CN113391160B - 一种具有容错性的电压暂降源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有容错性的电压暂降源定位方法，具体为：构建最近邻连接矩阵和区段位置矩阵；获取与扰动导纳参数最大的监测设备直接相连的其他监测设备的编号，组成第一列表；将监测到扰动的监测设备作为第二列表，与第一列表取交集得到编号组；根据编号组构建小区段位置矩阵；计算定向矩阵；分析小区段位置矩阵和修正参数矩阵，若扰动中心点所在行对应的修正参数为1，则计算故障点判定矩阵，若不为1，则更新扰动中心点；更新扰动中心点，再次判断；计算故障点判定矩阵。当有监测设备处于离线状态时，保证扰动导纳最大点是电压故障点，进而保证电压暂降定位的准确性，同时算法本身也具有一定容错性。

Description

一种具有容错性的电压暂降源定位方法

技术领域

本发明涉及一种具有容错性的电压暂降源定位方法，属于电压暂降区段定位技术领域。

背景技术

当供电线路中有过大的电流时，过大的电流流过阻抗，就会产生电压降，电流越大，电压降越大，电网的电压降低。

引起电压暂降的原因是线路中在短时间内出现了远远超过正常情况的电流结果导致出现了远低于正常电压的电压。引起瞬间大电流的原因往往是线路中出现了短路故障。当线路的某个局部出现短路故障时，导致电流急剧增大，电压骤然降低。但是故障电路中的保护装置马上就开始动作，将故障点隔离，于是电压又恢复正常，这就形成了短暂的电压降低。另外，大功率负荷突然接入电网也会导致电压骤降。

电网导致电压暂降的原因包括气候条件、电力公司的设备故障、各种短路故障、大型电动机的起动、雷击等。对电压暂降源的准确定位有助于电压暂降的治理。电压暂降源的方向判别具体是指判断引起电压暂降的扰动源位于电能质量监测装置的哪一侧。电压暂降源方向的准确判断有助于鉴定供用电双方对电压暂降扰动的责任。基于单个监测装置的电压暂降源方向判别是电压暂降源区段定位的基础，对于安装有多个电能质量监测装置的电力网络，利用各监测装置判断得到的扰动方向信息可实现暂降源的区段定位。将电力系统等效为一个双机系统，电压暂降源相对于监测的位置可分为上游和下游。电压暂降源相对于监测的位置可分为上游和下游。当区段位于监测装置下方时为下游，反之则称为电压暂降源位于监测装置的上游。

目前的基于权重的电压暂降源区段定位法，存在以下问题：传统的电压暂降源区段定位方法为C×W×S，其中C是拓扑矩阵，用来描述电网的拓扑结构，W是扰动参数，用来评价不同电能质量监测装置感受到的扰动程度，S是监测矩阵，用来描述每个电能质量监测装置对暂降源方向的判别信息。

一般来说，选择扰动导纳最大点的监测设备的对应编号，获取与该扰动导纳最大点的监测设备相连接的其它相邻监测设备的编号，组成编号组，根据编号组中的监测设备，建立两个矩阵，一个是最近邻连接矩阵，一个是与最近邻连接矩阵对应的最近邻区段位置矩阵，再根据扰动中心点，从上述两个矩阵中筛选，获取区段位置矩阵C，可以将扰动导纳作为电压暂降程度的评判指标，越靠近故障发生点，扰动导纳参数一般也就越大，但是，只考虑了在线的监测设备，忽略了监测设备离线状况，当有监测设备处于离线状态时，如何保证扰动导纳最大点是电压故障点的问题，因此需要提出针对存在监测设备离线状态下的电压暂降定位方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有容错性的电压暂降源定位方法，针对存在监测设备离线状态下的电压暂降进行定位，保证电压暂降定位的准确性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有容错性的电压暂降源定位方法，包括如下步骤：

步骤1，根据电网的拓扑结构以及电能质量监测设备在电网中的分布，构建最近邻连接矩阵Z_m×m和区段位置矩阵C′_l×m，其中，l是电网中的区段总数，m是电网中监测设备的个数；

步骤2，计算电网中每个监测设备的扰动导纳参数，选择扰动导纳参数最大的监测设备对应的编号，根据最近邻连接矩阵Z_m×m获取与扰动导纳参数最大的监测设备直接相连的其他监测设备的编号，与扰动导纳参数最大的监测设备对应的编号一起组成第一列表；

步骤3，对于电网中各个监测设备，若某监测设备监测到扰动，将该监测设备对应的编号放在第二列表中，对第一列表和第二列表取交集，得到编号组{x₁,x₂,…,x_n}，x₁,x₂,…,x_n从小到大排列，x₁,x₂,…,x_n均∈{1,…,m}，n＜m，n为编号组中所有编号的个数；

步骤4，根据编号组中的元素x₁,x₂,…,x_n，从区段位置矩阵C′_l×m中挑选第x₁行第x₁,x₂,…,x_n列的元素、第x₂行第x₁,x₂,…,x_n列的元素、以此类推以及第x_n行第x₁,x₂,…,x_n列的元素，构成小区段位置矩阵C_n×n；

步骤5，采用基于系统正序等效阻抗的暂降源方向判别方法，对暂降源与编号组中各编号对应的监测设备的方向进行判断，得到定向矩阵S_n×1；

步骤6，计算小区段位置矩阵C_n×n每一行对应的修正参数，得到修正参数矩阵a_n×1，将编号组{x₁,x₂,…,x_n}中扰动导纳参数最大的监测设备作为扰动中心点，根据小区段位置矩阵C_n×n中扰动中心点所在行，在修正参数矩阵a_n×1中找到对应的修正参数，判断该修正参数是否为1，若不为1，则判断真正的扰动中心点丢失，并进入步骤7；若为1，则进入步骤8；

步骤7，反向计算与编号组{x₁,x₂,…,x_n}中扰动导纳参数最大的监测设备相连的其他所有监测设备的电压电流特征量，反推出其他所有监测设备的扰动导纳参数，再次确定新的扰动中心点，根据新的扰动中心点，再次计算小区段位置矩阵和修正参数矩阵，根据小区段位置矩阵中新的扰动中心点所在行，在修正参数矩阵中找到对应的修正参数，判断修正参数是否为1，若不为1，则上报故障，人工排查故障发生位置；若为1，则进入步骤8；

步骤8，获取编号组对应的扰动导纳权重矩阵W，用小区段位置矩阵每一行对应的修正参数乘以该行各元素，得到新的矩阵，将新的矩阵乘以扰动导纳权重矩阵W，再乘以定向矩阵S_n×1，得到判定矩阵D，判定矩阵D中元素最大值对应的编号所在位置即为故障发生位置。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述最近邻连接矩阵Z_m×m中的元素代表电网中各监测设备与其他监测设备的连接情况，具体为：

其中，z_jk表示第j个监测设备与第k个监测设备是否直接相连，直接相连则z_jk＝1，不直接相连则z_jk＝0，j＝1,…,m，k＝1,…,m。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述区段位置矩阵C′_l×m中的元素代表电网各区段相对各监测设备的相对位置关系，具体为：

其中，c_ij∈{0,1,-1}，当第i个区段与第j个监测设备不直接相连时，c_ij＝0；当第i个区段与第j个监测设备直接相连且第i个区段位于第j个监测设备上游时，c_ij＝1；当第i个区段与第j个监测设备直接相连且第i个区段位于第j个监测设备下游时，c_ij＝-1；i＝1,…,l，j＝1,…,m。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述扰动导纳参数的计算方法为：

DN＝(IA-IAS)/(UA)

其中，DN表示扰动导纳参数，IA、UA分别表示暂降期间的电流、电压，IAS表示稳态时的平均电流。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤5的具体过程如下：

5.1，计算电压暂降发生后各相的扰动电压和扰动电流；

5.2，针对各相的扰动电压和扰动电流，利用离散傅里叶变换从扰动电压的瞬时值提取扰动电压向量，同时，利用离散傅里叶变换从扰动电流的瞬时值提取扰动电流向量；

5.3，针对所有相的扰动电压向量，使用对称分量变换计算正序扰动电压向量，针对所有相的扰动电流向量，使用对称分量变换计算正序扰动电流向量；

5.4，根据正序扰动电压向量和正序扰动电流向量使用最小二乘法计算正序等效阻抗，当正序等效阻抗大于零时，判定电压暂降源位于监测设备的上游，当正序等效阻抗小于零时，判定电压暂降源位于监测设备的下游。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述定向矩阵S_n×1中的元素定义为：当判定电压暂降源位于监测设备的上游时，取值为1；当判定电压暂降源位于监测设备的下游时，取值为-1。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤6的具体过程如下：

对于小区段位置矩阵C_n×n的某一行元素，找到该行的所有非零元素，若该行的非零元素数值与定向矩阵S_n×1中对应位置的元素数值均相同，则该行的修正参数为1；否则，确定该行的非零元素数值与定向矩阵S_n×1中对应位置的元素数值相同的个数，用该个数与该行所有非零元素的个数的比值作为该行的修正参数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供一种具有容错性的电压暂降源定位方法，当有监测设备处于离线状态时，保证扰动导纳最大点是电压故障点，进而保证电压暂降定位的准确性，同时算法本身也是具有一定容错性的，前提是丢失的并非是扰动导纳中心点。本发明提到的改进容错性，其实就是针对扰动中心点丢失的情况。

附图说明

图1是本发明一种具有容错性的电压暂降源定位方法的流程图。

图2是本发明实施例拓扑结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明提出的一种具有容错性的电压暂降源定位方法的流程图，具体步骤如下：

1、建立C’、Z矩阵。具体地，根据网络拓扑结构，建立两个矩阵，一个是最近邻连接矩阵Z，一个是区段位置矩阵C’。Z代表各设备与其他设备的连接情况，直接相连为1，不直接相连则为0；区段位置矩阵C’代表各区段相对其他设备的相对位置关系，区段位于设备上游则为1，位于设备下游则为-1。

2、从C’和Z矩阵提取出区段位置矩阵C。具体方法如下：(1)计算扰动导纳，选取扰动中心点，(2)从C’矩阵与Z矩阵中筛选，获取筛选后的区段位置矩阵C。具体地，(1)计算扰动导纳的方法如下：暂降期间电流有效值减去稳态时的电流有效值平均值，再除以暂降期间电压有效值，即：DN＝(IA-IAS)/(UA)；(2)从C’矩阵中筛选出扰动中心相连设备编号组L(选择扰动导纳最大点的监测设备的对应编号，获取与该扰动导纳最大点的监测设备相连接的其它相邻监测设备的编号，组成编号组L)，获取区段位置矩阵C方法如下：通过L与监测到扰动的设备编号组R的交运算，以得到保留编号组K，根据K中设备编号从Z矩阵中挑选对应设备行列，得到C。

3、定向。采用基于系统正序等效阻抗的暂降源方向判别方法，对暂减源方向进行判断，得到定向矩阵S。具体判断步骤如下：(1)计算电压暂降发生后各相的扰动电压、扰动电流。(2)利用离散傅里叶变换从扰动电压、扰动电流的瞬时值提取扰动电压向量、扰动电流向量。(3)使用对称分量变换计算正序扰动电压向量和正序扰动电流向量。(4)根据正序扰动电压向量和正序扰动电流向量使用最小二乘法计算系统的正序等效阻抗。当正序等效电阻大于零时，判定电压暂降源位于监测点的上游，当正序等效电阻小于零时，判定电压暂降源位于监测点的下游。

4、容错分析。包括两种情况，分别针对如下两种情况：(1)若丢失点为非扰动中心点，对C、a、S进行更新，再经过C*a*W*S，得到矩阵D，此时可以证明，算法对非扰动中心点丢失的情况可以具备一定的容错性。

(2)若丢失点为扰动中心点，结合网络拓扑结构，推算出该离线节点的电流电压等特征量，以反算出监测设备的扰动导纳值(其中，反算的方法是可以插值法等，来反推出离线监测设备的扰动导纳值)，再与之前计算得到的各设备扰动导纳进行对比，更新得到新的扰动中心点，并根据更新的扰动中心点，再次计算a矩阵，对比扰动中心点设备编号与a矩阵的对应位置参数关系，若满足要求，则以此次的定位结果为准，若仍不满足要求，则上报故障，进行人工排查。

5、定位。对区段位置矩阵C中的数值进行修正参数a的处理，目的是通过该种方法，而是加强定向结果的作用，从而提高电压暂降定位的准确性。处理方法如下：将区段位置矩阵C中的数值与监测矩阵S中的数值进行比较，若区段位置矩阵C的某一行的非零数值与监测矩阵S中对应位置的数值对应相等，则该行乘以修正参数值为1，若非零数值对应不相等，看相等的个数，乘以对应的比值，比如5个非零值，有3个相等，则区段位置矩阵C该行的矩阵数值乘以的修正参数值为3/5。将修正后的拓扑矩阵再分别乘以扰动导纳权重矩阵W和定向监测矩阵S，获取目标矩阵D，从所述目标矩阵里面，获取电压暂降的定位信息。(其中权重矩阵W的求法参考论文《电能质量扰动分类及定位方法研究》5.5部分的内容)。

容错实施例：

以图2所示拓扑结构中的节点13、14、23、24、33、34为例，假设扰动中心点为23节点且各节点均监测到了暂降扰动的发生，则可建立C、S矩阵如下：

C＝[[-1,1,1,0,-1,0],

[1,-1,-1,1,0,-1],

[1,1,-1,1,-1,-1],

[0,1,-1,-1,0,-1],

[1,0,1,0,-1,0],

[0,1,-1,1,0,-1]]

S＝[1,1,-1,1,-1,-1].T，T代表转置

假设W＝[[0.1,0,0,0,0,0],

[0,0.2,0,0,0,0],

[0,0,1,0,0,0],

[0,0,0,0.1,0,0],

[0,0,0,0,0.3,0],

[0,0,0,0,0,0.5]]

对应a＝[0.5,0.8,1,0.75,0.67,1]

则可得到D如下：

D＝[-0.3,1.2,2.2,1.2,-0.402,1.8]

则针对如下两种情况：

(1)丢失点非扰动中心点，如33节点，则C、a、S更新如下：

C＝[[-1,1,1,0,0],

[1,-1,-1,1,-1],

[1,1,-1,1,-1],

[0,1,-1,-1,-1],

[0,1,-1,1,-1]]

S＝[1,1,-1,1,-1].T，T代表转置

a＝[0.33,0.8,1,0.75,1]

经过C*a*W*S

得到D＝[-0.297,1.2,1.9,1.2,-0.9,1.8]

此时可以证明，算法对非扰动中心点的情况可以具备一定的容错性。

(2)丢失点为扰动中心点，如23节点，且新的扰动中心为24节点，则C、a、S更新如下：

C＝[[-1,1,-1],

[1,-1,-1],

[1,1,-1]]

S＝[1,1,-1].T，T代表转置

对应a＝[0.67,0.67,1]

此时定位结果存在错误，但根据本专利的思想，我们可以根据此情况综合分析(1)(2)，进行如下操作：

步骤1：根据设备数据及网络拓扑结构，获取C、a、W、S矩阵；

步骤2：分析C矩阵及a矩阵，对比C矩阵中的扰动中心设备编号与a矩阵对应位置的参数，分析该位置参数是否为1，若不为1，则扰动中心点丢失，反向计算24节点相连的所有其他设备的电压电流等特征量，计算每个节点的扰动导纳，再次确定扰动中心点。并根据更新的扰动中心点，再次计算a矩阵，对比扰动中心点设备编号与a矩阵的对应位置参数关系，若满足要求，则以此次的定位结果为准，若仍不满足要求，则上报故障，进行人工排查。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有容错性的电压暂降源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据电网的拓扑结构以及电能质量监测设备在电网中的分布，构建最近邻连接矩阵Z_m×m和区段位置矩阵C′_l×m，其中，l是电网中的区段总数，m是电网中监测设备的个数；

所述最近邻连接矩阵Z_m×m中的元素代表电网中各监测设备与其他监测设备的连接情况，具体为：

其中，最近邻连接矩阵Z_m×m中的元素z_jk表示第j个监测设备与第k个监测设备是否直接相连，直接相连则z_jk＝1，不直接相连则z_jk＝0，j＝1,…,m，k＝1,…,m；

所述区段位置矩阵C′_l×m中的元素代表电网各区段相对各监测设备的相对位置关系，具体为：

其中，区段位置矩阵C′_l×m中的元素c_ij∈{0,1,-1}，当第i个区段与第j个监测设备不直接相连时，c_ij＝0；当第i个区段与第j个监测设备直接相连且第i个区段位于第j个监测设备上游时，c_ij＝1；当第i个区段与第j个监测设备直接相连且第i个区段位于第j个监测设备下游时，c_ij＝-1；i＝1,…,l；

步骤2，计算电网中每个监测设备的扰动导纳参数，选择扰动导纳参数最大的监测设备对应的编号，根据最近邻连接矩阵Z_m×m获取与扰动导纳参数最大的监测设备直接相连的其他监测设备的编号，与扰动导纳参数最大的监测设备对应的编号一起组成第一列表；

步骤3，对于电网中各个监测设备，若某监测设备监测到扰动，将该监测设备对应的编号放在第二列表中，对第一列表和第二列表取交集，得到编号组{x₁,x₂,…,x_n}，x₁,x₂,…,x_n从小到大排列，x₁,x₂,…,x_n均∈{1,…,m}，n＜m，n为编号组中所有编号的个数；

步骤4，根据编号组中的元素x₁,x₂,…,x_n，从区段位置矩阵C′_l×m中挑选第x₁行第x₁,x₂,…,x_n列的元素、第x₂行第x₁,x₂,…,x_n列的元素、以此类推以及第x_n行第x₁,x₂,…,x_n列的元素，构成小区段位置矩阵C_n×n；

步骤5，采用基于系统正序等效阻抗的暂降源方向判别方法，对暂降源与编号组中各编号对应的监测设备的方向进行判断，得到定向矩阵S_n×1；具体过程如下：

5.1，计算电压暂降发生后各相的扰动电压和扰动电流；

5.2，针对各相的扰动电压和扰动电流，利用离散傅里叶变换从扰动电压的瞬时值提取扰动电压向量，同时，利用离散傅里叶变换从扰动电流的瞬时值提取扰动电流向量；

5.3，针对所有相的扰动电压向量，使用对称分量变换计算正序扰动电压向量，针对所有相的扰动电流向量，使用对称分量变换计算正序扰动电流向量；

5.4，根据正序扰动电压向量和正序扰动电流向量使用最小二乘法计算正序等效阻抗，当正序等效阻抗大于零时，判定电压暂降源位于监测设备的上游，当正序等效阻抗小于零时，判定电压暂降源位于监测设备的下游；

步骤6，计算小区段位置矩阵C_n×n每一行对应的修正参数，得到修正参数矩阵a_n×1，将编号组{x₁,x₂,…,x_n}中扰动导纳参数最大的监测设备作为扰动中心点，根据小区段位置矩阵C_n×n中扰动中心点所在行，在修正参数矩阵a_n×1中找到对应的修正参数，判断该修正参数是否为1，若不为1，则判断真正的扰动中心点丢失，并进入步骤7；若为1，则进入步骤8；

步骤7，反向计算与编号组{x₁,x₂,…,x_n}中扰动导纳参数最大的监测设备相连的其他所有监测设备的电压电流特征量，反推出其他所有监测设备的扰动导纳参数，再次确定新的扰动中心点，根据新的扰动中心点，再次计算小区段位置矩阵和修正参数矩阵，根据小区段位置矩阵中新的扰动中心点所在行，在修正参数矩阵中找到对应的修正参数，判断修正参数是否为1，若不为1，则上报故障，人工排查故障发生位置；若为1，则进入步骤8；

步骤8，获取编号组对应的扰动导纳权重矩阵W，用小区段位置矩阵每一行对应的修正参数乘以该行各元素，得到新的矩阵，将新的矩阵乘以扰动导纳权重矩阵W，再乘以定向矩阵S_n×1，得到判定矩阵D，判定矩阵D中元素最大值对应的编号所在位置即为故障发生位置。

2.根据权利要求1所述具有容错性的电压暂降源定位方法，其特征在于，步骤2所述扰动导纳参数的计算方法为：

DN＝(IA-IAS)/(UA)

其中，DN表示扰动导纳参数，IA、UA分别表示暂降期间的电流、电压，IAS表示稳态时的平均电流。

3.根据权利要求1所述具有容错性的电压暂降源定位方法，其特征在于，步骤5所述定向矩阵S_n×1中的元素定义为：当判定电压暂降源位于监测设备的上游时，取值为1；当判定电压暂降源位于监测设备的下游时，取值为-1。

4.根据权利要求1所述具有容错性的电压暂降源定位方法，其特征在于，所述步骤6的具体过程如下：

对于小区段位置矩阵C_n×n的某一行元素，找到该行的所有非零元素，若该行的非零元素数值与定向矩阵S_n×1中对应位置的元素数值均相同，则该行的修正参数为1；否则，确定该行的非零元素数值与定向矩阵S_n×1中对应位置的元素数值相同的个数，用该个数与该行所有非零元素的个数的比值作为该行的修正参数。

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