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        基于潮流指紋匹配的配電網(wǎng)故障診斷

        2021-07-08 02:33:38張術(shù)鵬
        山東電力技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:潮流指紋故障診斷

        張術(shù)鵬,牟 琳,宋 娜,張 超

        (1.山東科技大學(xué),山東 青島 266000;2.山東大學(xué)工程訓(xùn)練中心,山東 濟(jì)南 250000)

        0 引言

        眾所周知,我國(guó)擁有13 億人口的電力需求。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的快速發(fā)展,人民生活質(zhì)量不斷提高,由此帶來的用電設(shè)備和用電需求快速增長(zhǎng)。無論是生活用電還是工業(yè)用電的增長(zhǎng)都是對(duì)我國(guó)整個(gè)電力系統(tǒng)的嚴(yán)峻考驗(yàn),這也使得我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日益復(fù)雜。電力是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的基本保障。如果發(fā)生重大電力事故或電網(wǎng)故障頻繁發(fā)生,不僅會(huì)對(duì)人民生活造成嚴(yán)重影響,還會(huì)給企業(yè)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成無法彌補(bǔ)的損失。因此電力系統(tǒng)故障診斷研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

        配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備較多,覆蓋面廣,故障定位困難,傳統(tǒng)的基于開關(guān)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的故障診斷方法存在漏報(bào)、誤報(bào)、拒動(dòng)、誤動(dòng)問題以及電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁等問題,難以實(shí)際應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷方法存在著許多局限性,許多問題難以用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法描述,傳統(tǒng)的人工故障檢測(cè)方法不僅耗費(fèi)人力,而且不能保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障,故障造成的危害將越來越嚴(yán)重,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了多種電網(wǎng)故障診斷方法,如基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[5-6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]、模糊理論[8-9]、Petri 網(wǎng)[10-12]以及矩陣法[13-17]等,這些方法各有其特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn),當(dāng)然也存在一定缺點(diǎn),如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法雖然具有強(qiáng)大的非線性擬合能力,但需要大量的故障數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)通過訓(xùn)練來表達(dá)出復(fù)雜的輸入/輸出關(guān)系。矩陣法的缺點(diǎn)在于對(duì)上報(bào)故障信息精確度的要求較高且計(jì)算過程較為復(fù)雜,不利于在配電網(wǎng)故障區(qū)段定位中的實(shí)際應(yīng)用。

        提出了一種利用潮流指紋進(jìn)行配電網(wǎng)故障診斷的方法,該方法利用潮流指紋分析電網(wǎng)的潮流變化,運(yùn)用Matrix Profile算法檢測(cè)出異常位置,從而診斷出電網(wǎng)故障,在反應(yīng)速度與準(zhǔn)確性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

        1 電網(wǎng)潮流指紋

        1.1 潮流指紋概念

        潮流指紋是電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)發(fā)生變化的量,能夠明顯反映電網(wǎng)在不同故障時(shí)的不同狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率、負(fù)荷的有功功率和無功功率等也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,且不同地點(diǎn)不同類型的故障發(fā)生的變化也不同,即故障前與故障后的潮流分布是不同的,就如同每個(gè)人的手指紋路都不相同,通過指紋驗(yàn)證可以校驗(yàn)人的身份一樣??梢詫⑦@些發(fā)生變化的量看作潮流指紋,將不同的故障后的潮流分布看作不同的人,用潮流指紋作為辨別不同故障的線索。

        潮流指紋的具體概念如圖1 所示。對(duì)于特定的電網(wǎng),故障在某一時(shí)刻的潮流分布與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化是一一對(duì)應(yīng)的,該特性可以稱為潮流指紋[18]。

        圖1 電網(wǎng)故障前后的潮流分布

        如果某電力系統(tǒng)在時(shí)間t的運(yùn)行狀態(tài)已知,則可以根據(jù)該時(shí)刻的電源、負(fù)荷、有功功率和無功功率的分布情況獲得時(shí)間t的完整潮流分布。如果電力系統(tǒng)在t0時(shí)發(fā)生故障,則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑾鄳?yīng)更改。根據(jù)系統(tǒng)的電源、負(fù)荷、有功功率和無功功率的電路關(guān)系,可以得到當(dāng)時(shí)的潮流分布。因此,該電力系統(tǒng)在發(fā)生故障前后,潮流分布和電力系統(tǒng)故障狀態(tài)是唯一的映射關(guān)系,因此,認(rèn)為在該時(shí)段內(nèi),潮流分布的變化與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓且灰粚?duì)應(yīng)的關(guān)系,即電網(wǎng)的潮流指紋可以反映出電網(wǎng)潮流分布變化的特點(diǎn)。

        需要注意的是提出的電力系統(tǒng)潮流指紋并不完全等價(jià)于電力系統(tǒng)潮流分布特性。正如我們的指紋只能反映手指指紋的整體特征,而不能反映全部一樣,潮流分布特征只能反映電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中潮流分布的總體特征,不包括開關(guān)、母線、保護(hù)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息和測(cè)量信息。與指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)類似,關(guān)鍵是要對(duì)反映整體特征的“特征點(diǎn)”進(jìn)行匹配。

        1.2 潮流指紋計(jì)算與故障庫(kù)的建立

        選擇電壓、有功功率與無功功率3 個(gè)量作為潮流指紋,進(jìn)行潮流計(jì)算并建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

        一個(gè)含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)可以用注入功率、母線電壓和支路的潮流信息來描述,這些物理量可以在某一個(gè)時(shí)間t以X來表示,為

        式中:Pt、Qt、Vt和θt分別為注入的有功功率、無功功率、電壓幅值和相角。向量Xt表示在時(shí)間t時(shí)刻電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),其中描述狀態(tài)的量為

        式中:i、j為電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,n);Pi、Qi分別為注入節(jié)點(diǎn)i的有功功率功率和無功功率功率;δij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的電壓相角差;Gij、Bij分別為導(dǎo)納矩陣的實(shí)部和虛部。Vi、Vj分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓。接下來進(jìn)行前推和回代[19]。

        1)前推的線性化方程為

        式中:CP和CQ是有功功率和無功功率母線注入的常數(shù)項(xiàng);δ和V分別為電壓相角與幅值。為Jacobian矩陣,其元素分四類,如式(4)所示。

        Jacobian矩陣的元素是節(jié)點(diǎn)i的注入功率對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)j的電壓Vj或δj的導(dǎo)數(shù),故只有Vj或δj是變量,其余參數(shù)均視為常量。

        2)回代過程。

        潮流計(jì)算中的已知變量和未知變量在不同類型的總線中是不同的,此外,在計(jì)算過程中,總線類型可能會(huì)發(fā)生變化。因此,需要找到一個(gè)回代模型,在不同的條件下,可以得到所有已知變量到未知變量的映射。按照以下順序以已知量為命名方式排列不同類型的總線:PQ線、PV線、Vδ線。從而系統(tǒng)中各線路的有功功率、無功功率等物理量可表示為:

        回代方程為

        式中:C1,C2,…,C6為常數(shù)項(xiàng);Aij為回代參數(shù)矩陣。應(yīng)注意的是,在回代階段是已知的,Aij和C1,C2,…,C6是需要估計(jì)的參數(shù)。

        當(dāng)獲得所有參數(shù)時(shí),可以進(jìn)行潮流計(jì)算。潮流計(jì)算中,δL、δS、PR和VL在式(6)中是未知變量,而VS和VR是已知變量;同樣,對(duì)于自變量,PL,PS和QL是已知的,而QS和QR是未知的。因此,式(5)可重新表示為:

        1.3 基于潮流指紋的故障匹配模型

        當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),潮流信息特征匹配是將實(shí)時(shí)潮流信息與潮流指紋故障數(shù)據(jù)庫(kù)中各種預(yù)期故障的潮流信息進(jìn)行比較,選擇與實(shí)時(shí)潮流信息匹配度高的預(yù)想故障潮流信息,從而進(jìn)行故障定位。

        采用Matrix Profile[20]距離公式實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)電壓、有功功率和無功功率潮流信息波形和預(yù)想故障潮流信息波形的相似度匹配,Matrix Profile 是一種方便靈活的算法,它通過同時(shí)運(yùn)用幅值和形狀進(jìn)行匹配從而反映兩個(gè)波形之間的相似程度,極大地提高了反應(yīng)速度。

        式中:D[a]為Q與T(a)子序列之間的距離;Q為長(zhǎng)度為m的子序列,指待匹配的數(shù)據(jù)段,即實(shí)時(shí)潮流信息數(shù)據(jù)段;T[ ]a為總序列T的第a個(gè)子序列,即為預(yù)想故障的潮流信息子序列;QT[a]為Q與T[a]的點(diǎn)積;μQ和σQ分別為實(shí)時(shí)故障子序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差;μT[a]和σT[a]分別為預(yù)想故障子序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

        Matrix Profile 匹配的原理是:將電壓、有功功率與無功功率的預(yù)想故障數(shù)據(jù)庫(kù)看作長(zhǎng)度為n的總序列,以電壓的預(yù)想數(shù)據(jù)故障庫(kù)為例,用長(zhǎng)度為m的滑動(dòng)窗口提取子序列,如圖2所示。

        圖2 時(shí)間序列中子序列的提取

        計(jì)算每個(gè)提取出的子序列與其他子序列的距離,通過比較得到minD[ ]a,并在電壓預(yù)想故障總序列的波形中顯示出來。以電壓數(shù)據(jù)的匹配為例,匹配的步驟為:

        1)Length(T)→d,Length(Q)→m,即將電壓的預(yù)想故障數(shù)據(jù)作為長(zhǎng)度為d的總序列T,并輸入長(zhǎng)度為m的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù);

        2)SlidingDotProducts(Q,T[a])→QT[a],對(duì)Q與T[a]利用式(15)進(jìn)行點(diǎn)積運(yùn)算,并對(duì)輸入數(shù)據(jù)分別作傅里葉變化、均值、標(biāo)準(zhǔn)差運(yùn)算,然后通過式(10)計(jì)算得到D[a]。

        3)通過比較得到D[a]的最小值minD[a],定位到在總序列中的位置并顯示出來。

        通過以上步驟可得故障時(shí)電壓數(shù)據(jù)在預(yù)想故障數(shù)據(jù)中的位置,通過電壓、有功功率與無功功率三項(xiàng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,便可確認(rèn)故障位置。

        2 電網(wǎng)潮流指紋的故障診斷算法

        選擇IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),確定實(shí)驗(yàn)潮流指紋與所需要的數(shù)據(jù),即選擇節(jié)點(diǎn)電壓與有功功率無功功率三個(gè)量作為建庫(kù)與匹配的量。

        在系統(tǒng)中分別設(shè)立短路與開路故障,設(shè)置開路故障時(shí)將故障支路作為從系統(tǒng)中切除的支路;設(shè)立短路故障時(shí),首先形成短路時(shí)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣,而后再進(jìn)行潮流計(jì)算。

        首先形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣,設(shè)定各節(jié)點(diǎn)電壓初值:PQ節(jié)點(diǎn)的電壓幅值為,相角為,PV節(jié)點(diǎn)電壓相角為,一般取=1,=0,利用式(2)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的注入功率與輸出功率的不平衡量。

        在得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的不平衡量后,形成Jacobian矩陣,根據(jù)式(3)列出并求解電壓修正方程組。并由解出的修正量求解出電壓新值,從而得到需要的電壓數(shù)據(jù)。

        有功功率和無功功率分別為:

        式中:PGi、QGi分別為節(jié)點(diǎn)i處發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率、無功功率;PLi、QLi分別為節(jié)點(diǎn)i處負(fù)荷吸收的有功功率、無功功率。

        從而建立潮流指紋故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

        將實(shí)時(shí)采集到的電網(wǎng)的故障信息利用Matrix Profile 與故障庫(kù)中信息進(jìn)行匹配,找出故障地點(diǎn),實(shí)現(xiàn)故障診斷。

        3 算例仿真

        使用IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試,以驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線及特征點(diǎn)的選取如圖3所示。

        圖3 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線及特征點(diǎn)的選取

        建立潮流指紋故障數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)兩種情況進(jìn)行仿真并分析:第一種是支路的接地故障,選擇單相接地故障作為算例進(jìn)行仿真。第二種是支路短路故障,選擇三相短路故障作為算例進(jìn)行仿真。對(duì)兩種故障分別建立預(yù)想故障集,經(jīng)過仿真計(jì)算得到潮流指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。

        將故障時(shí)采集的實(shí)時(shí)潮流信息與潮流指紋故障庫(kù)中的數(shù)值利用Matrix Profile進(jìn)行匹配,得到故障支路。

        3.1 支路接地故障情況

        根據(jù)上述方法得到的部分支路接地故障潮流指紋數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。

        表1 中列出了部分接地故障時(shí)電壓數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),將電壓、有功功率與無功功率的數(shù)據(jù)均以坐標(biāo)軸顯示,如圖4所示。

        圖4 潮流指紋開路故障數(shù)據(jù)庫(kù)

        表1 節(jié)點(diǎn)故障電壓數(shù)據(jù)庫(kù)

        假設(shè)當(dāng)L3-4 發(fā)生開路時(shí),將其故障數(shù)據(jù)與故障庫(kù)中的數(shù)據(jù)利用Matrix Profile進(jìn)行匹配,通過比較得到D[a]的最小值minD[a],定位到在總序列中的位置并顯示出來,計(jì)算出的匹配結(jié)果如圖5所示。

        圖5 潮流指紋開路故障匹配

        由圖5 可以判斷出故障支路為L(zhǎng)3-4,與預(yù)想的故障情況相符。

        3.2 支路短路故障情況

        不同支路發(fā)生短路故障時(shí),可得到潮流指紋數(shù)據(jù)庫(kù),如表2所示。

        表2 中列出了部分開路時(shí)電壓數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),將電壓、有功功率與無功功率的數(shù)據(jù)均以坐標(biāo)軸顯示,如圖6所示。

        圖6 潮流指紋短路故障數(shù)據(jù)庫(kù)

        表2 短路電壓數(shù)據(jù)庫(kù)

        當(dāng)L3-4 發(fā)生短路時(shí),將其故障數(shù)據(jù)與故障庫(kù)中的數(shù)據(jù)利用Matrix Profile 進(jìn)行匹配,通過比較得到D[a]的最小值minD[a],定位到在總序列中的位置并顯示出來,匹配結(jié)果如圖7所示。

        圖7 潮流指紋短路故障匹配

        由圖7 可以判斷出故障之路為L(zhǎng)3-4,與預(yù)想的故障情況相符。

        4 結(jié)語

        提出基于潮流指紋的配電網(wǎng)故障診斷方法,根據(jù)選定的潮流指紋,通過采集電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的實(shí)時(shí)潮流數(shù)據(jù),與潮流預(yù)想故障庫(kù)中潮流信息進(jìn)行匹配,從而診斷出電網(wǎng)故障。該方法可以對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障診斷,對(duì)故障的定位準(zhǔn)確,穩(wěn)定性與容錯(cuò)性較高。同時(shí)該方法解決了開關(guān)保護(hù)動(dòng)作的漏報(bào)、誤報(bào)、拒動(dòng)、誤動(dòng)等問題,相較于現(xiàn)有方法,能夠更加快速有效地診斷出電網(wǎng)故障,提高了可靠性。

        智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)已在國(guó)內(nèi)外相繼開展。智能電網(wǎng)的建設(shè)能夠?yàn)楣收显\斷提供更為詳細(xì)規(guī)范的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),同時(shí)也對(duì)故障診斷方法的實(shí)用性提出了更進(jìn)一步的目標(biāo)。未來電網(wǎng)故障診斷的發(fā)展方向必然是在實(shí)用性的基礎(chǔ)上向智能化與穩(wěn)定化靠攏。

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