一种基于故障行波时间检测的配电网故障定位方法

本发明涉及配电网故障检测领域，具体涉及一种基于故障行波时间检测的配电网故障定位方法。

背景技术：

配电网位于电网末梢，是电力系统的重要组成部分。其直接涉及用能端，处于保障供电可靠性的关键环节，而且覆盖区域广阔，网络拓扑复杂，设备数量种类繁多。配电网故障频发，一旦发生故障，将直接导致用户失电，造成经济损失。若能够快速切除故障并精确的定位故障，将帮助运维检修人员在最短时间内找到故障点并进行抢修恢复供电。因此，一种精确可靠的配电网故障定位方法，是快速恢复供电的前提且对保障安全可靠用电有重要意义。

配电网故障定位主要依靠对现有的电网运行的信息的提取和处理，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，并迅速上报给调度中心，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。故障定位的精度取决于对现有配电网的潮流，拓扑结构等数据利用的有效性。目前配电网故障定位主要分为阻抗法和行波法两类。阻抗法是利用配电网线路的参数进行故障位置的计算，该方法对线路参数精度要求高，且测量精度受非周期震荡分量成分和过渡电阻影响，实际应用范围有限。行波法主要利用故障时产生的电压，电流行波信号，根据对行波在输电线路中传输到一端或多端的时间来计算故障距离。这种方法不受故障类型、故障点过渡电阻、电压互感器(tv)和电流互感器(ta)传变误差等因素影响，具有良好的适应性和广泛的应用性。然而随着大量的分布式电源的接入，配电网分支数量越来越多，传统的行波定位方法对行波检测装置的配置数量要求较高，经济性差，难以适应不断发展的配电网络。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于故障行波时间检测的配电网故障定位方法解决了传统的行波定位方法对行波检测装置的配置数量要求较高，经济性差，难以适应不断发展的配电网络的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于故障行波时间检测的配电网故障定位方法，其包括以下步骤：

s1、构建配电网线路节点间固有距离矩阵和固有时间矩阵；

s2、采集配电网络中所有行波检测装置在故障发生后检测到的第一次行波到达行波检测装置的时间，即第一时间；

s3、根据第一时间和固有时间矩阵获取判定矩阵；

s4、基于判定矩阵，对第一时间对应的行波信息进行判定，得到故障发生的区段位置；

s5、在故障发生区段位置中设置参考节点，获取故障距离参考节点的距离，完成故障定位。

进一步地，步骤s1的具体方法包括以下子步骤：

s1-1、将配电网线路中的架空线和电缆混合构成的网络进行结构归一化，得到归一化后的配电网网络参数；其中结构归一化的具体方法为：

根据公式：

获取长度为dbc的电缆归一化为架空线后的长度其中v1和v2分别为行波在架空线和在电缆中的行波速度；l1和l2分别为架空线和电缆的分布电感；c1和c2分别为架空线和电缆的分布电容；

s1-2、基于归一化后的配电网网络参数，根据公式：

获取配电网线路节点间固有距离矩阵d；其中g表示配电网线路节点总数，dm'n'表示任意两个节点之间归一化后的等效架空线距离，m'＝1,2,...,g，n'＝1,2,...,g；

s1-3、将配电网线路中所有配置有行波检测装置的节点作为有效节点，将两端配置有行波检测装置的区段作为有效区段；

s1-4、对所有的有效区段，根据公式：

获取固有时间矩阵td；其中d表示有效节点总数，d≤g；tmn表示任意两个有效节点之间的固有行波传输时间，m＝1,2,...,d，n＝1,2,...,d。

进一步地，步骤s3的具体方法为：

根据公式：

将任意两个有效节点的第一时间相加得到故障后时间矩阵tf；其中和为任意两个有效节点的第一时间；表示任意两个有效节点检测到的故障行波到达时间之和；

根据公式：

将故障后时间矩阵和固有时间矩阵做差，得到判定矩阵δt。

进一步地，步骤s4的具体方法包括以下子步骤：

s4-1、判断判定矩阵中除主对角线外是否存在0元素，若是则列举判定矩阵中的0元素所表示的有效区段，并进入步骤s4-2；否则进入步骤s4-4；

s4-2、获取所列举的有效区段中的公共区段，并将公共区段作为故障发生区段；

s4-3、判断公共区段两端的有效节点的第一时间是否均不等于0，若是则判定故障为有效区段故障且发生在公共区段内，进入步骤s5；否则判定故障为有效区段故障，并将该公共区段两端第一时间为0的有效节点判定为故障节点，进入步骤s5；

s4-4、将判定矩阵中除主对角线外最小元素对应的有效区段作为离故障最近的有效区段，将最小值相同的有效区段列举出；

s4-5、获取所列举的有效区段中的公共区段，并将公共区段作为故障发生区段，即判定故障为有效区段上的分支故障，进入步骤s5。

进一步地，步骤s5的具体方法为：

若当前故障类型为有效区段故障，则提取故障区段两端的有效节点及其第一时间，并获取处故障区段外最先检测到行波的有效节点及其第一时间；对于该三个有效节点，将故障区段只含有一个有效节点的那一侧的有效节点作为参考节点，根据公式：

获取故障距离参考节点z的距离d^*；其中x和y为另外两个有效节点，为有效节点x的第一时间，为有效节点y的第一时间，dxy为有效节点x和有效节点y之间的距离，完成故障定位；d'和d”为中间参数；

若当前故障类型为有效区段上的分支故障，则根据公式：

获取故障位置距离故障最近的有效区段的距离df；其中δtmin为判定矩阵中除主对角线外最小元素；v1为架空线线行波波速，完成故障定位。

本发明的有益效果为：本发明通过对现有配电网建立固有距离矩阵，并通过固有距离矩阵和行波波速建立固有时间矩阵，使得故障区段识别和精确定位可以直接通过行波检测装置检测到的时间进行运算无需再换算成距离，提高计算效率。本发明通过检测故障后第一次行波波头到达检测点的时间，并建立基于行波检测时间的故障区段判别矩阵，通过判别规则，实现故障所在区段的识别。本发明对未配置行波检测装置的分支，通过判定矩阵和判定规则，准确识别故障发生的分支，实现在配置有限数量行波检测装置的情况下能够准确的完成故障区段识别和故障位置的精确定位。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为实施例中配电网基本拓扑结构图；

图3为故障区段判定流程图；

图4为实施例中10kv配电网拓扑结构示意图；

图5为实施例中10kv配电网结构仿真示意图；

图6为小波分解标定行波到达时间。

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，该基于故障行波时间检测的配电网故障定位方法包括以下步骤：

s1、构建配电网线路节点间固有距离矩阵和固有时间矩阵；

s2、采集配电网络中所有行波检测装置在故障发生后检测到的第一次行波到达行波检测装置的时间，即第一时间；

s3、根据第一时间和固有时间矩阵获取判定矩阵；

s4、基于判定矩阵，对第一时间对应的行波信息进行判定，得到故障发生的区段位置；

s5、在故障发生区段位置中设置参考节点，获取故障距离参考节点的距离，完成故障定位。

步骤s1的具体方法包括以下子步骤：

s1-1、将配电网线路中的架空线和电缆混合构成的网络进行结构归一化，得到归一化后的配电网网络参数；其中结构归一化的具体方法为：根据公式：

获取长度为dbc的电缆归一化为架空线后的长度其中v1和v2分别为行波在架空线和在电缆中的行波速度；l1和l2分别为架空线和电缆的分布电感；c1和c2分别为架空线和电缆的分布电容；

s1-2、基于归一化后的配电网网络参数，根据公式：

获取配电网线路节点间固有距离矩阵d；其中g表示配电网线路节点总数，dm'n'表示任意两个节点之间归一化后的等效架空线距离，m'＝1,2,...,g，n'＝1,2,...,g；

s1-3、将配电网线路中所有配置有行波检测装置的节点作为有效节点，将两端配置有行波检测装置的区段作为有效区段；

s1-4、对所有的有效区段，根据公式：

获取固有时间矩阵td；其中d表示有效节点总数，d≤g；tmn表示任意两个有效节点之间的固有行波传输时间，m＝1,2,...,d，n＝1,2,...,d。

步骤s3的具体方法为：根据公式：

将任意两个有效节点的第一时间相加得到故障后时间矩阵tf；其中和为任意两个有效节点的第一时间；表示任意两个有效节点检测到的故障行波到达时间之和；

根据公式：

将故障后时间矩阵和固有时间矩阵做差，得到判定矩阵δt。

如图3所示，mn表示任意两个有效节点，步骤s4的具体方法包括以下子步骤：

s4-1、判断判定矩阵中除主对角线外是否存在0元素，若是则列举判定矩阵中的0元素所表示的有效区段，并进入步骤s4-2；否则进入步骤s4-4；

s4-2、获取所列举的有效区段中的公共区段，并将公共区段作为故障发生区段；

s4-3、判断公共区段两端的有效节点的第一时间是否均不等于0，若是则判定故障为有效区段故障且发生在公共区段内，进入步骤s5；否则判定故障为有效区段故障，并将该公共区段两端第一时间为0的有效节点判定为故障节点，进入步骤s5；

s4-4、将判定矩阵中除主对角线外最小元素对应的有效区段作为离故障最近的有效区段，将最小值相同的有效区段列举出；

s4-5、获取所列举的有效区段中的公共区段，并将公共区段作为故障发生区段，即判定故障为有效区段上的分支故障，进入步骤s5。

步骤s5的具体方法为：

若当前故障类型为有效区段故障，则提取故障区段两端的有效节点及其第一时间，并获取处故障区段外最先检测到行波的有效节点及其第一时间；对于该三个有效节点，将故障区段只含有一个有效节点的那一侧的有效节点作为参考节点，根据公式：

获取故障距离参考节点z的距离d^*；其中x和y为另外两个有效节点，为有效节点x的第一时间，为有效节点y的第一时间，dxy为有效节点x和有效节点y之间的距离，完成故障定位；d'和d”为中间参数；

若当前故障类型为有效区段上的分支故障，则根据公式：

获取故障位置距离故障最近的有效区段的距离df；其中δtmin为判定矩阵中除主对角线外最小元素；v1为架空线线行波波速，完成故障定位。

在具体实施过程中，行波检测装置的优化配置规则如下：

(1)主馈线终端节点必须配置行波检测单元；

(2)若某节点有n个相邻节点，且相邻节点中有2个以上节点配置了行波检测单元，则该节点可不配置行波检测单元；

(3)若某节点同时属于3个及以上环网，则该节点必须配置行波检测单元；

(4)若某节点与终端节点相邻，且连接支路数大于2，则该节点必须配置行波检测单元；

(5)架空线-电缆混合线路中，连接节点处需配置行波检测单元。

在本发明的一个实施例中，根据图2所示的配电网基本拓扑结构图，虚线代表的区段以为电缆线路，其线路参数与架空线线路参数有较大的差异。因此需将线缆段进行归一化操作，将其等效为某一长度的架空线，全网统一采用架空线行波波速，方便统一计算。最后若故障发生在该区段，则将计算结果反归一化得到其在电缆线路中的实际长度，若未发生故障，则不必计算，大大提高计算效率。对应的固有距离矩阵为：

对应的固有时间矩阵为：

对应的故障后时间矩阵为：

对应的判定矩阵为：

对于判定矩阵中(除主对角线上元素)的所有元素，有以下判别规则：

(1)若故障为有效区段故障，则该有效区段故障前固有的行波时间和故障后行波到达该有效区段两端的时间相等，即判定矩阵中出现0元素，而所有包含故障的有效区段元素此时均为0，列举判定矩阵中的0元素所表示的区段。其中公共区段表示在该行波检测装置配置结构下的能够确定故障发生的最小，最精确区段，因此将该公共区段视为故障发生的区段。按照图3，再根据和的值来判断该故障发生在节点上还是区段内，即若和均不等于0，则故障发生在区段内，若和其中之一等于0，则0对应的节点即为故障节点。

(2)若故障为有效区段上的分支故障，则说明故障在非有效区段上(即有效区段内为配置行波检测装置的分支段)，此时故障后行波到达该有效区段两端的时间要大于故障前该有效区段固有的行波时间。因此判定矩阵中(除主对角线上元素)所有元素均为大于0的元素，而此时故障后行波到达各个有效节点的时间减去故障前固有的行波时间即为从故障点到有效区段的距离的2倍，判定矩阵中元素最小值即为离故障最近的有效区段。将最小值相同的有效区段列举出，并按照规则(1)中取其公共区段为故障区段，则此时故障为该有效区段上的分支故障。

若故障为有效区段故障，以区段mn内故障f为例，提取故障区段两端的行波到达时间和以及除区段mn外最先检测到行波的有效节点时间，假设该节点为x节点，可得到故障时间则这3个有效节点在故障点两侧至少各有一个有效节点，令只含有一个有效节点一侧的节点为参考节点，假设为m节点，故障定位计算结果即为故障f距参考节点m的距离。这3个有效节点构成两个包含故障所在区段mn的区段，即mx和nx，利用故障f沿线路两侧传输速度一致的特性，故障点行波到达两端的时间比例与所在位置距两端的距离比例相同。即故障计算公式可计算出精确距离d^*。d1和d2分别代表由区段mx和nx计算出的故障点f距参考节点的距离。为了提高计算精度，降低误差干扰，d^*代表取平均值之后的计算结果，即故障点f的精确位置为mn区段内距m节点d^*km处。

若故障为有效区段上的分支故障，则判定矩阵中最小元素值即为故障发生到有效区段所用的时间，通过换算，即故障发生在分支上离有效区段的分支节点的距离。换算公式为其中δtmin为判定矩阵中最小元素(除对角0元素)，v1为架空线线行波波速，df为故障位置距识别的故障区段的距离，即有效区段上分支出的线长度。若分支为电缆线路则还需按式进行反归一化，得到实际故障位置。其中：v2为电缆线行波波速，为实际故障距故障有效区段的距离。

以普通多分支结构10kv配电网为对象，以算例1为例来说明本方法实际实施后的故障定位精度和效果，按照图4配电网拓扑结构在simulink环境中搭建10kv配电网结构仿真示意图5，预设故障情景为10kv多分支架空线-电缆混合线路配电网在装置优化配置情况下的故障模拟。故障f1发生在未配置有行波检测装置的分支eh且距e节点25km处。系统参数如下：电源额定电压10.5kv，额定容量50mv·a，频率50hz。表1为线路区段长度，bc段为电缆线归一化后的等值长度。配电网架空线和电缆线路都去典型参数，经计算：架空线波速度为v1＝2.9979×10⁵(km/s)，电缆波速度为v2＝1.7209×10⁵(km/s)。

表1：线路区段长度

根据表1中各节点之间的区段距离，构建节点间固有距离矩阵d：

然后根据架空线行波波速v1＝2.9939×10⁶(km/s)，计算得到有效节点间固有时间矩阵td：

开始仿真，设置仿真时长为0.1s，故障发生在0.035s，采样频率1mhz，将数据导入matlab。采用中心b样条小波，取小波变换第3尺度下的模极大值(图6)来标定行波波头到达时刻，记录故障行波到达各个行波测距装置的时刻，根据故障到达有效节点的标定时间，建立故障后有效节点时间矩阵tf：

接着，根据td和tf计算得到故障区段判定矩阵δt1：

由上式得到的判定矩阵δt1分析可得：矩阵δt1除了主对角线上元素值为0以外，其余元素均大于0，由此可得，该故障发生在有效区段上的分支上。其中，元素最小且相等的区段为ab,ac,ad，分析可得其公共区段为ac。因此，得出故障f1为区段ac的分支eh上的故障。最后按下式可计算得出精确位置：

根据上式计算结果可得故障f1发生于区段ac的分支eh上距节点e15.0144km处，与预设条件相比，故障区段识别准确，距离误差为0.144km，符合计算精度要求。

算例2为相同仿真环境下设置的节点g故障f2,仿真开始后，得到故障后有效节点时间矩阵tf'和判定矩阵δt2：

由判定矩阵δt2分析可得：矩阵δt2除了主对角线上元素值为0以外，还有0元素，这些区段分别为ad,bd,cd。由此可得，故障f2为有效区段内故障，分析可得其公共区段为cd。因此，得出故障f2为区段cd内的故障。其次，由于所以故障发生在cd内且不在节点c,d上。根据算法的流程，提取和以及进行精确定位计算，设节点d为参考节点，根据下式进行计算：

最终得到d^*＝20.0285km，即故障f2为区段cd内距参考节点d20.0285km处，与预设条件相比，故障区段识别准确，距离误差为0.285km，符合计算精度要求。

综上所述，本发明通过对现有配电网建立固有距离矩阵，并通过固有距离矩阵和行波波速建立固有时间矩阵，使得故障区段识别和精确定位可以直接通过行波检测装置检测到的时间进行运算无需再换算成距离，提高计算效率。本发明通过检测故障后第一次行波波头到达检测点的时间，并建立基于行波检测时间的故障区段判别矩阵，通过判别规则，实现故障所在区段的识别。本发明对未配置行波检测装置的分支，通过判定矩阵和判定规则，准确识别故障发生的分支，实现在配置有限数量行波检测装置的情况下能够准确的完成故障区段识别和故障位置的精确定位。