基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别方法及装置

专利领域

本发明属于电力自动化技术领域，涉及配电网中单相接地故障领域，具体来说是一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别方法及装置。

背景技术

随着经济社会的不断发展，人民生产生活与电能的联系愈加密切。作为输电系统的最后一公里，配电网中出现故障后，将严重影响民众生活水平和产品生产质量。而单相接地故障故障电流小，特征不清晰，难以尽快完成故障定位。为了保证配电网供电可靠性，亟需提出一种配电网单相接地故障精确定位技术。

近年来，国内外专家对配电网单相接地故障定位进行了大量研究实验，并取得了丰富成果。根据技术可达到的定位精确程度可分为故障选线、区段定位和故障测距。故障选线技术是指通过分析厂站各个出线的电流或电压特征，判断单相接地故障所在出线的技术。常用的故障选线技术有：试拉路法、零序电流比幅比相法、首半波法、功率法等。但故障选线技术仅可完成故障所在出线的定位，直接拉断出线，将对出线上所接用户的用电产生影响；同时为了进一步确定故障位置，工作人员往往需要进行复杂的巡线任务，将极大增加人员工作量。为了进一步精确故障所在位置，专家提出了故障区段定位技术。该技术通过利用FTU、开关等装置将配电网系统分成各个区段，根据区段间电流或电压特征区别完成故障定位，并仅需要断开故障所在区段既可实现故障隔离。常用的区段定位技术可分为主动定位技术和被动定位技术，区段定位技术的提出避免了对大部分用户的供电影响，并一定程度上减少了巡线人员的工作量，但仍无法保证尽快排除故障恢复供电。为进一步确定故障所在位置，尽快实现故障隔离和排除，恢复线路供电，专家提出了故障测距技术。故障测距技术可实现对故障距离的判断，可实现故障快速定位排除，极大程度上减少了停电时间。常见的故障测距技术可分为行波法和阻抗法。行波法是指通过监测系统中折反射波波头的流通路径和到达各个监测点的时间判断故障距离。但由于暂态波头受到谐波、噪声等干扰严重，无法保证可靠性；且为了准确捕获波头，信号监测装置需具有高频采样工程，对装置要求较高，工程经济性较差，现场往往采用阻抗法。阻抗法是指通过分析系统中电流和电压关系求取故障点距离信号监测点的线路阻抗，利用线路阻抗与故障点距离的正比关系判断故障距离。但由于配电网中存在大量电感电容元件，电流电压处于非线性关系，传统方法无法获取准确故障距离。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别方法及装置。本技术通过分析配电网系统中负序和零序电流的分布特性，结合线路参数建立了配电网系统故障路径上的零序、负序稳态电流与故障距离的函数关系；测距技术以该函数关系作为目标函数，依据粒子群算法迭代获取准确故障距离。

定位技术获取相电流信号并合成零序电流监测故障发生；当零序电流幅值大于阈值时，判断单相接地故障发生，测距算法启动并判断故障所在出线及获取相关参数信息，并依据对系统负序电流和零序电流在系统中分布特征建立目标函数，开始粒子群算法运算。算法首先设定粒子规模、迭代次数等参数，并随机生成粒子位置及速度，根据目标函数计算各粒子适应值，并设置初始个体极值和初始全局最优值，由于本发明设定目标函数越小越精确，故将所有个体极值中最小值作为初始全局最优值，并将数值更新判据设置为小于，即当前值小于历史值时，将数值更新。经过一次迭代后，算法判断本次迭代结果是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是则结束迭代，并输出迭代最优解，否则将更新粒子位置和速度，并进行下一轮迭代。

具体地，本发明提出一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取相电流信号并合成零序电流，监测故障发生；

步骤2：当零序电流幅值大于阈值时，判断单相接地故障发生，测距算法启动并判断故障所在出线，获取相关参数信息，若幅值不大于阈值则返回步骤1持续监测零序电流幅值变化；

步骤3：依据对系统负序电流和零序电流的分布特征建立目标函数，构建粒子群算法模型；按照预先设定的参数随机生成粒子位置及速度；

步骤4：根据设定的目标函数和配电网系统参数，进行粒子群算法迭代，寻求全局最优值；

步骤5：判断是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是则结束迭代，并输出迭代最优解，获取准确故障距离，否则将更新粒子位置和速度，并返回步骤4进行下一轮迭代。

进一步地，所述粒子群算法目标函数为：

其中，

进一步地，所述步骤S3中，

当系统中包含两条出线，单相接地故障发生于第二条出线中，发生单相接地故障时，故障线路首端获取的零序电流

其中L为消弧线圈电感；C

故障线路上游获取的负序电流

其中Z

进一步地，其中故障线路的故障点上游线路负序阻抗Z

当配电网中性点经消弧线圈接地时：

当配电网中性点不接地时：

进一步地，所述步骤S3中，

在中性点不接地系统中，零序序网图中消弧线圈回路开路，线路首端获取的零序电流

进一步地，所述步骤S3中，粒子算法的粒子速度和位置迭代公式如下：

x

式中：i＝1,2...N，N为粒子群中粒子总数；v

进一步地，所述步骤S4中，根据算法中设定的目标函数以及配电网系统参数计算各粒子适应值，首次迭代时据此适应值更新初始个体极值，将所有个体极值中最小值作为初始全局最优值；在迭代过程中，当出现适应值小于个体极值或全局最优值时，将相应数值更新。

进一步地，本发明还提出一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别装置，所述装置包括：

故障监测模块：获取相电流信号并合成零序电流，监测故障发生；

故障判定模块：当零序电流幅值大于阈值时，判断单相接地故障发生，测距算法启动并判断故障所在出线，获取相关参数信息，若幅值不大于阈值则继续监测零序电流幅值变化；

模型构建模块：依据系统负序电流和零序电流的分布特征建立目标函数，构建粒子群算法模型；按照预先设定的参数随机生成粒子位置及速度；

求解模块：根据设定的目标函数和配电网系统参数，进行粒子群算法迭代，寻求全局最优值；

输出模块：判断是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是则结束迭代，并输出迭代最优解，获取准确故障距离，否则将更新粒子位置和速度，并返回进行下一轮迭代。

进一步地，本发明还提出一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据本发明所述的方法。

进一步地，本发明还提出一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据本发明所述的方法中的任一方法的指令。

本发明有益的技术效果是：

(1)本发明通过综合分析负序电流和零序电流分布特征，可实现对配电网中发生单相接地故障后实现故障判别和精确测距，保证了配电网的运行可靠性；

(2)本发明通过利用负序和零序稳态电流完成故障判别和测距，避免了噪声对暂态信号的影响，无需电压信号辅助判断，提高了算法工程实用性；

(3)本发明充分利用了粒子群算法的全局搜索能力，算法简单易行，收敛速度较快，保证了技术的运行速度和准确性。

附图说明

图1是中性点经消弧线圈接地系统结构图。

图2是零序序网示意图。

图3是负序序网示意图。

图4是本发明所述的故障判别方法的流程图。

图5是仿真实验系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

本发明提出一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别方法，作为一种进化计算技术，粒子群算法(PSO)利用群体作为研究对象建立研究模型，在对动物集群活动行为观察的基础上，利用群体中个体信息共享的作用，使群体在变化过程中由无序变为有序，最终获得最优解。与模拟退火算法和遗传算法相比，粒子群算法规则简单操作容易，从随机解出发，采取追寻当前最优解的方式进行迭代，具有实现简单、收敛快、精度高的特点。

在PSO算法中，每一个问题的随机解都为空间中的一个粒子，而该粒子具有速度和位置两种属性，且根据目标函数可确定该粒子当前位置下的适应值(fitness value)以及至此时粒子的个体极值P

x

式中：i＝1,2...N，N为粒子群中粒子总数；v

粒子速度表达式中，第一项为记忆项，表示该粒子在上次迭代后速度和位置；第二项为个体认知项，为根据自身极值判断出的最优动作；第三项为全局认知项，为粒子根据全局最优值判断出最优动作。粒子通过在空间中不断针对个体极值和全局最优值进行迭代，直到其满足规定误差或达到迭代次数后为止。

为了更好获取数值迭代和收敛效果，本发明将对各参数设置为：c

为了合理构建粒子群算法的目标函数，本文将采用中性点经消弧线圈接地系统进行分析，系统结构图如附图1所示。

系统中包含两条出线，单相接地故障发生于第二条出线中。L为消弧线圈电感；R为接地电阻阻值；l为接地故障点处至母线距离。

单相接地故障发生后，根据对称分量法，故障电流可分为正序、负序和零序电流，而根据边界条件，在故障点处，三序电流相同：

系统中负序电流与零序电流分布特征不同。零序电流经正常线路中对电容流向故障点，在故障点处分流后，分别流向故障点上游线路以及故障点下游线路，流向故障点上游线路的电流经母线流回各自线路形成回路。以附图1为例，零序电流序网图如附图2所示。

其中，

由此可得故障线路2首端获取的零序电流

其中，C

而在中性点不接地系统中，零序序网图中消弧线圈回路开路，由此可得故障点处零序电流和线路2首端获取的零序电流关系为：

负序电流经故障点分流后，分别流向故障点上游和下游线路，流经故障点上游线路的负序电流经母线流向正常线路和变压器线路，由于消弧线圈回路不影响负序电流分布，故中性点不接地系统与经消弧线圈接地系统负序序网图相同。负序等效图如附图3所示：

图中，

由附图3可得故障线路2上游获取的负序电流

而其中，故障线路2的故障点上游线路负序阻抗Z

当配电网中性点经消弧线圈接地时：

当配电网中性点不接地时：

根据故障线路2首端获取的负序电流测量值与理论计算值，并结合系统中设备的运行状态可得粒子群算法目标函数为：

其中，

最终，通过粒子群算法的迭代获取的最终结果即为故障点与母线距离长度l。

为验证算法的可靠性，本文根据附图1所示配电网结构图搭建ATP仿真模型如附图5所示。图中包含两条出线，单相接地故障发生于第二条出线中段。

对于中性点经消弧线圈接地系统或中性点不接地系统单相接地故障可采用本申请公开的一种基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别技术，在配电网系统各出线端安装定位装置后，通过获取线路上的负序、零序电流和线路参数进行粒子群算法迭代，最终可完成故障测距。具体实施步骤如附图4所示。

步骤1：获取相电流信号并合成零序电流，监测故障发生；

根据现场大量数据和仿真验证，设定零序电流阈值，用于区分线路的故障状态和非故障状态。

步骤2：当零序电流幅值大于阈值时，判断单相接地故障发生，测距算法启动并判断故障所在出线，获取相关参数信息，若幅值不大于阈值则返回步骤1持续监测零序电流幅值变化；

步骤3：按照预先设定的粒子规模、迭代次数等参数随机生成粒子位置及速度，并开始算法迭代；

步骤4：根据算法中设定的目标函数以及配电网系统参数计算各粒子适应值，首次迭代时据此适应值更新初始个体极值，由于设定目标函数越小越精确，故将所有个体极值中最小值作为初始全局最优值。在迭代过程中，当出现适应值小于个体极值或全局最优值时，将相应数值更新；

步骤5：判断是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是则结束迭代，并输出迭代最优解，否则将更新粒子位置和速度，并返回步骤4进行下一轮迭代。

获取线路2首端负序、零序电流以及线路参数进行算法迭代，迭代结果如表1所示：

由步骤5结果可得，判别和测距技术通过获取故障线路首端负序和零序电流以及系统参数，构建粒子群算法目标函数后，根据粒子群算法迭代可准确获取故障距离，测距结果中平均相对误差为5.7898％，测距结果精确度较高，验证了上述技术理论分析的正确性和应用可靠性。

本发明还提出一种与上述方法相对应的基于粒子群算法的配电网单相接地故障判别装置，所述装置包括：

故障监测模块：获取相电流信号并合成零序电流，监测故障发生；

故障判定模块：当零序电流幅值大于阈值时，判断单相接地故障发生，测距算法启动并判断故障所在出线，获取相关参数信息，若幅值不大于阈值则继续监测零序电流幅值变化；

模型构建模块：依据系统负序电流和零序电流的分布特征建立目标函数，构建粒子群算法模型；按照预先设定的参数随机生成粒子位置及速度；

求解模块：根据设定的目标函数和配电网系统参数，进行粒子群算法迭代，寻求全局最优值；

输出模块：判断是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是则结束迭代，并输出迭代最优解，获取准确故障距离，否则将更新粒子位置和速度，并返回进行下一轮迭代。

进一步地，本发明还提出一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据本发明所述的方法。

进一步地，本发明还提出一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据本发明所述的方法中的任一方法的指令。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。