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

摘要

本发明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。

权利要求

1.一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；

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。

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，将当前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。

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配电网故障诊断方法，其特征是：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。

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配电网故障诊断方法，其特征是：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。

6.如权利要求5所述的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，其特征是：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。

7.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配电网故障诊断方法，其特征是：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。

8.一种基于同步相量测量和随机矩阵理论配电网故障诊断系统，其特征是：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；

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。

说明书

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

技术领域

[0001] 本发明涉及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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

发明内容

[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于同步相量测量和协方差矩阵理论配电网故障诊断方法，本发明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。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 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，包括以下步骤：

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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：

[0022] 当发生单相接地故障时，正负零序电流幅值相同；

[0023] 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；

[0024] 当发生两相接地短路时，正负零序电压幅值相同，均为零。

[0025] 相应的，提供一种基于同步相量测量和随机矩阵理论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：

[0026] 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；

[0027] 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；

[0028] 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；

[0029] 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。

[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0031] (1)本发明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。

[0032] (2)本发明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。

[0033] (3)本发明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

[0034] 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。

[0035] 图1是本发明的初始正常运行状态时的状态判断矩阵示意图；

[0036] 图2是本发明的故障发生时刻的状态判断矩阵示意图；

[0037] 图3是本发明的故障发生后以电流幅值为输入的故障判断矩阵示意图；

[0038] 图4是本发明的故障诊断方法流程图。具体实施方式：

[0039] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0040] 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技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0041] 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请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0042] 在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

[0043] 本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

[0044] 为了提高配电网故障诊断的可靠性，正确性和快速性，本实施例建立了一种基于协方差矩阵理论的诊断方案，并且结合配电网微型PMU信号采集与传输系统，提出了一套完整的基于配电网同步相量量测技术与协方差矩阵故障辨识方法，实现对接地故障发生时
刻、故障选相及分区定位的可靠、正确地判别。

[0045] 如图4所示，主要内容包括以下几点：

[0046] 对短路故障特征的可靠描述和提取。配电网短路故障的特征提取的难点在于随着分布式电源的大量接入，传统配电网由单电源辐射网络转变为多端电源网络，具有潮流双
向多变、拓扑复杂和DG出力不确定性等特点，故障特征不明显。本发明中提供的算法以三相信号及正序、负序、零序分量的幅值与相位为输入，通过对输入特征进行有效的组合并且采用尺度归一化的描述方法，实现对故障可靠和正确的辨识。

[0047] 形成改进协方差矩阵算法输入矩阵的特征组合。协方差矩阵程序通过对系统断面矩阵的元素进行分析进而对系统状态做出评估，因此形成输入矩阵的特征对最终的结果有
较大影响，本发明所提方案中的输入特征是基于电力系统物理特性经理论分析而提出的，
可以有效反映系统的物理状态。

[0048] 已有的短路故障辨识算法主要基于配电网变电站的就地故障信息，在实际的应用中面临很大的局限性，本发明所提出的故障辨识方法，完全基于配电网微型PMU的信号处理机制，而无需采用其他辅助装置，在实际的应用上有更好的前景。

[0049] 对于某配电系统，假定有p个节点装设有量测装置，构成k时刻反映当前时刻电力网络的p维特征列向量。

[0050] x(k)＝[x1(k),x2(k),…,xp(k)]T (1)

[0051] 上标T表示转置，随着采样过程的不断进行，列向量得到扩展成为列维度不断增加的矩阵。假定当前时刻为n，矩阵大小为p×n，其中T为总采样时间:

[0052] Xn＝[x1,x2…xn] (2)

[0053] 利用滑动窗口形成由当前采样数据和历史数据组成的输入矩阵:

[0054] Xn,L＝[x(n-L+1),x(n-L+2),…,x(n)] (3)

[0055] 其中L为数据窗长度，控制每次向前滑动的步长为一个采样时刻。该矩阵为大数据分析的数据源，这些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。

[0056] 对于由滑动窗口分离得到的数据源矩阵Xn,L，利用公式(4)得到矩阵均值。

[0057]

[0058] lL＝[1,1,…,1]T∈RL×1。利用公式(5)对输入矩阵进行预处理。

[0059]

[0060] 对矩阵Xn,L进行协方差计算，得到状态判断矩阵，判断故障是否发生。

[0061]

[0062] 假设故障发生时刻为第(n+1)个采样时刻，则采样数据x(n+1)中包含了故障信息，那么此时的采样数据将偏离正常运行状态。协方差矩阵中位置为(L，L)的元素发生突变的。
该特征可以用于快速确定是否已经发生配电网故障并且可以准确地检测故障发生的时刻。
并且储存故障前一时刻，即第n个采样时刻下的状态输入矩阵。

[0063] 对状态输入矩阵进行转置处理，即以各节点电气量不同时刻的测量值为样本，得到相对于正常运行状态下电气量观测矩阵的故障分量观测矩阵。

[0064]

[0065] 得到改进的协方差矩阵，即故障状态矩阵

[0066]

[0067] 为对称矩阵，对角线上的元素反映每个样本的方差，非对角线上的元素反映样本与样本之间的协方差。 将系统中每个PMU的测量量联系起来，可以反映单个测量
变量的变化程度以及不同测量变量之间的关系。

[0068] 假设故障发生区段两端安装PMU编号分别为a和b。将矩阵 投影到3D图上，x轴和y轴分别表示网络中的p个PMU节点，z轴表示矩阵的对应位置元素的值。对以电流幅值为
输入得到的改进协方差矩阵而言，与其他点相比，故障下游的PMU节点电流升高。因此，节点a和节点b之间存在明显的断层。对以电流幅值为输入的矩阵而言，故障导致电压幅度下降。
在协方差矩阵中，故障下游点测量数据将下降，显示出与电流幅值的协方差矩阵相反的特
性。效果图如图1所示。

[0069] 利用不同类型故障下，正负零序电流、电压的幅值之间关系特征进行故障类型判断。

[0070]

[0071]

[0072] i,j∈{1,2,...,a}，如果， 且 那么，判断发生单相故障；如果，且 那么，判断发生两相接地故障；如果， 且 那么，判断发
生相间短路故障。

[0073] 协方差矩阵理论可以有效利用历史数据与当前量测数据，融合时空数据，将多个维度的电气量测量融合为一个综合特征量，以此可对系统运行状态进行评价。

[0074] 如图4所示，基于同步相量测量和随机矩阵理论的配电网故障诊断方法，具体包括：

[0075] 电网正常运行及发生故障后，由电压、电流的幅值、相位所反映的系统的相量信息均处于一种“稳定”状态，即此时数据不会有太大的变化。而发生故障时由于系统各量测量突变，系统处于“不稳定”状态。本发明以改进协方差矩阵故障元素表征系统的状态变化情况，故障时输入矩阵的矩阵元素发生突变，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，如故障被切除时。

[0076] 步骤1)：信号监测与特征信号提取。

[0077] 配电网微型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。

[0078] 选择三相电压、电流和正序、负序、零序分量进行处理，是因为对于非对称故障，正序电流在反映故障特征上更为突出，此外，幅值与相位相结合可以在新能源大量接入的情况下更准确的反映系统运行状态，以最大限度保证故障特征的可靠提取，实现有效的故障
诊断。

[0079] 步骤2)：全局监测。

[0080] 系统发生故障时，各量测节点的电压、电流相量会发生突变。因此利用序分量电压、电流的幅值、相位作为输入特征形成状态判断矩阵。当状态判断矩阵的中右下角元素发生突变时，依前所述判定系统发生故障，由此给出故障发生时刻。

[0081] 步骤3)：故障区段判断。

[0082] 对于三相系统，可能会发生各种类型的短路故障。由于故障线路中不对称故障占所有发生的故障的90％以上，以上分析都是基于单相系统或者对称故障导出的基本原理，
无法直接将此原理应用到实际三相系统中。由于在不同类型的短路故障过程中，都存在正
序分量，因此，在构建三相系统的保护方案时，考虑正序分量。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。

[0083] 步骤4)：故障类型判断。

[0084] 利用不同类型故障下，正负零序电流、电压的幅值之间关系特征进行故障类型判断。当发生单相接地故障时，各序分量关系如下：

[0085]

[0086]

[0087] i,j∈{1,2,...,a}。其中， 以及 分别表示以正负零序电流幅值为特征量的故障判断矩阵元素。

[0088] 当发生相间短路时，各序分量关系如下：

[0089]

[0090]

[0091] i,j∈{1,2,...,a}。其中， 以及 分别表示以正负零序电压幅值为特征量的故障判断矩阵元素。

[0092] 当发生两相接地短路时，各序分量关系如下：

[0093]

[0094]

[0095] i,j∈{1,2,...,a}。

[0096] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

[0097] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。