CN113009276B - 一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法，a、对每一个支路以及每一个支路上的节点进行编号，建立所有支路流入节点的标准电路信息数据库，存储在后台计算机中；b、在每一个节点上设置有信息采集单元，该信息采集单元均实时采集节点上的电路信息，该电路信息定义为观测信息，反馈给后台计算机中；c、后台计算机实时处理所有信息采集单元的观测信息并与标准电路信息数据库中的标准电路信息进行对比，计算出是否具有电路信息变化量；d、判定如果该节点的电路信息变化量不等于0，后台计算机判定配电网该节点当前存在故障，并且读取该支路与该节点的编号，故障定位完毕。

Description

一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法

技术领域

本发明属于智能配电网配电系统技术领域，涉及到智能配电网中查找故障位置的方法，特别是一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法。

背景技术

配电系统的故障定位技术对于提高其网络可靠性与弹性具有重要的意义。尤其是，在包含高渗透率分布式电源的智能配电系统中，实现其简单高效的故障定位对于提高其供电质量，推进其进一步发展至关重要。

由于系统母线数目庞大，支路繁多，三相负荷不平衡等特点，传统的应用于输电网的阻抗故障定位法在智能配电网中应用时面临着以下问题：

1、不同于输电网，为了节省成本，配电网中的所有节点与支路信息通常不会被全部测量与记录；

2、智能配电网中分布式电源的接入会给其所连接的支路与母线故障特征带来改变，例如风机与光伏的故障阻抗并不是固定测常数。

鉴于传统阻抗定位矩阵的上述两点不足，本文提出了一种仅基于少量关键节点信息的新型故障定位阻抗矩阵构造方法，并基于该矩阵给出了智能配电网故障定位的判断依据。

发明内容

本发明的目的是为了精确定位智能配电网中的故障节点，解决智能配电网中当出现故障信号时因无法定位故障位置而导致配电网整体运行。

本发明采用的技术方案是，一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法，所述的方法是在搭设有三相配电网的所有支路上对所有支路流入节点进行电路信息采样的基础上实现的，关键是：所述的方法步骤如下：

a、对每一个支路以及每一个支路上的节点进行编号，建立所有支路流入节点的标准电路信息数据库，存储在后台计算机中；

b、在每一个节点上设置有信息采集单元，该信息采集单元均实时采集节点上的电路信息，该电路信息定义为观测信息，反馈给后台计算机中；

c、后台计算机实时处理所有信息采集单元的观测信息并与标准电路信息数据库中的标准电路信息进行对比，计算出是否具有电路信息变化量；

d、判定：如果某一节点的电路信息变化量为0，说明配电网该节点当前不存在故障，如果该节点的电路信息变化量不等于0，后台计算机判定配电网该节点当前存在故障，并且读取该支路与该节点的编号，故障定位完毕。

进一步的，所述的信息采集单元为电压采集单元，标准电路信息数据库中存储的标准电路信息为所有支路上的每一个节点的标准电压信号，在此基础上，所述的步骤d判定故障时，如果某一节点的电压变化量为0，说明配电网该节点当前不存在故障，如果该节点的电压变化量不等于0，后台计算机判定配电网该节点当前存在故障，并且读取该支路与该节点的编号，故障定位完毕。

进一步的，所述的步骤c中后台计算机具体处理过程为：

定义阻抗矩阵Z，观测信息矩阵C，观测信息矩阵C为在所有节点中选取与测量节点相关的行向量组成的矩阵，建立故障定位阻抗矩阵模型：

Z＝(C^TC)^-1C^T (式1)

其中C^T为C的转置矩阵，根据行向量中的电压变化信息，建立所有行向量电压变化矩阵：

其中G为行向量标识，s为配电网中连接有电源的节点数，且s为大于1的整数，I^F _注入为支路故障电流向量，

建立取样观测的行向量电压变化矩阵：

其中M代表取样观测的节点数，M＞s+1，且M为整数，

根据ΔV＝ZΔV1和式1可得：

在检测配电网中的所有电源节点的电压信息基础上，所述的步骤d中后台计算机只需要通过式2计算出所有行向量电压变化矩阵ΔV中除电源节点以外的非零值，即可确定故障节点的位置。

本发明的有益效果是，通过阻抗矩阵模型的方式，实现了智能配电网中故障信号的精确定位，可以及时发现故障所在位置，及时进行一段线路的维修，避免造成整个配电网停运。电网类型适用范围广，不仅适用于包含分布式电源的智能配电网，同时也能被很好的应用于传统电网。适用于所有的故障类型，包括过渡电阻接地。更重要的是，本发明采用电压采集观测方式，有效避免了电流传感器的测量与饱和误差，同时因为本发明所提方法并未使用到电流测量量，因此具有良好的抗噪性。

附图说明

图1是本发明中单个电路的故障等效原理图。

附图中，Zij是节点i与节点j之间的阻抗矩阵，

是节点i的等效电流源，

是节点j的等效电流源。

具体实施方式

本发明的新型智能配电网故障定位阻抗矩阵定位原理分析：

如图1所示，假设一个故障发生在线路ij上(包括节点i与j)，则该故障可以等效为节点i与j上的两个电流源，同时，线路ij的阻抗保持不变。

假设图1中各电气量的矩阵如下：

则故障前与故障期间的三相电流可以表示为：

同时，根据叠加原理可知，故障期间的支路电流包括负荷电流与故障电流：

I_ij ^期间＝I_ij ^前+I_ij ^F (3)

基于式(1)-(3)可知，线路ij的故障电流可以计算为

将式(4)的结论扩展到智能配电网的所有支路中可得：

简写为：

I^F _线路＝Y_线路ΔV (6)

假设智能配电网有l条支路，N个节点，则式(6)中电流向量规格为3l行1列，电压向量规格为3N行1列，Y_线路矩阵的规格为3l行3N列。

为了从支路故障电流向量I^F _线路中获得故障电流的注入向量，以下两个基于基尔霍夫电流定律的规则需要被明确：

1.除了有分布式电源连接节点外，当故障发生在某节点时，其所连接的支路流入节点的电流和将不为0；

2.除了有分布式电源连接的支路外，当该支路为配电系统末端时，其故障电流保持不变，且当该支路发生故障时，故障电流不为0。

基于上述两个规则，转换矩阵A可以被定义为：

在智能配电网的网络树图中，除去连接有电源(包括分布式电源)的节点，然后以剩余的节点为行标，以I^F _线路的支路编号顺序为列标的3(N-S)行3l列向量。其中，S为智能配电网中连接有电源的节点数。

则：

故障电流的注入向量：

I^F _注入＝AI^F _线路 (7)

I^F _注入中的非零值节点即表示故障电流注入的节点。

将式(6)带入式(7)：

I^F _注入＝AY_线路ΔV＝BΔV (8)

式中，B矩阵表示了节点电压与故障电流注入节点的关系。其物理意义为移除了连接有电源的智能配电网节点导纳矩阵。

将B矩阵扩充为与节点导纳矩阵相同的维度，则：

式中，I₃为维度为3的单位矩阵。

基于式(9)可知：

从式(10)中选取M个节点作为观测量，M>S+1，即：

C为从B矩阵中选取与测量节点相关的行向量组成的矩阵，称之为观测矩阵。

基于最小二乘法可得：

基于式(12)可得，若定义新型的故障定位阻抗矩阵为：

Z＝(C^TC)^-1C^T (13)

则在检测智能配电网中的所有电源节点的电压基础上，至少只需再检测一个飞电源节点，并利用式(12)计算出左侧向量中除电源节点以外的非零值，即可确定故障节点的位置。本方法仅利用了智能配电网中的电压信息，因此可以有效避免电流传感器的测量与饱和误差。

Claims (1)

1.一种基于阻抗矩阵的智能配电网故障定位方法，所述的方法是在搭设有三相配电网的所有支路上对所有支路流入节点进行电路信息采样的基础上实现的，其特征在于：所述的方法步骤如下：

a、对每一个支路以及每一个支路上的节点进行编号，建立所有支路流入节点的标准电路信息数据库，存储在后台计算机中；

b、在每一个节点上设置有信息采集单元，该信息采集单元均实时采集节点上的电路信息，该电路信息定义为观测信息，反馈给后台计算机中；

c、后台计算机实时处理所有信息采集单元的观测信息并与标准电路信息数据库中的标准电路信息进行对比，计算出是否具有电路信息变化量；

d、判定：如果某一节点的电路信息变化量为0，说明配电网该节点当前不存在故障，如果该节点的电路信息变化量不等于0，后台计算机判定配电网该节点当前存在故障，并且读取该支路与该节点的编号，故障定位完毕，

所述的信息采集单元为电压采集单元，标准电路信息数据库中存储的标准电路信息为所有支路上的每一个节点的标准电压信号，在此基础上，所述的步骤d判定故障时，如果某一节点的电压变化量为0，说明配电网该节点当前不存在故障，如果该节点的电压变化量不等于0，后台计算机判定配电网该节点当前存在故障，并且读取该支路与该节点的编号，故障定位完毕，

所述的步骤c中后台计算机具体处理过程为：

定义阻抗矩阵Z，观测信息矩阵C，观测信息矩阵C为在所有节点中选取与测量节点相关的行向量组成的矩阵，建立故障定位阻抗矩阵模型：

Z＝(C^TC)^-1C^T (式1)

其中C^T为C的转置矩阵，根据行向量中的电压变化信息，建立所有行向量电压变化矩阵：

其中G为行向量标识，s为配电网中连接有电源的节点数，且s为大于1的整数，I^F _注入为支路故障电流向量，

建立取样观测的行向量电压变化矩阵：

其中M代表取样观测的节点数，M＞s+1，且M为整数，

根据ΔV＝ZΔV1和式1可得：

在检测配电网中的所有电源节点的电压信息基础上，所述的步骤d中后台计算机只需要通过式2计算出所有行向量电压变化矩阵ΔV中除电源节点以外的非零值，即可确定故障节点的位置。

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