一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法与流程

本申请涉及复杂配电网故障定位，尤其涉及一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法。

背景技术：

1、配电网结构复杂，架空线-电缆混合，分支线众多，所处环境恶劣，容易发生各种类型故障，在输电网中成熟运用的故障定位技术难以在配电网中实施。而配电网故障精确定位是加快线路修复、减少停电时间和快速恢复供电的主要方法，也是进一步提升新能源分布式接入配电网自动化水平和供电可靠性的关键技术。

2、常见的配电网故障定位方法包括故障分析法和行波法，但随着分布式电源在配电网的渗透率逐渐提高，故障分析法因其易受大量电力电子设备接入影响而失效；而行波法以其原理简单且受系统运行方式、分布式电源接入影响小等众多特点，在故障定位领域取得了广泛的应用。然而目前已有的大部分行波定位法中的波速度选取往往靠的是历史经验值，或者不考虑线路参数频率相关特性，波速度选取由某一固定线路参数计算得到的固定值。利用这两种方式获取的波速度进行故障定位，其定位结果具有较强的任意性，降低了故障定位精度。为了消除来自行波波头时间标定错误造成的故障定位误差，近年来部分学者通过提取行波固有频率对线路故障进行定位，且逐渐在除双端线路之外的同杆并架线路、架空-电缆线路以及多端线路中实现了成熟的运用。然而，对于结构复杂的配电网却鲜有人研究。

3、综上所述，现有方法对于复杂配电网的故障定位存在一定的缺陷。因此研究一种定位精度高、不依赖波头时间信息且不受系统运行方式和分布式电源接入的影响的复杂配电网故障定位方法十分有必要。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，在保证故障分支可靠判定的同时，大大提高了故障定位精度，且定位结果不受故障位置、类型、过渡电阻、初相角影响。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、本申请实施例提供一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，包括以下具体步骤：

4、步骤一：在配电网各分支线路安装故障行波采集设备，定义配电网各分支节点对应的参考端；

5、步骤二：在真实故障发生前，假设各分支节点分别发生虚拟故障，对原始故障行波进行数据预处理，提取各端的基准固有频率主成分，基于配电网拓扑结构建立基准频率矩阵；

6、步骤三：真实故障发生后，同样对原始故障行波进行数据预处理，提取各端的故障固有频率主成分，建立故障频率矩阵，再用所建立的故障频率矩阵和基准频率矩阵做差得到故障判定矩阵；

7、步骤四：根据故障判定矩阵的特征，判定故障所在区域；

8、步骤五：按照故障点到参考端的路径不经过分支节点或经过分支节点数量最少为原则确定故障点的参考端，然后提取对应参考端检测到的故障固有频率主成分；

9、步骤六：计算与步骤五中所选取的固有频率主成分相匹配的故障行波波速，从而计算出故障点位置。

10、所述步骤一中，各分支节点的参考端以该分支节点到参考端的路径不经过其他分支节点或经过其他分支节点数量最少为原则来确定。

11、所述步骤二中，数据的预处理包括：采用凯伦贝尔相模变换提取故障行波线模分量，再通过经验模态emd和快速傅里叶变换fft对所提取的线模分量进行频谱分析，从而准确提取固有频率主成分，以一个含有m个分支节点和n个端点的多分支配电网为例，其基准频率矩阵如式（1）所示：

12、  （1）

13、其中矩阵元素由式（2）得出：

14、     (2)

15、式中：vlight为光速， f beipj为分支节点pj ，j=1,2,3……m，分别发生虚拟故障时，对应参考端ei ，i=1,2,3……n，分别检测到的基准固有频率主成分。

16、所述步骤三中，以一个含有m个分支节点和n个端点的多分支配电网为例，当发生真实故障时，其故障频率矩阵如式（3）所示，其矩阵元素可由式（4）求出；而故障分支判定矩阵v可通过式（5）计算得出：

17、    （3）

18、       (4)

19、式中：vlight为光速，f reipj为分支节点pj，j=1,2,3……m，分别发生真实故障时，对应参考端ei，i=1,2,3……n，分别检测到的故障固有频率主成分，

20、             (5)。

21、所述步骤四中，根据步骤三所算出的故障分支判定矩阵v中的元素判断故障区域，其判据如下：

22、（1）分支节点pj故障

23、以当v中第i列元素全部为0时，则可以判定故障发生在以端点ei为参考端的分支节点pj上，即：

24、        （6）

25、式中， v(,i)为故障判定矩阵v中第i列的所有元素，如果矩阵中有两列或多列为0则可判定故障发生在以其所对应的端点为参考端的分支节点pj上，

26、（2）分支eipj故障

27、当第i列的所有元素均不大于0，第i行的所有元素均不小于0，则可以判定故障发生在以端点ei为参考端的分支节点pj与端点ei之间的分支eipj上，即

28、     （7）

29、式中，v(,i)max为故障判定矩阵中第i列元素的最大值，v(i,)min为故障判定矩阵中第i行元素的最小值，

30、（3）分支节点pjps之间故障

31、当故障判定矩阵v的第i列的所有元素与第k列的元素点乘结果为0，则可判定故障发生在分支节点pjps之间，pj和ps分别为ei和ek所对应的分支节点，即

32、         （8）

33、式中，v(,k)为故障判定矩阵v中第k列的所有元素；

34、（4）故障分支判定矩阵的修正

35、由于在提取固有频率主成分的实际操作过程中可能存在一定误差，导致v中计算值为0的元素可能不会等于0，还需进一步对该元素计算值进行修正，若矩阵中的元素λ满足以下条件，则将其修正置0：

36、-0.01≤λ≤0.01       （9）。

37、所述步骤六中，根据以下公式确定故障行波波速并得出故障点位置：

38、        (10)

39、式中，l为故障行波传输距离；vk为故障行波波速；fk为权力要求六中所提取的固有频率主成分；θr为系统侧反射角；θf为故障点反射角；r0、l0、g0和c0分别为配电线路单位长度电阻、电感、电导和电容。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：无需检测行波波头时间，通过构建多端频率矩阵在保证故障分支可靠判定的同时实现了频率分量与波速度相互匹配，大大提高了故障定位精度，且定位结果不受故障位置、类型、过渡电阻、初相角影响。

技术特征：

1.一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤一中，各分支节点的参考端以该分支节点到参考端的路径不经过其他分支节点或经过其他分支节点数量最少为原则来确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤二中，数据的预处理包括：采用凯伦贝尔相模变换提取故障行波线模分量，再通过经验模态emd和快速傅里叶变换fft对所提取的线模分量进行频谱分析，从而准确提取固有频率主成分，以一个含有m个分支节点和n个端点的多分支配电网为例，其基准频率矩阵如式（1）所示：

4.根据权利要求1所述的一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤三中，以一个含有m个分支节点和n个端点的多分支配电网为例，当发生真实故障时，其故障频率矩阵如式（3）所示，其矩阵元素可由式（4）求出；而故障分支判定矩阵v可通过式（5）计算得出：

5.根据权利要求1所述的一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤四中，根据步骤三所算出的故障分支判定矩阵v中的元素判断故障区域，其判据如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，其特征在于，所述步骤六中，根据以下公式确定故障行波波速并得出故障点位置：

技术总结
本申请涉及一种基于多端行波频率矩阵的复杂配电网故障定位方法，包括：在配电网各分支线路安装故障行波采集设备，定义配电网各分支节点对应的参考端；在真实故障发生前，基于配电网拓扑结构建立基准频率矩阵；真实故障发生后，建立故障频率矩阵，再用所建立的故障频率矩阵和基准频率矩阵做差得到故障判定矩阵；根据故障判定矩阵的特征，判定故障所在区域；按照故障点到参考端的路径不经过分支节点或经过分支节点数量最少为原则确定故障点的参考端，然后提取对应参考端检测到的故障固有频率主成分；计算出故障点位置。本申请在保证故障分支可靠判定的同时实现了频率分量与波速度相互匹配，大大提高了故障定位精度。

技术研发人员：曾海燕,曾祥君,陈爽,张钟毓,肖峥,喻锟,李航,曾举鹏
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司武汉供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11