CN115308536B - 一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法 - Google Patents

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CN115308536B CN202211195772.6A CN202211195772A CN115308536B CN 115308536 B CN115308536 B CN 115308536B CN 202211195772 A CN202211195772 A CN 202211195772A CN 115308536 B CN115308536 B CN 115308536B
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Abstract

本发明公开了一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，涉及电能计量领域，其包括获取配电网信息，并判断配电网中是否发生故障；在配电网的电路中设置至少两个微型同步相量测量单元，通过微型同步相量测量单元获取电路的相角信息，并判断任意两个微型同步相量测量单元之间是否发生含分布式电源类型故障（D类故障）；在没有发生D类故障时，通过克拉克变换和小波模极大值确定疑似故障区段（分别为F1类故障和F2类故障）。本发明能够可靠精准地识别故障区段，且适应性强和经济性好。

Description

一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法
技术领域
本发明涉及电能计量领域，具体涉及一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法。
背景技术
配电网作为电力系统中的枢纽连接大电网与用户，对于保障电网的安全稳定运行起至关重要的作用。随着社会经济的发展，现代配电网呈现多源化，高密度的发展模式，拓扑结构不再为传统的单电源结构，为新形势下的配电网故障保护、识别和定位工作带来了新的挑战。
在配电网中，快速准确的故障定位主要依靠高精度和实时性的设备对电网运行的信息的提取和处理，并通过电力网络的参数进行计算，从而计算出故障在网络中所处的位置，使运维检修人员能够在最短时间内对故障进行检修，以达到快速恢复供电的目的。传统的配电网故障定位方法主要有行波法、阻抗法、信号注入法和人工智能算法。行波法在处理网络拓扑结构复杂的配电网时，不断的折射和反射使得精确地获取波的波头成为难点，同时，大量的配置专用的行波检测装置也存在经济性和工程实用性的问题；信号注入法在大量分布式电源接入时，易受干扰；人工智能方法受限于训练样本来源与数量，仍需要深入研究；传统配电网阻抗法多采用电压电流序分量幅值信息，其精度受到互感器及现场条件制约。同步相量测量单元（phasor measurement unit，PMU）具有高精度、高分辨率和高同步性，在输电网中应用较为广泛，受制于庞大的体积和高昂的成本，难以直接应用在配电网中。近年来，一种微型多功能同步相量测量单元（multifunctional micro phasormeasurement unit，μMPMU）在配电网的应用日益广泛，其可以实时、同步、高精度地量测电压、电流的幅值、相位信息，幅值和相位误差仅为 0.5%和0.01°，并具备高达30kHz的采样速率。因此，利用微型同步相量测量单元（μPMU）对故障点电压电流相量的采集，并结合双端阻抗法对配电网进行故障定位，能够有效解决传统故障定位方法精度不足，且易受干扰的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法解决了现有技术精确性、适应性和经济性差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其包括以下步骤：
S1、划分故障定位域：在配电网中配置若干微型同步相量测量单元，将节点i到节点j以及节点i到节点j之间的支路含有DG的双端电源区域作为含DG区域；将剩余区域作为其他区域；
S2、获取配电网信息，并判断配电网中是否发生故障；若是则进入步骤S3；否则继续获取配电网信息并进行故障判断；
S3、通过微型同步相量测量单元获取其所在节点的电流相角信息，根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域，若是则计算该故障对应的区段，并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S4；
S4、判断两个微型同步相量测量单元其中一个微型同步相量测量单元所接支点对应的各个支路的另一端是否存在另一个微型同步相量测量单元，若是则进入步骤S5；否则进入步骤S6；其中，将发生于两个微型同步相量测量单元之间的故障作为F1类故障，将发生于单个微型同步相量测量单元与支路之间的逆变型故障作为F2类故障；
S5、判断是否能够计算得到F1类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S6；
S6、判断是否能够计算得到F2类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则返回步骤S1。
进一步地，步骤S3中根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域的具体方法为：
判断含DG区域中两个微型同步相量测量单元所在节点的电流相角差值的绝对值是否大于0，若是则判定故障发生在含DG区域；否则判定故障发生在其他区域。
本发明的有益效果为：
1、对配电网拓扑结构进行故障定位域的划分，将配电网按照μPMU的配置情况，划分不同的故障类型进行判定，准确得到不同分类模型和不同故障区段；
2、提取节点两端电压、电流相角等信息的提取，并构建基于克拉克变换的相角差值的故障判定值以确定D类故障，判断结果准确可靠；
3、通过小波模极大值确定疑似故障区段，以此快速缩小故障定位区域，并通过双端阻抗法和单端阻抗法相结合的形式判定F1类故障和F2类故障的具体位置。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为D类故障定位区段；
图3为D类故障等效分析图；
图4为F1类故障定位区段；
图5为F2类故障定位区段；
图6为配电网系统局部图；
图7为F1类故障疑似故障区段等效图；
图8为实施例局部算例模型；
图9为接入D类故障前无故障幅值；
图10为接入D类故障单相接地故障幅值；
图11为接入D类故障故障相间短路故障幅值；
图12为接入D类故障故障相间短路接地故障幅值；
图13为接入F类故障无故障幅值；
图14为接入F类单相接地故障幅值；
图15为接入F类相间短路故障幅值；
图16为接入F类故障相间短路接地故障幅值；
图17为D类故障各节点小波模极大值；
图18为F类故障各节点小波模极大值。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，提供一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其包括以下步骤：
S1、划分故障定位域：在配电网中配置若干微型同步相量测量单元，将节点i到节点j以及节点i到节点j之间的支路含有DG（分布式电源）的双端电源区域作为含DG区域；将剩余区域作为其他区域；
S2、获取配电网信息，并判断配电网中是否发生故障；若是则进入步骤S3；否则继续获取配电网信息并进行故障判断；
S3、通过微型同步相量测量单元获取其所在节点的电流相角信息，根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域，若是则计算该故障对应的区段，并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S4；
S4、判断两个微型同步相量测量单元其中一个微型同步相量测量单元所接支点对应的各个支路的另一端是否存在另一个微型同步相量测量单元，若是则进入步骤S5；否则进入步骤S6；其中，将发生于两个微型同步相量测量单元之间的故障作为F1类故障，将发生于单个微型同步相量测量单元与支路之间的逆变型故障作为F2类故障；
S5、判断是否能够计算得到F1类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S6；
S6、判断是否能够计算得到F2类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则返回步骤S1。
步骤S3中根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域的具体方法为：判断含DG区域中两个微型同步相量测量单元所在节点的电流相角差值的绝对值是否大于0，若是则判定故障发生在含DG区域；否则判定故障发生在其他区域。
步骤S3计算该故障对应的区段，并输出结果的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、构建D类故障的故障矩阵
Figure 480323DEST_PATH_IMAGE001
：若由第i个微型同步相量测量单元和第j个微型同步相量测量单元构成的含DG区域
Figure 942528DEST_PATH_IMAGE002
出现故障时，将
Figure 897190DEST_PATH_IMAGE002
的数值置为1；若由第i个微型同步相量测量单元和第j个微型同步相量测量单元构成的含DG区域
Figure 103043DEST_PATH_IMAGE002
未出现故障时，将
Figure 829691DEST_PATH_IMAGE002
的数值置为0；其中
Figure 728377DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 438844DEST_PATH_IMAGE001
中第i行第j列元素；n为微型同步相量测量单元总数；
S3-2、对D类故障的故障矩阵
Figure 917230DEST_PATH_IMAGE001
进行降维处理，得到D类故障的一维故障矩阵
Figure 29542DEST_PATH_IMAGE003
；
S3-3、获取并根据D类故障的一维故障矩阵
Figure 833550DEST_PATH_IMAGE003
中所有元素对应的节点的三相电流幅值和相位信息得到1×n大小的故障特征矩阵
Figure 31313DEST_PATH_IMAGE004
；其中节点为微型同步相量测量单元的设置点；
S3-4、将n×1大小的单位矩阵
Figure 313390DEST_PATH_IMAGE005
与故障特征矩阵
Figure 280209DEST_PATH_IMAGE004
相乘，并判断乘积是否大于0，若是则根据故障特征矩阵
Figure 255118DEST_PATH_IMAGE004
中元素的下标确定故障区段，进入步骤S3-5；否则进入步骤S4。
S3-5、获取故障所在含DG区域的两个微型同步相量测量单元之间的克拉克
Figure 674598DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 757436DEST_PATH_IMAGE007
模电流
Figure 578762DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 990152DEST_PATH_IMAGE009
；
S3-6、获取克拉克
Figure 896928DEST_PATH_IMAGE006
模电流
Figure 520807DEST_PATH_IMAGE008
在未发生故障时与发生故障时的相位差
Figure 462218DEST_PATH_IMAGE010
，以及克拉克
Figure 778930DEST_PATH_IMAGE007
模电流
Figure 173002DEST_PATH_IMAGE009
在未发生故障时与发生故障时的相位差
Figure 866152DEST_PATH_IMAGE011
；
S3-7、根据
Figure 130911DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 884103DEST_PATH_IMAGE011
完成故障类型识别。
步骤S3-2中降维处理的具体方法为：根据公式：
Figure 765472DEST_PATH_IMAGE012
对D类故障的故障矩阵
Figure 262312DEST_PATH_IMAGE013
进行降维处理，得到D类故障的一维故障矩阵
Figure 647157DEST_PATH_IMAGE014
；其中
Figure 302742DEST_PATH_IMAGE005
为n×1大小的单位矩阵。
步骤S3-3的具体方法包括以下子步骤：
S3-3-1、获取一维故障矩阵
Figure 405827DEST_PATH_IMAGE014
中所有元素对应的节点的三相电流幅值和相位信息并进行克拉克变换，得到克拉克
Figure 440779DEST_PATH_IMAGE006
模电流和克拉克
Figure 211289DEST_PATH_IMAGE007
模电流，并通过快速傅里叶变换得到克拉克
Figure 40705DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角
Figure 631086DEST_PATH_IMAGE015
和克拉克
Figure 469729DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角
Figure 829166DEST_PATH_IMAGE016
；
S3-3-2、根据公式：
Figure 829483DEST_PATH_IMAGE017
Figure 907161DEST_PATH_IMAGE018
Figure 549495DEST_PATH_IMAGE019
得到故障特征矩阵
Figure 763438DEST_PATH_IMAGE020
；其中
Figure 200236DEST_PATH_IMAGE021
为克拉克
Figure 765209DEST_PATH_IMAGE006
模电流的一维矩阵；
Figure 942725DEST_PATH_IMAGE022
为克拉克
Figure 11176DEST_PATH_IMAGE007
模电流的一维矩阵；
Figure 618874DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 671144DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 389701DEST_PATH_IMAGE025
中元素对应的第i个节点的克拉克
Figure 578237DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角与第r个节点的克拉克
Figure 356837DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角的差值；
Figure 896403DEST_PATH_IMAGE026
为第i个节点的克拉克
Figure 418651DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角与第r个节点的克拉克
Figure 461694DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角的差值；
Figure 411195DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 172478DEST_PATH_IMAGE028
为第i个节点的克拉克
Figure 232838DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角；
Figure 395966DEST_PATH_IMAGE029
为第r个节点的克拉克
Figure 513439DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角，
Figure 762018DEST_PATH_IMAGE030
为第i个节点的克拉克
Figure 626068DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角，
Figure 643703DEST_PATH_IMAGE031
为第r个节点的克拉克
Figure 200586DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角。
步骤S3-7的具体方法为：
若
Figure 670882DEST_PATH_IMAGE032
且
Figure 338624DEST_PATH_IMAGE033
，则故障类型为A相接地；
若
Figure 210765DEST_PATH_IMAGE032
且
Figure 672970DEST_PATH_IMAGE034
，则故障类型为B/C相接地，或AB/AC/BC接地故障，或AB/AC相间故障，或ABC接地/相间故障；
若
Figure 896141DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 101994DEST_PATH_IMAGE033
，则故障类型为BC相间故障。
步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、计算节点间的小波模极大值，确定疑似故障区段在节点i和节点r之间；其中节点i和节点r分别对应一个微型同步相量测量单元；
S5-2、在节点i和节点r之间取设定数量的节点，并获取各个节点之间的电压；
S5-3、将节点i和节点r之间任意两个节点之间的电压相乘，并判断两个节点之间的电压的乘积是否小于0，若是则判定两个节点之间的区段存在F1类故障，并输出故障类型和故障区段，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S6。
步骤S6的具体方法包括以下子步骤：
S6-1、计算节点间的小波模极大值，确定疑似故障区段在节点m和节点n之间；其中节点m和节点n分别对应一个微型同步相量测量单元；
S6-2、根据公式：
Figure 828642DEST_PATH_IMAGE036
计算初始故障距离
Figure 727328DEST_PATH_IMAGE037
；其中
Figure 172216DEST_PATH_IMAGE038
为疑似故障区段的电源侧故障后电压向量；
Figure 202268DEST_PATH_IMAGE039
为线路单位正序阻抗；
Figure 49001DEST_PATH_IMAGE040
为考虑对地等效电容分流影响下的校正后电流；
Figure 853009DEST_PATH_IMAGE041
为正序故障电流；
Figure 50772DEST_PATH_IMAGE042
为过渡电阻阻值；
Figure 332849DEST_PATH_IMAGE043
为疑似故障区段的电源侧故障后电流向量；q为虚部表示；
Figure 299668DEST_PATH_IMAGE044
为交流电的角频率；
Figure 274577DEST_PATH_IMAGE045
为线路单位长度对地电容容值；
Figure 694057DEST_PATH_IMAGE046
为故障前流入的等效电流；
S6-3、将初始故障距离与当前检测区段的长度依次进行比较，判断是否存在
Figure 45404DEST_PATH_IMAGE047
的区段，若是则判定节点t与节点t+1之间的区段存在F2类故障，并输出故障类型和故障区段，完成配电网故障区段识别；否则返回步骤S1；其中
Figure 866729DEST_PATH_IMAGE048
为节点m与节点t之间的距离，
Figure 12540DEST_PATH_IMAGE049
为节点m与节点t+1之间的距离。
如图2和图3所示，含分布式电源类型故障（D类故障）的故障识别原理为：
节点i和节点r之间未发生D类故障时，节点i（接一个微型同步相量测量单元）与节点r（接一个微型同步相量测量单元）之间的相位差
Figure 919316DEST_PATH_IMAGE050
；其中
Figure 808775DEST_PATH_IMAGE051
节点i处微型同步相量测量单元测得的相角，
Figure 750186DEST_PATH_IMAGE052
节点r处微型同步相量测量单元测得的相角；
由于未发生D类故障时
Figure 798389DEST_PATH_IMAGE053
，则
Figure 192461DEST_PATH_IMAGE054
；
节点i和节点r之间发生D类故障时，节点i（接一个微型同步相量测量单元）与节点r（接一个微型同步相量测量单元）之间的相位差
Figure 885611DEST_PATH_IMAGE055
：
Figure 415949DEST_PATH_IMAGE056
Figure 903562DEST_PATH_IMAGE057
其中
Figure 784931DEST_PATH_IMAGE058
为故障后节点i至故障点的电压压降相角，
Figure 16192DEST_PATH_IMAGE059
为故障后节点r至故障点的电压压降相角，
Figure 666616DEST_PATH_IMAGE060
为故障区域中节点i与故障点之间等效阻抗的阻抗角，
Figure 590710DEST_PATH_IMAGE061
为故障区域中节点r与故障点之间等效阻抗的阻抗角，
Figure 693795DEST_PATH_IMAGE062
为节点i故障电压，
Figure 728747DEST_PATH_IMAGE063
为节点r故障电压，
Figure 968098DEST_PATH_IMAGE064
为故障相角，
Figure 63093DEST_PATH_IMAGE065
为故障电压，
Figure 916124DEST_PATH_IMAGE066
为故障后节点i至故障点的等效电抗，
Figure 223609DEST_PATH_IMAGE067
为故障后节点i至故障点的等效电阻，
Figure 848625DEST_PATH_IMAGE068
为故障后节点r至故障点的等效电抗，
Figure 114521DEST_PATH_IMAGE069
为故障后节点r至故障点的等效电阻，sin为正弦函数，cos为余弦函数，arctan为反正切函数。
对三相电流做克拉克变换，并求得克拉克
Figure 192199DEST_PATH_IMAGE070
模电流对应的相角
Figure 568954DEST_PATH_IMAGE071
，克拉克
Figure 48476DEST_PATH_IMAGE072
模电流对应的相角
Figure 485274DEST_PATH_IMAGE073
：
Figure 784668DEST_PATH_IMAGE074
其中
Figure 699535DEST_PATH_IMAGE075
为A相电流，
Figure 299143DEST_PATH_IMAGE076
为A相相角，
Figure 641263DEST_PATH_IMAGE077
为B相电流，
Figure 693533DEST_PATH_IMAGE078
为B相相角，
Figure 412090DEST_PATH_IMAGE079
为C相电流，
Figure 597696DEST_PATH_IMAGE080
为C相相角；
根据公式
Figure 376296DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 650283DEST_PATH_IMAGE082
进行分析：其中
Figure 172531DEST_PATH_IMAGE083
为节点i的克拉克
Figure 481152DEST_PATH_IMAGE070
模电流对应的相角，
Figure 165075DEST_PATH_IMAGE084
为节点r的克拉克
Figure 926357DEST_PATH_IMAGE070
模电流对应的相角，
Figure 986717DEST_PATH_IMAGE085
为节点i的克拉克
Figure 149845DEST_PATH_IMAGE072
模电流对应的相角，
Figure 270248DEST_PATH_IMAGE086
为节点r的克拉克
Figure 518827DEST_PATH_IMAGE072
模电流对应的相角；
（1）当节点i和节点r之间未发生D类故障时，
Figure 382878DEST_PATH_IMAGE087
；
（2）当节点i和节点r之间发生包含A相的故障(A相接地故障、AB相间故障、AC相间故障、AB相接地故障、AC相接地故障、ABC相间故障，以及ABC相接地故障)时，A相电流幅值和相位均会变化，此时
Figure 400512DEST_PATH_IMAGE088
；
（3）当节点i和节点r之间发生包含B/C相的接地故障（B相接地故障、C相接地故障、BC相接地故障）时，同理B/C相电流幅值和相位均会变化，此时
Figure 957395DEST_PATH_IMAGE089
；
（4）当节点i和节点r之间发生BC相间故障时：
Figure 424761DEST_PATH_IMAGE090
其中
Figure 826924DEST_PATH_IMAGE091
为节点i的克拉克
Figure 964644DEST_PATH_IMAGE070
模电流，
Figure 692429DEST_PATH_IMAGE092
为节点i的A相故障电流，
Figure 384441DEST_PATH_IMAGE093
为节点i的B相故障电流，
Figure 855874DEST_PATH_IMAGE094
为节点i的C相故障电流，
Figure 848101DEST_PATH_IMAGE095
为节点r的B相故障电流，
Figure 215628DEST_PATH_IMAGE096
为节点r的B相故障电流，
Figure 926095DEST_PATH_IMAGE097
为节点r的C相故障电流，
Figure 935639DEST_PATH_IMAGE098
为为节点r的克拉克
Figure 516793DEST_PATH_IMAGE070
模电流；此时
Figure 586381DEST_PATH_IMAGE099
；
（5）当节点i和节点r之间发生包含B/C相故障（B接地故障、C接地故障、AB接地故障、AC接地故障、BC接地故障、AB相间故障、AC相间故障、BC相间故障、ABC接地故障，以及ABC相间接地故障）时，由于故障后该区域两端节点处的B相或C相电流的幅值和相角将发生变化且不再相等，此时
Figure 518565DEST_PATH_IMAGE100
；
（6）当节点i和节点r之间发生A 相接地故障时：
Figure 331800DEST_PATH_IMAGE101
其中
Figure 30110DEST_PATH_IMAGE102
为节点i的克拉克
Figure 5019DEST_PATH_IMAGE072
模电流，
Figure 690078DEST_PATH_IMAGE103
为节点i的B相故障电流，
Figure 41425DEST_PATH_IMAGE104
为节点i的C相故障电流，
Figure 597171DEST_PATH_IMAGE105
为节点r的B相故障电流，
Figure 742982DEST_PATH_IMAGE106
为节点r的C相故障电流，
Figure 384179DEST_PATH_IMAGE107
为为节点r的克拉克
Figure 539217DEST_PATH_IMAGE072
模电流；此时
Figure 215049DEST_PATH_IMAGE108
；
通过对以上六条D类故障的三相故障分析，故障数值特征总结如表1所示：
表1 故障数值特征表
Figure 531761DEST_PATH_IMAGE109
由表格可知，需要同时通过
Figure 925833DEST_PATH_IMAGE110
和
Figure 618982DEST_PATH_IMAGE111
值，才能准确识别区域内的故障发生情况。
如图4、图5和图6所示，图4和图5中清楚显示F1类故障和F2类故障的区别，图6中，f 1 处、f 2 处和f 3 处发生故障则识别的F1类故障和F2类故障如表2所示：
表2 故障区段信息表
Figure 414900DEST_PATH_IMAGE112
f 1 处故障时，在M15点能够检测到异常，确定疑似故障区段构成为(M11, L1- L4,M15)和(M15, L5- L8, M19)；
f 2 处或f 3 处故障时，在M19点能够检测到异常，确定疑似故障区段构成为 (M15,L5- L8, M19)、(M19, L9- L12, M23)和(M19, L91- L93, M193)；
随后通过步骤S4的具体过程能够获取f 1 处、f 2 处和f 3 处所在区段分别为L6、L8和L92。
如图7所示，F1类故障的故障识别原理为：
根据故障正序电压公式：
Figure 168092DEST_PATH_IMAGE113
得到故障点f到节点i之间的故障正序电压
Figure 515373DEST_PATH_IMAGE114
和故障点f到节点r之间的故障正序电压
Figure 12213DEST_PATH_IMAGE115
；其中
Figure 662637DEST_PATH_IMAGE116
为正序传播系数，
Figure 321152DEST_PATH_IMAGE117
为正序波阻抗，Z为节点i和节点r之间正序阻抗，Y为节点i和节点r之间正序导纳，
Figure 689816DEST_PATH_IMAGE118
为节点i的正序电压，
Figure 724768DEST_PATH_IMAGE119
为节点i的正序电流，
Figure 229699DEST_PATH_IMAGE120
为节点r的正序电压，
Figure 59115DEST_PATH_IMAGE121
为节点r的正序电流，j为虚部表示，e为自然数常数，cosh为双曲余弦函数，sinh双曲正弦函数，δ为节点i和节点r之间量测的不同步角，
Figure 649496DEST_PATH_IMAGE122
节点i和节点r之间的距离，x为故障点f到节点i之间的距离；
分析故障正序电压公式可得，当故障发生在节点f处时，节点f处的节点电压为0，且其上游端节点的电压大于0，下游端节点的电压小于0，则节点f处的上下游端节点的电压相乘小于0。
在本发明的一个实施例中：
如图8所示，按照图8的局部算例模型在PSCAD环境中搭建含DG的10kV配电网仿真模型，进行不同种类的故障仿真，并利用MATLAB软件对仿真数据进行计算，验证本发明的可行性。系统参数如下：电源额定电压10.5 kV，额定容量50 MV∙A，频率50 Hz。在节点M11、M15、M19和M23处分别配置有μPMU，在线路末端分别接有旋转型和逆变型DG并通过断路器控制接入类型，节点间线路参数如表3和表4所示。
表3 节点间线路区段划分
Figure 488139DEST_PATH_IMAGE123
表4 10kV架空线缆参数
Figure 847576DEST_PATH_IMAGE124
例1：在区段(M20, M21)之间设置故障点，模拟DG区域内的D类故障，并分别验证不同DG类型（旋转型和逆变型）以及不同相故障类型（单相接地、相间短路和相间短路接地）下D类域故障识别的可行性。
第一步，打开断路器BRK和BRK2，关闭BRK(1/3/4)，接入旋转型故障，并分别设置单相接地、相间短路和相间短路接地故障，设置仿真时长2.5秒，在2.0s出现故障，故障持续时间为0.3s。开始仿真并将得到的数据导入MATLAB进行运算，计算D类域中(M20, M21)区段两端克拉克
Figure 113472DEST_PATH_IMAGE125
模、
Figure 191150DEST_PATH_IMAGE126
模电流相角差值之和
Figure 567904DEST_PATH_IMAGE127
，并得出故障判定值
Figure 778918DEST_PATH_IMAGE128
（
Figure 215716DEST_PATH_IMAGE129
），结果如图9、图10、图11和图12所示，无故障发生时，故障判定值
Figure 780690DEST_PATH_IMAGE128
为0；发生故障后，在2.005s时故障判定值
Figure 961135DEST_PATH_IMAGE128
分别突变至3.164、2.435和2.513，说明该方法在接入旋转型DG时，能够准确识别
Figure 295165DEST_PATH_IMAGE130
类故障。
第二步，打开断路器BRK(1/2)，关闭BRK(3/4)，接入逆变型故障，并分别设置单相接地、相间短路和相间短路接地故障，保持相同仿真参数，将故障数据进行运算，得到故障判定值
Figure 902863DEST_PATH_IMAGE131
的结果如图13、图14、图15和图16所示，无故障发生时，故障判定值
Figure 689554DEST_PATH_IMAGE131
为0；发生D类故障后，在2.005s时故障判定值
Figure 408111DEST_PATH_IMAGE131
分别突变至0.895、3.087和3.057，说明该方法在接入逆变型DG时，能够准确识别故障。
例2：在区段(M16, M17)之间设置故障点，模拟DG区域内的F1类故障，并分别验证不同DG类型（旋转型和逆变型）以及不同故障类型（单相接地、相间短路和相间短路接地）下F1类故障识别的可行性。
第一步，分别接入旋转型故障和逆变型故障，并设置单相接地、相间短路和相间短路接地故障，设置仿真时长为2.5秒，在2.0s出现故障，故障持续时间为0.3s；首先进行D类故障判定，得到故障结果过为无故障时接着进行F类故障（包括F1类故障和F2类故障）判定。
第二步，将所有节点μPMU采集到的故障分量进行提取，进行小波变换，得到故障序分量的模极大值。如图17和图18所示，疑似故障区段为节点M15所含的区段， (M13, M14)、(M14, M15) 、(M15, M16) 和(M16, M17)，接着进行具体故障区段的确定。
第三步，计算疑似故障区段两端节点的电压差，并对所有的疑似故障区段进行遍历搜索，得到电压差小于0的区段并输出，搜索结果如表5所示。
表5 疑似故障区段遍历搜索计算结果
Figure 862226DEST_PATH_IMAGE132
根据表中的数据可得，经计算之后，未发生故障的区段两端电压差值几乎为0，而发生故障之后，区段两端的电压差
Figure 640826DEST_PATH_IMAGE133
和
Figure 649234DEST_PATH_IMAGE134
的乘积
Figure 171482DEST_PATH_IMAGE135
为负数，具有明显的故障特征，区段定位准确。在接入旋转型DG 和逆变型DG时，均能够准确识别故障，且不受故障类型影响。
例3：在区段(M151, M152)之间距M15节点8kM处设置故障，模拟DG区域内的F2类故障，并分别验证旋转型故障和逆变型故障以及不同相故障类型（单相接地、相间短路和相间短路接地）下F2类域故障识别的可行性。
第一步，在旋转型故障和逆变型故障的基础上，分别设置单相接地、相间短路和相间短路接地故障，设置仿真时长为2.5秒，在2.0s出现故障，故障持续时间为0.3s，开始仿真并将得到的数据导入MATLAB进行运算。
经计算得到D类故障域中(M20, M21)区段故障判定值
Figure 480103DEST_PATH_IMAGE131
均为0，节点小波模极大值计算结果为M15，且F1类故障遍历搜索无有效结果，因此判定发生F2类故障，疑似故障区段为(M15, M151)和(M151, M152)。
第二步，提取M15节点的μPMU故障数据进行单端测距，并根据初步测距结果对疑似故障区段进行搜索，确定具体故障区段，结果如表6所示。
表6 故障区段定位结果
Figure 429605DEST_PATH_IMAGE136
由表6可得，经计算后F2类故障区段识别结果正确。至此，本法可准确识别不同DG类型下的故障，且不受故障类型和故障位置的影响。
本发明对配电网拓扑结构进行故障定位域的划分，将配电网按照μPMU的配置情况，划分不同的故障类型进行判定，准确得到不同分类模型和不同故障区段；提取节点两端电压、电流相角等信息的提取，并构建基于克拉克变换的相角差值的故障判定值，判断结果准确可靠；通过小波模极大值确定疑似故障区段，以此快速缩小故障定位区域，并通过双端阻抗法和单端阻抗法相结合的形式判定F1类故障和F2类故障的具体位置。

Claims (5)

1.一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、划分故障定位域：在配电网中配置若干微型同步相量测量单元，将节点i到节点j以及节点i到节点j之间的支路含有DG的双端电源区域作为含DG区域；将剩余区域作为其他区域；
S2、获取配电网信息，并判断配电网中是否发生故障；若是则进入步骤S3；否则继续获取配电网信息并进行故障判断；
S3、通过微型同步相量测量单元获取其所在节点的电流相角信息，根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域，若是则计算该故障对应的区段，并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S4；
S4、判断两个微型同步相量测量单元其中一个微型同步相量测量单元所接支点对应的各个支路的另一端是否存在另一个微型同步相量测量单元，若是则进入步骤S5；否则进入步骤S6；其中，将发生于两个微型同步相量测量单元之间的故障作为F1类故障，将发生于单个微型同步相量测量单元与支路之间的逆变型故障作为F2类故障；
S5、判断是否能够计算得到F1类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S6；
S6、判断是否能够计算得到F2类故障对应的区段，若是则计算并输出结果，完成配电网故障区段识别；否则返回步骤S1；
步骤S3计算该故障对应的区段，并输出结果的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、构建D类故障的故障矩阵
Figure 781824DEST_PATH_IMAGE001
：若由第i个微型同步相量测量单元和第j个微型同步相量测量单元构成的含DG区域
Figure 765960DEST_PATH_IMAGE002
出现故障时，将
Figure 954496DEST_PATH_IMAGE002
的数值置为1；若由第i个微型同步相量测量单元和第j个微型同步相量测量单元构成的含DG区域
Figure 733096DEST_PATH_IMAGE002
未出现故障时，将
Figure 7083DEST_PATH_IMAGE002
的数值置为0；其中
Figure 263752DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 572373DEST_PATH_IMAGE001
中第i行第j列元素；n为微型同步相量测量单元总数；
S3-2、对D类故障的故障矩阵
Figure 256296DEST_PATH_IMAGE001
进行降维处理，得到D类故障的一维故障矩阵
Figure 283157DEST_PATH_IMAGE003
；
S3-3、获取并根据D类故障的一维故障矩阵
Figure 77938DEST_PATH_IMAGE003
中所有元素对应的节点的三相电流幅值和相位信息得到1×n大小的故障特征矩阵
Figure 506645DEST_PATH_IMAGE004
；其中节点为微型同步相量测量单元的设置点；其中D类故障为含分布式电源类型故障；
S3-4、将n×1大小的单位矩阵
Figure 627048DEST_PATH_IMAGE005
与故障特征矩阵
Figure 607118DEST_PATH_IMAGE004
相乘，并判断乘积是否大于0，若是则根据故障特征矩阵
Figure 471169DEST_PATH_IMAGE004
中元素的下标确定故障区段，进入步骤S3-5；否则进入步骤S4；
S3-5、获取故障所在含DG区域的两个微型同步相量测量单元之间的克拉克
Figure 488803DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 780107DEST_PATH_IMAGE007
模电流
Figure 515982DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 918145DEST_PATH_IMAGE009
；
S3-6、获取克拉克
Figure 55865DEST_PATH_IMAGE006
模电流
Figure 518070DEST_PATH_IMAGE008
在未发生故障时与发生故障时的相位差
Figure 475662DEST_PATH_IMAGE010
，以及克拉克
Figure 681515DEST_PATH_IMAGE007
模电流
Figure 673742DEST_PATH_IMAGE009
在未发生故障时与发生故障时的相位差
Figure 306849DEST_PATH_IMAGE011
；
S3-7、根据
Figure 17316DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 26860DEST_PATH_IMAGE011
完成故障类型识别；
步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、计算节点间的小波模极大值，确定疑似故障区段在节点i和节点r之间；其中节点i和节点r分别对应一个微型同步相量测量单元；
S5-2、在节点i和节点r之间取设定数量的节点，并获取各个节点之间的电压；
S5-3、将节点i和节点r之间任意两个节点之间的电压相乘，并判断两个节点之间的电压的乘积是否小于0，若是则判定两个节点之间的区段存在F1类故障，并输出故障类型和故障区段，完成配电网故障区段识别；否则进入步骤S6；
步骤S6的具体方法包括以下子步骤：
S6-1、计算节点间的小波模极大值，确定疑似故障区段在节点m和节点n之间；其中节点m和节点n分别对应一个微型同步相量测量单元；
S6-2、根据公式：
Figure 605085DEST_PATH_IMAGE012
计算初始故障距离
Figure 674672DEST_PATH_IMAGE013
；其中
Figure 606856DEST_PATH_IMAGE014
为疑似故障区段的电源侧故障后电压向量；
Figure 420091DEST_PATH_IMAGE015
为线路单位正序阻抗；
Figure 855751DEST_PATH_IMAGE016
为考虑对地等效电容分流影响下的校正后电流；
Figure 96240DEST_PATH_IMAGE017
为正序故障电流；
Figure 515720DEST_PATH_IMAGE018
为过渡电阻阻值；
Figure 601488DEST_PATH_IMAGE019
为疑似故障区段的电源侧故障后电流向量；q为虚部表示；
Figure 422813DEST_PATH_IMAGE020
为交流电的角频率；
Figure 834203DEST_PATH_IMAGE021
为线路单位长度对地电容容值；
Figure 740979DEST_PATH_IMAGE022
为故障前流入的等效电流；
S6-3、将初始故障距离与当前检测区段的长度依次进行比较，判断是否存在
Figure 630438DEST_PATH_IMAGE023
的区段，若是则判定节点t与节点t+1之间的区段存在F2类故障，并输出故障类型和故障区段，完成配电网故障区段识别；否则返回步骤S1；
其中
Figure 306270DEST_PATH_IMAGE024
为节点m与节点t之间的距离，
Figure 888561DEST_PATH_IMAGE025
为节点m与节点t+1之间的距离；小波模极大值的计算对象为节点μPMU采集到的故障分量；确定疑似故障区段的方式为通过判断小波模极大值是否异常来确定疑似故障区段。
2.根据权利要求1所述的一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其特征在于，步骤S3中根据电流相角信息判断故障是否发生在含DG区域的具体方法为：
判断含DG区域中两个微型同步相量测量单元所在节点的电流相角差值的绝对值是否大于0，若是则判定故障发生在含DG区域；否则判定故障发生在其他区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其特征在于，步骤S3-2中降维处理的具体方法为：
根据公式：
Figure 303141DEST_PATH_IMAGE026
对D类故障的故障矩阵
Figure 730711DEST_PATH_IMAGE027
进行降维处理，得到D类故障的一维故障矩阵
Figure 526629DEST_PATH_IMAGE028
；其中
Figure 14242DEST_PATH_IMAGE005
为n×1大小的单位矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其特征在于，步骤S3-3的具体方法包括以下子步骤：
S3-3-1、获取一维故障矩阵
Figure 895610DEST_PATH_IMAGE028
中所有元素对应的节点的三相电流幅值和相位信息并进行克拉克变换，得到克拉克
Figure 126871DEST_PATH_IMAGE006
模电流和克拉克
Figure 777296DEST_PATH_IMAGE007
模电流，并通过快速傅里叶变换得到克拉克
Figure 435810DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角
Figure 538895DEST_PATH_IMAGE029
和克拉克
Figure 308268DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角
Figure 78778DEST_PATH_IMAGE030
；
S3-3-2、根据公式：
Figure 173773DEST_PATH_IMAGE031
Figure 498575DEST_PATH_IMAGE032
Figure 334288DEST_PATH_IMAGE033
得到故障特征矩阵
Figure 959305DEST_PATH_IMAGE034
；其中
Figure 225201DEST_PATH_IMAGE035
为克拉克
Figure 37299DEST_PATH_IMAGE006
模电流的一维矩阵；
Figure 414054DEST_PATH_IMAGE036
为克拉克
Figure 893577DEST_PATH_IMAGE007
模电流的一维矩阵；
Figure 330374DEST_PATH_IMAGE037
；
Figure 629769DEST_PATH_IMAGE038
为
Figure 810214DEST_PATH_IMAGE039
中元素对应的第i个节点的克拉克
Figure 144244DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角与第r个节点的克拉克
Figure 751943DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角的差值；
Figure 538633DEST_PATH_IMAGE040
为第i个节点的克拉克
Figure 522769DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角与第r个节点的克拉克
Figure 711305DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角的差值；
Figure 489905DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 760962DEST_PATH_IMAGE042
为第i个节点的克拉克
Figure 283211DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角；
Figure 591832DEST_PATH_IMAGE043
为第r个节点的克拉克
Figure 541334DEST_PATH_IMAGE006
模电流对应的相角，
Figure 568195DEST_PATH_IMAGE044
为第i个节点的克拉克
Figure 362976DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角，
Figure 526104DEST_PATH_IMAGE045
为第r个节点的克拉克
Figure 912086DEST_PATH_IMAGE007
模电流对应的相角。
5.根据权利要求1所述的一种基于μPMU的含DG的配电网故障区段识别方法，其特征在于，步骤S3-7的具体方法为：
若
Figure 160665DEST_PATH_IMAGE046
且
Figure 759136DEST_PATH_IMAGE047
，则故障类型为A相接地；
若
Figure 42350DEST_PATH_IMAGE046
且
Figure 333654DEST_PATH_IMAGE048
，则故障类型为B/C相接地，或AB/AC/BC接地故障，或AB/AC相间故障，或ABC接地/相间故障；
若
Figure 69529DEST_PATH_IMAGE049
且
Figure 471692DEST_PATH_IMAGE047
，则故障类型为BC相间故障。
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