一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法与系统与流程

1.本发明涉及数字电力技术领域，尤其涉及一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法与系统。


背景技术：

2.随着中国经济迅猛发展，电力需求不断增加，配电网规模日益扩大。中国10kv配电网地理分布广泛，部分10kv配电网线路长度超过100公里，配电网巡检和故障查找耗时长。中国10kv配电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行，在因雷击树木、山火引发的10kv配电网单相接地故障后，10kv配电网未构成短路，线电压仍对称，10kv配电网可带故障运行。但10kv配电网出现单相接地后，会造成非故障相电压升高，给配电网带来安全隐患。因此，在10kv配电网出现故障后，急需尽快定位故障位置，以便供电公司进行处置。
3.国内外许多学者对10kv配网故障定位做了大量研究，主要分区段定位和精确定位两类。区域定位法采用暂态零序电流广域比较法进行定位，在10kv配电网发生故障后，通过故障指示器检查故障点的暂态零序电流，从而判断10kv配电网故障发生的区段。文献中，提出了一种基于暂态零序电流特征的10kv配电网故障定位方法，通过故障指示器检测配电线路故障点零序电流暂态波形的凹凸特征，从而判断10kv配电网故障的区段。现有文献中，通过暂态零序电流进行10kv配电网电缆故障检测，从而判断10kv配电网故障区段。但10kv配电线路中约5公里安装一台故障指示器，若出现10kv配电网单相接地故障后，需在5公里范围内排查故障，耗时较长。
4.精准定位方法采用故障行波方法进行电网故障定位。现有文献中，采用单端行波方法进行电网故障定位，该方法对故障行波及反射波的波头衰减特征和抵达量测装置的时长进行电网故障定位，定位精度达120米。现有文献中，采用双端行波方法进行电网故障定位，通过对电网故障行波小波极大值确定故障行波到达故障两端量测装置的时间差确定故障的位置。但上述研究主要应用于网架结构简单的输电线路，10kv配电线路分支t接点多，波形抵达量测装置的反射波多，测量误差较大。
5.因此，有必要提供一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法与系统来解决上述之一技术问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题之一，本发明提出一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法，在配电网首端设置行波信号发射装置，并在配电网各子路径上设置至少一个量测装置，所述量测装置用于检测行波信号的；完成装置安装后，通过配电网拓扑辨识步骤、时空耦合矩阵创建步骤和配电网故障定位步骤，实现对配电网中故障点的位置定位。
7.具体的，配电网拓扑辨识步骤：根据配电网内初始行波信号传播时差对配电网拓扑进行拓扑关系识别与验证；包括初始行波信号注入、建立初始行波时差分析表、配电网拓扑关系识别和配电网拓扑关系验证。
8.具体的，时空耦合矩阵创建步骤：通过量测装置对配电网进行地理位置提取，并融合配电网拓扑关系建立时空耦合矩阵；包括量测装置时钟同步、量测装置地理位置提取、故障行波波头时间提取和故障时空耦合矩阵创建。
9.具体的，配电网故障定位步骤：用于在配电网发生故障后通过故障行波信号和时空耦合矩阵对故障进行位置定位；包括故障行波时差分析、故障行波时差测距计算、故障行波定位修正和配电网故障定位结果输出。
10.作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行初始行波信号注入和建立初始行波时差分析表：
11.a1通过行波信号发射装置向配电网中注入初始行波信号；
12.a2初始行波信号延配电网线路，从配电网首端，发送至配电网末端；
13.a3各量测装置接收初始行波信号，并记录初始行波信号的行波波头到达的时间，得到
14.波头数据时间点；
15.a4通过各波头数据时间点，形成初始行波时差分析表ha：
16.ha＝[y1,y
2-y1,y
3-y2,...,y
n-y
n-1
]
[0017]
其中，n表示量测装置数量，yn表示第n号量测装置所得到的波头数据时间点。
[0018]
作为更进一步的解决方案，配电网拓扑关系通过如下步骤进行识别：
[0019]
b1获取初始行波时差分析表ha；
[0020]
b2获取初始行波信号在配电网线路中的传输速率sa；
[0021]
b3计算配电网线路中各线路空间距离，并建立线路空间距离矩阵oa：
[0022]
oa＝[y1×
sa,(y
2-y1)
×
sa,...,(y
n-y
n-1
)
×
sa]
[0023]
其中，n表示量测装置数量，yn第n号量测装置所得到的波头数据时间点，sa为初始行波信号在配电网线路中的传输速率；
[0024]
b4将线路空间距离矩阵oa进行输出，完成对配电网拓扑关系的识别。
[0025]
作为更进一步的解决方案，配电网拓扑关系通过如下步骤进行验证：
[0026]
c1获取线路空间距离矩阵oa；
[0027]
c2向配电网中注入验证行波信号；
[0028]
c3各量测装置接收验证行波信号，并记录验证行波信号的行波波头到达的时间，得到验证波头数据时间点；
[0029]
c4通过各验证波头数据时间点，形成验证行波时差分析表；
[0030]
c5建立线路空间距离验证矩阵ob；
[0031]
c6对比线路空间距离矩阵oa与线路空间距离验证矩阵ob各子项差异，若差异均在误差阈值内，则认为配电网拓扑关系未发生变化，并通过配电网拓扑关系验证；若存在超出误差阈值的差异，则认为配电网拓扑关系发生变化，并对配电网拓扑关系进行更新。
[0032]
作为更进一步的解决方案，还在远端部署有故障分析主站，在量测装置中还部署有gps定位模块和通信模块；各量测装置通过gps定位模块获取位置信息，并通过通信模块与故障分析主站建立通信连接。
[0033]
作为更进一步的解决方案，所述gps定位模块为北斗定位模块，所述北斗定位模块能连接北斗对时系统和北斗定位系统，并通过如下步骤进行量测装置时钟同步和量测装置
地理位置提取：
[0034]
d1故障分析主站通过通信模块向各量测装置发送时钟对时命令；
[0035]
d2各量测装置向北斗对时系统请求下发时钟指令；
[0036]
d3北斗对时系统向各量测装置下发标准时间；
[0037]
d4各量测装置将下发标准时间设置为内部时钟，向故障分析主站返回，向完成量测装置时钟同步；
[0038]
d5故障分析主站通过通信模块向各量测装置发送地理位置提取命令；
[0039]
d6各量测装置向北斗定位系统请求下发地理位置指令；
[0040]
d7北斗定位系统向各量测装置下发地理位置信息；
[0041]
d8各量测装置接收地理位置信息，并通过标准时间，打上时间戳，得到时空耦合信息；
[0042]
d9故障分析主站接收各量测装置的时空耦合信息，完成量测装置地理位置提取。
[0043]
作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行故障行波波头时间提取和故障时空耦合矩阵创建：
[0044]
e1各量测装置持续检测配电网内的故障行波信号，记录检测的时空耦合信息，并上传至故障分析主站，其中，时间戳对应为故障行波信号的波头时间；
[0045]
e2当配电网内发生故障时，故障分析主站调取故障发生时段各量测装置的时空耦合信息；
[0046]
e3将时空耦合信息按照量测装置编号进行排序，得到故障时空耦合矩阵ka：
[0047][0048]
其中，n表示量测装置数量；tn表示第n号量测装置检测到故障行波信号波头的波头时间；an表示第n号量测装置检测到故障行波信号波头的地理位置信息。
[0049]
作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行故障行波时差分析和故障行波时差测距计算：
[0050]
f1选取配电网各子路径最先检测到故障行波信号的量测装置；
[0051]
f2通过配电网拓扑关系识别，计算被选取量测装置两两之间的线路空间距离；
[0052]
f3获取两两之间的线路空间距离的最短值，并作为双端行波测距的基准距离lmin，即：
[0053][0054]
其中，nb为被选取量测装置两两之间的线路空间距；
[0055]
f4获取基准距离lmin量测装置所对应的检测到故障行波信号波头的波头时间ta与tb，其中，ta表示最近量测装置的波头时间，tb表示次近量测装置的波头时间；
[0056]
f5通过双端行波测距计算故障点到最近量测装置距离la和故障点到次近量测装
置距离lb：
[0057][0058][0059]
其中，sb表示故障行波信号在配电网中传播的速率；lmin表示基准距离；ta表示最近量测装置的波头时间，tb表示次近量测装置的波头时间；
[0060]
f6通过故障点到最近量测装置距离la、故障点到次近量测装置距离lb、量测装置对应的时空耦合信息和配电网拓扑关系，便能确定故障点在配电网中的具体位置。
[0061]
作为更进一步的解决方案，还通过将未选取的量测装置进行两两配对，执行故障行波时差测距计算，得到故障点修正位置，通过故障点修正位置对具体位置进行故障行波定位修正。
[0062]
一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位系统，运行在硬件设备上，并通过如上任一项所述的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法来实现对配电网故障点的定位。
[0063]
与相关技术相比较，本发明提供的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法具有如下有益效果：
[0064]
1、本发明通过对配电网注入初始行波信号，并利用在配电网各子路径上的量测装置对初始行波信号进行检查，从而实现对配电网拓扑关系的识别和验证；配电网拓扑关系的识别能为故障点定位提供基础，配电网拓扑关系的验证能保证定位的准确度；
[0065]
2、本发明通过通过量测装置对配电网进行地理位置提取，并融合配电网拓扑关系建立时空耦合矩阵，从而实现对时空耦合信息的采集；并用于后续的定位当中；
[0066]
3、本发明通过故障行波时差分析和故障行波时差测距计算，确定故障点在配电网中的具体位置；最后，通过其它量测装置的故障行波时间差数据修正配电网故障位置信息，完成对故障点的定位；该方法较现有技术：能对配电网故障点进行远程无人快速定位，在大范围配电网场景下有着良好的实用价值；无需人工逐一排查，减少故障定位时间，从而保证整个配电网的正常运行。
附图说明
[0067]
图1为本发明提供的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法的较佳实施例流程图；
[0068]
图2为本发明提供的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法的较佳实施例配电网结构示意图；
[0069]
图3为本发明提供的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法的较佳实施例配电网故障示意图。
具体实施方式
[0070]
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除
非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0071]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0072]
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
[0073]
如图1至图3所示，本发明提供的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法，在配电网首端设置行波信号发射装置，并在配电网各子路径上设置至少一个量测装置，量测装置用于检测行波信号的；完成装置安装后，通过配电网拓扑辨识步骤、时空耦合矩阵创建步骤和配电网故障定位步骤，实现对配电网中故障点的位置定位。
[0074]
具体的，配电网拓扑辨识步骤：根据配电网内初始行波信号传播时差对配电网拓扑进行拓扑关系识别与验证；包括初始行波信号注入、建立初始行波时差分析表、配电网拓扑关系识别和配电网拓扑关系验证。
[0075]
具体的，时空耦合矩阵创建步骤：通过量测装置对配电网进行地理位置提取，并融合配电网拓扑关系建立时空耦合矩阵；包括量测装置时钟同步、量测装置地理位置提取、故障行波波头时间提取和故障时空耦合矩阵创建。
[0076]
具体的，配电网故障定位步骤：用于在配电网发生故障后通过故障行波信号和时空耦合矩阵对故障进行位置定位；包括故障行波时差分析、故障行波时差测距计算、故障行波定位修正和配电网故障定位结果输出。
[0077]
需要说明的是：中国的10kv配电网采用多分段多联络的方式运行，如图2所示，本实施例以10kv配电网线路为例进行说明，该10kv配电网含有两个变电站、两个隔离开关、一条主线路、若干条支线路、12个量测装置组成。
[0078]
作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行初始行波信号注入和建立初始行波时差分析表：
[0079]
a1通过行波信号发射装置向配电网中注入初始行波信号；
[0080]
a2初始行波信号延配电网线路，从配电网首端，发送至配电网末端；
[0081]
a3各量测装置接收初始行波信号，并记录初始行波信号的行波波头到达的时间，得到
[0082]
波头数据时间点；
[0083]
a4通过各波头数据时间点，形成初始行波时差分析表ha：
[0084]
ha＝[y1,y
2-y1,y
3-y2,...,y
n-y
n-1
]
[0085]
其中，n表示量测装置数量，yn表示第n号量测装置所得到的波头数据时间点。
[0086]
需要说明的是：如图2所示，该10kv配电网由两个隔离开关分为三段，安装0至12号配电线路量测装置。首先，由1号变电站首端的行波信号发射装置向配电线路发射初始行波信号，其余12个量测装置接受到初始行波信号后，记录接收到初始行波信号的波头时间点，形成初始行波时差分析表。
[0087]
作为更进一步的解决方案，配电网拓扑关系通过如下步骤进行识别：
[0088]
b1获取初始行波时差分析表ha；
[0089]
b2获取初始行波信号在配电网线路中的传输速率sa；
[0090]
b3计算配电网线路中各线路空间距离，并建立线路空间距离矩阵oa：
[0091]
oa＝[y1×
sa,(y
2-y1)
×
sa,...,(y
n-y
n-1
)
×
sa]
[0092]
其中，n表示量测装置数量，yn第n号量测装置所得到的波头数据时间点，sa为初始行波信号在配电网线路中的传输速率；
[0093]
b4将线路空间距离矩阵oa进行输出，完成对配电网拓扑关系的识别。
[0094]
作为更进一步的解决方案，配电网拓扑关系通过如下步骤进行验证：
[0095]
c1获取线路空间距离矩阵oa；
[0096]
c2向配电网中注入验证行波信号；
[0097]
c3各量测装置接收验证行波信号，并记录验证行波信号的行波波头到达的时间，得到验证波头数据时间点；
[0098]
c4通过各验证波头数据时间点，形成验证行波时差分析表；
[0099]
c5建立线路空间距离验证矩阵ob；
[0100]
c6对比线路空间距离矩阵oa与线路空间距离验证矩阵ob各子项差异，若差异均在误差阈值内，则认为配电网拓扑关系未发生变化，并通过配电网拓扑关系验证；若存在超出误差阈值的差异，则认为配电网拓扑关系发生变化，并对配电网拓扑关系进行更新。
[0101]
需要说明的是：由于10kv配电网运行情况复杂，而配电网拓扑关系很容易发生变动，若在配电网拓扑关系发生变动时，仍采用原有配电网拓扑关系进行定位，则可能会对最终定位结果造成影响，故本实施例在对故障点进行定位前，还要对配电网拓扑关系进行验证，以便保持配电网拓扑关系实时更新。
[0102]
作为更进一步的解决方案，还在远端部署有故障分析主站，在量测装置中还部署有gps定位模块和通信模块；各量测装置通过gps定位模块获取位置信息，并通过通信模块与故障分析主站建立通信连接。
[0103]
作为更进一步的解决方案，gps定位模块为北斗定位模块，北斗定位模块能连接北斗对时系统和北斗定位系统，并通过如下步骤进行量测装置时钟同步和量测装置地理位置提取：
[0104]
d1故障分析主站通过通信模块向各量测装置发送时钟对时命令；
[0105]
d2各量测装置向北斗对时系统请求下发时钟指令；
[0106]
d3北斗对时系统向各量测装置下发标准时间；
[0107]
d4各量测装置将下发标准时间设置为内部时钟，向故障分析主站返回，向完成量测装置时钟同步；
[0108]
d5故障分析主站通过通信模块向各量测装置发送地理位置提取命令；
[0109]
d6各量测装置向北斗定位系统请求下发地理位置指令；
[0110]
d7北斗定位系统向各量测装置下发地理位置信息；
[0111]
d8各量测装置接收地理位置信息，并通过标准时间，打上时间戳，得到时空耦合信息；
[0112]
d9故障分析主站接收各量测装置的时空耦合信息，完成量测装置地理位置提取。
[0113]
需要说明的是：本实施例中所提的量测装置通过北斗技术实现0至12号10kv配电网量测装置的时钟同步。首先，由配电网行波故障分析主站向0至12号量测装置发送时钟对时命令，各量测装置向北斗对时系统请求下发时钟指令。最后，北斗对时系统分别向0至12
号配电网量测装置下发标准时间。然后，通过配电网量测装置的10kv配电网安装杆号获取配电网量测装置的安装信息。其次，配电网量测装置向北斗位置系统请求坐标位置信息，并将获得的坐标位置信息上报到配电网行波故障分析主站。
[0114]
作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行故障行波波头时间提取和故障时空耦合矩阵创建：
[0115]
e1各量测装置持续检测配电网内的故障行波信号，记录检测的时空耦合信息，并上传至故障分析主站，其中，时间戳对应为故障行波信号的波头时间；
[0116]
e2当配电网内发生故障时，故障分析主站调取故障发生时段各量测装置的时空耦合信息；
[0117]
e3将时空耦合信息按照量测装置编号进行排序，得到故障时空耦合矩阵ka：
[0118][0119]
其中，n表示量测装置数量；tn表示第n号量测装置检测到故障行波信号波头的波头时间；an表示第n号量测装置检测到故障行波信号波头的地理位置信息。
[0120]
需要说明的是：如图3所示，10kv配电网发生故障后，其产生的故障行波从故障点向两端发散传播，传播距离越远，耗时越长，衰减越大。当任意一个配电网量测装置监测到10kv配电网故障后，便协同控制该配电网内所有的量测装置启动，0至12号配电网量测装置均接收到该故障行波的波头时间点，并建立波头时间点与配电网量测装置地理坐标信息、所挂配电线路杆号信息建立时空耦合矩阵。
[0121]
作为更进一步的解决方案，通过如下步骤进行故障行波时差分析和故障行波时差测距计算：
[0122]
f1选取配电网各子路径最先检测到故障行波信号的量测装置；
[0123]
f2通过配电网拓扑关系识别，计算被选取量测装置两两之间的线路空间距离；
[0124]
f3获取两两之间的线路空间距离的最短值，并作为双端行波测距的基准距离lmin，即：
[0125][0126]
其中，nb为被选取量测装置两两之间的线路空间距；
[0127]
f4获取基准距离lmin量测装置所对应的检测到故障行波信号波头的波头时间ta与tb，其中，ta表示最近量测装置的波头时间，tb表示次近量测装置的波头时间；
[0128]
f5通过双端行波测距计算故障点到最近量测装置距离la和故障点到次近量测装置距离lb：
[0129]
[0130][0131]
其中，sb表示故障行波信号在配电网中传播的速率；lmin表示基准距离；ta表示最近量测装置的波头时间，tb表示次近量测装置的波头时间；
[0132]
f6通过故障点到最近量测装置距离la、故障点到次近量测装置距离lb、量测装置对应的时空耦合信息和配电网拓扑关系，便能确定故障点在配电网中的具体位置。
[0133]
作为更进一步的解决方案，还通过将未选取的量测装置进行两两配对，执行故障行波时差测距计算，得到故障点修正位置，通过故障点修正位置对具体位置进行故障行波定位修正。
[0134]
需要说明的是：在10kv配电网故障行波时空耦合矩阵的基础上，提取故障行波时刻最短的量测装置信息。如图3所示，故障点产生的故障行波将10kv配电网主线及5号装置的支线传播。从10kv配电网故障行波时空耦合矩阵中可看出，最先接收到故障行波信号的配电网量测装置为5号、8号和3号装置。因此，本实施例采用该三个配电网量测装置的时间信息计算10kv配电网的故障位置。
[0135]
设5号、8号和3号配电网量测装置接收到的故障行波时间点分别为t5、t8、t3，5号与8号配电网量测装置的距离长度为l1，3号与8号配电网量测装置的距离长度为l2，3号与5号配电网量测装置的距离长度为l3，则先比较装置之间的距离，选择距离最短lmin的作为双端行波测距的依据。
[0136]
最后，采用所有的10kv配电网量测装置时间差数据进行两两计算，根据计算的距离修正配电网故障位置信息。
[0137]
需要说明的是：将未选取的量测装置进行两两配对修正配电网故障位置信息可以通过均值法、权重法、比值计算法等进行，而具体方法可以根据实际情况选择，本实施例不做赘述。
[0138]
一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位系统，运行在硬件设备上，并通过如上任一项的一种基于行波时空矩阵的配电网故障定位方法来实现对配电网故障点的定位。
[0139]
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。