CN114355111A - 一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，包括如下步骤：确定配电网拓扑结构；根据配电网拓扑结构建立网络描述矩阵，网络描述矩阵标定正方向；对各监测点上传的故障电气量信息汇总，建立故障信息矩阵；结合网络描述矩阵和故障信息矩阵进行故障定位；输出定位结果。有益效果为：所建立的网络描述矩阵相较于传统无向关联矩阵而言，特点是矩阵已经标定正方向，处理多电源故障时具有较好兼容性；对配电网多分支复杂线路适应性较强，不会受到电缆架空线路混架和T接线影响，可以及时实现故障隔离，并指导运维人员前往指定位置解决故障，避免了大范围巡线工作，减少停电时间，提高供电可靠性和稳定性。

Description

一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，具体涉及一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法。

背景技术

在经济持续飞速发展的大背景下，对配电网的安全稳定运行提出了更高的要求。配电线路相较于高压输电线路，网络结构复杂且一般配电线路架设高度较低，发生故障的概率更高。目前我国的中低压配电网络中大多采用小电流接地方式，与国外的部分配电网中采用中性点直接接地方式不同，配电网络中70%以上的故障为单相接地故障，在中性点小电流接地的系统单相故障不会立即停电，故障相电压会基本归零，非故障相电压会上升至线电压，一般可以故障状态持续运行2小时，但是非故障相长时间处于过电压状态易引起绝缘受损甚至导致相间故障引起停电。可靠准确的确定配电网的故障区段是隔离排除配电网故障、快速恢复供电的基础。

目前配电网故障定位相较于主网仍有许多存在的问题：

1)电缆化率作为配电网更新改造的一个指标，电缆敷设逐渐增加，但电缆成本高，难以短时间实现全线路电缆化，最终造成了许多架空线路与电缆线路混架的局面，由于电缆的波阻抗和对地电容等参数与架空线路差异较大，目前架空线路的许多定位方法无法直接应用与混架线路中；

2)目前配电网大多呈现辐射状结构，与主网中简单的“点对点”的结构不同，沿线设备众多，重合闸、隔离开关、联络开关等沿线分布，同时配电网分支较多，线路距离较短，对故障定位增加了难度；

3)配电网电压等级低，架空线路架设高度也较低，易因树木超高等原因导致单相接地故障，配电电缆一般敷设深度较浅，在道路施工时易被挖断，造成大规模停电；

由于上述原因，配电网故障定位的发展受到较大限制，输电线路中站内故障测距技术由于配电网分支众多，难以确定故障具体所在分支；输电线路中的分布式行波故障定位技术由于配电网内混架线路居多且距离较短，对故障定位产生了较大的困难。

目前也有部分学者采用人工智能的方式进行故障定位，但是这种方法存在建模复杂，故障定位效率低，需要训练样本多，运行速度慢等问题，因此这种方法仅存在与理论研究阶段，暂时无法大规模的应用于实际的配网线路中。

综上所述，由于配电网的一些特点，许多故障定位的方式难以在配电网中实现或实现效果不佳，因此亟需一种适合配电网多分支复杂结构的故障定位方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，包括：

S100、确定配电网拓扑结构；

S200、根据配电网拓扑结构建立网络描述矩阵，网络描述矩阵标定正方向；

S300、对各监测点上传的故障电气量信息汇总，建立故障信息矩阵；

S400、结合网络描述矩阵和故障信息矩阵进行故障定位；

S500、输出定位结果。

在上述技术方案的基础上，发明还可以做如下改进。

进一步，柱上断路器的输出信号通过航插及同轴电缆连接到FTU单元中。

进一步，网络描述矩阵中元素为-1,1和0。

进一步，网络描述矩阵为方阵，阶数与区段阶数相同。

进一步，S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路；

若每一条线路或个接点上均发生接地故障，第i条线路或个接点处上的故障电流定义为I_gi，第j个监测点上流过的故障电流为I_j，通过叠加定理对每处故障进行分析以得到故障电流方程组：

将方程组以矩阵的方式表述；

通过矩阵逆变换运算，得到线路故障电流关于监测点电流矩阵的关系式，其中仅含-1，1和0元素的矩阵即为所得网络描述矩阵。

进一步，S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路，其中，监测点称为节点，接点和线路称为区段；

确定正方向，按照树枝法对所有区段按顺序进行编号；

对每一个区段和其连接的所有节点判断，按照正方向在区段内，若正方向离开该节点，则该位置处的元素设为1；

若正方向在区段内进入该节点，则该位置处元素设为-1；

若节点与区段无连接，则将该点元素设为0，即可得到网络描述矩阵。

进一步，故障信息矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，则故障信息矩阵可以描述为1×n阶的矩阵，以及假定从电源侧流向故障点的电流为正方向，矩阵内元素的设置方法为：

当监测点i处流过正方向的故障电流时，矩阵元素g_i置为1，其他情况下矩阵元素均为0。

进一步，还包括：

S500中在输出定位结果时，先判断故障信息完整性，若完整，则直接输出定位结果，若不完整，则修正故障信息矩阵，并重复S400。

进一步，修正故障信息矩阵为：对故障信息向量进行修正。

进一步，修正故障信息矩阵的过程如下：

确定含非0的元素的区段；

逐个考察故障信息矩阵中的元素，首先始监测点i₁处若存在故障信号，故障可能发生在与始监测点i₁相连的线路及其下游；

与始监测点i₁相连的监测点为i₂，判断i₂是否存在故障电流，若存在则继续向与i₂相连的下游监测点进行相同判断，直至监测点i_n处无故障电流，则判断故障区间在监测点i_n与i_n-1之间；

若i₂处无故障电流，继续向后判断，如果下游监测点中存在故障电流，则将上游监测点中故障信息矩阵元素修正为1。

本发明的有益效果是：

1）所建立的网络描述矩阵相较于传统无向关联矩阵而言，特点是矩阵已经标定正方向，处理多电源故障时具有较好兼容性；

2）对配电网多分支复杂线路适应性较强，不会受到电缆架空线路混架和T接线影响，可以及时实现故障隔离，并指导运维人员前往指定位置解决故障，避免了大范围巡线工作，减少停电时间，提高供电可靠性和稳定性；

3）网络描述矩阵为方阵，阶数与区段阶数相同，相较于传统关联矩阵可以大大减小矩阵规模，在大规模复杂电力网络中可以较大程度减少计算量，加快运算速度；

4）容错性较好，部分电气量监测点存在误报或漏报异常时，仍然能够通过修正矩阵确定故障位置，解决了因某设备故障信息丢失导致无法定位的问题。

附图说明

图1为发明所述基于网络描述矩阵的配电网故障定位方法的第一种流程图；

图2为发明所述基于网络描述矩阵的配电网故障定位方法的第二种流程图；

图3为放射型线配电网拓扑结构；

图4为放射型线配电网拓扑结构的区段3发生单相故障；

图5为故障信息采集系统图。

具体实施方式

以下结合附图对发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释发明，并非用于限定发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种基于网络描述矩阵的配电网故障定位方法，包括如下步骤：

S100、确定配电网拓扑结构；

S200、根据配电网拓扑结构建立网络描述矩阵，网络描述矩阵标定正方向，网络描述矩阵相较于传统无向关联矩阵在处理多电源故障时具有较好兼容性；

S300、对各监测点上传的故障电气量信息汇总，建立故障信息矩阵；

S400、结合网络描述矩阵和故障信息矩阵进行故障定位；

S500、输出定位结果。

实施例2

本实施例为在实施例1的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

网络描述矩阵中元素为-1,1和0。

实施例3

本实施例为在实施例1或2的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

网络描述矩阵为方阵，阶数与区段阶数相同，相较于传统关联矩阵可以大大减小矩阵规模，在大规模复杂电力网络中可以较大程度减少计算量，加快运算速度。

实施例4

本实施例为在实施例1或2或3的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路；

若每一条线路或个接点上均发生接地故障，第i条线路或个接点上的故障电流定义为I_gi，第j个监测点上流过的故障电流为I_j，通过叠加定理对每处故障进行分析以得到故障电流方程组：

将方程组以矩阵的方式表述；

通过矩阵逆变换运算，得到线路故障电流关于监测点电流矩阵的关系式，其中仅含-1，1和0元素的矩阵即为所得网络描述矩阵。

实施例5

本实施例为在实施例1或2或3的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路，其中，监测点称为节点，接点和线路称为区段；

确定正方向，按照树枝法对所有区段按顺序进行编号；

对每一个区段和其连接的所有节点判断，按照正方向在区段内若正方向离开该节点，则该位置处的元素设为1；

若正方向在区段内进入该节点，则该位置处元素设为-1；

若节点与区段无连接，则将该点元素设为0，即可得到网络描述矩阵。

实施例6

本实施例为在实施例1的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

故障信息矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，则故障信息矩阵可以描述为1×n阶的矩阵，以及假定从电源侧流向故障点的电流为正方向，矩阵内元素的设置方法为：

当监测点i处流过正方向的故障电流时，矩阵元素g_i置为1，其他情况下矩阵元素均为0。

实施例7

如图2所示，本实施例为在实施例1的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

在实际配电网中的监测设备，由于通信信道堵塞或监测装置故障，故障信息可以无法发送至系统中心处，故障信息存在缺失会导致最终形成的故障信息矩阵出现误差，影响最终定位结果；

故基于网络描述矩阵的配电网故障定位方法还包括：

S500中在输出定位结果时，先判断故障信息完整性，若完整，则直接输出定位结果，若不完整，则修正故障信息矩阵，并重复S400。

实施例8

如图2所示，本实施例为在实施例1的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

修正故障信息矩阵为：对故障信息向量进行修正。

实施例9

本实施例为在实施例1的基础上对其所进行的进一步改进，具体如下：

修正故障信息矩阵的过程如下：

确定含非0的元素的区段；

逐个考察故障信息矩阵中的元素，首先始监测点i₁处若存在故障信号，故障可能发生在与始监测点i₁相连的线路及其下游；

与始监测点i₁相连的监测点为i₂，判断i₂是否存在故障电流，若存在则继续向与i₂相连的下游监测点进行相同判断，直至监测点i_n处无故障电流，则判断故障区间在监测点i_n与i_n-1之间；

若i₂处无故障电流，继续向后判断，如果下游监测点中存在故障电流，则将上游监测点中故障信息矩阵元素修正为1。

应用例：

为方便理解本发明所描述的技术方案，故在此进行举例说明：

配电网拓扑结构为一个简单的放射型含T接线配电网拓扑结构，以该配电网拓扑结构为例对网络描述矩阵的建立进行说明，图3中序号1～6为线路中电气监测点安装位置，在拓扑结构中称为节点，图3中序号①、②、③、④为线路支线和接点位置，在拓扑结构中称为区段；

通过矩阵法故障定位首先需要根据配电网拓扑结构绘制出网络描述矩阵，只要配电网拓扑结构不发生变化，网络描述矩阵是一个固定的矩阵，它是通过拓扑矩阵的方式将电力系统各个元件的连接关系进行描述，因此受拓扑结构影响较大，每次变化后都需要重新生成矩阵，考虑到配电网拓扑结构复杂且拓扑结构易发生变化，需要对矩阵法进行一定的优化，在减小运算量的同时解决拓扑结构变化的影响；

首先从原理上推到网络描述矩阵的形成过程，图3中共有6个监测点，1个接点，4条线路；

假设每一条线路或个接点上都发生接地故障，第i条线路或个接点处上的故障电流定义为Ig_i，第j个监测点上流过的故障电流为I_j，在忽略负荷电流情况下，仅考虑故障电流，通过叠加定理对每处故障进行分析可以得到以下故障电流方程组：

不考虑末端电流监测点，可以将上述方程组以矩阵的方式表述出来：

通过矩阵逆变换运算，可以得出线路故障电流关于监测点电流矩阵的关系式：

其中仅含-1，1和0元素的矩阵即为所得网络描述矩阵：

除了通过逆运算，也可能通过拓扑结构直观的确定矩阵元素：

1) 首先确定正方向，按树枝法按顺序进行编号；在图4中规定变压器向负荷侧为正方向；

首先监测点1为第一级，首先进行编号；

监测点2为第二级，再编号为2；

监测点3和监测点4为第三级，分别编号为3和4，以此方法对所有监测点编号；

2) 按照树枝法对同样所有区段进行编号，

3) 对每一个区段和其连接的所有节点判断，按照正方向在区段内，若正方向离开该节点，则该位置处的元素设为1；若正方向在区段内进入该节点，则该位置处元素设为-1，若节点与区段无连接，则将该点元素设为0。

通过上述方法即可自动形成配电网拓扑结构的网络描述矩阵，该网络描述矩阵相较于传统无向网络矩阵而言，特点是网络描述矩阵已经标定正方向，处理多电源故障时具有较好兼容性，网络描述矩阵为方阵，阶数与区段阶数相同，相较于传统关联矩阵可以大大减小矩阵规模，在大规模复杂电力网络中可以较大程度减少计算量，加快运算速度。

利用矩阵法故障定位时，需要利用网络描述矩阵和故障信息矩阵共同得到故障区段的信息，网络描述矩阵在上述描述中采用了改进的关联矩阵的方式，接下来需要得到故障信息矩阵即可进行定位；

故障信息矩阵的建立与监测点采集的故障电气量有关，一般发生故障后典型的是会产生故障电流，靠近电源侧会产生较大的故障电流，也可以采用继电保护中常用的零序量作为参考依据，在分析过程中假定从电源侧流向故障点的电流为正方向。监测装置能够上传故障前后采集电气量信息，并通过采集信息形成故障信息矩阵。监测装置采集到的电气量通过通信线路上传至系统主站中形成故障信息矩阵，其系统结构如图5所示；

假设拓扑网络中共有n个监测点，则故障信息矩阵G=[g_i]可以描述为1×n阶的矩阵，矩阵内元素的设置方法为：当测量点i处流过正方向的故障电流时，矩阵元素g_i置为1，其他情况下矩阵元素均为0；

如图4所示，假设在区段3中发生单相接地故障，监测点1，监测点2，监测点3均能测到故障电流，此时故障信息矩阵G可以表示为；

结合网络描述矩阵，即可由下式得到故障位置：

由上述计算得出的故障位置P可知故障发生在区段3内。通过这种方式可以及时实现故障隔离，并指导运维人员前往指定位置解决故障，避免了大范围巡线工作，减少停电时间，提高供电可靠性和稳定性；

然而在实际配电网中的监测设备，由于通信信道堵塞或监测装置故障，故障信息 可以无法发送至系统中心处，故障信息存在缺失会导致最终形成的故障信息矩阵出现误 差，影响最终定位结果，假设图4中监测点2的设备出现问题，无法正确上传故障信息，此时 的故障信息矩阵会变为：

最终的得到的故障信息矩阵则会变成：

显然此时得到的故障定位无法实现定位，为了提高矩阵法自动定位故障的抗干扰性和普适性，需要在故障信息缺失时，对故障信息向量进行修正，保证线路故障自动定位的准确性，具体修正方式如下：

1) 故障信息矩阵结合线路集确定在故障信息缺失时判断的故障区间，即先确定含非0的元素的区段，在本例中故障区间为线路1、节点2、线路3；

2）修正故障信息矩阵：逐个考察故障信息矩阵中的元素，首先始监测点i₁处若存在故障信号，故障可能发生在与始监测点i₁相连的线路及其下游，与始监测点相连的监测点为i₂，判断i₂是否存在故障电流，若存在，则继续向与i₂相连的下游监测点进行相同判断，直至监测点i_n处无故障电流，则判断故障区间在监测点i_n与i_n-1之间；

若i₂处无故障电流，继续向后判断，如果下游监测点中存在故障电流，则将上游监测点中故障信息矩阵元素修正为1；

在本例中始监测点1处测量故障电流，则故障可能发生在与之相连的线路1及下游 线路中，与始监测点相连的监测点2处无故障电流，此时故障线路暂定为线路1，与监测点2 下游的监测点3和监测点4中，监测点3监测到故障电流，因此将监测点2处故障信息改为1， 直至判断完所有监测点，因此修正后的故障信息矩阵为：

利用修正后的故障信息矩阵进行后续故障定位算法，结果故障线路为3，与无故障信息缺失的结果相同，说明故障信息向量修正成功。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、确定配电网拓扑结构；

S200、根据配电网拓扑结构建立网络描述矩阵，网络描述矩阵标定正方向；

S300、对各监测点上传的故障电气量信息汇总，建立故障信息矩阵；

S400、结合网络描述矩阵和故障信息矩阵进行故障定位；

S500、输出定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：网络描述矩阵中元素为-1,1和0。

3.根据权利要求2所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：网络描述矩阵为方阵，阶数与区段阶数相同。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：

S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路；

若每一条线路或个接点上均发生接地故障，第i条线路或个接点处上的故障电流定义为I_gi，第j个监测点上流过的故障电流为I_j，通过叠加定理对每处故障进行分析以得到故障电流方程组：

将方程组以矩阵的方式表述；

通过矩阵逆变换运算，得到故障电流关于监测点电流矩阵的关系式，其中仅含-1，1和0元素的矩阵即为所得网络描述矩阵。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：

S200中网络描述矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，m个接点,p条线路，其中，监测点称为节点，接点和线路称为区段；

确定正方向，按照树枝法对所有区段按顺序进行编号；

对每一个区段和其连接的所有节点判断，按照正方向在区段内，若正方向离开该节点，则该位置处的元素设为1；

若正方向在区段内进入该节点，则该位置处元素设为-1；

若节点与区段无连接，则将该点元素设为0，即可得到网络描述矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：

故障信息矩阵的形成过程如下：

假设配电网拓扑结构具有n个监测点，则故障信息矩阵可以描述为1×n阶的矩阵，以及假定从电源侧流向故障点的电流为正方向，矩阵内元素的设置方法为：

当监测点i处流过正方向的故障电流时，矩阵元素g_i置为1，其他情况下矩阵元素均为0。

7.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于，还包括：

S500中在输出定位结果时，先判断故障信息完整性，若完整，则直接输出定位结果，若不完整，则修正故障信息矩阵，并重复S400。

8.根据权利要求7所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：

修正故障信息矩阵为：对故障信息向量进行修正。

9.根据权利要求8所述的一种基于改进关联矩阵的配电网故障定位方法，其特征在于：

修正故障信息矩阵的过程如下：

确定含非0的元素的区段；

逐个考察故障信息矩阵中的元素，首先始监测点i₁处若存在故障信号，故障可能发生在与始监测点i₁相连的线路及其下游；

与始监测点i₁相连的监测点为i₂，判断i₂是否存在故障电流，若存在则继续向与i₂相连的下游监测点进行相同判断，直至监测点i_n处无故障电流，则判断故障区间在监测点i_n与i_n-1之间；

若i₂处无故障电流，继续向后判断，如果下游监测点中存在故障电流，则将上游监测点中故障信息矩阵元素修正为1。

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