基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法

唐美霞

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530000）

0 引言

在社會經(jīng)濟的發(fā)展下，電力系統(tǒng)飛速發(fā)展，電網(wǎng)在運行的過程中，會產(chǎn)生暫降故障，并且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)規(guī)模龐大，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降節(jié)點出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生大量的報警信息，為運行人員增加處理電網(wǎng)故障的難度，則需要對電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點進行分析并快速對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點進行定位，國內(nèi)外的研究學(xué)者對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位進行了深入研究[1,2]。為了能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓暫降節(jié)點故障準確定位，需要提高電網(wǎng)故障的隔離時間，使電網(wǎng)能夠正常運行[3,4]。隨著電網(wǎng)供電重要性的提高，電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的排除、定位以及優(yōu)化日益重要，電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法的研究成為熱門話題。

無線傳感網(wǎng)能夠快速的對電網(wǎng)故障信號進行采集，并且快速判斷出故障節(jié)點的位置[5]，在電網(wǎng)故障節(jié)點定位中受到廣泛關(guān)注。將電網(wǎng)中的電流、電壓、等效阻等特征向量當(dāng)作指標體系，判斷電網(wǎng)指標體系中電壓源的位置，計算電網(wǎng)電壓暫降故障信息中的閾值和權(quán)值，完成對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的定位，但該方法的定位準確性差、誤差較高。采用分布式計算對電網(wǎng)發(fā)生故障時的電流進行計算，分析電網(wǎng)故障節(jié)點中電流的特性，完成電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位，發(fā)現(xiàn)該方法對故障節(jié)點的定位速度較慢。

針對上述兩種方法存在的問題，提出基于無線傳感網(wǎng)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法。

1 電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化研究方法

1.1 電網(wǎng)電壓暫降故障類型

當(dāng)電網(wǎng)的線路出現(xiàn)故障，會引起電網(wǎng)電壓暫降，能夠根據(jù)電網(wǎng)的暫降對故障進行判斷，使電網(wǎng)電壓暫降的原因有電動機的啟動、電網(wǎng)短路和變壓器的激磁，電網(wǎng)電壓暫降故障的分類如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)電壓暫降故障分類

對采集到的電網(wǎng)電壓暫降進行分析，假設(shè)Mn（n=1，2，3，...，n）為電網(wǎng)電壓暫降變換后的特征矩陣，MSn（n=1，2，3，...，n）為標準的模板矩陣，計算電網(wǎng)電壓暫降模板矩陣的相似度，計算公式如下：

其中，δ表示調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓暫降的閾值，根據(jù)式(1)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓暫降的故障類型進行確定，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降模板矩陣與變換后的特征矩陣的相似度較高時，則采集的電網(wǎng)電壓暫降故障為確定的電網(wǎng)故障類型。為分析不同電網(wǎng)電壓暫降的故障類型和電阻值，以電網(wǎng)電壓的實部U'和虛部U''為主，將其存放到對應(yīng)故障類型的電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，表達式為：

1.2 電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點距離分布函數(shù)

利用電網(wǎng)線路故障節(jié)點的距離，對電網(wǎng)虛擬故障節(jié)點的阻抗和監(jiān)測點的阻抗進行計算，根據(jù)電網(wǎng)發(fā)生故障前的電壓和監(jiān)測點的電壓，計算電網(wǎng)監(jiān)測點的電壓分量比值，并與與實際得到的電壓值相比較，計算其誤差值得到電壓的權(quán)重系數(shù)，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)故障情況進行調(diào)節(jié)，得到電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的距離分布函數(shù)。

假設(shè)電網(wǎng)中的故障線路為l，其中電網(wǎng)故障線路的首端和末端節(jié)點分別用p和q來表示，電網(wǎng)虛擬的故障節(jié)點為t，對電網(wǎng)電壓暫降虛擬故障節(jié)點的阻抗和與電網(wǎng)監(jiān)測點m之間的阻抗進行計算，計算公式如下：

其中，d表示電網(wǎng)線路故障節(jié)點首端的距離，A0(s)、A1(s)、A2(s)表示電網(wǎng)故障節(jié)點的電流值，Zrr(s)和Zmr(s)能夠表示電網(wǎng)電壓暫降故障的阻抗距離，式(3)中的Bm(s)和Cm

(s)可以通過下式對其進行計算得到，表達式為：

式中，Zpm(s)、Zqm(s)代表電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點阻抗陣的元素值，用電網(wǎng)線路的步長d對故障距離進行假設(shè)，d（d=0，d，2d，…，1），計算電網(wǎng)監(jiān)測點的電壓分量比值，表達式如下：

其中，Er(1)0表示電網(wǎng)中虛擬故障節(jié)點r發(fā)生故障之前的電壓，Em(1)0表示電網(wǎng)故障監(jiān)測點的電壓，Rf表示電網(wǎng)電壓暫降的故障電阻，根據(jù)式(6)的計算，能夠得到電網(wǎng)電壓暫降故障監(jiān)測點的誤差變化，通過對電網(wǎng)故障監(jiān)測點電壓分量比值的計算，與實際得到的電壓值gm進行比較，表達式為：

式(7)中，Eg代表電網(wǎng)故障電壓的誤差，w代表權(quán)重系數(shù)，能夠根據(jù)電網(wǎng)的情況進行調(diào)整，M'代表電網(wǎng)故障監(jiān)測點數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降故障監(jiān)測點的位置不同時，可以利用權(quán)重系數(shù)對其進行判斷，當(dāng)電網(wǎng)規(guī)模變大時，其結(jié)果會受到影響，可以將式(7)改寫：

電網(wǎng)中的每條線路都會存在電壓誤差，根據(jù)上述計算，得到電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的距離分布函數(shù)，函數(shù)表達式如下：

1.3 無線傳感網(wǎng)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化

在對電網(wǎng)故障類型分析和對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點距離分布函數(shù)計算的基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)電壓暫降的故障區(qū)域進行選取，計算出電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點電壓實部、虛部的數(shù)據(jù)，計算其距離的差異度，根據(jù)電網(wǎng)線路的傳感器節(jié)點完成對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的定位優(yōu)化。

電網(wǎng)中的任意區(qū)域為a'-b'，假設(shè)電網(wǎng)中的電阻不連續(xù)，則電網(wǎng)電壓暫降的數(shù)據(jù)不在電網(wǎng)范圍內(nèi)，假設(shè)Ur、Ui分別表示電網(wǎng)電壓暫降故障相電壓的實部、虛部兩部分，對應(yīng)的故障電阻分別為Rf'(x)和Rf'(x+1)，x=1，2，3，...，n'，n'為電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的個數(shù)，對電網(wǎng)電壓暫降的故障區(qū)域進行選取，表達式為：

電網(wǎng)電壓暫降的故障三相節(jié)點總距離為：

電網(wǎng)故障為三相時的故障節(jié)點差異度表達式如下：

電網(wǎng)電壓暫降故障為兩相時的差異度為：

其中，i'、j'分別表示電網(wǎng)電壓暫降故障i'相和j'相，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降故障相一相時，差異度為0。確定電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點后完成定位，表達式如下：

電網(wǎng)中線路的傳感器節(jié)點集合為：

式中，NA、NB、NC代表定位電網(wǎng)故障的三個傳感器節(jié)點，根據(jù)電網(wǎng)線路的傳感器節(jié)點對電網(wǎng)電壓暫降故障暫降節(jié)點的定位進行優(yōu)化，表達式為：

利用式(19)完成對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化。

2 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

實驗設(shè)計有6個不同的電網(wǎng)電壓暫降故障位置，分別為X1、X2、X3、X4、X5，X6，故障初始角為20℃，利用無線傳感網(wǎng)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法對故障節(jié)點的定位結(jié)果進行測試，實驗對比如表1所示。

表1 電網(wǎng)電壓暫降故障及節(jié)點定位結(jié)果對比

分析表1可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法中，故障初始角度不變，故障位置在X1和X2時的故障定位誤差為51m，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降的故障位置在X3時，對應(yīng)的故障定位誤差為52m，故障位置在X4、X5和X6時，定位誤差分別為53m、54m和55m，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法中，電網(wǎng)故障的初始角度同樣不變，故障位置在X1和X2時的故障定位誤差分別為120m和125m，當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降的故障位置在X3時，對應(yīng)的故障定位誤差為123m，故障位置在X4、X5和X6時，定位誤差分別為128m、126m和132m，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法的故障節(jié)點定位誤差值在51m～55m之間，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法的故障節(jié)點定位誤差值在120m～132m，對比可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法的故障節(jié)點定位誤差較小，說明電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位的準確性好。

在對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位準確性測試的基礎(chǔ)上，利用可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)情況的權(quán)重系數(shù)，對電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點的定位速度進行測試，設(shè)其單位為μ，權(quán)重系數(shù)在[1.5，2.5]區(qū)間的故障節(jié)點定位速度最快，實驗對比如圖2、圖3所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位方法的故障定位速度

分析圖2、圖3可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位方法中，故障位置在X2時的權(quán)重系數(shù)處于最低點為1.5，故障位置在X3時的權(quán)重系數(shù)處于最高點為2.5，電網(wǎng)電壓暫降5個不同的故障位置，對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)在1.5～2.5之間，分布式饋線自動化的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位方法中，不同的電網(wǎng)故障位置，權(quán)重系數(shù)不同，當(dāng)故障位置在X3時的權(quán)重系數(shù)處于最低點為0.5，整體權(quán)重系數(shù)在0.5～2.0之間，對比可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位方法的權(quán)重系數(shù)在[1.5，2.5]區(qū)間，說明無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點定位方法的定位速度較快，能夠快速的對電網(wǎng)中的故障節(jié)點進行定位。

圖3 分布式饋線自動化定位方法的故障定位速度

3 結(jié)語

通過分析電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法的缺點，提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法。并得出實驗結(jié)果證明無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位優(yōu)化方法可以準確的對電網(wǎng)的故障節(jié)點進行定位，定位速度較快，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點定位的研究工作至關(guān)重要，希望能夠在未來能夠?qū)嶋H運用。