CN101968525B - 一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，属于配电网故障检测的技术领域。包括以下步骤：首先通过编制数据解析接口，从现有的配电网地理信息系统、配电网能量管理系统中提取目标配电网络的信息，自动生成目标网络实时的仿真计算模型。其次基于此仿真计算模型，提出基于虚拟节点的故障定位算法，可以求解在目标网络中任意点发生对称和不对称故障时，任意节点的电压幅值与故障位置参数之间的函数关系。最后利用少量故障过程中的电压跌落幅值实时数据，计算得到配电网实际发生故障的精确位置。采用实时监测与仿真计算相结合的故障定位方法，准确有效地反映故障发生时网络的状态及参数，提高故障定位的精度，适用各种网络结构和故障类型。

Description

一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法

技术领域

本发明属于配电网故障检测的技术领域，具体涉及一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法。

背景技术

电力系统配电网馈线数目众多，供电范围广，设备数量巨大。线路发生故障时不仅损失大，故障点的排查也非常困难。特别是在城市配电网中，地埋电缆供电方式应用的日益广泛，更是增加了排查的难度。实现快速精确的配电网故障点定位一直是电力生产管理部门的迫切需要，也是相关科研人员长期的研究热点。

在自动化水平不高的情况下，发生故障时一般仅变电所线路断路器跳闸，即使在主干线上用开关分段，也只能隔离有限的几段，为了找出具体故障位置，往往需要操作人员拉线停电和人工巡线来查找故障点，花费时间长，人力物力耗费大，而且延长了停电时间，降低了供电可靠性。

为了解决配电网故障定位问题，运行管理部门一方面努力提升配电网自动化(DA)运行水平，依靠大量装设的线路分段开关来自动定位并隔离故障。此种故障定位方法具有最快的速度和最高的精度，是处理配电网故障问题的最佳技术手段和下一步的发展方向，但其所需投资巨大，目前的条件下无法大面积推广应用。在研究配电网故障特性的基础上，加装各种辅助设备是目前实现故障定位的普遍措施，对于解决该问题起到了一定的作用。但这类方法的共同问题是多数关键性的动作阀值基本是离线计算得到，很难根据当前的网络运行方式和负荷状况进行自适应的调整。尤其在单相接地故障的判断上，存在大量的漏报和误报现象，实际运行效果仍不理想。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法的技术方案，将仿真计算与实时监测进行结合，故障定位精度高、判断速度快，适用于各种配电网络结构和故障类型。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)稳态运行数据提取

从供电部门的配电地理信息系统(GIS)数据库中提取目标网络的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息，并形成中间数据库；从供电部门的配电能量管理系统(DMS)中提取目标网络的实时稳态运行参数和负荷参数，并形成中间数据库；

(2)自动生成仿真计算模型

以步骤(1)所得到的中间数据库为基础，由仿真计算自动生成软件自动生成目标网络实时的仿真计算模型和系统正常运行时的节点阻抗矩阵；

(3)暂态信息提取

从供电部门安装的暂态电能数据库中自动提取故障过程中的节点电压数据，从供电部门的故障信息记录数据库中接收故障发生时的附加信息，包括线路开关跳闸信息，用于进行短路故障定位，小电流选线装置的选线信息，用于进行单相接地故障定位时的选线；

(4)故障特性分析及定位计算

当配电网发生短路或接地故障时，首先接收各种故障信息，分析判断发生故障的类型，获取故障过程中实时监测各节点电压幅值，然后利用基于虚拟节点的故障定位算法进行仿真计算，得到配电网实际发生对称或不对称故障的精确位置，并将故障点显示在配电网动态拓扑结构图中。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(1)中所述的配电地理信息系统(GIS)包含的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息存储于Smallworld数据库里，将Smallworld数据库转存到Oracle中间数据库中，配电网智能故障定位系统由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle数据库读取电网拓扑结构和网络元件参数信息；

所述的配电能量管理系统(DMS)包含的稳态运行参数和负荷参数信息存储于PI实时数据库系统(Plant Information System)中；

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(2)中所述的仿真计算自动生成软件由MATLAB编写，软件自动生成节点阻抗矩阵方法包括如下步骤：

1)根据选定的目标网络确定节点集，并对节点进行编号；

2)仿真计算自动生成软件通过由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle中间数据库中的电网拓扑结构信息和网络元件的正序、负序和零序参数信息，根据各节点的自导纳和节点之间的互导纳形成目标网络的正序、负序和零序节点导纳矩阵；

3)对已得导纳矩阵求其逆矩阵计算得出目标网络正常运行时正序、负序和零序节点阻抗矩阵。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(3)中所述的暂态电能数据库为一种国际通用的PQDIF数据格式，PQDIF使多数据具有良好兼容性，便于实现不同监测系统间数据共享。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(4)中所述的短路或接地故障包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地四种故障类型，接收各种故障信息、分析判断发生故障类型的判定方法如下：当A、B、C三相电压跌落幅值相近，即A、B、C三相电压各相的跌落幅值差值不超过1％，则判定为三相短路故障；当其中一相电压跌落幅值明显低于其他两相，即差值超过10％，则判定为单相接地故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且线路中零序电流没有明显增加，即零序电流增加小于10％，则判定为两相短路故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且出现零序电流明显增加，即零序电流增加大于10％，则判定为两相短路接地。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(4)中所述的利用基于虚拟节点的故障定位算法进行仿真计算，基于虚拟节点故障定位算法的方法如下：

1)当故障发生在配电网的节点p处时，配电网中任意节点j的残压如下式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_{j\left[0\right]}\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[1\right]}\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[2\right]}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[1\right]}^{\left(0\right)}\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{\mathrm{jp}\left[0\right]}& 0& 0\\ 0& Z_{\mathrm{jp}\left[1\right]}& 0\\ 0& 0& Z_{\mathrm{jp}\left[2\right]}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{p\left[0\right]}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{p\left[1\right]}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{p\left[2\right]}\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中

分别是故障时节点j的零序、正序、负序电压相量；

为节点j故障前的正序电压相量；Z_jp[0]、Z_jp[1]、Z_jp[2]分别为节点j与节点p之间节点阻抗矩阵中的互阻抗；

为故障时节点p的零序、正序、负序故障电流相量。故障电流相量

则可根据不同故障类型，基于对称分量法用节点p故障前的零序、正序、负序电压相量

及其自阻抗(Z_pp[0]、Z_pp[1]、Z_pp[2])计算得出；

2)当故障发生在电网中任意两节点p、q之间传输线路上的任意点f处时，故障点f的位置用参数λ来描述，其定义如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{pf}}}{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{pq}}}---\left(2\right)$

式中Len_pf为f、p点之间的距离，Len_pq为p、q点之间的距离；

3)将故障点f视为新增的虚拟节点，设节点j是电网中任意节点，为了计算出虚拟节点f故障时节点j的电压则必须已知节点f、j之间的互阻抗Z_if和虚拟节点f的自阻抗Z_ff，其求解方法如下：

Z_if[0][1][2]＝(1-λ)Z_pj[0][1][2]+λZ_qj[0][1][2]      (3)

Z_ff[0][1][2]＝(1-λ)²Z_pp[0][1][2]+2λ(1-λ)Z_pq[0][1][2]+λ²Z_qq[0][1][2]+λ(1-λ)zl_pq[0][1][2] (4)

式中zl_pq[0][1][2]是节点p、q之间的传输线路零序、正序和负序阻抗；

4)分别推导出单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障四种对称或不对称故障条件下，电网中任意节点j电压跌落幅值；

Ⅰ.单相接地故障(SLGP)

当单相接地故障发生在A相，电网中任意节点j的三相电压如下式

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(6\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(7\right)$

其中旋转因子

是f处发生单相接地故障时节点j的A、B、C三相电压，

和

是故障点f处和j节点故障前的A相电压，单相接地故障发生在B、C相时计算方式同上；

Ⅱ.两相短路故障(LLF)

当f处的B、C两相发生相间短路，故障时节点j的三相电压如下式：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(8\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(9\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(10\right)$

A、B或A、C两相发生相间短路的计算方法同上；

Ⅲ.两相短路接地故障(DLGF)

当f处的B、C相发生两相短路接地故障，故障时节点j的三相电压如下：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(11\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-{\mathrm{\αZ}}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(12\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-{{\mathrm{\α}}^{2}Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(13\right)$

A、B或A、C相发生两相短路接地故障的计算方法同上；

Ⅳ.三相短路故障(3PF)

当f处发生三相对称短路故障，故障节点j电压仅含有正序电压分量，其求解如下式：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,\mathrm{ABC}}={\stackrel{\·}{V}}_{j,\mathrm{ABC}}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,\mathrm{ABC}}^{\left(0\right)}---\left(14\right)$

5)由以上可以看出，单相接地、两相短路、两相短路接地和三相短路故障后，根据提出的电压幅值计算方法，故障时系统任意节点j的A、B、C三相电压幅值

均为故障位置参数λ的函数，若j节点监测所得电压跌落幅值在[V_low，V_high]范围内由不等式

可求出对应的λ_low≤λ≤λ_high即故障发生在此区间，λ＝0表示故障点在该节点上。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于系统采用PI-API的方法访问并读取配电地理信息系统(GIS)和配电能量管理系统(DMS)中的电力系统运行数据，具体方法如下：

1)在MATLAB编写的PI数据接口的初始化函数中载入PI-API DLL动态链接库，并设置载入是否成功的标志，在载入成功的基础上，获取PI-API的各个函数入口地址；

2)PI数据库的连接：通过调用piut_connect函数实现与PI数据库的连接，在完成第一次连接后，PI-API会自动对设定的PI服务器进行连接；

3)数据的读取：PI服务器中的数据有2种形式，归档值和快照值，如果访问历史数据则调用piar_timedvalues函数读取归档值；如果访问实时数据则调用pisn_getsnapshot函数读取快照值；

4)PI数据库连接的关闭：在完成对PI数据的访问后，应实施连接断开以降低系统的占用资源，通过调用piut_disconnect函数实现与PI数据库连接的关闭。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于由于5)中可能有多条线路存在可能的故障区间使得j节点监测所得电压跌落幅值在[V_low，V_high]范围内，若为三相短路、两相短路或两相短路接地故障，系统读取PI数据库中故障前后各条线路的电流值，若电流值在此期间有显著变化，即超过20％，则判定为故障线路，由此可实现故障精确定位；若为单相接地故障，则由小电流接地故障选线装置判定故障线路，由此实现故障精确定位。

所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于所述的[V_low，V_high]范围，出现故障后，会有一个故障记录当时节点的电压值V，监测误差设定5％的误差区间，则V_low＝95％V，V_high＝105％V。

本发明采用实时监测与仿真计算相结合的故障定位方法，能准确有效地反映故障发生时网络的状态及参数，提高了故障定位的精度。同时自动生成仿真计算所需的仿真计算模型，提高了故障定位的速度。利用了基于虚拟节点的故障定位算法，提高了故障定位过程中对各种类型和网络运行方式的自适应程度。故障定位精度高、判断速度快、且适用于各种网络结构和故障类型。

附图说明

图1为n节点复杂配电网PCC节点发生故障的结构示意图；

图2为n节点复杂配电网传输线路发生故障的结构示意图；

图3为应用本发明进行故障定位的一个配电网结构图及工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

图3为应用本发明进行故障定位的一个配电网结构图及工作流程图。在配电网发生故障时，进行如下步骤：

1.稳态数据提取

所述的稳态数据提取主要从配电网管理系统(DMS)中获取图3所示目标配电网Grid1的实时稳态运行参数和负荷参数。从配电网地理信息系统(GIS)中获取目标配电网Grid1的8个节点辐射状电网拓扑结构信息和网络元件参数信息，包括：变压器电压等级、变比、额定容量、短路试验参数、空载试验参数、线路长度和单位长度正序、零序电抗电阻等。

所述的配电网地理信息系统(GIS)是美国GE公司的Smallworld电力GIS基础平台，所涉及的信息可分为设备属性类信息、设施地理分布类信息和电网拓扑结构类信息，本发明利用配电网地理信息系统获取目标网络电网拓扑结构信息和网络元件参数信息。所述的电力GIS平台包含的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息存储于Smallworld数据库里，外部系统很难直接访问。将Smallworld数据库转存到Oracle中间数据库中，配电网智能故障定位系统由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle数据库读取电网拓扑结构和网络元件参数信息。

所述的配电网管理系统(DMS)是一个涉及供电企业运行管理、设备管理、用户服务等各方面的计算机网络系统，本发明利用配电管理系统获取目标网络实时稳态运行参数包括负荷参数。所述的稳态运行参数和负荷参数信息存储于PI实时数据库系统(Plant Information System)中，它是由美国OSI Software公司开发的基于C/S、B/S结构的商品化软件应用平台，对大量实时数据按时间顺序进行记录、存储、获取、分析和开发利用的实时数据库。

所述的配网Grid1实时稳态运行参数与配网Grid1的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息均被导入所述的中间数据库，供仿真计算自动生成软件直接访问读取数据。

2.仿真计算模型自动生成

由仿真计算自动生成软件自动生成目标网络Grid1的实时的仿真计算模型，即系统正常运行时的目标8节点网络节点阻抗矩阵。其中目标网络Grid1的网络拓扑结构信息和网络元件参数信息均被导入oracle中间数据库，仿真计算自动生成软件由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle数据库读取电网拓扑结构和网络元件参数信息，该软件自动生成节点阻抗矩阵方法包括如下步骤：

1)对配网Grid1的所有节点进行编号1-8节点。

2)由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle中间数据库中的电网拓扑结构信息和网络元件的正序、负序和零序参数信息，根据1-8节点的自导纳和节点之间的互导纳形成3个8×8的配网Grid1的正序、负序和零序节点导纳矩阵。

3)对已得导纳矩阵求其逆矩阵计算得出配网Grid1正常运行时3个8×8的正序、负序和零序节点阻抗矩阵。

3.暂态数据提取

所述的暂态数据提取主要用来获取目标网络Grid1内暂态电能监测数据，获取故障发生时的开关跳闸信息、获取小电流接线选线装置的选线信息。

4.故障特性分析及定位计算

当配电网Grid1发生短路或接地故障时，首先接收各种故障信息，分析判断发生故障的类型。配电网智能故障定位系统根据获取故障过程中实时监测节点2-5的电压幅值，利用基于虚拟节点的故障定位算法并结合各条出线的监测电流值或故障选线装置，即可计算得到配电网实际发生对称或不对称故障的精确位置，并将故障定位点显示在配电网动态拓扑结构图中。

所述的短路或接地故障类型判定方法如下：利用PI-API接口访问PI实时数据库系统读取节点2-5的A、B、C三相电压，当发生电压跌落且三相电压跌落幅值相近，即差值不超过1％，则判定为三相短路故障；当其中一相电压跌落幅值明显低于其他两相，即差值超过10％，则判定为单相接地故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且线路中零序电流没有明显增加，即零序电流增加小于10％，则判定为两相短路故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且出现零序电流明显增加，即零序电流增加大于10％，则判定为两相短路接地。

所述的基于虚拟节点的故障定位算法包括以下步骤：

1)由已经判定的故障类型，根据发明方案中的公式(5)-(14)求解出节点2的三相电压幅值

均为故障位置参数λ的函数；

2)利用PI-API接口访问PI实时数据库系统读取节点2的A、B、C三相电压幅值V₂，则V_2low＝95％V₂，V_2high＝105％V₂，设节点2监测所得电压跌落幅值在[V_2low，V_2high]范围内，由不等式

可求出对应的λ_2low≤λ≤λ_2high，即故障发生在此区间。若在节点2处未出现电压跌落是以正常电压运行，则计算其他节点的电压，直至找到发生电压跌落在幅值范围内的故障节点，然后推导出对应的故障区间；

3)为判断有多条线路存在可能的故障区间的情况，若故障类型为三相短路、两相短路或两相短路接地故障，配电网智能故障定位系统读取PI数据库中故障前后节点2处各条线路的电流值，若电流值在此期间有显著变化，超过20％，则判定为故障线路，由此可实现故障精确定位；若为单相接地故障，则由小电流接地故障选线装置判定故障线路，由此实现故障精确定位。

实施例中涉及到的公式算法等已在前面的发明内容中详细说明，因此在此不再赘述。本实施例以本发明的技术方案为技术指导进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (9)

1.一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)稳态运行数据提取

从供电部门的配电地理信息系统(GIS)数据库中提取目标网络的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息，并形成中间数据库；从供电部门的配电能量管理系统(DMS)中提取目标网络的实时稳态运行参数和负荷参数，并形成中间数据库；

(2)自动生成仿真计算模型

以步骤(1)所得到的中间数据库为基础，由仿真计算自动生成软件自动生成目标网络实时的仿真计算模型和系统正常运行时的节点阻抗矩阵；

(3)暂态信息提取

从供电部门安装的暂态电能数据库中自动提取故障过程中的节点电压数据，从供电部门的故障信息记录数据库中接收故障发生时的附加信息，包括线路开关跳闸信息，用于进行短路故障定位，小电流选线装置的选线信息，用于进行单相接地故障定位时的选线；

(4)故障特性分析及定位计算

当配电网发生短路或接地故障时，首先接收各种故障信息，分析判断发生故障的类型，获取故障过程中实时监测各节点电压幅值，然后利用基于虚拟节点的故障定位算法进行仿真计算，得到配电网实际发生对称或不对称故障的精确位置，并将故障点显示在配电网动态拓扑结构图中。

2.如权利要求1所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(1)中所述的配电地理信息系统(GIS)包含的电网拓扑结构信息和网络元件参数信息存储于Smallworld数据库里，将Smallworld数据库转存到Oracle中间数据库中，配电网智能故障定位系统由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle中间数据库读取电网拓扑结构和网络元件参数信息；

所述的配电能量管理系统(DMS)包含的稳态运行参数和负荷参数信息存储于PI实时数据库系统(Plant Information System)中。

3.如权利要求1或2所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(2)中所述的仿真计算自动生成软件由MATLAB编写，软件自动生成节点阻抗矩阵方法包括如下步骤：

1)根据选定的目标网络确定节点集，并对节点进行编号；

2)仿真计算自动生成软件通过由外部数据源ODBC接口形式访问Oracle中间数据库中的电网拓扑结构信息和网络元件的正序、负序和零序参数信息，根据各节点的自导纳和节点之间的互导纳形成目标网络的正序、负序和零序节点导纳矩阵；

3)对已得导纳矩阵求其逆矩阵计算得出目标网络正常运行时正序、负序和零序节点阻抗矩阵。

4.如权利要求1所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(3)中所述的暂态电能数据库为一种国际通用的PQDIF数据格式，PQDIF使多数据具有良好兼容性，便于实现不同监测系统间数据共享。

5.如权利要求1所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(4)中所述的短路或接地故障包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地四种故障类型，接收各种故障信息、分析判断发生故障类型的判定方法如下：当A、B、C三相电压跌落幅值相近，即差值不超过1％，则判定为三相短路故障；当其中一相电压跌落幅值明显低于其他两相，即差值超过10％，则判定为单相接地故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且线路中零序电流没有明显增加，即零序电流增加小于10％，则判定为两相短路故障；当其中两相电压跌落幅值明显低于另外一相，即差值超过10％，并且出现零序电流明显增加，即零序电流增加大于10％，则判定为两相短路接地。

6.如权利要求1所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于步骤(4)中所述的利用基于虚拟节点的故障定位算法进行仿真计算，基于虚拟节点故障定位算法的方法如下：

1)当故障发生在配电网的节点p处时，配电网中任意节点j的残压如下式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_{j\left[0\right]}\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[1\right]}\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[2\right]}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ {\stackrel{\·}{V}}_{j\left[1\right]}^{\left(0\right)}\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{\mathrm{jp}\left[0\right]}& 0& 0\\ 0& Z_{\mathrm{jp}\left[1\right]}& 0\\ 0& 0& Z_{\mathrm{jp}\left[2\right]}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{p\left[0\right]}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{p\left[1\right]}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{p\left[2\right]}\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中

分别是故障时节点j的零序、正序、负序电压相量；

为节点j故障前的正序电压相量；Z_jp[0]、Z_jp[1]、Z_jp[2]分别为节点j与节点p之间节点阻抗矩阵中的互阻抗；

为故障时节点p的零序、正序、负序故障电流相量；故障电流相量

则可根据不同故障类型，基于对称分量法用节点p故障前的零序、正序、负序电压相量

及其自阻抗Z_pp[0]、Z_pp[1]、Z_pp[2]计算得出；

2)当故障发生在电网中任意两节点p、q之间传输线路上的任意点f处时，故障点f的位置用参数λ来描述，其定义如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{pf}}}{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{pq}}}---\left(2\right)$

式中Len_pf为f、p点之间的距离，Len_pq为p、q点之间的距离；

3)将故障点f视为新增的虚拟节点，设节点j是电网中任意节点，为了计算出虚拟节点f故障时节点j的电压则必须已知节点f、j之间的互阻抗Z_jf和虚拟节点f的自阻抗Z_ff，其求解方法如下：

Z_jf[0][1][2]＝(1-λ)Z_pj[0][1][2]+λZ_qj[0][1][2]    (3)

Z_ff[0][1][2]＝(1-λ)²Z_pp[0][1][2]+2λ(1-λ)Z_pq[0][1][2]+λ²Z_qq[0][1][2]+λ(1-λ)zl_pq[0][1][2]    (4)

式中zl_pq[0][1][2]是节点p、q之间的传输线路零序、正序和负序阻抗；

4)分别推导出单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障四种对称或不对称故障条件下，电网中任意节点j电压跌落幅值；

I.单相接地故障(SLGF)

当单相接地故障发生在A相，电网中任意节点j的三相电压如下式

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+{\mathrm{\αZ}}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(6\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}+\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}+{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(7\right)$

其中旋转因子

是f处发生单相接地故障时节点j的A、B、C三相电压，

和

是故障点f处和j节点故障前的A相电压，单相接地故障发生在B、C相时计算方式同上；

II.两相短路故障(LLF)

当f处的B、C两相发生相间短路，故障时节点j的三相电压如下式：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(8\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{{\mathrm{\α}}^2{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-{\mathrm{\αZ}}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(9\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{\mathrm{\α}{Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}-{{\mathrm{\α}}^{2}Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(10\right)$

A、B或A、C两相发生相间短路的计算方法同上；

III.两相短路接地故障(DLGF)

当f处的B、C相发生两相短路接地故障，故障时节点j的三相电压如下：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,A}={\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-Z_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(11\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,B}={\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{{{\mathrm{\α}}^{2}Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-{\mathrm{\αZ}}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(12\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_{j,C}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_{j,A}^{\left(0\right)}-\frac{{\mathrm{\α}Z}_{\mathrm{jf}\left[1\right]}(Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[2\right]})-{{\mathrm{\α}}^{2}Z}_{\mathrm{jf}\left[2\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[0\right]}-Z_{\mathrm{jf}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[1\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}+Z_{\mathrm{ff}\left[0\right]}{Z}_{\mathrm{ff}\left[2\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,A}^{\left(0\right)}---\left(13\right)$

A、B或A、C相发生两相短路接地故障的计算方法同上；

IV.三相短路故障(3PF)

当f处发生三相对称短路故障，故障节点j电压仅含有正序电压分量，其求解如下式：

${\stackrel{\·}{V}}_{j,\mathrm{ABC}}={\stackrel{\·}{V}}_{j,\mathrm{ABC}}^{\left(0\right)}-\frac{Z_{\mathrm{jf}\left[1\right]}}{Z_{\mathrm{ff}\left[1\right]}}{\stackrel{\·}{V}}_{f,\mathrm{ABC}}^{\left(0\right)}---\left(14\right)$

5)由以上可以看出，单相接地、两相短路、两相短路接地和三相短路故障后，根据提出的电压幅值计算方法，故障时系统任意节点j的A、B、C三相电压幅值

均为故障位置参数λ的函数，若j节点监测所得电压跌落幅值在[V_low，V_high]范围内由不等式

可求出对应的λ_low≤λ≤λ_high即故障发生在此区间。

7.如权利要求2所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于系统采用PI-API的方法访问并读取配电地理信息系统(GIS)和配电能量管理系统(DMS)中的电力系统运行数据，具体方法如下：

1)在MATLAB编写的PI数据接口的初始化函数中载入PI-API DLL动态链接库，并设置载入是否成功的标志，在载入成功的基础上，获取PI-API的各个函数入口地址；

2)PI数据库的连接：通过调用piut_connect函数实现与PI数据库的连接，在完成第一次连接后，PI-API会自动对设定的PI服务器进行连接；

3)数据的读取：PI服务器中的数据有2种形式，归档值和快照值，如果访问历史数据则调用piar_timedvalues函数读取归档值；如果访问实时数据则调用pisn_getsnapshot函数读取快照值；

4)PI数据库连接的关闭：在完成对PI数据的访问后，应实施连接断开以降低系统的占用资源，通过调用piut_disconnect函数实现与PI数据库连接的关闭。

8.如权利要求6所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于由于5)中可能有多条线路存在可能的故障区间使得j节点监测所得电压跌落幅值在[V_low，V_high]范围内，若为三相短路、两相短路或两相短路接地故障，系统读取PI数据库中故障前后各条线路的电流值，若电流值在此期间有显著变化，即超过20％，则判定为故障线路，由此可实现故障精确定位；若为单相接地故障，则由小电流接地故障选线装置判定故障线路，由此实现故障精确定位。

9.如权利要求6所述的一种仿真计算与实时监测相结合的配电网故障定位方法，其特征在于所述的[V_low，V_high]范围，出现故障后，会有一个故障记录当时节点的电压值V，监测误差设定5％的误差区间，则V_low＝95％V，V_high＝105％V。

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