CN112505476A - 基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法。包括以下步骤：首先根据配电网拓扑结构建立遍历二叉树，然后将配电网末端结点采集到的行波波头时间，剔除无效时间后储存在二叉树中，最后再根据二叉树模型结合B型行波定位公式定位故障位置。仿真结果表明，该方法仅需装配较少数量的行波测量装置，具有良好的经济性；可以实现不同配电网位置和不同故障类型的故障定位，具有良好的适应性；即便是设备出现误差甚至错误也能实现精确定位，具有良好的容错性和可靠性。

Description

基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法

本发明涉及配电网故障定位技术领域，特别涉及一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法。

背景技术

配电网线路较短并且距离电源较近，如果不能准确迅速的进行故障定位，可能导致系统故障扩大、系统频率不稳等众多问题。因此，精确的故障定位对电网的稳定可靠运行具有重要作用。随着智能电网的发展和分布式能源的接入，配电网的拓扑结构愈加复杂，并且其故障特征也变得和传统的配电网有所区别，传统的基于故障基频量的故障定位方法不适应于智能配电网，所以考虑将已经成功应用于输电线路的行波定位方法应用到配电网中。配电网行波定位方法主要分为两类，一类是B型行波定位法，一类是C型行波定位法。虽然配电网行波定位相关研究很多，但都存在的种种问题使其实用性不足。有一些通过在各分支加装行波定位装置和通信装置，虽然定位精准但是由于配电网结构复杂，分支众多，因此其经济性难以实现。有一些通过反射波进行故障定位，但是需要加装对时设备，使得问题更加复杂化。

综上所述：配电网的行波定位实现难度大，现有的方案存在着一些局限性，比如设备要求多、实现方法复杂、经济性太差、抗干扰能力差的特点，在现实中难以应用。

发明内容

为了使得配电网故障的精确定位，并使得其具有方法简单，可实用程度高、抗干扰能力强的特点，本发明提出了一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法。该方法仅需在配电网电源和变压器末端加装行波时间检测装置，仅需利用时间信息，就可以实现故障的准确定位，具有实用性、经济性、可靠性的诸多优点，有长远的发展前景。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，包括以下步骤：

步骤一，根据配电网拓扑结构建立遍历二叉树模型；

步骤二，在配电网拓扑结构的每个结点上均安装采集装置，以在发生故障时，采集各结点上所接收到的故障行波波头时间，并在剔除无效时间后进行储存在二叉树模型中相应的结点处；

步骤三，根据二叉树模型结合B型行波定位方法，基于采集的故障行波波头时间进行配电网故障定位。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述步骤一中，建立遍历二叉树模型是根据以下方式建立的：

首先，对配电网拓扑结构进行简化，以得到只含有一条包括所有交叉点线路的拓扑结构，然后根据配电网拓扑结构建立结点与交叉点、以及各交叉点之间的关联矩阵，接下来任选两个关联度为1的交叉点，并将所有与这两个交叉点关联度为1的结点作为遍历二叉树的第一层，接着找到与这两个交叉点中任何一个关联度为1的其他交叉点，并以所有与新找到的交叉点关联度为1的结点作为遍历二叉树的第二层，重复上述操作，直到遍历完所有交叉点，即完成遍历二叉树模型的建立。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的对配电网拓扑结构进行简化，是首先找到配电网拓扑结构上存在最多交叉点的线路，然后找出所有未由该线路上的交叉点直接连接到该线路上的结点，并计算这些结点距离该线路上最近交叉点的距离，再将这些结点的位置转换为通过最近交叉点直接连接该线路，且距离不变，即完成配电网拓扑结构的简化。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的节点为末端变压器和配电网电源，所述的交叉点为线路相交处。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的关联度是基于点与点之间的最短路线上是否存在其他点来确定的，即两点之间的关联度为1+n，n为点与点之间所存在的其他点数量，其中点为结点或交叉点。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的步骤二中，通过以下公式剔除无效时间：

其中，L_xy是x、y两个结点之间的实际长度，r_n是时间裕度，t_x、t_y分别是行波波头到达x、y两个结点的时间，也即采集装置采集到的时间，v是行波波速；如果某个t_x与其他所有t_y代入至上式但均不满足，则判为无效时间，并将该t_x剔除。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的步骤三中，对于故障位置是通过以下方法定位的：

首先，取二叉树模型第一层中任意两个结点所储存的时间t₁和t₂，利用B型行波公式计算故障点到结点的距离，

其中，l为这两个结点之间的最短路径，v为行波波速，x为计算距离，L_p为结点到交叉点实际距离，r为距离裕度；

如果|x-L_p|≥r，则为内部故障，即x为故障点到储存t₁时间结点的距离，即完成故障位置定位；如果|x-L_p|≤r则为外部故障，继续取二叉树模型的下一层任意两个结点所储存的时间进行计算，直到判定为内部故障，即完成故障位置定位。

所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，所述的步骤三中，内部故障和外部故障的定义是：

内部故障是发生在两结点之间最短路径的故障，外部故障是在两结点之间最短路径之外所发生的故障。

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述的方法。

本发明的技术效果在于，通过在配电网电源和末端变压器加装故障行波采集装置，仅需利用时间信息，就可以实现故障点的准确定位，并且抗干扰能力强，在受到干扰甚至设备出现故障的情况下依旧能够实现故障的准确定位，大幅提升了故障定位的可靠性。在各种故障位置、不同故障类型以及不同过渡电阻的条件下均能实现准确定位。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为配电网结构拓扑图；

图2为简化后的配电网结构拓扑图；

图3为遍历二叉树图；

图4为定义的内部故障和外部故障图；

图5为发生单相接地故障后各结点检测到的线模分量u_α；

图6为发生单相接地故障后各结点检测到的电压小波系数；

图7为E1装置为无效时间时的小波系数；

图8为配电网定位算法流程。

具体实施方式

本实施例的基本工作原理如下：针对配电网发生故障传统故障定位方法复杂、经济性差以及抗干扰能力差的问题，提出了一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法。根据配电网拓扑结构建立遍历二叉树模型，剔除行波检测装置无效时间后，将时间信息储存于二叉树中，再根据二叉树模型结合B型行波定位法定位故障位置。

本实例基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法的配电网拓扑结构图如图1所示，其中E₁,E₂,E₃,E₄,E₅,E₆,E₇,E₈,E₉代表配电网电源和末端变压器，也就是结点。P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆,P₇代表配电网交叉点，也就是交叉点。线路中的数字代表线路的长度。

对图1中的配电网拓扑结构进行简化，即得到如图2所示的简化后的拓扑结构。具体来说，是以P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆这一条线路作为存在最多交叉点的线路，然后将原本由P₂交叉点分岔出去的P₇点进行简化，即计算E₈和E₉两个结点到达P₂点的距离，然后将E₈和E₉两个结点直接连接到P₂点上，且与P₂之间的距离保持不变，即完成了对于图1中配电网拓扑结构的简化。假设P₇还有其他分岔，也同样按上述原则进行简化。

根据简化后的配电网拓扑图建立关联矩阵如下所示

其中H₁为末端结点与交叉点的关联矩阵；H₂为交叉点之间的关联矩阵。关联度是基于点与点之间的最短路线上是否存在其他点来确定的，即两点之间的关联度为1+n，n为点与点之间所存在的其他点数量。

根据关联矩阵建立遍历二叉树：

本实施例中，选择主线路中关联度为1的2个交叉点P₄和P₅，将与这两个交叉点关联度为1的两个结点E₄和E₅作为遍历二叉树的第一层，接着分别找到与这两个结点直接相连的关联度为1的下两个交叉点即P₃和P₆，找到与交叉点P₃关联度为1的结点E₃，与交叉点P₆关联度为1的结点E₆和E₇作为遍历二叉树子叶，其中E₆和E₇可以互换位置，以这三个结点作为遍历二叉树的第二层。以此类推便可建立遍历二叉树模型如图3所示，其中未标记结点名称的方框即为二叉树的根节点。

然后根据以下公式剔除无效时间信息：

其中，L_xy是两结点之间的实际长度，r_n为时间裕度，因为双端行波故障定位误差一般在0.15km以内，故本实施例中取0.1μs。

如果某个故障行波波头时间与其他所有结点提取的时间做差，均不满足此公式，则判为无效时间，并将其从有效时间中剔除，然后将有效的时间信息储存于遍历二叉树中相应的结点位置处。

参见图3，其中右侧为外部故障示意图，左侧为内部故障示意图。内部故障是发生在两结点之间最短路径的故障，外部故障是在两结点之间最短路径之外所发生的故障。所示的内部、外部故障定义由如下所示的B型行波定位公式进行故障定位：

首先，根据二叉树模型提取第一层结点E₄和E₅所储存的时间t₁和t₂，利用B型行波公式计算故障点到结点的距离，

其中，l为所取结点之间的最短路径，v为行波波速，x为计算距离，L_p为结点到交叉点实际距离，r为距离裕度，因为双端行波故障定位误差一般在0.15km以内，本实施例取r＝0.05km。如果|x-L_p|≥r，则说明是内部故障，则可直接定位故障位置，即x为故障点到储存t₁时间结点的距离。如果|x-L_p|≤r则说明是外部故障，根据遍历二叉树，取二叉树模型的下一层任意两个结点所储存的时间进行计算，重复上述步骤，直到满足|x-L_p|≥r即判定为内部故障，即可定位故障位置，

仿真验证：

在PSCAD/EMTDC搭建仿真仿真模型如图1所示，该仿真模型是一个复杂的10kV配电网络系统。为了更好的观测的故障，将所得的三相信号经Karenbauer变换转换成独立的模式分量，然后再将其线模分量通过db6小波变化来确定行波波头到达时间。

假设故障发生在节点P₁和P₂之间，发生时间为0.2ms且到节点P₂的距离为4.0km的位置。各结点的的线模分量u_α如图4所示，经小波变化后电压小波系数如图5所示，将图5所示的行波波头到达时间储存在图3中，通过公式(1)剔除无效时间后以公式(2)来定位故障，如下所示：

因此可以定位为再P1,P2之间且距离P23.992km的位置，定位误差为8m。模拟在受到干扰或定位装置时间记录错误的情况下的故障定位如下所示：假设E₁检测到的波头时间如图6所示，根据式一有：

由上式可知，E₁结点所记录的时间被认定为无效时间，因此在上述定位中，应该以E₂代替E₁进行故障定位，此时式(6)应该被下式代替：

定位结果位于P1和P2之间，且距离P2距离4.008m的位置，定位误差为8m。因此在受到干扰或定位装置时间记录错误情况下，本算法依旧能实现准确定位。

按照本方法模拟在不同故障类型及不同位置时的故障定位结果如表1所示：

表1不同故障类型及位置下的故障定位

根据以上仿真可知，本方法通过在配电网电源和末端变压器加装故障行波采集装置，仅需利用时间信息，就可以实现故障点的准确定位，并且抗干扰能力强，在受到干扰甚至设备出现故障的情况下依旧能够实现故障的准确定位，大幅提升了故障定位的可靠性。在各种故障位置、不同故障类型情况下均能实现准确定位。

根据本发明的实施例，本发明还提供了一种电子设备和一种计算机可读介质。

其中电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

具体使用中，用户能够通过作为终端设备的电子设备并基于网络来与同样作为电子设备的服务器进行交互，实现接收或发送消息等功能。终端设备一般是设有显示装置、基于人机界面来使用的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等。其中终端设备上根据需要可安装各种具体的应用软件，包括但不限于网页浏览器软件、即时通信软件、社交平台软件、购物软件等。

服务器是用于提供各种服务的网络服务端，如对收到的从终端设备传输过来的故障定位指令并提供相应计算服务的后台服务器。以实现对进行监测的配电网络进行故障定位，并将最终的定位结果返回至终端设备。

类似的，本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种故障行波定位方法。

Claims (10)

1.一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据配电网拓扑结构建立遍历二叉树模型；

步骤二，在配电网拓扑结构的每个结点上均安装采集装置，以在发生故障时，采集各结点上所接收到的故障行波波头时间，并在剔除无效时间后进行储存在二叉树模型中相应的结点处；

步骤三，根据二叉树模型结合B型行波定位方法，基于采集的故障行波波头时间进行配电网故障定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述步骤一中，建立遍历二叉树模型是根据以下方式建立的：

首先，对配电网拓扑结构进行简化，以得到只含有一条包括所有交叉点线路的拓扑结构，然后根据配电网拓扑结构建立结点与交叉点、以及各交叉点之间的关联矩阵，接下来任选两个关联度为1的交叉点，并将所有与这两个交叉点关联度为1的结点作为遍历二叉树的第一层，接着找到与这两个交叉点中任何一个关联度为1的其他交叉点，并以所有与新找到的交叉点关联度为1的结点作为遍历二叉树的第二层，重复上述操作，直到遍历完所有交叉点，即完成遍历二叉树模型的建立。

3.根据权利要求2所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的对配电网拓扑结构进行简化，是首先找到配电网拓扑结构上存在最多交叉点的线路，然后找出所有未由该线路上的交叉点直接连接到该线路上的结点，并计算这些结点距离该线路上最近交叉点的距离，再将这些结点的位置转换为通过最近交叉点直接连接该线路，且距离不变，即完成配电网拓扑结构的简化。

4.根据权利要求2所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的节点为末端变压器和配电网电源，所述的交叉点为线路相交处。

5.根据权利要求2所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的关联度是基于点与点之间的最短路线上是否存在其他点来确定的，即两点之间的关联度为1+n，n为点与点之间所存在的其他点数量，其中点为结点或交叉点。

6.根据权利要求1所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的步骤二中，通过以下公式剔除无效时间：

其中，L_xy是x、y两个结点之间的实际长度，r_n是时间裕度，t_x、t_y分别是行波波头到达x、y两个结点的时间，也即采集装置采集到的时间，v是行波波速；如果某个t_x与其他所有t_y代入至上式但均不满足，则判为无效时间，并将该t_x剔除。

7.根据权利要求1所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的步骤三中，对于故障位置是通过以下方法定位的：

首先，取二叉树模型第一层中任意两个结点所储存的时间t₁和t₂，利用B型行波公式计算故障点到结点的距离，

其中，l为这两个结点之间的最短路径，v为行波波速，x为计算距离，L_p为结点到交叉点实际距离，r为距离裕度；

如果|x-L_p|≥r，则为内部故障，即x为故障点到储存t₁时间结点的距离，即完成故障位置定位；如果|x-L_p|≤r则为外部故障，继续取二叉树模型的下一层任意两个结点所储存的时间进行计算，直到判定为内部故障，即完成故障位置定位。

8.根据权利要求7所述的一种基于二叉树和多端时间信息的配电网故障行波定位方法，其特征在于，所述的步骤三中，内部故障和外部故障的定义是：

内部故障是发生在两结点之间最短路径的故障，外部故障是在两结点之间最短路径之外所发生的故障。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

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