基于PLC通讯信道的电网故障定位方法与流程

基于plc通讯信道的电网故障定位方法
技术领域
1.本发明属于通信领域，具体是一种基于plc通讯信道的电网故障定位方法。


背景技术：

2.故障会导致电网停电，影响用户的正常用电，尤其是对于重要行业和设施，停电可能会造成严重的经济和社会影响。同时，故障可能会导致电网设备的损坏、短路、漏电等问题，增加火灾和安全事故的风险。快速、低成本的故障定位可以减少电网停电时间、提高供电可靠性、减少能源浪费和降低运营成本，对电力系统的运行和发展具有重要意义。配电网分布广泛，利用传统故障定位方法需要安装大量监测装置，经济性和可实施性差。电力线载波通讯(power line communication，plc)直接利用电力线作为通讯介质，无需重新架设网络，只要有电线就能进行数据传输。同时，当电网中出现故障时，plc通讯系统的模型会发生改变。
3.为克服现有技术在经济性和可实施性方面的缺陷，本发明基于plc信号的幅值衰减和相位偏移，提出了可经济性高、可实施性好的配电网故障定位方法。


技术实现要素：

4.本发明为解决背景技术中存在的问题，提出了一种基于plc通讯信道的电网故障定位方法。
5.技术方案：
6.一种基于plc通讯信道的电网故障定位方法，包括以下步骤：
7.s1、建立电力网络的plc信道模型；
8.s2、构造plc信道模型的故障特征库；
9.s3、结合故障特征库，进行基于相似度的电压暂降源x的定位：
10.s4、结合电压暂降源x的定位，进行基于电压暂降的故障过渡电阻辨识。
11.所述基于plc通讯信道的电网故障定位方法分为信道建模、特征库构建、故障定位和电阻估计共4步。所述信道建模是指，基于配电网的拓扑结构和plc电力线载波机接入位置及其内阻，建立无故障时的plc通讯信道模型。所述特征库构建是指，利用上述模型，遍历所有故障位置和尽可能全的故障过渡电阻，建立包含plc接收端幅值衰减和相位偏移的故障特征库，并将其按故障位置和过渡电阻分类标记。所述事件捕获是指，在发生电压暂降后，保存plc接收端对应工作频段的幅值衰减和相位偏移值，记作故障特征。所述故障定位是指，从各位置类的特征库中选出一个特征样本，计算该故障特征与各特征样本的相似度。各位置类的相似度最大者所对应的位置即为电压暂降源所在的母线节点。进一步地，将该位置的全部特征样本取出，逐一计算故障特征与各故障电阻特征的相似度。同理，相似度最大者对应的过渡电阻值即为导致该次故障的过渡电阻值。
12.所述电力网络的plc信道模型构建，是将配电网络拓扑中的所有元素分为线路、节点和负载共三种类型，其中线路为电力传输线，节点为线路交汇点的母线，负载包括电力系
统负荷和分布式电源。线路提供参数包括起始节点编号和终止节点编号，单位电阻、单位电感和单位电容值，以及线路的长度。母线节点尽可能有序编号，负载提供其接入节点的编号和阻抗值。此外，还需要plc发送端的接入节点编号和载波机的内阻。
13.所述plc信道模型的故障特征库构造是指，搜索电力网络拓扑中的所有母线节点，将每个节点作为一个特征库类，该特征库类设置多个过渡电阻的故障。每次故障均在原有网络a的基础上增加1个信息节点，得到增广矩阵对于如所示的拓扑结构，当任意点i接入故障过渡电阻z
l
，需要改写与节点i相同的节点电流方程，增加1个节点电压和1个回路电流方程。按照上述步骤，在每个节点处设置多次不同阻值的过渡电阻，按照节点位置和过渡电阻两个维度设置库特征标签。仿真获取各次故障情况下的幅值衰减和相位偏移曲线，有序保存至故障特征库。
14.所述基于相似度的电压暂降源定位，是在电网pqm检测到电压暂降后，plc发送端在信号幅值固定情况下进行一轮扫频信号输出，接收端根据所接收到的信号频段记录各频点下的幅值衰减和相位偏移，将其数据记作fault_rf_x。从故障特征库中的每一列任选1个库特征样本组成定位对照库ll，按照节点序号从小到大有序存放。ll的长度为拓扑结构中的潜在故障节点数，即特征库的有效列数，ll[i]为来自特征库中第i列任意行的库特征。分别计算ll[i]与fault_rf_x之间的余弦相似度，记作like(i,x)。取所有相似度like(i,x)中最大值对应的i作为本次电压暂降源x的定位结果。
[0015]
所述故障过渡电阻辨识，是在上述步骤中得到电压暂降源所在的节点位置x后，进一步取出第x列的所有故障特征库样本，并与fault_rf_x逐一计算相似度。同理，取相似度最大者对应的过渡电阻值r
x
即为导致该次电压暂降源故障的过渡电阻值rf。
[0016]
本发明的有益效果
[0017]
本发明直接利用电力线作为通讯介质，无需重新架设网络，只要有电线就能进行电网的故障定位，不需要额外的传输线路，可经济性高、可实施性好。通过快速准确的故障定位，可以迅速采取对策，缩短故障恢复时间，降低停电损失，提高用户满意度。
附图说明
[0018]
图1为本发明的流程图
[0019]
图2为实施例中格状电力网络模型及其信息节点编号示意图
[0020]
图3为实施例中格状网络节点2和3发生不同过渡电阻故障时的幅值衰减和相位偏移示意图
具体实施方式
[0021]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
[0022]
结合图1，本发明提出了一种基于plc通讯信道的电网故障定位方法，包括以下步骤：
[0023]
s1、建立电力网络的plc信道模型；
[0024]
s2、构造plc信道模型的故障特征库；
[0025]
s3、结合故障特征库，进行基于相似度的电压暂降源x的定位：
[0026]
s4、结合电压暂降源x的定位，进行基于电压暂降的故障过渡电阻辨识。
[0027]
具体的：
[0028]
s1、建立电力网络的plc信道模型。
[0029]
将配电网络拓扑中的所有元素分为线路、节点和负载共三种类型，其中线路为电力传输线，节点为线路交汇点的母线，负载包括电力系统负荷和分布式电源。线路提供参数包括起始节点编号和终止节点编号，单位电阻、单位电感和单位电容值，以及线路的长度。母线节点尽可能有序编号，负载提供其接入节点的编号和阻抗值。此外，还需要plc发送端的接入节点编号和载波机的内阻。以图2所示中格状网络为例，将其网络结构记录如表1所示。其中单位电阻r0、电网电感l0和单位电容c0的单位分别为mω、nh和pf。
[0030]
表1拓扑结构存储格式示例
[0031][0032][0033]
逐个建立信息节点，如表2所示为与图2对应的信息节点列表。
[0034]
表2信息节点关系列表
[0035][0036]
根据表1的元件类型和表2中信息节点位置，分别对不同类型的元素建立信息节点网络方程。当信号传输频率为10mhz时，如图2所示网络拓扑建立的网络方程组为：
[0037][0038]
式中，u
1-u
16
为图2中各节点电压，i
1-i
16
为图2中各节点电流，i
17
和u
17
分别为故障电流和故障接入点的母线电压。
[0039]
(2)构造plc信道模型的故障特征库
[0040]
搜索电力网络拓扑中的所有母线节点，将每个节点作为一个特征库类，该特征库类设置多个过渡电阻的故障。每次故障均在原有网络a的基础上增加1个信息节点，得到增广矩阵对于如所示的拓扑结构，当任意点i接入故障过渡电阻z
l
，需要改写与节点i相同的节点电流方程，增加1个节点电压和1个回路电流方程。假设故障发生在如图2所示的故障发生在节点4处，过渡电阻为2ω时，需要将式(5.14)中的第29个方程式改为：
[0041]
i3+i4+i6+i
17
＝0(5.15)
[0042]
并增加如下方程组：
[0043][0044]
式中，i
17
和u
17
分别为故障电流和故障接入点的母线电压。当图2所示节点2和3发生过渡电阻分别为0.1ω、1ω和2ω的故障时，负载z
l
处的信号幅值衰减和相位偏移如图3所示((a)-故障在节点2时不同过渡电阻的幅值衰减；(b)-故障在节点2时不同过渡电阻的相位偏移；(c)-故障在节点3时不同过渡电阻的幅值衰减；(d)-故障在节点3时不同过渡电阻的相位偏移)。容易看出，对于发生在同一位置处的故障，不同过渡电阻情况下幅值衰减和相位偏移的变化走势是基本趋于一致的。尤其是相位偏移特性，在整个频段上均是基本重合的，且不同位置之间是有明细区别的。
[0045]
按照上述步骤，在每个节点处设置多次不同阻值的过渡电阻，按照节点位置和过渡电阻两个维度设置库特征标签。仿真获取各次故障情况下的幅值衰减和相位偏移曲线，
有序保存至故障特征库。如表3所示为图2拓扑在n个过渡电阻值下对应的故障特征库，表中的列代表故障位置，行代表故障的过渡电阻。bank_rf_i中包含第i个节点发生过渡电阻为rf的完整幅值衰减和相位偏移数据，如图3所示。
[0046]
表3故障特征库示例列表
[0047][0048]
s3、基于相似度的电压暂降源定位
[0049]
电网pqm检测到电压暂降后，plc发送端在信号幅值固定情况下进行一轮扫频信号输出，接收端根据所接收到的信号频段记录各频点下的幅值衰减和相位偏移，将其数据记作fault_rf_x。从表3中的每一列任选1个库特征样本组成定位对照库ll，按照节点序号从小到大有序存放。ll的长度为拓扑结构中的潜在故障节点数，即表3的有效列数，ll[i]为来自表3中第i列任意行的库特征。根据公式(5.11)分别计算ll[i]与fault_rf_x之间的相似度cos(x,y)，记作like(i,x)：
[0050][0051]
其中：x和y为维度(m行n列)完全相同的两个矩阵(实施例中分别表示ll[i]和fault_rf_x)，xij和yij分别为矩阵x和y的元素。任意两个维度相同的非零矩阵，其余弦相似度在数值上满足式-1≤cos(x,y)≤1。cos(x,y)＝1表示两个矩阵元素线性相关；cos(x,y)等于0说明矩阵x和y完全独立；cos(x,y)为-1反映两个矩阵中元素的变化规律完全相反；其余值体现x和y一定程度上的相似性。cos(x,y)越接近1，矩阵x和y之间的相关性越强。
[0052]
取所有相似度like(i,x)中最大值对应的i作为本次电压暂降源x的定位结果。
[0053]
s4、电压暂降的故障过渡电阻辨识
[0054]
在上述步骤中得到电压暂降源所在的节点位置x后，进一步取出中第x列的所有故障特征库样本，并与fault_rf_x逐一计算相似度。同理，取相似度最大者对应的过渡电阻值r
x
即为导致该次电压暂降源故障的过渡电阻值rf。
[0055]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

技术特征：
1.一种基于plc通讯信道的电网故障定位方法，其特征在于它包括以下步骤：s1、建立电力网络的plc信道模型；s2、构造plc信道模型的故障特征库；s3、结合故障特征库，进行基于相似度的电压暂降源x的定位：s4、结合电压暂降源x的定位，进行基于电压暂降的故障过渡电阻辨识。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s1中电力网络的plc信道模型的建立是：将配电网络拓扑中的所有元素分为线路、节点和负载共三种类型，其中线路为电力传输线，节点为线路交汇点的母线，负载包括电力系统负荷和分布式电源；其中：线路提供参数包括起始节点编号和终止节点编号，单位电阻、单位电感和单位电容值，以及线路的长度；母线节点有序编号；负载提供其接入节点的编号和阻抗值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于plc信道模型还包括plc发送端的接入节点编号和载波机的内阻。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s2中plc信道模型的故障特征库的构造是：s2-1、搜索电力网络拓扑中的所有母线节点，将每个节点作为一个特征库类，该特征库类设置多个过渡电阻的故障；每次故障均在原有网络a的基础上增加1个信息节点，得到增广矩阵s2-2、当任意点i接入故障过渡电阻zl，需要改写与节点i相同的节点电流方程，增加1个节点电压和1个回路电流方程；按照上述步骤，在每个节点处设置多次不同阻值的过渡电阻，按照节点位置和过渡电阻两个维度设置库特征标签；s2-3、仿真获取各次故障情况下的幅值衰减和相位偏移曲线，有序保存至故障特征库。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s3中基于相似度的电压暂降源x的定位步骤为：s3-1、电网pqm检测到电压暂降后，记录各频点下的幅值衰减和相位偏移，将其数据记作fault_r
f
_x；s3-2、组建定位对照库ll：从故障特征库中的每一列任选1个库特征样本，按照节点序号从小到大有序存放；ll的长度为拓扑结构中的潜在故障节点数，即特征库的有效列数，ll[i]为来自特征库中第i列任意行的库特征；s3-3、分别计算ll[i]与fault_r
f
_x之间的余弦相似度，记作like(i,x)；s3-4、取所有相似度like(i,x)中最大值对应的i作为本次电压暂降源x的定位结果。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于s4中，基于电压暂降的故障过渡电阻辨识过程为：s4-1、取出第x列的所有故障特征库样本，并与fault_r
f
_x逐一计算相似度；s4-2、取相似度最大者对应的过渡电阻值r
x
即为导致该次电压暂降源故障的过渡电阻值r
f
。

技术总结
本发明公开了一种基于PLC通讯信道的电网故障定位方法，它包括以下步骤：S1、建立电力网络的PLC信道模型；S2、构造PLC信道模型的故障特征库；S3、结合故障特征库，进行基于相似度的电压暂降源x的定位：S4、结合电压暂降源x的定位，进行基于电压暂降的故障过渡电阻辨识。本方法直接利用电力线作为通讯介质即可进行电网的故障定位，不需要额外设备投入，定位准确度高、可经济性高、可实施性好。可实施性好。可实施性好。


技术研发人员：张潮海 谭敏刚
受保护的技术使用者：南京别费尔德科技有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/11