适用于5G通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法

适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法
技术领域
1.本发明涉及一种区段定位方法的技术领域，更具体地说是涉及相间故障区段定位方法的技术领域。


背景技术：

2.非故障段快速恢复供电，需精确的区段定位。基于就地信息的区段定位方法，难以应用于高比例dg接入的配网。采用多源信息的主站集中式智能区段定位算法因考虑dg接入量和接入位置的影响，导致开关函数越来越复杂，而且10kv配网缺乏低延时高可靠通信网络支撑，信息传输速度慢，信息易丢失，最终导致该方法定位速度慢、可靠性低。而5g网络广连接、低延时高可靠特性有望解决区段定位通信约束问题，区域划分有望解决dg接入导致的开关函数复杂的问题。
3.目前，故障区段定位技术主要采用矩阵法和人工智能法。矩阵法根据开关与区段、分布式电源等的连接关系构建网络描述矩阵，依据功率方向信息、电流启动信息等构建故障信息矩阵，由上述两个矩阵推导出故障判断矩阵以确定故障区段。目前基于矩阵的故障区段定位算法均以上世纪末提出的矩阵算法为基础提升运算效率和容错能力。智能算法以描述故障发生位置的描述函数和确实故障位置的目标函数为基础，借助智能算法获取最优解，最优解即为所求故障区段。矩阵法直观、易于计算，但应对信息误报、漏报、畸变的能力不足；人工智能算法是未来发展方向，但需要多源信息，单一信息下的区段定位精度较差。
4.配网呈现多分支结构，某些区段故障不会对整个配网造成影响，将所有节点信息统一传输至集中处理中心易造成网络拥塞，大量无效信息会加大集中处理中心工作负担，配网分区实现故障定位策略可有效解决此问题。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述技术问题而提出一种适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，本方法新颖，分区域，分策略实现区段定位有利于减少系统通信，实现快速定位；应用在新能源接入配电网系统能够加速系统故障的快速识别与恢复。
6.本发明为了解决上述技术问题所采用的技术解决方案如下：
7.适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，该方法包括区域划分原则与分类方法、区域故障判据、区段故障定位判据和5g通信架构与实现技术。具体步骤如下：
8.步骤1：结合配网拓扑，结合断路器配置，提出分区域故障定位下区域划分原则与分类方法；
9.步骤2：充分利用分相电流信息，设计主断路器、辅断路器电流信息编码，并基于多端信息构建区域故障判据；
10.步骤3：考虑区段开关节点，设计节点编码、区段编码，并结合i类区域、ii类区域差异，建立dg接入系统下的开关函数，进一步基于实测值与期望值构建区段定位目标函数，并
引入bpso算法实现区段定位；
11.步骤4：基于超高可靠和低延时通信业务和区段定位网络切片技术，设计基于5g的区段定位通信架构。
12.本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果如下：
13.(1)将复杂配网分区域实现故障定位，大幅降低系统间通信，有利于基于多源信息的区段定位工程实现。
14.(2)根据分相电流信息和功率信息，构建故障定位目标函数模型，不仅丰富有效信息量，也适用于新能源接入配电网系统。
15.(3)基于5g通信多切片技术，实现不同技术要求下信息传输，在区段定位构成上具有明显优势。
附图说明
16.图1为本发明中断路器配置与分区示意图；
17.图2为本发明中故障区段定位流程图；
18.图3为本发明中i类区域区段定位通信架构；
19.图4为本发明中ii类区域区段定位通信架构；
20.图5为本发明中断路器配置与分区示意图；
21.图6为本发明中区域n8区段编号示意图；
22.图7为本发明中ab相间短路下区域n1区域故障判据分析；
23.图8为本发明中ab相间短路下区域n8区域故障判据分析；
24.图9为本发明中收敛对比图。
具体实施方式
25.本发明所提供的一种适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，具体包括以下步骤：
26.步骤1：区域划分原则与分类方法
27.(1)配网断路器一般配置原则
28.为了将故障限制在较小范围内，提升供电可靠性，配网断路器一般配置原则为：
①
主干线路配置原则：长度小于30km的线路宜装设两台断路器实现三分段，长度大于30km的线路宜装设三台断路器实现四分段，并按照用户数量确定安装位置。
②
分支线路配置原则：分支线路首端均应安装断路器，长度超过10km时要根据用户数量装设一台断路器实现两分段。
29.(2)面向区段定位分区原则及分类方法
30.1)分区原则：配网一次设备中只有断路器具备切断短路电流能力，且配网中一般设有联络开关，便于转供，故以断路器和联络开关为边界划分区域。
31.2)区域分类方法：
①
i类区域：dg全部投入运行时，区域上游有系统电源，区域下游有等效电源，区域中部存在t型接入的dg，该类型区域需要获取节点短路电流方向信息才能确定故障区段，称为i类区域。
②
ii类区域：dg全部投入运行时，区域上游有系统电源，区域下游只有负荷，区域中部没有dg接入，该类型区域仅需获取节点过流信息就能确定故障区
段，称为ii类区域。
32.(3)面向区段定位的断路器分类方法
33.以区域边界断路器连接内容为依据进行分类，具体分类方法以图1区域n1为例进行说明。
34.①
主断路器：连接系统电源的断路器称为主断路器，每个区域仅有一个主断路器。节点1与系统电源连接，则节点1处的断路器称为主断路器。
②
辅断路器：除主断路器外的所有断路器称为辅断路器，节点5、9、12处的断路器称为辅断路器。
35.步骤2：区域故障判据
36.电流方向规定：以系统电源作为供电起点，负荷端、dg、联络开关作为供电终点，电流正方向为供电起点指向供电终点。
37.线路发生故障后，节点各相短路电流三种可能情况，按式(1)对节点各相电流信息编码
[0038][0039]
式(1)中，表示节点j的i相短路电流信息编码；表示节点j的i相测量电流；表示节点j的i相iii段电流整定值；表示节点j短路电流方向与规定正方向一致；表示节点j短路电流方向与规定正方向相反。
[0040]
配网中，相邻的两个区域仅有一个断路器连接，断路器节点短路电流信息仅能直接应用一个区域，另一个区域需应用变换后的信息。
[0041]
区域内部发生故障时，短路电流经主断路器节点流向区域内部，主断路器节点短路电流方向与规定的一致，即
[0042][0043]
式(4)中，mi表示主断路器节点i相短路电流编码。
[0044]
区域内部发生故障时，当辅断路器节点检测到反向故障电流或未检测到短路电流时，需将电流信息编码变换为1，当辅断路器节点检测到正向故障电流，需将电流信息编码变换为0，辅断路器节点信息变换如下
[0045][0046]
式(3)中，表示变换后的辅断路器节点j的i相短路电流编码。
[0047]
各相的区域故障判据如式(4)所示
[0048][0049]
式(4)中，符号“∩”表示逻辑与运算，p表示区域辅断路器个数。
[0050]
故障区域判据如式(5)所示：
[0051][0052]
式(5)中，符号“∪”表示逻辑或运算，e＝1表示区域内有故障，e＝0表示区域内没有故障。
[0053]
步骤3：区段故障定位判据
[0054]
分区内的区段数较少，传统区段定位方法以整个配网作为研究对象构建的复杂开关函数难以适应分区后的情况，有必要建构简单且适用于分区区段定位的开关函数，提升求解速度。构建好开关函数和目标函数后，本方法采用bpso算法确定故障区段。
[0055]
(1)节点与区段编码
[0056]
节点编码：将区域分为两类，i类区域需测量短路电流方向，节点编码如式(1)所示，ii类区域只需检测节点是否过流即可，节点编码如式(6)所示：
[0057][0058]
区段编码：无论i类区域还是ii类区域，区段状态只有正常和故障两种形态，区段编码如下
[0059][0060]
(2)开关函数
[0061]
以整个配网作为研究对象，节点j作为参考点，充分考虑节点j上下游电源数量与投切情况构建了式(8)所示开关函数
[0062][0063]
式中，x和y分别表示节点j上游电源数目和下游电源数目；v和u分别表示节点j上游区段数和下游区段数；ku和kd分别表示节点j上游电源和下游电源投切情况，电源投入时取1，反之取0；s
j,su
和s
j,sd
分别表示节点j至上游电源su的区段状态和下游电源sd的区段状态；s
j,u
和s
j,d
表示节点j所有供电路径上游区段状态和节点j所有供电路径下游区段状态。
[0064]
式(8)以一个开关函数概括所有情况，函数复杂，影响了求解速度，有必要以区域
类型为依据进行简化。
[0065]
i类区域上游接系统电源，下游电源情况受dg投入影响，可将式(8)简化为
[0066][0067]
ii类区域上游接系统电源，下游无电源，可将式(8)简化为
[0068][0069]
(3)目标函数如式(11)所示：
[0070][0071]
式(11)中，ka、kb、kc分别表示a相、b相和c相的故障系数，发生故障时，故障系数取1，否则取0，相间短路故障相根据目前成熟的故障选相方法确定；d表示区域节点数；sj表示区段j的状态，η是权重系数，常取0.5。
[0072]
(4)bpso算法简介
[0073]
bpso算法的速度迭代和位置迭代方法如式(12)-(13)所示：
[0074][0075][0076]
式中，i表示粒子数，且i＝1，2，...，n；d表示维数，且d＝1，2，
…
，d；ω表示惯性权重系数；c1和c2是表征个体对种群和自身认知的正实数；ξ1和ξ2是闭区间[0,1]上的随机数；表示d维中第i个个体迭代至第k代的速度；表示d维中第i个个体迭代至第k代的位置；表示d维中第i个个体迭代至第k代的个体最优位置；表示d维中第i个个体迭代至第k代的群体最优位置。为闭区间[0，1]上产生的随机数。
[0077]
步骤4：区段定位流程
[0078]
配电主站获取断路器配置信息，依据断路器配置情况划分区域并将区域分为i类区域和ii类区域，依据区域边界断路器是否与连接系统电源将断路器分为主断路器和辅断
路器，以此为依据构建i类区域的区域故障判据。
[0079]
i类区域的区段定位流程图如图2(a)所示：
[0080]
(1)监测区域主断路器电流保护启动情况，主断路器电流保护启动后确定故障相；
[0081]
(2)判断区域故障判据结果与主断路器电流启动信息是否一致，一致则执行区段定位算法，否则结束区段定位程序；
[0082]
(3)执行bpso区段定位算法并确定故障区段；
[0083]
(4)启动供电恢复工作。
[0084]
ii类区域的区段定位流程图如图2(b)所示：
[0085]
(1)监测区域主断路器电流保护启动情况，主断路器电流保护启动后确定故障相；
[0086]
(2)执行bpso区段定位算法并确定故障区段；
[0087]
(3)启动供电恢复工作。
[0088]
步骤5：区段定位通信架构与实现技术
[0089]
(1)i类区域通信方案
[0090]
i类区域采用的三步定位方法，将主断路器节点设为信息处理中心，第一步主断路器过流保护启动信息属于就地信息，不用考虑信息传输问题。第二步区域故障判据需使用辅断路器信息，主断路器过流保护启动判断时间短，辅断路器信息越快上传至主断路器越好。第三步区段定位，区域判定会耗费一定的时间，而且区域判定为故障区域才会执行区段定位算法确定故障区段，相关节点信息上传对实时性需求不高。
[0091]
因为urllc切片具有低时延高可靠性特性，符合辅断路器信息快速上传需求；mmtc切片具有低功耗大容量特性，满足负荷开关节点信息上传需求。将核心网网元和边缘计算能力下放至承载网可有效降低时延，基于上述分析，提出图3所示i类区域区段定位通信架构。
[0092]
图示区域中有7个节点，节点1为主断路器，节点5、9、12为辅断路器，采用urllc切片传输信息，红色双向箭头表示故障信息上传与断路器合闸信息下传；节点2、3、4为负荷开关节点，对时延无特殊需求，采用mmtc切片传输信息，紫色单向箭头表示上传故障信息。
[0093]
(2)ii类区域通信方案
[0094]
ii区域采用主断路器过流保护启动-区段定位的两步定位方法，相较于i类区域，少了区域故障判定步骤，区域故障判定会消耗一定的时间。因此，ii类区域可采用mmtc切片传输负荷开关节点信息，不会对区段定位时长造成较大影响。图4所示为ii类区域区段定位通信架构。图示区域中有5个节点，节点1为主断路器，节点2、3、4、5为负荷开关节点，对时延无特殊需求，采用mmtc切片传输信息，紫色单向箭头表示上传故障信息。
[0095]
(3)区段定位通信需求分析
[0096]
区段定位属于配网自动化范畴，表3-1列出了与区段定位相关的开关状态、分合闸等数据长度。本专利区段定位算法仅利用节点短路电流信息，量化后取2个字节。采用goose报文传输数据，其报文固定字节为30字节，故障触发信息传输时间间隔取2ms-2ms-4ms-8ms。
[0097]
节点数据长度为报文固定字节加上2字节的电流信息，总字节数为32，通信带宽为
[0098][0099]
算例分析(两相短路算例为例)
[0100]
为了论证所提区段定位方法的优势，本方法在ieee119节点基础上改进了ieee119节点配网图，分支线路均改为t型接线，得到图5所示断路器配置与分区示意图。dg全部投入运行时，各区域断路器节点及类型如表1所示：
[0101]
表1各区域断路器节点及类型
[0102][0103]
该配网共被分为15个区域，区域n1、n3、n8、n
13
属于i类区域，区域n2、n4、n5、n6、n7、n9、n
10
、n
11
、n
12
、n
14
、n
15
属于ii类区域。
[0104]
dg全部投入运行时，假设区域n8中节点70与节点71之间的区段s5发生ab相间短路故障，区域n8区段编号示意图如图6所示，断路器节点短路电流信息编码如表2所示。
[0105]
表2 ab相间短路下断路器节点短路电流信息编码
[0106]
[0107][0108]
(a)i类区域区段定位分析
[0109]
由表2知，区域n1、n3、n8、n
13
对应主断路器节点[1 10 66 3]的a相和b相的短路电流信息编码均为[1
ꢀ‑
1 1
ꢀ‑
1]。区域n3、n
13
主断路器a相和b相的短路电流信息编码均为[-1
ꢀ‑
1]，主断路器电流保护未启动，不执行故障区域判据和区段定位算法。区域n1、n8的区段定位过程如下：
[0110]
1)区域n1区段定位过程
[0111]
第一步：节点1的电流信息编码为1，主断路器过流保护启动；
[0112]
第二步：主断路器过流保护启动后启动故障区域判据。
[0113]
图7所示ab相间短路下区域n1区域故障判据分析，实线方框中，第一列表示主断路器节点与电流信息编码，其余列表示辅断路器节点与电流信息编码。
[0114]
区域n1主断路器节点a相电流信息编码为1，由式(2)变换后为1；辅断路器节点[3 10 66 92]的短路电流信息编码为[-1
ꢀ‑
1 1 0]，经式(3)变换后为[1 1 0 1]。断路器节点的短路电流编码信息变换后的结果如虚线框所示，代入式(4)计算得ea＝0，b相分析与a相相同，有eb＝0。区域n1主断路器节点c相电流信息编码为0，由式(2)变换后为0；辅断路器节点[3 10 66 92]的短路电流信息编码为[0 0 0 0]，经式(3)变换后为[1 1 1 1]。代入式(4)计算得ec＝0。
[0115]
代入式(5)，有e＝ea∪eb∪ec＝0∪0∪0＝0，故障区域判据与主断路器启动信息不吻合，区域n1未发生故障，不执行第三步的区段定位算法。
[0116]
2)区域n8的区段定位过程
[0117]
第一步：节点66的电流信息编码为1，主断路器过流保护启动；
[0118]
第二步：主断路器过流保护启动后启动故障区域判据。
[0119]
图8所示ab相间短路下区域n8区域故障判据分析，区域n8主断路器节点a相电流信息编码为1，由式(2)变换后为1；辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[-1 0 0 0 0]，经式(3)变换后为[1 1 1 1 1]。断路器节点的短路电流编码信息变换后的结果如虚线框所示，全为1，代入式(4)计算得ea＝1。
[0120]
假设节点61的b相电流编码信息上传时发生畸变，由0畸变为1。区域n8主断路器节点b相电流信息编码为1，由式(2)变换后为1；辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[-1 0 1 0 0]，经式(3)变换后为[1 1 0 1 1]。变换后的信息代入式(4)计算得eb＝0。
[0121]
区域n8主断路器节点c相电流信息编码为0，由式(2)变换后为0；辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[0 0 0 0 0]，经式(3)变换后为[1 1 1 1 1]，代入式(4)计算得ec＝0。
[0122]
代入式(5)，有e＝ea∪eb∪ec＝1∪0∪0＝1，即区域n8发生了故障，故障区域判据与主断路器启动信息吻合。
[0123]
第三步：执行bpso算法确定故障区段，算法读取节点[66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 78 79 80]的电流编码信息[1 1 1 1 1
ꢀ‑
1-1
ꢀ‑
1-1
ꢀ‑
1-1
ꢀ‑
1-1
ꢀ‑
1-1]进行故障区段定位，最小适应度函数值为1，区段状态为[0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0]，可知节点70与节点71之间的区段s5发生故障，定位结果与假设一致。
[0124]
根据图9所示收敛对比，当bpso算法种群规模为100，迭代次数为60时，图9中，上面一条直线为本专利所提方法应用于区域n8的收敛特性，算法迭代至第12代时收敛，下面一条曲线为传统主站集中式收敛特性，迭代至第42代时算法收敛。
[0125]
(b)ii类区域区段定位分析
[0126]
区域n2、n4、n5、n6、n7、n9、n
10
、n
11
、n
12
、n
14
、n
15
属于ii类区域，对应区域的主断路器为[18 92 106 61 54 81 89 5 112 44 46]，电流信息编码为[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]。主断路器过流保护均未启动，不执行区段定位算法。
[0127]
(c)两相短路容错性分析
[0128]
为验证本专利所提方法在两相短路工况下的容错性，列举了三种常见畸变类型。类型1：节点68的a相电流信息编码由1畸变为0；类型2：节点74的b相电流信息编码由-1畸变为1；类型3：节点68的a相电流信息编码由1畸变为0，节点74的b相电流信息编码由-1畸变为1。
[0129]
表3两相短路容错性分析
[0130][0131]
仿真结果表明，信息畸变只会影响目标函数值，不会影响两相短路时的区段定位准确性。

技术特征：
1.适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，其特征在于：该方法包括区域划分原则与分类方法、区域故障判据、区段故障定位判据、5g通信架构与实现技术。2.根据权利要求1所述的适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，其特征在于，所述区域划分原则与分类方法具体如下：步骤1：分域划区原则：配网一次设备中只有断路器具备切断短路电流能力，且配网中一般设有联络开关，便于转供，提出以断路器和联络开关为边界划分区域；步骤2：区域分类方法：
①
i类区域：分布式电源全部投入运行时，区域上游有系统电源，区域下游有等效电源，区域中部存在t型接入的分布式电源，该类型区域需要获取节点短路电流方向信息才能确定故障区段，称为i类区域；
②
ii类区域：dg全部投入运行时，区域上游有系统电源，区域下游只有负荷，区域中部没有分布式电源接入，该类型区域仅需获取节点过流信息就能确定故障区段，称为ii类区域；步骤3：断路器分类方法：连接系统电源的断路器称为主断路器，每个区域仅有一个主断路器，除主断路器外的所有断路器称为辅断路器。3.根据权利要求1所述的适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，其特征在于，所述区域故障判据具体如下：步骤1：电流方向规定，以系统电源作为供电起点，负荷端、dg、联络开关作为供电终点，电流正方向为供电起点指向供电终点；步骤2：电流信息编码，如式(1)所示式(1)中，表示节点j的i相短路电流信息编码；表示节点j的i相测量电流；表示节点j的i相iii段电流整定值；表示节点j短路电流方向与规定正方向一致；表示节点j短路电流方向与规定正方向相反；步骤3：断路器节点电流信息，区域内部发生故障时，主断路器节点短路电流方向与规定的一致，其断路器节点电流信息如式(2)所示，辅断路器节点短路电流反向或者无短路电流，其断路器节点电流信息如式(3)所示流，其断路器节点电流信息如式(3)所示式(2)中，m
i
表示主断路器节点i相短路电流编码；表示变换后的辅断路器节点j的i相短路电流编码；步骤4：故障区域判据，各相区域故障判据如式(4)所示，故障区域判据如式(5)所示
式中，符号“∩”表示逻辑与运算，符号“∪”表示逻辑或运算，p表示区域辅断路器个数，e＝1表示区域内有故障，e＝0表示区域内没有故障。4.根据权利要求1所述的适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，其特征在于，所述区段故障定位判据具体如下：步骤1：节点与区段编码，i类区域需测量短路电流方向，节点编码如式(1)所示，ii类区域只需检测节点是否过流即可，节点编码如式(6)所示；区段编码如式(7)所示域只需检测节点是否过流即可，节点编码如式(6)所示；区段编码如式(7)所示步骤2：开关函数，i类区域上游接系统电源，下游电源情况受dg投入影响，开关函数如式(8)所示，ii类区域上游接系统电源，下游无电源，开关函数如式(9)所示ii类区域上游接系统电源，下游无电源，可将式(8)简化为式中，v和u分别表示节点j上游区段数和下游区段数；k
u
和k
d
分别表示节点j上游电源和下游电源投切情况，电源投入时取1，反之取0；和分别表示节点j至上游电源s
u
的区段状态和下游电源s
d
的区段状态；s
j,u
和s
j,d
表示节点j所有供电路径上游区段状态和节点j所有供电路径下游区段状态；步骤3：目标函数f(n)如式(10)所示式(10)中，k
a
、k
b
、k
c
分别表示a相、b相和c相的故障系数，发生故障时，故障系数取1，否则取0，相间短路故障相基于故障选相方法确定；d表示区域节点数；s
j
表示区段j的状态，η
是权重系数，常取0.5；步骤4：执行bpso区段定位算法并确定故障区段。5.根据权利要求1所述的适用于5g通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，其特征在于，所述5g通信架构与实现技术具体如下：步骤1：在5g通信架构下故障定位策略，i类区域采用的三步定位方法，将主断路器节点设为信息处理中心，第一步主断路器过流保护启动信息属于就地信息，不用考虑信息传输问题；第二步区域故障判据需使用辅断路器信息，主断路器过流保护启动判断时间短，辅断路器信息越快上传至主断路器越好；第三步区段定位，区域判定会耗费一定的时间，而且区域判定为故障区域才会执行区段定位算法确定故障区段，相关节点信息上传对实时性需求不高，ii区域采用主断路器过流保护启动-区段定位的两步定位方法，相较于i类区域，少了区域故障判定步骤，区域故障判定会消耗一定的时间；步骤2：5g通信下信息通信传输技术，urllc切片具有低时延高可靠性特性，符合辅断路器信息快速上传需求；mmtc切片具有低功耗大容量特性，满足负荷开关节点信息上传需求。

技术总结
本发明公开了一种适用于5G通信的新能源接入配电网相间故障区段定位方法，该方法首先以具备短路电流切断能力的断路器为边界划分区域，以是否需要安装功率方向元件将区域分为I类区域和II类区域，并利用电流信息和功率信息构建节点电流信息编码，结合三相信息实现区域定位；进一步根据I类区域和II类区域节点电流差异，设计节点与区段编码，开关函数，提出区段定位判据，实现故障区段快速搜索；最后提出了uRLLC切片+mMTC切片承载I类区域信息和mMTC切片承载II类区域信息的区段定位通信架构，本专利方法新颖，分区域，分策略实现区段定位有利于减少系统通信，实现快速定位。实现快速定位。实现快速定位。


技术研发人员：夏晓荣 王攀 胡鹏飞 皮志勇 李振兴 姚琦 王秋杰
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/5