行波初始波头时差关系矩阵的方法，该方法建立各个馈线支路间初始波头到达时差，通过计算各线路矩阵谱范数实现故障定位；三峡大学李振兴等提出采用区域电网多点测量信息的方法，该方法据模量速度差法估算故障距离，然后利用多端信息故障点精确定位。

目前存在的基于行波进行配网分布式故障定位的方法存在如下的有待解决的问题：(1)现有方法故障定位装置都装在线路或支路末端，使得定位装置动作易受到末端大量谐波的干扰。如果不在线路末端安装，目前没有方法解决如何划分定位区间的问题。(2)现有方法主要使用行波初始波头达到时刻进行定位，但当故障定位装置失步等情况发生时，初始波头达到时刻就无法用于定位。(3)使用模量速度差进行故障定位估计时，而且使用模量速度时，零模速度易受线路长度、线上设备等影响，从而使得故障定位估计误差过大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种分布式配电故障定位方法及系统，能够解决故障定位装置失步时的故障定位问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种分布式配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1，以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

步骤2，量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

步骤3，根据步骤2中所得时间差值矩阵，确定时间最小差值所对应节点为该故障时全网主定位点，并根据步骤1中构建的故障定位矩阵确定该节点所对应的定位域；

步骤4，选取主定位点定位域边界中时差最小节点并进一步按步骤1中所构建故障定位矩阵确定时差最小节点的定位域；

步骤5，根据在步骤3中所确定的主定位点的定位域和在步骤4中所确定的主定位点定位域中时差最小节点的定位域来确定待定故障区域；

步骤6，针对待定故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤1具体为：

以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域：

Ψ_i＝{L_ij,L_ik} (1)

式中，Ψ_i表示第i个节点的定位域；L_ij为第i个定位节点到第j个相邻定位节点间区域；L_ik表示第i个定位节点到第k个相邻线路/支路末端节点间区域；

定位节点包含在所对应的区间中，构建基于定位节点的故障定位矩阵

式中，n为系统中定位节点数，

为第i个定位节点到其边界第j个定位节点的线路长度。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤2具体为：

在第i个定位节点处所量测到的零线模时间差为：

式中，

和

分别表示行波线模和零模到达第i个定位节点的时间；

根据式(3)获得各故障定位节点零线模到达时间差值矩阵：

T＝[Δt₁,Δt₂,…,Δt_i] (4)

式中，i为安装定位装置的节点编号。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤3具体为：

选择零线模到达时间差值矩阵T中最小值所对应节点为该故障时全网主定位点，主定位点记为N_min：

N_min＝min(T) (5)

确定主定位点N_min节点定位装置的定位域为

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤4具体为：

选取定位域

边界中时差最小节点S_min,并确定最小节点S_min节点定位装置的定位域

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤5具体为：

初步确定可能的故障区域为：

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤6具体为：

故障定位域在故障定位矩阵Θ中对应元素与故障所在位置存在如下故障定位规则：

(1)如果故障发生区域在全以定位节点为边界的定位域内，则存在故障区域ρ使得下式成立：

式中η为距离判定指标，L_{Nmin_Smin}和

分别为ρ内对应时差最小节点间实际长度和根据初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离；

(2)如果故障发生含非定位节点边界的范围内时，则存在以下两种情况：

a.如果故障所发生区域满足故障定位规则(1),则按照式(7)进行判断；

b.如果故障发生在以非定位边界区间内，则由主定位点Nmin所构成双端故障定位区域内各区间线路长度与所根据各节点初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离使得式(7)不成立且使得式(8)成立：

其中N_i为定位节点N_min定位域内第i个非定位节点边界；η_i为N_min到N_i的距离判定指标；L_{Nmin_Ni}和

分别为ρ内对应时差最小节点与第i个非定位节点边界间实际长度和根据初始行波到达时间所计算得到的距离；

通过边界定位域

边界信息协同确定出实际的故障区域。

作为本实施例一种可能的实现方式，根据故障定位规则进行故障定位时，对定位结果依据如下修正原则进行修正：

(1)当η∈[1-α,1+α]时，修正为η＝1；

(2)当η<1-α或η>1+α时，修正为η≠1。

其中α为定位修正系数。

作为本实施例一种可能的实现方式，当存在线路末端没有安装定位装置时，将故障定位矩阵进行增广处理为故障定位增广矩阵；增广处理的具体过程为：

当每个定位节点均有非定位节点边界，则各定位区间内最大非定位节点边界数q为：

q＝max(q₁,q₂,…,q_n) (9)

式中,q_i,i＝1,2,…,n为第i个定位节点的非定位节点边界数；

式(2)改写为如下形式的故障定位增广矩阵Θ：

式中，L_{i_j}为第i个定位节点到其第j个边界的线路长度，m＝n+q,其中q为最大非定位节点边界数。

另一方面，本发明实施例提供的一种分布式配电网故障定位系统，包括：

矩阵构建模块，用于以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

零线模模块，用于量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

主定位点模块，用于确定最小值所对应节点为该故障时全网主定位点及其定位域；

最小节点模块，用于选取定位域边界中时差最小节点并确定其定位域；

故障确定模块，用于确定可能的故障区域；

故障定位模块，用于针对可能的故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

作为本实施例一种可能的实现方式，分布式配电网故障定位系统还包括矩阵增广模块，用于当存在线路末端没有安装定位装置时，将故障定位矩阵进行增广处理为故障定位增广矩阵。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案的分布式配电网故障定位方法，不仅在故障定位装置失步情况发生时能够进行定位，而且在使用模量速度差进行故障定位时不受易受线路长度、线上设备等影响，大大降低了故障定位的误差。

本发明采用时差矩阵克服了装置失步对于定位的影响，进行定位时将整个网络分为多个双端或单端定位区间，无需要求初始首波波头到达时间就能对故障进行定位。

本发明通过对故障定位矩阵的改进，解决了故障定位装置不在线路末端时如何划分定位区间的问题。

本发明在现场使用中不需增加设备，只须对现有设备进行改造即可，解决了非末端安装故障定位装置时定位区间划分和装置失步时的故障定位问题。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式配电网故障定位方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种分布式配电网故障定位系统的结构图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种简单配电线路示意图；

图4是采用本发明的故障定位方法对图3所示配电线路进行故障定位的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式配电网故障定位方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供的一种分布式配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1，以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

步骤2，量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

步骤3，根据步骤2中所得时间差值矩阵，确定时间最小差值所对应节点为该故障时全网主定位点，并根据步骤1中构建的故障定位矩阵确定该故障时全网主定位点所对应的定位域；

步骤4，选取主定位点定位域边界中时差最小节点并进一步按步骤1中所构建故障定位矩阵确定时差最小节点的定位域；

步骤5，根据在步骤3中所确定的主定位点的定位域和在步骤4中所确定的主定位点定位域中时差最小节点的定位域来确定待定故障区域；

步骤6，针对待定故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

图2是根据一示例性实施例示出的一种分布式配电网故障定位系统的结构图。如图2所示，本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种分布式配电网故障定位系统，包括：

矩阵构建模块，用于以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

零线模模块，用于量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

主定位点模块，用于确定最小值所对应节点为该故障时全网主定位点及其定位域；

最小节点模块，用于选取定位域边界中时差最小节点并确定其定位域；

故障确定模块，用于确定可能的故障区域；

故障定位模块，用于针对可能的故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

作为本实施例一种可能的实现方式，分布式配电网故障定位系统还包括矩阵增广模块，用于当存在线路末端没有安装定位装置时，将故障定位矩阵进行增广处理为故障定位增广矩阵。

图3是根据一示例性实施例示出的一种简单配电线路示意图；图4是采用本发明的故障定位方法对图3所示配电线路进行故障定位的流程图。如图3和图4所示，采用本发明的故障定位方法对图3所示配电线路进行故障定位的具体过程如下。

本发明中安装有故障定位装置的位置统称为定位节点。以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域为：

Ψ_i＝{L_ij,L_ik} (1)

式中，Ψ_i表示第i个节点的定位域；L_ij为第i个定位节点到第j个相邻定位节点间区域；L_ik表示第i个定位节点到第k个相邻线路/支路末端节点间区域；定位节点包含在所对应的区间中。由于定位节点处加装故障定位装置。

根据式(1)，我们可以构建基于定位节点的故障定位矩阵

式中，n为系统中定位节点数。

为第i个定位节点到其边界第j个定位节点的线路长度。

由于存在线路末端没有安装定位装置的情况，则假设每个定位节点均有非定位节点边界，则各定位区间内最大非定位节点边界数q为

q＝max(q₁,q₂,…,q_n) (9)

式中,q_i,i＝1,2,…,n为第i个定位节点的非定位节点边界数。式(2)可改写为如下形式的故障定位增广矩阵Θ

式中，L_{i_j}为第i个定位节点到其第j个边界的线路长度，m＝n+q,其中q为最大非定位节点边界数。这样解决了在现有技术存在的第一个问题：故障定位装置不在线路末端时如何划分定位区间的问题。

为了解决现有技术存在的第二和第三个问题，本发明提出了如下的方法：

假设故障发生，在第i个定位节点处所量测到的零线模时间差为

式中，

和

分别表示行波线模和零模到达第i个定位节点的时间。根据式(3)可获得各故障定位节点零线模到达时间差值矩阵

T＝[Δt₁,Δt₂,…,Δt_i] (4)

式中，i为安装定位装置的节点编号。T中最小值所对应节点编号为该故障时全网主定位点，该编号记为Nmin

Nmin＝min(T) (5)

也就意味着主节点Nmin节点定位装置的定位域

中所有线路均有可能发生故障。然后从T中选取定位域

边界中时差最小节点,节点编号Smin,进而确定Smin节点定位装置的定位域

那么可初步确定可能的故障区域为

由于实际情况中存在如附图3所示情况(A,B,C均安装故障定位装置)。故障可能发生在靠近某个定位节点处且故障点到节点C和节点A的距离满足：L_{f_C}<L_{f_A}，那么在按式(2)则可能故障区域ρ中各节点故障零线模达到时差关系为Δt_A>Δt_C>Δt_B，若按式(4)进行判断则可能导致故障区域定位错误。然而故障定位域在Θ中对应元素与故障所在位置存在一定规律，即存在如下故障定位规则:

(1)如果故障发生区域在全以定位节点为边界的定位域内，则存在故障区域ρ使得

式中L_{Nmin_Smin}和

分别为ρ内对应时差最小节点间实际长度和根据初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离。而当故障发生在定位节点上时，上述关系依然成立。

(2)如果故障发生含非定位节点边界的范围内时，则存在以下两种情况

如果故障所发生区域满足故障定位规则(1)，即故障发生区域在全以定位节点为边界的定位域内时，则按照(7)进行判断；

如果故障发生在以非定位边界区间内，则由式N_min节点所构成双端故障定位区域内各区间线路长度与所根据各节点初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离使得式(7)不成立且

其中N_i为定位节点N_min定位域内第i个非定位节点边界；η_i为N_min到N_i的距离判定指标；L_{Nmin_Ni}和

分别为ρ内对应时差最小节点与第i个非定位节点边界间实际长度和根据初始行波到达时间所计算得到的距离。

通过边界定位域

边界信息协同确定出实际的故障区域。

根据上述原理进行故障定位时，由于各种因素会造成定位误差，因此对于上述定位结果须进行修正，修正原则如下：

当η∈[1-α,1+α]时，修正为η＝1；

当η<1-α或η>1+α时，修正为η≠1。

根据实际情况，选取定位修正系数α＝0.1。

本发明不仅在故障定位装置失步情况发生时能够进行定位，而且在使用模量速度差进行故障定位时不受易受线路长度、线上设备等影响，大大降低了故障定位的误差。

本发明的故障定位显然时差矩阵的使用克服了装置失步对于定位的影响，而且当按照图4所示流程进行定位时，整个网络被分为了多个双端或单端定位区间，因此无需要求初始首波波头到达时间就能对故障进行定位。

针对背景技术中所提目前方法存在的三个问题，本发明在现场使用中不需增加设备，只须对现有设备进行改造即可，解决了非末端安装故障定位装置时定位区间划分和装置失步时的故障定位问题。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

步骤2，量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

步骤3，根据步骤2中所得时间差值矩阵，确定时间最小差值所对应节点为该故障时全网主定位点，并根据步骤1中构建的故障定位矩阵确定该节点所对应的定位域；

步骤4，选取主定位点定位域边界中时差最小节点并进一步按步骤1中所构建故障定位矩阵确定时差最小节点的定位域；

步骤5，根据在步骤3中所确定的主定位点的定位域和在步骤4中所确定的主定位点定位域中时差最小节点的定位域来确定待定故障区域；

步骤6，针对待定故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

2.根据权利要求1所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤1具体为：

以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域：

Ψ_i＝{L_ij,L_ik} (1)

式中，Ψ_i表示第i个节点的定位域；L_ij为第i个定位节点到第j个相邻定位节点间区域；L_ik表示第i个定位节点到第k个相邻线路/支路末端节点间区域；

定位节点包含在所对应的区间中，构建基于定位节点的故障定位矩阵

式中，n为系统中定位节点数，

为第i个定位节点到其边界第j个定位节点的线路长度。

3.根据权利要求2所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤2具体为：

在第i个定位节点处所量测到的零线模时间差为：

式中，

和

分别表示行波线模和零模到达第i个定位节点的时间；

根据式(3)获得各故障定位节点零线模到达时间差值矩阵：

T＝[Δt₁,Δt₂,…,Δt_i] (4)

式中，i为安装定位装置的节点编号。

4.根据权利要求3所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤3具体为：

选择零线模到达时间差值矩阵T中最小值所对应节点为该故障时全网主定位点，主定位点记为N_min：

N_min＝min(T) (5)

确定主定位点N_min节点定位装置的定位域为

5.根据权利要求4所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤4具体为：

选取定位域

边界中时差最小节点S_min,并确定最小节点S_min节点定位装置的定位域

6.根据权利要求5所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤5具体为：

初步确定可能的故障区域为：

7.根据权利要求1所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，所述步骤6具体为：

故障定位域在故障定位矩阵Θ中对应元素与故障所在位置存在如下故障定位规则：

(1)如果故障发生区域在全以定位节点为边界的定位域内，则存在故障区域ρ使得下式成立：

式中η为距离判定指标，L_{Nmin_Smin}和

分别为ρ内对应时差最小节点间实际长度和根据初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离；

(2)如果故障发生含非定位节点边界的范围内时，则存在以下两种情况：

a.如果故障所发生区域满足故障定位规则(1),则按照式(7)进行判断；

b.如果故障发生在以非定位边界区间内，则由主定位点Nmin所构成双端故障定位区域内各区间线路长度与所根据各节点初始行波线模分量到达时间所计算得到的距离使得式(7)不成立且使得式(8)成立：

其中N_i为定位节点N_min定位域内第i个非定位节点边界；η_i为N_min到N_i的距离判定指标；L_{Nmin_Ni}和

分别为ρ内对应时差最小节点与第i个非定位节点边界间实际长度和根据初始行波到达时间所计算得到的距离；

通过边界定位域

边界信息协同确定出实际的故障区域。

8.根据权利要求7所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，

根据故障定位规则进行故障定位时，对定位结果依据如下修正原则进行修正：

(1)当η∈[1-α,1+α]时，修正为η＝1；

(2)当η<1-α或η>1+α时，修正为η≠1；

其中α为定位修正系数。

9.根据权利要求2所述的一种分布式配电网故障定位方法，其特征是，当存在线路末端没有安装定位装置时，将故障定位矩阵进行增广处理为故障定位增广矩阵；增广处理的具体过程为：

当每个定位节点均有非定位节点边界，则各定位区间内最大非定位节点边界数q为：

q＝max(q₁,q₂,…,q_n) (9)

式中,q_i,i＝1,2,…,n为第i个定位节点的非定位节点边界数；

式(2)改写为如下形式的故障定位增广矩阵Θ：

式中，L_{i_j}为第i个定位节点到其第j个边界的线路长度，m＝n+q,其中q为最大非定位节点边界数。

10.一种分布式配电网故障定位系统，其特征是，包括：

矩阵构建模块，用于以故障定位装置和线路/支路末端为边界确定故障定位域，并构建故障定位矩阵；

零线模模块，用于量测定位节点的零线模时间差，并构建各个故障定位节点的零线模到达时间差值矩阵；

主定位点模块，用于确定最小值所对应节点为该故障时全网主定位点及其定位域；

最小节点模块，用于选取定位域边界中时差最小节点并确定其定位域；

故障确定模块，用于确定可能的故障区域；

故障定位模块，用于针对可能的故障区域根据故障定位规则进行故障定位。

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