配电网故障定位方法、装置和系统与流程

本发明实施例涉及电力系统故障检测技术，尤其涉及一种配电网故障定位方法、装置和系统。

背景技术：

配电网作为电力网的末端，由于直接与用户段相接，其故障将直接影响人们的日常生活和经济活动。而配电网结构复杂、不确定因素众多，是电力系统中故障最为频发的部分。由配电网故障造成的停电事故约占总停电事故的95％以上，其中70％的事故由单相接地故障或母线故障引发。对于配电网的单相接地故障，由于故障特征量微弱，一直缺乏可靠的线路故障定位方法。随着人们对配电网自动化水平要求的提高，根本上解决配电网的故障定位问题意义重大。

目前国内外常用的配电网故障定位方法主要有阻抗法，注入信号法和行波法。阻抗法通过故障点电压和电流得到线路阻抗，从而求取故障距离；注入信号法是向配电网中注入特征信号，利用信号检测装置来定位故障点位置；行波法根据波在传输线路上波阻抗不连续节点的反射特性来确定故障点距离，原理上可分为单端法和多端法。

以上常用的配电网故障定位方法存在众多亟待解决的问题：首先，在面对电缆架空线混合线路时，存在两种类型线路波速的换算问题。另外，阻抗法易受过渡电阻、线路分支等因素影响；注入信号法的可靠性易受间歇性电弧、过渡电阻的影响；单端法中波头的识别较为困难，特别是在拓扑结构复杂的配电网中，波头来源更加难以区分；双端法的成本较高。这些问题时刻制约着电力系统的进一步发展。

技术实现要素：

本发明提供一种配电网故障定位方法、装置和系统，以提高配电网中故障定位可靠性，并快速定位出故障区域。

第一方面，本发明实施例提供了一种配电网故障定位方法，包括：

获取配电网线路中检测点采集的故障暂态波形，根据所述检测点采集的故障暂态波形构造时频矩阵；

计算所述时频矩阵与所述检测点所在区域的分支样本库中样本时频矩阵的相似度；

根据时频矩阵相似度计算结果选出故障线路；

在所述故障线路，计算采集的故障暂态波形相对样本故障点以及相邻样本故障点处故障暂态波形的整体波幅偏差，根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置。

第二方面，本发明实施例提供了一种配电网故障定位装置，包括：

波形获取模块，用于获取配电网线路中的故障暂态波形；

计算模块，用于根据波形获取模块获取的故障暂态波形构造时频矩阵，计算所述时频矩阵与分支样本库中所有样本时频矩阵的相似度，计算所述故障暂态波形相对样本故障点以及相邻样本故障点处故障暂态波形的整体波幅偏差；

故障定位模块，用于根据时频矩阵相似度计算结果选出故障线路，根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置。

第三方面，本发明实施例提供了一种配电网故障定位系统，包括：暂态信号检测装置、信息汇集装置、通信网络、定位主站，告警终端；

所述暂态信号检测装置安装在配电线路上，用于记录线路故障发生时刻的暂态信号；

所述信息汇集装置与所述暂态信号检测装置以及故障定位主站通信连接；将其覆盖区域内的暂态信号检测装置采集和记录的数据进行处理；

所述的定位主站集成有权利要求78所述的配电网故障定位装置。

本发明通过分析故障暂态波形与样本库中波形的相似度确定故障点位置，无须辨识不同的折反射波头，没有时钟同步要求，仅利用单端信息就能可靠、准确地定位出故障点位置，有效解决了配电网中单相接地故障选线与故障定位可靠性低，且在实际运行中的故障选线与定位结果并不准确的问题，实现故障点定位可靠性高、易实现、成本低的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一的提供的一种配电网故障定位方法的流程图；

图2为本发明实施例一中提供的某10kv配电网模型图；

图3是本发明实施例二中的提供的一种配电网故障定位方法的流程图；

图4是本发明实施例三中的提供的一种配电网故障定位装置的结构示意图；

图5是本发明实施例四中的一种配电网故障定位系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种配电网故障定位方法的流程图，本实施例可以用于配电网中发生单相接地故障的情况，该方法可以由配电网故障定位装置来执行，具体包括如下步骤：

步骤110、获取配电网线路中检测点采集的故障暂态波形，根据所述检测点采集的故障暂态波形构造时频矩阵；

其中，所述检测点是配电网中设置了暂态信号检测装置的分支节点；所述故障暂态波形是配电网发生故障时检测点的暂态信号检测装置采集到的暂态波形，可以通过与暂态信号检测装置进行无线通信，获取故障暂态波形。

例如实际故障发生时，检测点上的暂态信号装置触发录波功能，记录线路故障发生时刻的故障暂态信号，再对暂态信号的离散信号点进行s变换并得出s变换相关的二维矩阵，将s变换后得到的各频率下幅值向量进行细分，每个频率有n个采样点，将其等分成m个块，计算每个频率和时段快所对应的幅值，组成时频矩阵。

步骤120、计算所述时频矩阵与所述检测点所在区域的分支样本库中样本时频矩阵的相似度；

其中，所述分支样本库是各区域的检测点采集本区域各分支的样本故障点暂态波形并上传至定位主站，然后构造时频矩阵组成本区域的分支样本库；所述相似度用于描述两个故障暂态波形的相似程度；

具体地，计算故障点的时频矩阵与本区域的分支样本库中的所有样本时频矩阵的相似度，两个故障暂态波形时频矩阵a1和a2之间的相似度ρ为：其中，<a1,a2>表示矩阵时频矩阵a1和时频矩阵a2的内积；||a1||、||a2||分别表示矩阵a1和a2的范数；类比于向量夹角，定义γ为2个矩阵之间的夹角：当γ＝90°时，ρ＝0，表示2个矩阵完全不同；当γ＝0°时，ρ＝1，表示2个矩阵相似度极高。

步骤130、根据时频矩阵相似度计算结果选出故障线路；

具体地，根据时频矩阵相似度计算结果对故障分支判别，具体判据为：ρmax＞ρset时，ρmax所对应的样本故障点所在分支为故障线路，ρmax为故障暂态波形与分支样本库中样本故障暂态波形的最大相似度，即与分支样本库中样本故障暂态波形相似度的最大值；ρset为用于可靠判别故障分支而设定的门槛值。

示例性地，请参考图2，图2为某10kv配电网模型图，图中a～f表示各线路末端，t1～t4表示各分支节点，t1t3和dt2为电缆线路，其余为架空线路。在分支at1上距离t1节0.2，0.6，3km的位置分别设置单相接地故障f1，f3和f4，在分支bt1上距离t1节点0.2km的位置设置单相接地故障f2。

故障f1发生后，a端检测到的第1次行波是从故障点直接传播到a端；第2次行波是从故障点传播到分支节点t1，并在t1处发生反射，然后经过故障点处的折射，最后到达a端；第3次行波是在a端和故障点分别发生了一次反射，最后到达a端。对于某一检测点，其检测到的暂态信号是故障初始行波在波阻抗不连续的地方发生折反射后，各次行波按照一定时序的叠加。由此可知a端检测到的故障f1电压反行波和前行波分别下式所示。

其中，e1为初始行波；q为传输函数；k和h分别为故障行波在波阻抗不连续点的折射系数和反射系数；q，k，h的下标表示故障行波的传输路径。

同理，故障f2发生后a端检测到的电压方向行波具有与类似的表达式，但由于其各次行波的折反射情况、传输路径和到达时序不同，其表达式中的各叠加项也会不同。

对于同一分支上不同位置的故障，易分析得知，各次行波会有相同的折反射情况，但传输函数和到达时序不同，所以故障暂态波形也会存在差异。而对于故障点位置很接近的故障，这种差异将急剧减小。因此，可以利用不同位置故障时暂态波形的相似性来实现配电网中故障分支的判定和故障点的精确定位。

步骤140、在所述故障线路，计算采集的故障暂态波形相对样本故障点以及相邻样本故障点处故障暂态波形的整体波幅偏差，根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置；

具体地，所述的根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置，主要是利用整体波幅偏差与故障点位置的比例关系来计算得到精确的故障点位置，包括以下步骤：在步骤140故障线路判定过程中，得到故障暂态波形与分支样本库中所有样本故障暂态波形的相似度，确定相似度数值最大的样本故障点yn；定义波形a和波形b之间第i个采样点幅值偏差为：εa-b,i＝|ai-bi|，式中ai和bi分别为波形a和波形b的第i个采样点幅值，则计算故障暂态波形与样本故障点yn以及相邻样本故障点yn-1和yn+1处故障暂态波形的整体波幅偏差为：和选择出所述整体波幅偏差最小的两个样本故障点，则故障点位于这两个样本故障点之间；计算故障点到所述整体波幅偏差最小的样本故障点的距离：其中为所述整体波幅偏差较小的两个样本故障点之间的距离，xmin为所述整体波幅偏差中最小的值，xmid为所述整体波幅偏差中第二小的值。本实施例的技术方案，通过分析故障暂态波形与分支样本库中的样本故障暂态波形的相似度和整体波幅偏差确定故障点具体位置，该方法能够不受系统参数、过渡电阻等因素的影响，精准定位配电网故障点，达到定位可靠、准确的效果。

实施例二

可选地，参考图3，本发明提出的另一种配电网故障定位方法，在实施例一的基础上添加了对检测点的和分区域分支样本库的设置，该方法具体包括：

步骤210、根据所述配电网的拓扑结构设置暂态信号检测装置，每个检测装置安装处为一个所述检测点，其中，所述检测点的位置满足任意位置的信号到达检测点最多经过一个分支节点的原则配置有限的暂态信号检测装置。

具体地，根据所述配电网的拓扑结构设置暂态信号检测装置，按照任意位置故障时初始暂态信号到达检测点最多经过一个分支节点的原则，在有限个分支节点上配置暂态信号检测装置。

可选地，步骤220、在配电网的每个分支线路上按照预设的间隔设置样本故障点；

具体地，在配电网中每一条线路上都按照预设的间隔设置样本故障点。

可选地，步骤230、利用所述检测点采集本区域各分支的样本故障点发生故障时的故障暂态波形，构造时频矩阵组成本区域的分支样本库。

具体地，每个检测点和其最近的分支构成一个故障判别区域，其中，一个故障判别区域内的分支与检测点的距离不超过一个分支节点。在配电网每个分支线路上按照预设的间隔设置样本故障点，各区域的检测点采集本区域各分支的样本故障点暂态波形并上传至定位主站，然后构造时频矩阵组成本区域的分支样本库。构造时频矩阵的方法如下：对暂态波形的离散信号点x[k](k＝0，1，…，n-1)进行s变换并得出s变换相关的二维矩阵；将s变换后得到的各频率下幅值向量进行细分，每个频率有n个采样点，将其等分成m个块，第j个频率下第g个时段块所对应的幅值为则反映暂态信号的时频矩阵e如下：

可选地，步骤240、获取配电网线路中检测点采集的故障暂态波形，根据所述检测点采集的故障暂态波形构造时频矩阵。

具体地，检测点对线路运行的电气量信号进行实施采集，在线路发生故障时，触发录波功能，记录线路故障发生时刻的暂态波形，然后构造时频矩阵，对暂态波形的离散信号点x[k](k＝0，1，…，n-1)进行s变换并得出s变换相关的二维矩阵；将s变换后得到的各频率下幅值向量进行细分，每个频率有n个采样点，将其等分成m个块，第j个频率下第g个时段块所对应的幅值为则反映暂态信号的时频矩阵e如下：

可选地，步骤250、计算所述时频矩阵与所述检测点所在区域的分支样本库中样本时频矩阵的相似度。

具体地，计算故障暂态波形时频矩阵与检测点所在区域的分支样本库中的样本故障暂态波形的时频矩阵之间的相似度ρ，γ为2个矩阵之间的夹角；当γ＝90°时，ρ＝0，表示2个矩阵完全不同；当γ＝0°时，ρ＝1，表示2个矩阵相似度极高。

可选地，步骤260、根据时频矩阵相似度计算结果选出故障线路。

具体地，根据时频矩阵相似度计算结果对故障分支判别，具体判据为：

ρmax＞ρset，ρmax为故障暂态波形与分支样本库的最大相似度，即与分支样本库中样本故障暂态波形相似度的最大值；ρset为用于可靠判别故障分支而设定的门槛值。当故障暂态波形与所述样本库中样本故障暂态波形相似度的最大值ρmax大于门槛值ρset时，则该样本故障暂态波形所对应的分支线路为故障线路。

可选地，步骤270、在所述故障线路，计算采集的故障暂态波形相对样本故障点以及相邻样本故障点处故障暂态波形的整体波幅偏差，根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置。

具体地，通过相似度确定相似度数值最大的样本故障点yn；定义波形a和波形b之间第i个采样点幅值偏差为：εa-b,i＝|ai-bi|，式中：ai和bi分别为波形a和波形b的第i个采样点幅值，计算所述实际故障暂态波形与所述样本故障点yn以及相邻样本故障点yn-1和yn+1处故障暂态波形的整体波幅偏差则为和选择出所述整体波幅偏差最小的两个样本故障点，则故障点位于这两个样本故障点之间；计算故障点到所述整体波幅偏差最小的样本故障点的距离：

其中，为所述整体波幅偏差较小的两个样本故障点之间的距离，xmin为所述整体波幅偏差中最小的值，xmid为所述整体波幅偏差中第二小的值。

本实施例通过科学设置检测点减少了检测装置的设置数量，并建立区域分支样本库使后续的故障定位更加方便，既减少了本发明配电网故障定位方法的成本投入又提高了故障定位的效率，可以达到了经济性好，效率高的效果。

实施例三

可选地，图4所示一种配电网故障定位装置结构示意图，适用于实现配电网故障定位，该装置包括：

波形获取模块310，用于获取配电网线路中的故障暂态波形；

计算模块320，用于根据波形获取模块获取的故障暂态波形构造时频矩阵，计算所述时频矩阵与分支样本库中所有样本时频矩阵的相似度，计算所述故障暂态波形相对样本故障点以及相邻样本故障点处故障暂态波形的整体波幅偏差；

故障定位模块330，用于根据时频矩阵相似度计算结果选出故障线路，根据整体幅值偏差计算结果确定故障点位置。

该装置通过对故障暂态波形的获取和计算可以准确定位配电网故障点，达到定位可靠准确的效果。

可选地，所述的配电网故障定位装置，还可以包括：

检测点设置模块340，用于波形获取模块之前，在配电网中安装暂态信号检测装置，每个检测装置安装处为一个检测点，其中，所述检测点的位置满足任意位置的信号到达检测点最多经过一个分支节点的原则配置有限的暂态信号检测装置；

样本库构造模块350，用于检测点设置模块之后，在配电网中设置样本故障点，利用所述检测点采集本区域各分支的样本故障点发生故障时的故障暂态波形，构造时频矩阵组成本区域的分支样本库。

上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

实施例四

可选地，图5所示一种配电网故障定位系统的结构示意图，适用于实现配电网故障定位，该系统包括：暂态信号检测装置410、信息汇集装置420、通信网络430、定位主站440，告警终端450；

所述暂态信号检测装置410安装在配电线路上，用于记录线路故障发生时刻的暂态信号；

所述信息汇集装置420与所述暂态信号检测装置410以及故障定位主站440通信连接；将其覆盖区域内的暂态信号检测装置410采集和记录的数据进行处理；

所述的定位主站440集成有实施例三述的配电网故障定位装置，用于将监测的线路运行信息及故障告警信息发送至所述告警终端450。

具体地，所述的暂态信号检测装置410安装在配电线路上，对线路运行的电气量信号进行实施采集，线路故障时，暂态信号装置410触发录波功能，记录线路故障发生时刻的暂态信号；所述的通信网络430可包括暂态信号检测装置410与信息汇集装置420间的lora/wifi近距离通信网络和信息汇集装置420和定位主站440之间以及定位主站440和告警终端450之间的4g/5g/光纤远距离通信网络；定位主站440根据信息汇集装置420上传的数据，执行本发明任意实施例提供的故障定位方法，完成矩阵相似度计算、整体幅值偏差计算等数据分析过程，完成故障选线和故障定位的研判；所述的告警终端450可以是手机、平板、电脑等可联网等设备终端，告警终端450可实时查询监测的线路运行信息及故障时的故障选线和定位等告警信息。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。