基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法及系统与流程

1.本公开属于电力系统配电网保护技术领域，具体涉及一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.电力系统主要由发电厂、输电网、配电网和电力用户构成，而配电网是从发电厂或输电网中接受电能并将电能通过配电设施供给各电力用户的电力网。作为电力供给侧的最后一环，配电网的安全稳定对于整个电力系统而言具有重要的意义。
4.当配电网某处线路发生故障时，能否及时快速准确的定位故障区域，并及时恢复非故障区域的电力供应关系到整个电力系统的供电可靠性和稳定运行能力。随着新能源电站在电力系统中的渗透率不断上升，配电网的结构逐渐演变成为了电源和用户互联的复杂多电源网络，因此导致了传统意义上的配电网故障定位方法已经越来越不适应新型电力系统的需求，主要体现在准确性和普适性的降低。因此研究含有分布式电源的配电网的故障定位方法不仅在提升电力系统的供电可靠性上，也在促进分布式电网的发展上有着重要的意义。目前的配电网广泛应用了馈线终端单元(feeder terminal unit，简称ftu)，基于ftu的故障定位方法应运而生，针对传统配电网故障定位方法存在的不足如运算复杂、计算周期长、定位准确性差的问题，需要对传统的故障定位算法进行相应的改进与优化，需要根据ftu来实现一种更合理更完备的方法来实现故障定位。
5.针对目前的配电网，主要的故障定位算法可以分为直接算法和间接算法，直接算法包括基于图论的过热弧搜索法和矩阵算法，间接算法包括基于人工智能的人工神经网络、遗传算法、专家系统等；但是这些传统有源配电网故障定位存在着准确性低、适应性差的问题，亟需进行配电网故障定位的相关研究，以提高电力系统运行的可靠性。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本公开提出了一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法及系统，采用矩阵算法进行故障的求解，提高了配电网故障定位的准确性与可靠性。
7.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法，采用如下技术方案：
8.一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法，包括以下步骤：
9.获取含分布式配电网的网络拓扑；
10.根据网络拓扑构建关系描述矩阵和故障信息矩阵；
11.将构建的关系描述矩阵和故障信息矩阵相乘，得到故障判定矩阵，判断故障区域；
12.其中，故障判定矩阵考虑馈线终端单元的信息缺失和故障信息畸变。
13.作为进一步的技术限定，获取含分布式配电网的网络拓扑前，需要获取馈线终端
单元属性矩阵，对馈线终端单元属性矩阵进行逆运算，得到含分布式配电网的网络拓扑。
14.进一步的，在获取馈线终端单元属性矩阵的过程中，先判断馈线终端单元是否正常通信，若正常通信则直接根据馈线终端单元的状态数据输出馈线终端单元属性矩阵，否则进行馈线终端单元属性矩阵的重构。
15.进一步的，所述馈线终端单元属性矩阵的重构是将通信异常的馈线终端单元原有馈线终端单元属性矩阵中的通信故障行元素进行替换删除，生成新的馈线终端单元属性矩阵。
16.作为进一步的技术限定，在得到故障判定矩阵的过程中，考虑馈线终端单元的通信中断、信息缺失不完善的情况，剔除异常的馈线终端单元，更新含分布式配电网的网络拓扑节点信息，得到重构的关系描述矩阵和重构的故障信息矩阵，得到故障判定矩阵。
17.进一步的，含分布式电源的配电网在运行中收到外界环境的影响，馈线终端单元所上传的部分故障信息存在着故障信息畸变的情况，需要针对发生畸变的故障信息进行修正，得到修正后的故障信息矩阵，结合关系描述矩阵和修正后的故障信息矩阵，得到故障判定矩阵。
18.进一步的，当存在故障信息畸变时，对含分布式配电网的网络拓扑的各个节点依次进行信息修正，直到畸变信息消失为止。
19.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位系统，采用如下技术方案：
20.一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位系统，包括：
21.获取模块，用于获取含分布式配电网的网络拓扑；
22.故障定位模块，用于根据网络拓扑构建关系描述矩阵和故障信息矩阵，将构建的关系描述矩阵和故障信息矩阵相乘，得到故障判定矩阵，判断故障区域；
23.其中，故障判定矩阵考虑馈线终端单元的信息缺失和故障信息畸变。
24.根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
25.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法中的步骤。
26.根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
27.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法中的步骤。
28.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
29.本公开提出了适用于含分布式电源的配电网故障定位的故障判据，对传统算法所存在的信息处理困难、计算量大、可靠性一般的问题进行了改进，所采用的矩阵算法计算简单、可靠性强；基于pscad搭建模型实现单一故障到多重故障的模拟，充分考虑信息缺失与信息畸变的情况，实现高准确率、强适应性的配电网故障定位。
附图说明
30.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示
意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
31.图1是本公开实施例一中基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法的流程图；
32.图2是本公开实施例一中含分布式配电网的网络拓扑图；
33.图3是本公开实施例一中含分布式配电网存在故障时的网络拓扑的潮流图；
34.图4是本公开实施例一中故障信息畸变示意图；
35.图5是本公开实施例二中基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位系统的结构框图。
具体实施方式：
36.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.实施例一
41.本公开实施例一介绍了一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法。
42.本实施例将配网中的自动化开关作为节点进行编号，规定正方向为正常运行时开关潮流流向，系统运行方式改变时自动修正，避免了必须对于每个电源均假定一次正方向的缺陷，以基于矩阵算法的有源配电网故障定位方法为核心，具体过程如图1所示：
43.如图1所示的一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法，包括以下步骤：
44.步骤s01：构建ftu属性矩阵；
45.步骤s02：根据网络拓扑结构构建关系描述矩阵d；
46.步骤s03：依据ftu上报得到的故障信息生成故障信息矩阵m；
47.步骤s04：信息缺失情况下根据具体情况重构关系描述矩阵d和故障信息矩阵m；
48.步骤s05：存在故障信息畸变时，修正故障信息矩阵m；
49.步骤s06：、利用关系描述矩阵d和故障信息矩阵m生成故障判断矩阵p，判断故障区域；
50.步骤s07：保护动作。
51.作为一种或多种实施方式，在步骤s01中，根据配电网安装ftu的配电开关即自动化开关对配电线路进行区段划分。若ftu的通信正常，则可以根据各ftu的状态数据构造n行n列的ftu属性矩阵；若ftu的通信异常如通信受到干扰、通信中断等情况，则需要对ftu属性矩阵进行重构。即如果第i个ftu发生了通信异常的情况，则将原有的ftu属性矩阵的第i行的第三个元素置为0，并且将ftu属性矩阵f中的第1、2列中与第i行第二个元素数值相同的
元素以及元素f
i2
用元素f
i1
进行替换，并且删除ftu属性矩阵中的第i行向量，从而生成新的ftu属性矩阵。从而可以根据新的ftu属性矩阵的逆过程，对含分布式配电网的网络拓扑进行重构，得到重构后的含分布式配电网的网络拓扑图如图2所示。
52.在本实施例中，ftu属性矩阵为n行3列矩阵，其中m为节点数量，三列元素分别表示相应的节点端口1对应的区域编号、端口2对应的区域编号、ftu通信情况(1代表通信正常，0代表通信异常)。
53.作为一种或多种实施方式，在步骤s02中，根据网络拓扑结构以及潮流流向形成关系描述矩阵d，关系描述矩阵d是一个n行n列矩阵，行对应区域，列对应开关节点。
54.具体的，在图2中，dg1、dg2、dg3为分布式电源，s1、s2、s3为系统电源，黑色方框为安装有ftu的设备，在该配电网拓扑图中作为节点，对图2中的节点依次编号，节点与节点之间为区域，对区域也依次编号，则可以依据节点与区域的拓扑组合生成关系描述矩阵d。关系描述矩阵d行代表节点，列代表区域。若一个网络两个节点m、n由输电线路直连，则可以对关系描述矩阵d中的元素d
mn
和d
nm
进行赋值，取-1或1。同时对整个网络遍历，在关系描述矩阵中将其中不相连的剩余点用0填充。d
mn
数值具体如下：
[0055][0056]
取电力系统正常运行时开关上的潮流流向为开关的正方向，当系统的运行方式发生改变如发生短路故障、发电机甩负荷等时，可以根据网络潮流的流向自动对关系描述矩阵d进行修正。如图2所示的箭头方向为某种运行方式下系统的潮流流向。在关系描述矩阵d中，每列所有元素的和为0，即每个节点注入和流出的电流之和为0，符合基尔霍夫电流定律(kcl)，每行的非零元素的个数为该区域所连分支线路的条数。
[0057]
作为一种或多种实施方式，在步骤s03中，当配电网中某个区域发生故障时，故障电流会流经该区域，如图3所示，为当区域(2)发生故障时配电线路中的潮流流向，同时主站可以根据各个ftu上传的故障状态构成故障信息矩阵m，故障信息矩阵m为一个列向量mj，其每个元素的定义如下所示：
[0058][0059]
其中，根据配网实际运行结构，ftu设置三种模式:0、1、-1。其中0代表该节点处无故障电流，1代表节点处流经故障电流、其方向与规定正方向相同，－1代表节点处流经故障电流、其方向与规定正方向相反。
[0060]
作为一种或多种实施方式，在步骤s04中，关系描述矩阵d为n行n列矩阵，故障信息矩阵m为n行1列矩阵，将二者相乘可以得到n行1列的新矩阵，该新矩阵为故障判定矩阵p。如果关系描述矩阵d的某行的非零元素个数大于2，则定义t区域为该行所对应的区域。
[0061]
故障判定矩阵p中各元素定义如下：
[0062][0063]
在实际工况下的配电网中，由于大部分的ftu都采取户外安装，而户外的环境由于其复杂性特殊性时变性，可能会对部分的ftu的通信产生干扰，使得部分ftu的故障信息无法上传到主站，但其余的ftu仍可以正常工作，确保及时准确的将故障信息上传到主站；因此可以先将因为自身原因不上传故障信息的ftu剔除，在此基础上形成新的配电网络拓扑结构，并且根据新的拓扑结构形成新的关系描述矩阵d和故障信息矩阵m。
[0064]
作为一种或多种实施方式，在步骤s05中，实际运行情况下可能会出现某些ftu通信中断、故障信息缺失不完备的情况，其他ftu通信正常仍可上传故障信息，需剔除不上传故障信息的ftu，更新节点信息，依据剔除完相应ftu的配电网网络拓扑结构将开关和区域重新编号，构建新的关系描述矩阵d和故障信息矩阵m，通过新的关系描述矩阵d与故障信息矩阵m相乘得到故障判定矩阵p根据故障判据进行故障定位。
[0065]
作为一种或多种实施方式，在步骤s06中，在配电网实际运行状态下，由于收到外界环境的影响，ftu上传的故障信息有可能发生故障信息畸变，针对信息畸变要进行相应的修正，修正后才能进行故障定位。如图4所示，依据畸变情况具体可分为6种情形，当原来ftu工作模式为0畸变为1或-1时，对应图4中的【6】和【1】，均属于误报情况；当原来ftu工作模式为1畸变为-1或0时，对应图4中的【5】误报和【3】漏报；当原本ftu工作模式为-1畸变为0或1时，对应图4中的【4】漏报和【2】误报。
[0066]
当识别出畸变信息时，先只对某个节点进行信息修正以此类推到修正n个节点，直到畸变信息完全消失为止,再利用修正后的故障信息矩阵结合上述方法进行故障定位。
[0067]
本实施例能够实现配网单重故障与多重故障的定位，对于有源配电网故障定位而言，当故障发生时，系统潮流流向发生变化。如图3所示，在区域(2)处设置三相短路故障，区域(2)流经故障电流，经仿真结果得故障信息矩阵m，关系描述矩阵d和故障信息矩阵m相乘得到故障判定矩阵p，故障判定矩阵p中p2大于1且p4、p6、p8均为1,根据故障判据判定区域(2)故障，结果与假设相同，故障定位成功。
[0068]
双重故障时，如图3在(2)和(5)处设置三相短路故障，经过仿真结果得故障信息矩阵m，关系描述矩阵d和故障信息矩阵m相乘得到故障判定矩阵p，故障判定矩阵p中的p2、p5均大于1，p4、p6、p8均为1，根据判据判定故障区域为(2)(5)，与假设相同，定位成功。
[0069]
本实施例提出一种适用于分布式电源的配点网故障定位的故障判据，采用矩阵算法进行求解。针对传统算法的信息处理困难、计算量大、可靠性一般的问题进行改进，矩阵算法计算简单，可靠性强；通过pscad搭建模型从单一故障和多重故障进行模拟，并考虑了信息缺失与信息畸变情况，对比发现本文算法故障定位准确率高，适应性强；下表1对矩阵算法和传统算法进行了比较。
[0070]
表1矩阵算法与传统算法比较
[0071][0072]
实施例二
[0073]
本公开实施例二介绍了一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位系统，采用了实施例一中所介绍的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法。
[0074]
如图5所示的一种基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位系统，包括：
[0075]
获取模块，用于获取含分布式配电网的网络拓扑；
[0076]
故障定位模块，用于根据网络拓扑构建关系描述矩阵和故障信息矩阵，将构建的关系描述矩阵和故障信息矩阵相乘，得到故障判定矩阵，判断故障区域；
[0077]
其中，故障判定矩阵考虑馈线终端单元的信息缺失和故障信息畸变。
[0078]
详细步骤与实施例一提供的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法相同，在此不再赘述。
[0079]
实施例三
[0080]
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
[0081]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法中的步骤。
[0082]
详细步骤与实施例一提供的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法相同，在此不再赘述。
[0083]
实施例四
[0084]
本公开实施例四提供了一种电子设备。
[0085]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法中的步骤。
[0086]
详细步骤与实施例一提供的基于矩阵算法的分布式电源配电网故障定位方法相同，在此不再赘述。
[0087]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。