基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其步驟如下：利用主站收集配電網各饋線開關的電流越限信息，定義其電流狀態特征值，利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障；根據饋線開關上傳的電流狀態特征值信息，對饋線故障區段進行定位；根據饋線故障區段定位結果，主站向故障饋線區段的自動化開關發送分閘命令，對饋線故障區段隔離。本發明采用代數關系建模和逼近關系理論，與矩陣法相比更易于考慮容錯性，擺脫了基于邏輯關系建模最優化故障定位方法對群體智能算法的依賴，可應用常規非線性優化實現饋線故障區段的定位，具有好的數值穩定性，具有較高效的故障定位效率，適應于大規模配電網的在線故障定位。
【專利說明】
基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力系統配電網自動化技術領域，更加具體地說，涉及一種基于代數 關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，對配電網饋線區段的故障位置進行確定。
【背景技術】
[0002] 配電網故障定位作為配電網自動化的核心內容之一，其故障辨識的準確有效性直 接影響著配電網供電安全可靠性和對用戶的供電質量。隨著我國配電網改造工程的實施和 智能配電網的建設，在中低壓配電網中，大量的自動化設備與監控終端如FTU、TTU、RTU等被 應用，利用其"四遙"功能，可實時動態獲取配電網的狀態運行信息。基于此，國內電力領域 提出了基于FTU等自動化終端的配電網故障定位新技術，因該類故障定位方法直接利用配 電網FTU等自動化終端采集的相關運行信息，故具有原理簡單、實現便捷等優勢，已被應用 于配電網自動化饋線區段故障定位領域。目前，基于FTU的配電網饋線故障辨識方法主流有 統一矩陣法和基于群體智能算法的最優化法。
[0003] 統一矩陣法最早由我國著名電力專家劉健1999年提出，其原理為：首先基于配電 網拓撲結構構建網絡描述矩陣，然后根據正常運行下饋線最大負荷進行FTU報警電流值的 整定，依據故障報警完備信息生成故障信息矩陣，最后利用矩陣相乘運算并通過規格化處 理得到故障判定矩陣進行故障區段辨識。至今，有關矩陣法圍繞著如何提高故障定位效率、 模型適應性和容錯性三方面開展研究，取得了豐碩成果。統一矩陣法具有數值穩定性強、故 障辨識效率高和實時性好的優勢，但其在考慮配電網復雜多重故障時建模原理復雜，且缺 乏對FTU信息丟失或畸變時的適應性，容易出現錯判和漏判。
[0004] 基于群體智能算法的最優化法，1995年文福栓等最早將其應用于輸電網的故障定 位，2000年我國學者孫雅明等提出用于配電網故障定位的遺傳算法，其故障定位原理為:首 先，基于逼近理論和最小故障診斷集概念，構建基于邏輯關系描述的故障定位離散優化數 學模型;然后，利用群體智能算法決策出最能解釋所有自動化設備上傳故障電流報警信息 的饋線短路故障區段。該類方法的后續研究焦點在于將新群體智能方法用于邏輯描述故障 定位模型的最優決策。與統一矩陣方法相比，基于群體智能算法的最優化法具有便于考慮 復雜多重故障、容錯性好和通用性強等優勢，但因采用邏輯關系描述存在以下缺陷：（1)故 障定位模型構建過程復雜；（2)故障辨識效率低，不適合大規模配電網在線應用；（3)只能采 用群體智能優化算法求解，故障定位過程具有強不確定性和數值不穩定性，間接增加故障 區段的錯判或漏判率，導致故障停電范圍的擴大。因此，提出基于FTU的具有高容錯性的配 電網故障定位在線技術已經成為亟待解決的課題。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于代數關系描述和互補理論的配電 網故障定位方法，不僅具有高容錯性、強適應性，且可避開群體智能優化算法的應用，具有 良好的數值計算穩定性和可靠性，適合于大規模配電網的在線故障定位。
[0006] 為了達到上述目的，本發明的技術方案是：一種基于代數關系描述和互補理論的 配電網故障定位方法，其步驟如下：
[0007] 步驟1:利用主站收集配電網各饋線開關的電流越限信息，若某一開關上傳電流越 限信息，則定義該開關的電流狀態特征值為1，反之，則定義該開關的電流狀態特征值為0; 其次，利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障，若為瞬時性故障，故障可 被自動消除，無需啟動故障定位，若為永久性故障，執行步驟；
[0008] 步驟2:根據饋線開關上傳的電流狀態特征值信息，對饋線故障區段進行定位，若 某一饋線區段故障，則定義該區段故障狀態特征值為1，反之，定義該饋線區段故障狀態特 征值為0,完成饋線故障區段定位后執行步驟3;
[0009] 步驟3:根據步驟2完成的饋線故障區段定位結果，主站向故障饋線區段緊鄰的自 動化開關發送分閘命令，實現饋線故障區段的隔離。
[0010] 進一步地，所述利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障的方法 是:利用相鄰兩個采集周期的開關上傳的電流越限信息進行判定，當首次采集出現故障狀 態時的電流越限信息的特征值為1，且相鄰第二次采集的電流越限信息的特征值為0時，可 判定出為瞬時性故障；若相鄰兩次采集的電流越限信息的特征值都為1，判定為永久性故 障。
[0011] 進一步地，所述對饋線故障區段進行定位的實現方法是:根據配電網的網絡拓撲 與FTU位置，并依據電氣信號流動特征，建立設備間的因果設備集;基于代數關系描述建立 電流越限信息的開關函數;基于故障診斷最小集和逼近關系理論建立配電網二次規劃故障 定位模型；引入饋線狀態互補約束條件，建立配電網故障定位的互補約束規劃模型;基于常 規非線性最優化實現對饋線故障區段定位。
[0012] 進一步地，所述建立設備間的因果設備集的方法是：依據配電網網絡拓撲連通性 和功率流的輸送機制，若某一自動化開關K出現故障過電流和饋線區段i發生短路的故障直 接相關，則饋線區段i為自動化開關K的因果設備。
[0013] 進一步地，所述建立電流越限信息的開關函數是采用代數算子加法運算(+ )或減 法運算(_)實現。
[0014] 進一步地，所述建立配電網二次規劃故障定位模型是采用開關函數與自動化開關 電流狀態特征值間的殘差平方和最小實現。
[0015] 進一步地，所述饋線狀態互補約束條件為:增加輔助變量y，饋線故障狀態特征值 為X，則x丄y = 0。
[0016]進一步地，所述配電網故障定位的互補約束規劃模型為采用帶擾動因子的互補函 數構建滿足KKT極值條件的等價非線性規劃模型。
[0017] 進一步地，所述常規非線性最優化求解:采用內點法實現。
[0018] 本發明有益效果:與現有技術相比，本發明采用代數關系建模和逼近關系理論，與 矩陣法相比更易于考慮容錯性，同時，擺脫了傳統基于邏輯關系建模最優化故障定位方法 對群體智能算法的依賴，可應用常規非線性優化實現饋線故障區段的定位，不僅具有好的 數值穩定性，且具有更加高效的故障定位效率，適應于大規模配電網的在線故障定位。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0020] 圖1為本發明正常運行的實施例配電網線路圖。
[0021] 圖2為本繁忙故障運行的實施例配電網線路圖。
[0022]圖3為本發明公開的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法的流程 圖。
[0023 ] 其中，Si為變電站出線的斷路器，S2、S3、......、S6和S7為饋線分段開關。
【具體實施方式】
[0024]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0025]基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法進行故障定位，其步驟如 下：
[0026]步驟1:利用主站收集配電網各饋線開關的電流越限信息，若某一開關上傳電流越 限信息，則定義該開關的電流狀態特征值為1，反之，則定義該開關的電流狀態特征值為〇 ; 利用開關的電流狀態特征值判定饋線是否發生永久故障，若為瞬時性故障，故障被自動消 除，無需啟動故障定位，若為永久性故障，執行步驟2。
[0027] 如圖1所示，饋線區段1-7由變電站SUB供電，SA變電站SUB出線的斷路器，S2_S7為 饋線的分段開關，長方塊代表斷路器，短方塊代表負荷開關。圖2為圖1中配電網線路的饋線 區段5和饋線區段7發生故障時的配電線路圖。
[0028] 利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障的方法，即瞬時性故障 和永久性故障的判定方法是：利用相鄰兩個采集周期的開關上傳的電流越限信息進行判 定，當首次采集出現故障狀態時的電流越限信息的特征值為1，且相鄰第二次采集的電流越 限信息的特征值為〇時，可判定出為瞬時故障，若相鄰兩次采集的電流越限信息的特征值都 為1，判定為永久故障。
[0029] 如圖2所示的典型配電網線路，假設在饋線區段5和饋線區段7上發生雙重相間短 路故障，主站開始首次采集各饋線開關的電流越限信息，假定饋線開關S 21傳的電流越限 信息，由于某種原因發生誤報，則首次主站收集到的電流越限信息為[1 0 1 1 1 1 1]，其 中饋線開關的序號按照Si、S2、S3、......、S7的順序排列。經過一個米集時間間隔，一般為15分 鐘，主站第二次采集各饋線開關的電流越限信息，若此時采集的開關電流越限信息為[0 0 0 0 0 0 0]，則判定為瞬時性故障，若采集的饋線開關上傳的電流越限信息為[1 0 1 1 1 1 1]，則判定為永久性故障，通過執行步驟2啟動基于代數關系描述和互補理論的配電網故 障定位。
[0030] 步驟2:根據饋線開關上傳的電流狀態特征值，對饋線故障區段進行定位，若某一 饋線區段故障，則定義該區段故障狀態特征值為1，反之，定義該饋線區段故障狀態特征值 為0，完成饋線故障區段定位后執行步驟3。
[0031 ]其中，饋線故障區段定位的實現方法為：
[0032] a、建立因果關聯設備集。當斷路器Si的監控點有報警信息上傳時，依據網絡拓撲 連通性和功率流的輸送機制可知，可能是饋線1~7發生短路故障引起，其為造成斷路器Si 報警信息的因果設備。同理，可得到分段開關S2~S7的因果設備。建立的因果設備集如表1所 示：
[0033]表1自動化開關的因果設備集
[0035] b、基于代數關系描述建立電流越限信息的開關函數。開關函數優選采用代數算子 加法運算(+ )或減法運算(_)實現。若一分別表示自動化分段開關Si~S7的電流 越限信息的開關函數，x(l)~x(7)分別為饋線1~7的故障運行狀態信息，則/ S|(%)~/.s_(Al: 的代數描述數學模型可表示為：
[0036] /s((X) -- .v( 1) + ,v(2) + ,v(3) + -f ,\ (5) + ,\ (6) + .y(7)
[0037] 八」（A'_) = .r(2) + x(3) + .v(4) + x(5)
[0038] /、（A") = .v(3)十.v(4) + .y(5}十.v(6) + .v(7)
[0039] /S|(^)-..v(4)-f.v(5)
[0040] /s,(X) = x{5)
[0041 ] /Vi (.Y) = .v(6) -f .v(7)
[0042] /、、（％') = .r(7)。
[0043] c、基于故障診斷最小集和逼近關系理論建立配電網二次規劃故障定位模型。配電 網二次規劃故障定位模型優化目標采用開關函數與自動化分段開關的電流狀態特征值間 的殘差平方和最小實現。依據上述開關函數，基于故障最小集理論即可建立描述因果設備 故障狀態信息與自動化分段開關的電流越限信息4 -47間的關聯信息的二次逼近關系函 數獅Si(X)為:
[0044] (A ) = [/、. -/、.（；0]2/.二 1,2,…，7
[0045] 以開關函數與自動化分段開關的電流狀態特征值間的殘差平方和最小，并考慮饋 線運行狀態特征值的0-1狀態限制，實施例的配電網二次規劃故障定位模型為：
[義=[.v(l)，x(2)，一，.v(7)]，.v(/_) e .|0，1!.
[0047] d、引入饋線狀態互補約束條件，建立配電網故障定位的互補約束規劃模型，增加 饋線故障狀態X(i)的輔助變量K(i)，利用x(i)取值只能為0-1的特點構建線性等式約束條 件且保證只有當x(i)和K(i)取值為0或1時等式成立，實施例中基于代數關系和互補理論的 配電網故障定位模型為： min人7>'(.\，）
[0048] , X + K = i,X X = [,v( 1), .v(2), ? ? , .v(7)], r = [/l-( 1), r(2), ? ? , r( 7)] X,k>0
[0049] e、引入饋線狀態互補約束條件，建立配電網故障定位的互補約束規劃模型。配電 網故障定位的互補約束規劃模型采用非線性最優化求解，首先采用帶擾動因子的互補函數 構建滿足KKT極值條件的等價非線性規劃模型，然后采用常規非線性規劃求解，優選內點法 實現。
[0050]引入擾動因子的Fischer-Bumeister輔助函數=功')+.??- 士⑴2 -1 A-(i): + 2冰)2 , 實施例中基于連續空間的帶擾動因子的互補函數構建滿足KKT極致條件的等價非線性規劃 模型為：
[0052]非線性規劃模型中，e(i)為饋線i的擾動因子，為非負值為擾動因子偏差評 價函數。
[0053]然后，直接利用內點法進行故障定位，￥?、行1〇、？1^分別表示預設故障位置、目標 函數值、最大約束違背量和定位出的故障位置，其故障定位結果如表2所示，可定位出饋線 區段5和饋線區段7發生故障。
[0054]表2故障定位結果
[0056]因此，如步驟1所假定的雙重故障，應用故障區段定位得到饋線故障定位結果為：
[0000101]。
[0057]步驟3:根據步驟2完成的饋線故障區段的定位結果，主站向故障饋線區段緊鄰自 動化開關即饋線區段5和饋線區段7兩端的自動化開關發送分閘命令，實現饋線故障區段的 隔離。
[0058]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特征在于，其步驟如 下： 步驟1:利用主站收集配電網各饋線開關的電流越限信息，若某一開關上傳電流越限信 息，則定義該開關的電流狀態特征值為1，反之，則定義該開關的電流狀態特征值為0;其次， 利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障，若為瞬時性故障，故障可被自 動消除，無需啟動故障定位程序，若為永久性故障，執行步驟2; 步驟2:根據饋線開關上傳的電流狀態特征值信息，對饋線故障區段進行定位，若某一 饋線區段故障，則定義該區段故障狀態特征值為1，反之，定義該饋線區段故障狀態特征值 為〇,完成饋線故障區段定位后執行步驟3; 步驟3:根據步驟2完成的饋線故障區段定位結果，主站向故障饋線區段緊鄰的自動化 開關發送分閘命令，實現饋線故障區段的隔離。2. 根據權利要求1所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述利用開關的電流狀態特征值判定各饋線是否發生永久故障的方法是:利用相 鄰兩個采集周期的開關上傳的電流越限信息進行判定，當首次采集出現故障狀態時的電流 越限信息的特征值為1，且相鄰第二次采集的電流越限信息的特征值為〇時，可判定出為瞬 時性故障;若相鄰兩次采集的電流越限信息的特征值都為1，判定為永久性故障。3. 根據權利要求1所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述對饋線故障區段進行定位的實現方法是:根據配電網的網絡拓撲與FTU位置， 并依據電氣信號流動特征，建立設備間的因果設備集;基于代數關系描述建立電流越限信 息的開關函數;基于故障診斷最小集和逼近關系理論建立配電網二次規劃故障定位模型； 引入饋線狀態互補約束條件，建立配電網故障定位的互補約束規劃模型;基于常規非線性 最優化實現對饋線故障區段定位。4. 根據權利要求3所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述建立設備間的因果設備集的方法是:依據配電網網絡拓撲連通性和功率流的 輸送機制，若某一自動化開關出現故障過電流和饋線區段i發生短路的故障直接相關，則 饋線區段i為自動化開關崩勺因果設備。5. 根據權利要求3所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述建立電流越限信息的開關函數是采用代數算子加法運算(+)或減法運算(-)實 現。6. 根據權利要求3所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述建立配電網二次規劃故障定位模型是采用開關函數與自動化開關電流狀態特 征值間的殘差平方和最小實現。7. 根據權利要求3所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述饋線狀態互補約束條件為：增加輔助變量/，饋線故障狀態特征值為I則 X 丄）' =0 〇8. 根據權利要求3所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述配電網故障定位的互補約束規劃模型為采用帶擾動因子的互補函數構建滿足 KKT極致條件的等價非線性規劃模型。9. 根據權利要求8所述的基于代數關系描述和互補理論的配電網故障定位方法，其特 征在于，所述常規非線性最優化求解:采用內點法實現。
【文檔編號】G01R31/08GK105929306SQ201610324035
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】郭壯志, 張秋慧, 陳濤, 薛鵬, 詹自熬, 徐其興, 肖海紅
【申請人】河南工程學院