基于同步相量测量和协方差矩阵理论配电网故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论配电网故障诊断方法，其监测电力系统运行，定时上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，计算得到正负零序分量的幅值与相位信息；将实时三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征，形成不断更新的状态判断矩阵，当状态判断矩阵中的元素发生突变时，认为发生故障，确定故障发生时刻；利用正序电流、电压的幅值与相位作为输入特征，形成故障区段判断矩阵，利用不同类型故障下，正、负和零序的电流、电压的幅值作为输入特征，形成故障类型判断矩阵；利用协方差矩阵算法通过对形成的故障区段判断矩阵和故障类型判断矩阵的元素进行分析，根据对应矩阵的特征之间的联系，得到故障区段和类型。

【技术实现步骤摘要】
基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法
本专利技术涉及一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法。
技术介绍
配电网是电力系统的重要组成部分，其供电的可靠性与用电用户的安全生产、生活密切相关。由于配网线路结构复杂，线路存在架空线、电缆、混联线路等，且分支点多、线长、面广，运行条件恶劣，极易发生单相接地故障和短路故障。据统计，目前全国年均停电损失上千亿元，90％以上停电事故是由配电网线路故障所引起的。实际上，电网发生故障后，各类故障信息的变化是以因果逻辑顺序发生的。首先是以故障元件为中心，各节点电压、支路电流等电气量发生变化，当满足保护装置的整定条件后，将触发继电保护装置动作，随后，动作于断路器跳闸产生开关变位信息。因此电气量变化是电网发生故障后最直接的反应，而且由于保护、开关存在误动拒动以及容易因信道干扰发生信息丢失等不可靠因素，电气量信息有比开关量、保护信息更为优越的准确性和可靠性。然而传统的基于就地信息的故障诊断方法是以相邻节点或局部分区内的元件开关状态及故障指示器状态为依据进行故障判别的，由于这些开关变位或指示信息需在电气量变化达到整定值触发继电保护装置及断路器后才能产生，实际应用中经常出现误判，可用性不高。另外，现有的电网故障诊断方法大都基于局部的开关量和保护数据，且各地各级各类数据源没有统一时标，未能综合多源信息从全局的广域角度实现更为准确可信的故障诊断，难以实时监测电网在各类故障下的动态过程。分布式电源、电动汽车及柔性互动负荷等分布式设备的大规模接入给配电网故障诊断带来了新的挑战。配电网正在由原来的单一辐射状网络转变为功率在多点可双向流动的复杂拓扑网络。依靠线路分布电容耦合和分布式电源接地点，系统形成多样化的电流回路，加之网络拓扑的动态变化，配电网运行方式更加复杂，导致故障电流特征变化频繁，电流保护判据不再固定。而采用局部信息的传统保护和故障诊断方案需事先离线整定，实际应用中作用范围受到局限，易受干扰，判别结果较片面，存在误动的可能且无法覆盖所有的场景。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，本专利技术能够结合配电网微型PMU信号采集与传输系统，能够实现对接地故障发生时刻、故障选相及区段定位的可靠、正确地判别。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，包括以下步骤：监测电力系统运行，定时上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，计算得到正负零序分量的幅值与相位信息；将实时三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征，形成不断更新的状态判断矩阵，当状态判断矩阵中的元素发生突变时，认为发生故障，确定故障发生时刻；利用正序电流、电压的幅值与相位作为输入特征，形成故障区段判断矩阵，利用不同类型故障下，正、负和零序的电流、电压的幅值作为输入特征，形成故障类型判断矩阵；利用协方差矩阵算法通过对形成的故障区段判断矩阵和故障类型判断矩阵的元素进行分析，根据对应矩阵的特征之间的联系，得到故障区段和类型。进一步的，利用滑动窗口形成由当前量测数据和历史数据组成的输入矩阵，将量测数据按照时间顺序采样，不同节点的电气特征量反映电网的空间特性，两者结合形成具有时空特性的数据源，对数据源矩阵进行转换，形成以某一时刻各电气量采样值为样本的协方差矩阵，即状态判断矩阵，以状态判断矩阵元素作为衡量系统当前状态的指标，反映系统当前的稳定程度。进一步的，以表征系统的状态变化情况，故障发生时刻，状态判断矩阵元素右下角元素发生突变，并随着时间的更新，突变范围逐渐增大，直到系统恢复至正常运行状态。进一步的，配电网PMU装置实时监测系统运行，向主站中心逐周期上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，经主站中心计算得到正负零序分量的幅值与相位信息。进一步的，系统发生故障时，各量测节点的电压、电流相量会发生突变；因此利用三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征形成状态判断矩阵；当状态判断矩阵的元素发生突变时，判定系统发生故障，由此给出故障发生时刻。进一步的，储存故障发生前一时刻的各量测节点的电压和电流相量，形成故障前输入矩阵。进一步的，以网络拓扑图为基础，以功率从主电网流向负荷为正方向，依次对PMU节点进行编号。进一步的，利用正序电流、电压的幅值和相位作为输入特征形成故障判断矩阵，根据其矩阵元素的特征判断故障区段。更进一步的，分别利用正序电压和电流相量信息组成故障输入矩阵，以故障前输入矩阵为基准，进行预处理；以各节点电气量不同时刻的测量值为样本，按照编号顺序形成改进的协方差矩阵，即故障区段判断矩阵，利用状态判断矩阵中元素的分布特征，判断故障发生区段，元素出现断层的两个PMU之间的区段为故障区段。进一步的，利用不同类型故障下，正负零序电流和电压的幅值之间关系特征进行故障选相，具体的：当发生单相接地故障时，正负零序电流幅值相同；当发生相间短路时，正负序电压幅值相同，零序电压幅值为零；当发生两相接地短路时，正负零序电压幅值相同，均为零。相应的，提供一种基于同步相量测量和随机矩阵理论的配电网故障诊断系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：监测电力系统运行，定时上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，计算得到正负零序分量的幅值与相位信息；将实时三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征，形成不断更新的状态判断矩阵，当状态判断矩阵中的元素发生突变时，认为发生故障，确定故障发生时刻；利用正序电流、电压的幅值与相位作为输入特征，形成故障区段判断矩阵，利用不同类型故障下，正、负和零序的电流、电压的幅值作为输入特征，形成故障类型判断矩阵；利用协方差矩阵算法通过对形成的故障区段判断矩阵和故障类型判断矩阵的元素进行分析，根据对应矩阵的特征之间的联系，得到故障区段和类型。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术所提方案可以使主站中心及时监测到系统中有无故障发生，主动对系统运行情况进行检测和问询而不必被动等待各供电分区的逐级上报。(2)本专利技术所提方案可将故障按照网络拓扑定位至故障分区内并将定位范围逐步缩小以实现比较精细的定位。(3)本专利技术中的短路故障辨识方法是基于配电网微型PMU装置信号处理机制所设计的，既避免了基于变电站的就地信号所导致的故障辨识结果片面及可靠性不足的问题，也不会由于需要大量安装其他故障特征检测和处理装置带来的增加过多运营成本的问题，更符合于实际应用的要求。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术的初始正常运行状态时的状态判断矩阵示意图；图2是本专利技术的故障发生时刻的状态判断矩阵示意图；图3是本专利技术的故障发生后以电流幅值为输入的故障判断矩阵示意图；图4是本专利技术的故障诊断方法流程图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：包括以下步骤：监测电力系统运行，定时上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，计算得到正负零序分量的幅值与相位信息；将实时三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征，形成不断更新的状态判断矩阵，当状态判断矩阵中的元素发生突变时，认为发生故障，确定故障发生时刻；利用正序电流、电压的幅值与相位作为输入特征，形成故障区段判断矩阵，利用不同类型故障下，正、负和零序的电流、电压的幅值作为输入特征，形成故障类型判断矩阵；利用协方差矩阵算法通过对形成的故障区段判断矩阵和故障类型判断矩阵的元素进行分析，根据对应矩阵的特征之间的联系，得到故障区段和类型。

【技术特征摘要】
1.一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：包括以下步骤：监测电力系统运行，定时上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，计算得到正负零序分量的幅值与相位信息；将实时三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征，形成不断更新的状态判断矩阵，当状态判断矩阵中的元素发生突变时，认为发生故障，确定故障发生时刻；利用正序电流、电压的幅值与相位作为输入特征，形成故障区段判断矩阵，利用不同类型故障下，正、负和零序的电流、电压的幅值作为输入特征，形成故障类型判断矩阵；利用协方差矩阵算法通过对形成的故障区段判断矩阵和故障类型判断矩阵的元素进行分析，根据对应矩阵的特征之间的联系，得到故障区段和类型。2.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：利用滑动窗口形成由当前量测数据和历史数据组成的输入矩阵，将量测数据按照时间顺序采样，不同节点的电气特征量反映电网的空间特性，两者结合形成具有时空特性的数据源，对数据源矩阵进行转换，形成以某一时刻各电气量采样值为样本的协方差矩阵，即状态判断矩阵，以状态判断矩阵元素作为衡量系统当前状态的指标，反映系统当前的稳定程度。3.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：以表征系统的状态变化情况，故障发生时刻，状态判断矩阵元素右下角元素发生突变，并随着时间的更新，突变范围逐渐增大，直到系统恢复至正常运行状态。4.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：配电网PMU装置实时监测系统运行，向主站中心逐周期上传三相电压、电流和零序电流的幅值与相位信息，经主站中心计算得到正负零序分量的幅值与相位信息。5.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论的配电网故障诊断方法，其特征是：利用三相电压、电流的幅值和相位作为输入特征形成状态判断矩阵；当状态判断矩阵的元素发生突变时，判定系统发生故障...

【专利技术属性】
技术研发人员：石访，王湘女，张恒旭，王鹏，徐铭铭，
申请(专利权)人：山东大学，国网河南省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37