配电网故障定位分析方法、计算机设备、可读存储介质

1.本发明公开涉及配电网故障定位技术领域，尤其涉及一种基于状态估 计的配电网故障定位分析方法、计算机设备、可读存储介质。


背景技术：

2.配电网的故障定位方法与输电网的故障定位方法大不相同，配电网作 为与用户直接相连的部分，在量测配置方面、线路参数方面、网络结构等 方面，配电网的可观测度与输电网相比较小。
3.配电系统状态估计是指在配电系统的网络结构与相关参数已知，且量 测量具有冗余度的情况下，通过量测方程进行估计，得到配电系统状态量 的最好估计值。基于状态估计的配电网故障定位的优点是，利用状态估计 的基本原理可提高辐射型配电网系统的可观测度，通过状态估计得到误差 计算模型，并利用提出的伪测量数据对误差计算模型进行简化，弥补了配 电网量测信息较少的缺点；针对含分布式的电源的配电网的多源性与不确 定性等特点，导致故障位置识别变得更加复杂的问题，通过状态估计的基 本原理可增加含分布式电源的配电网的测量信息以解决这一问题；通过获 得更加精确的测量信息，可以使故障定位技术更加的准确，从而提高配电 网的安全性。
4.但是在网络规模上面，导致配电网的可观测度与输电网相比较小，并 且配电网实时量测设备匮乏，且现有量测质量较差，存在较多不良数据， 使得配电网故障定位技术无法取得较为满意的结果。


技术实现要素：

5.本发明从传统的单电源辐射型配电网入手，对传统的辐射型配电网进 行分析，利用状态估计的最小二乘法原理求解配电网节点信息，并建立了 基于状态估计的误差计算模型；通过对传统辐射型配电网中不同故障时故 障电流的分析，固定了伪测量数据并将其应用到误差计算模型中，从而解 决了配电网测量信息匮乏以及负载不平衡的问题；在故障时的误差计算模 型中，利用基于状态估计的故障定位算法，依次迭代各个节点误差并进行 排序，误差最小的节点即为故障点。本发明公开实施例提供了一种基于状 态估计的配电网故障定位分析方法，弥补了配电网量测信息缺乏的缺点， 解决了含分布式电源的复杂配电网故障定位问题。所述技术方案如下：
6.该基于状态估计的配电网故障定位分析方法利用状态估计的最小二乘 法原理求解配电网节点信息，建立基于状态估计的误差计算模型；增强了 辐射型配电网系统的可观测度，提高了电力系统实时数据的可靠性和完整 性，能够快速估计出电力系统的实时运行状态；
7.通过对辐射型配电网中不同故障时故障电流的分析，固定了伪测量数 据并将其应用到误差计算模型中；
8.在故障时的误差计算模型中，利用基于状态估计的故障定位算法，依 次迭代各个
节点误差并进行排序，误差最小的节点即为故障点。
9.在一个实施例中，该基于状态估计的配电网故障定位分析方法具体包 括如下步骤：
10.步骤一、基于状态估计方法的基础上，针对具有单向功率流向的传统 和辐射型配电网发生故障后，设定已知量与未知量即状态变量，并通过分 析得到误差计算模型；
11.步骤二、根据不同故障特点确定伪测量数据简化误差计算模型，对每 个节点进行故障时的误差迭代，利用误差进行故障定位，最终得到误差最 小的节点即为故障节点；
12.步骤三、研究含分布式电源配电网中的不同故障，确定算法中的伪测 量数据，分析当含分布式电源配电网发生不同故障时的故障电流与各个分 布式电源电流之间的关系，分析故障电流的特点。
13.在一个实施例中，在步骤一中，对状态估计进行改进，建立误差计算 模型，并对不同故障进行分析得到故障特点，在故障特点的基础上提出伪 测量的概念，将其应用到误差计算模型中，提出故障定位的算法。
14.在一个实施例中，在步骤二中，对每个节点进行故障时的误差迭代， 设定固定分析值的数据作为伪测量数据，将初始误差计算模型中的未知量 利用伪测量数据进行简化，利用误差进行故障定位，并采用ieee37节点配 电系统进行了算例验证。
15.在一个实施例中，在步骤三中，分析当含分布式电源配电网发生不同 故障时的故障电流与各个分布式电源电流之间的关系，故障电流近似为所 有电源电流之和，将所得结论建立伪测量数据应用于误差计算模型，从而 得到含分布式电源的配电网的故障定位方法，采用ieee37节点配电系统进 行了算例验证并与步骤二仿真算例结果进行对比分析。
16.在一个实施例中，故障电流的特点通过含分布式电源的配电网故障定 位方法进行研究，开发测试来研究含分布式电源配电网的故障电流的特点， 包括：
17.含分布式电源的配电网在发生故障时的总故障电流近似为系统中所有 电源的发出电流之和，设i
grid abc
(f)和i
dg abc
(f)分别是在电网和分布式电源 处的电流，忽略负载电流，对于含k个分布式电源的配电网，修改为包括 分布式电源的式子，且误差计算模型也发生相应的变化，
[0018][0019]
此时，误差计算模型变换为：
[0020][0021]
在一个实施例中，在含分布式电源的配电网故障定位的算法中，
[0022]
首先确定电源位置以及伪测量数据，取决于含分布式电源的数量，假 设配电网中
的电源总数为s，则对各个电源进行编号，如式(8)；
[0023]
故障期间来自每个电源的电流贡献变成如果 节点i上存在电源，则节点i处的电流测量值变为在第k次迭代中， 假设的故障节点引入了的值，忽略所有其他节点电流，对于节点i， 电流配置为：
[0024]
p＝p1，p2，...，pj，...，ps[0025][0026]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存 储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处 理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0027]
步骤一、基于状态估计方法的基础上，针对具有单向功率流向的传统 和辐射型配电网发生故障后，设定已知量与未知量即状态变量，并通过分 析得到误差计算模型；
[0028]
步骤二、根据不同故障特点确定伪测量数据简化误差计算模型，对每 个节点进行故障时的误差迭代，利用误差进行故障定位，最终得到误差最 小的节点即为故障节点；
[0029]
步骤三、研究含分布式电源配电网中的不同故障，确定算法中的伪测 量数据，分析当含分布式电源配电网发生不同故障时的故障电流与各个分 布式电源电流之间的关系，研究含分布式电源配电网的故障电流的特点。
[0030]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机 程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于状 态估计的配电网故障定位分析方法。
[0031]
本发明公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：
[0032]
本发明基于对传统单一电源的辐射型配电网进行研究，利用状态估计 的最小二乘法得到误差计算模型，通过伪测量数据和误差计算模型对每个 节点进行故障时的误差迭代，有较高的定位准确率。
[0033]
本发明基于对含分布式电源的配电网进行研究与测试，对误差计算模 型进行修正，并对该方法的正确率进行统计分析，通过分析算例结果可知 该算法在传统的配电网与含分布式电源的配电网的各种故障定位均有较高 的准确率。
[0034]
为测试算法的准确度，在系统中设置故障点，分别在距离电源不同距 离设置不同故障，各类型故障均为金属短路故障，得到仿真结果如表1所 示。
[0035]
表1系统仿真结果对比
[0036][0037]
由仿真结果可以看出，就故障类型而言，本算法具有较高的精度，尤 其在对配电网危害最大的三相故障中，定位准确率均高于90％。
[0038]
本发明将传统配电网算例结果与含分布式电源的配电网算例结果进行 比对分析，可知分布式电源对于本公开提出的故障定位方法具有正向的效 果，适用于当今分布式电源日渐增多的配电网。
[0039]
本发明基于状态估计原理的配电网故障定位研究方法，对采集到的数 据，可通过状态估计修正其中的不良数据，可提高配电网系统内部数据的 精度与可靠性。
[0040]
本发明提出的方法适用于具有含多分布式电源的配电网络，通过电力 系统仿真软件验证了所提出方法的有效性。
[0041]
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性 的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0042]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本 公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0043]
图1为本发明提供的公开实施例一中所述的单电源辐射状配电网 ieee37配电网拓扑图；
[0044]
图2(a)为本发明提供的公开实施例二所述的配电网单相接地故障电流 分析图；
[0045]
图2(b)为本发明提供的公开实施例二所述的配电网三相接地故障电流 分析图；
[0046]
图3(a)为本发明提供的公开实施例二所述的配电网不同单相接地故障 位置的故障定位分析结果图；
[0047]
图3(b)为本发明提供的公开实施例二所述的配电网各种三相故障位置 的故障定位分析结果图；
[0048]
图4(a)为本发明提供的公开实施例三所述的含分布式电源的配电网单 相接地故障电流分析序网图；
[0049]
图4(b)为本发明提供的公开实施例三所述的含分布式电源的配电网两 相相间故
障电流分析序网图；
[0050]
图5(a)为本发明提供的公开实施例三所述的含分布式电源的配电网单 不同的单相接地故障位置的故障定位分析结果；
[0051]
图5(b)为本发明提供的公开实施例三所述的含分布式电源的配电网各 种三相故障位置的故障定位分析结果；
[0052]
图6为本发明提供的公开实施例三所述的含分布式电源配电网的故障 定位的流程图。
具体实施方式
[0053]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附 图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具 体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的 其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类 似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0054]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在 另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接
”ꢀ
另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。 本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似 的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0055]
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明 的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书 中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发 明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意 的和所有的组合。
[0056]
针对具有单向功率流向的传统和辐射型配电网基于状态估计方法的基 础上计算状态估计得到误差计算模型，对状态估计进行改进，通过公式的 推导建立误差计算模型，并对不同故障进行分析得到故障特点，在故障特 点的基础上提出伪测量的概念，将其应用到误差计算模型中，可利用误差 进行故障定位，提出故障定位的算法。对每个节点进行故障时的误差迭代， 设定为固定分析值的数据称为伪测量数据，将初始误差计算模型中的未知 量利用伪测量数据进行简化，最终得到误差最小的节点即为故障节点。分 析当含分布式电源配电网发生不同故障时的故障电流与各个分布式电源电 流之间的关系，故障电流可近似为所有电源电流之和，可将其建立伪测量 数据应用于误差计算模型。
[0057]
针对含分布式电源配电网中的不同故障进行分析，得到其故障特征， 并提出一种算例来研究当含分布式电源配电网发生不同故障时的故障电流 与各个分布式电源电流之间的关系，并根据其确定伪测量数据，简化误差 计算模型，从而根据故障定位算法进行故障定位；选用与传统配电网算例 中同样的37节点系统与提出的含分布式电源的故障定位算法进行了算例仿 真，得出在含分布式电源的配电网中该算法具有较高的定位准确率，适应 当今电网分布式电源广泛普及的环境。
[0058]
本发明基于利用状态估计的最小二乘法得到配电网的误差计算模型， 增强了辐射型配电网系统的可观测度，提高了电力系统实时数据的可靠性 和完整性，能够快速估计出电力系统的实时运行状态；
[0059]
分析了对具有单向功率流向的传统和辐射型配电网发生的不同故障特 点，提出
了伪测量数据的概念并对误差计算模型进行简化，从而确定伪测 量数据，弥补了配电网量测信息较少的缺点；
[0060]
研究了含分布式的电源的配电网的多源性与不确定性等特点，通过状 态估计的基本原理可增加含分布式电源的配电网的测量信息解决了故障位 置识别的问题，为发生故障时可以提供更好的决策，适应当今电网分布式 电源广泛普及的环境；
[0061]
针对含分布式电源配电网中的不同故障进行分析，得到其故障特征， 提出一种算例研究故障电流与各个分布式电源电流之间的关系，并根据其 确定伪测量数据，简化误差计算模型，可以使故障定位技术更加的准确， 从而提高配电网的安全性。
[0062]
一种利用状态估计的最小二乘法得到误差计算模型，通过伪测量数据 和误差计算模型对每个节点进行故障时的误差迭代，包括：
[0063]
假设存在变量x与变量y，且二者之间存在一定的依赖关系，当已知x 时，也可以知道关于y的部分信息，回归模型就是研究这种相关关系的方 法。将x定义为自变量，y定义为因变量，y中与x相关的部分记作f(x)， f(x)可近似为一个线性函数：
[0064]
y＝β0+β1x+e (1)
[0065]
上式中，α与β是未知量，e为其他因素影响所带来的随机误差，由于 误差有正有负，可将其均值假定为0，即无偏估计。
[0066]
上式中，由于β0与β1是未知量，β0是线性方程的截距，β1为斜率， 也可称之为回归系数，接下来需要用到已知数据对未知量进行估计。在含 有p个自变量的线性回归模型中，其一般形式为：
[0067]
y＝β0+β1x1+
…
+β
p
x
p
+e (2)
[0068]
若对其进行q次观测，则可得到以下q组数据：
[0069]
(yi,x
i1
,
…
,x
ip
),i＝1,
…
,q (3)
[0070]
且该q组数据满足下式：
[0071]
yi＝β0+β1x
i1
+
…
+β
p
x
ip
+ei,i＝1,
…
,q (4)
[0072]
将上述关系用矩阵表示可得：
[0073][0074]
接下来运用最小二乘法的基本思想，即β的真实值能够令误差向量 e＝y-xβ的值最小：
[0075]
j(β)＝||y-xβ||2＝(y-xβ)
t
(y-xβ) (6)
[0076]
如图1，在一个37节点的配电系统拓扑中，若状态变量为：
[0077][0078]
此时为未知量，若在m个固定的节点中安装测量电压的仪表(m《37)， 发生故障时，则可以写出该系统的量测向量
[0079][0080]
可以看出，在量测向量中还包含了37节点配电系统中各节点的电流， 通过提出伪测量数据的概念对中包含的各个节点电流进行分析与简化，从 而使其成为已知量。接下来根据最小二乘法的原理，可以建立目标函数， 满足下式的解就是x的最小二乘估计值。
[0081][0082]
h(x)为状态估计的量测方程，为量测向量，e为误差向量。
[0083]
系统中的测量点很少时，状态估计的基础是通过数学的方法估计出系 统中每个可能状态(即网络中每个节点上的电压)的精确回归。假设在一个有 n个节点的辐射状配电网络中，存在p个电压测量点，可得系统的量测向量 与误差向量：
[0084][0085][0086]
根据状态估计的原理，假设系统为线性系统，则量测方程可用线性方 程替代：
[0087][0088]
矩阵a称为特征矩阵，它由矩阵φ和矩阵y
bus
构成，φ矩阵为一个p
ꢀ×
n阶置换矩阵，由1和0组成，其中包含仪表的所有位置。y
bus
为系统的 导纳矩阵。根据上述式子求得初始误差计算模型为：
[0089][0090]
在式(13)中，特征矩阵a与量测向量均为已知量，可通过该式求出状态变 量此时的状态变量是通过最小二乘估计得到的对系统运行条件的最佳估 计，量测向量就是从该系统运行条件中获得的。误差e是估计值相对于系 统中可用测量值的拟合程度。因此，误差值越小，得到的估计越好。
[0091]
实施例一
[0092]
下面对发生不同故障时的电流进行分析，并通过分析做出假设。设定 为固定分析值的数据称为伪测量数据，由于配电网处的电流是可测量的， 故固定伪电流数据。
[0093]
单相接地故障如图2(a)所示，假设k相为故障线路，故障电流仅流经线 路k，然后通过接地返回，因此该故障类型的方程为:
[0094][0095]
三相短路故障如图2(b)所示，通常情况下三相故障是最严重的故障， 在这种情况下，故障电流有一个接地的返回点，电压成为接地参考电压:
[0096]vax
＝v
bx
＝v
cx
＝v
xq
＝0 (15)
[0097]
依次将图1所示的ieee 37节点测试系统的35个节点设置为单相接地 故障和三相故障，以测试该故障定位算法对单相接地故障的准确性。根据 主变电站的电流测量，确定节点705处发生单相接地故障时的电流配置， 作为设置伪测量数据的依据。第二顺位猜测节点(用s表示)与定位失败 节点(用f表示)已在图中标出。
[0098]
如图3(a)描述了故障定位识别算法对于各种相间接地故障位置的故障 定位分析结果。在总共35个被测试的节点中，18个被正确定位为第一顺位 节点。对于其余的节点，有12个节点作为第二顺位节点，5个节点定位失 败，该算法对于单相接地故障有着86％的定位正确率。
[0099]
如图3(b)描述了故障定位识别算法各种三相故障位置的故障定位分析 结果。在总共35个被测试的节点中，30个被正确定位为第一顺位节点。对 于其余的节点，有3个节点作为第二顺位节点，两个节点定位失败，该算 法对于三相故障有着94％的定位正确率。
[0100]
很明显，仅使用配电网测量信息和伪测量值，误差可能偏大，但伪测 量数据的使用也大大减少了状态估计所需的网络中被监控节点的数量。
[0101]
实施例二
[0102]
对含分布式电源配电网中的不同故障进行分析，得到其故障特征，并 提出一种算例来研究当含分布式电源配电网发生不同故障时的故障电流与 各个分布式电源电流之间的关系，根据其确定伪测量数据，根据故障定位 算法进行故障定位。
[0103]
单相接地短路故障时的序网图如图4(a)所示，通过序网图可得到：
[0104][0105][0106]
可得电流分布系数：
[0107][0108]
[0109][0110][0111]
对于正序故障电流，根据正序叠加原理：
[0112][0113][0114]
故障点故障相电压为过渡电阻上的电压，若故障点发生的是金属性接 地短路故障，即rg＝0，则故障相电压为0。可得i侧三相电流及零序电流为
[0115][0116]
相间故障其序网图如图4(b)所示，根据序网图可得到：
[0117][0118]
电流分布系数为：
[0119][0120][0121][0122][0123]
由此可得：
[0124][0125]
经过上述对故障的分析计算，可以得到分布式电源运行在发电状态， 即作为供电电源时的配电网故障特征。根据电流配置模型，如果节点i上存 在电源，则节点i处的电流测量值变为可得到节点705发生故障时 的故障电流：
[0126][0127]
如图5(a)描述了故障定位识别算法对于各种单相接地故障位置的故障 定位分析结果。第二顺位猜测节点(用s表示)与定位失败节点(用f表 示)已在图中标出。在总共35个被测试的节点中，26个被正确定位为第一 顺位节点。对于其余的节点，有4个节点作为第二顺位节点，5个节点定位 失败，该算法对于单相接地故障有着94％的定位正确率。可以推断，通过 增加网络中的测量点数量，虽然整体的故障识别率没有得到提高，但作为 第一顺位节点被识别的精确率得到明显的提高。
[0128]
如图5(b)描述了故障定位识别算法各种三相接地故障位置的故障定位 分析结果。在总共35个被测试的节点中，全部被正确定位为第一顺位节点。 该算法对于三相故障有着100％的定位正确率。可以推断，通过增加网络中 的测量点数量，该算法已经从传统配电网情况下获得的94％的成功率变为 完全100％的成功率。
[0129]
在分布式电源存在的情况下，由于测量点的增加，提高了系统的可观 测程度，从而故障定位的准确率相较于传统的配电网得到了明显的提高。 可以推断，随着分布式电源的普及程度越来越高，配电网中分布式电源的 数量原来越多，该算法的准确率也会随之提高，可靠性得到了极大的保证。 含分布式电源的配电网的故障定位流程如图6所示。
[0130]
该基于状态估计的配电网故障定位分析方法利用状态估计的最小二乘 法原理求解配电网节点信息，建立基于状态估计的误差计算模型；增强了 辐射型配电网系统的可观测度，提高了电力系统实时数据的可靠性和完整 性，能够快速估计出电力系统的实时运行状态；分析了对具有单向功率流 向的传统和辐射型配电网发生的不同故障特点，提出了伪测量数据的概念 并对误差计算模型进行简化，从而确定伪测量数据，弥补了配电网量测信 息较少的缺点；比较了传统配电网与含分布式电源的配电网的故障定位识 别算法对于不同故障特点的定位正确率，通过增加网络中的测量点数量， 明显的提高了作为第一顺位节点被识别的精确率；研究了含分布式的电源 的配电网的多源性与不确定性等特点，通过状态估计的基本原理可增加含 分布式电源的配电网的测量信息解决了故障位置识别的问题，为发生故障 时可以提供更好的决策；基于当含分布式电源配电网发生不同故障时的故 障电流与各个分布式电源电流之间的关系，提出一种测试来研究含分布式 电源配电网的故障电流的特点，可以使故障定位技术更加的准确，从而提 高配电网的安全性。
[0131]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到 本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适 应性变化，这些变型、用途
或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包 括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实 施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。 应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结 构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所 附的权利要求来限制。