一种纵向不对称故障运行参数计算方法及相关装置

技术领域

本申请涉及电网故障分析技术领域，尤其涉及一种纵向不对称故障运行参数计算方法及相关装置。

背景技术

电力系统正常运行时某两个相邻节点之间发生不正常断开或三相阻抗不相等的情况的情况，称之为纵向故障。纵向不对称故障的两种极端状态，即一相断开或两相断开的运行状态。纵向故障同横向不对称故障一样，也只是在故障口出现了某种不对称状态，系统其余部分的参数还是三相对称的，可以应用对称分量法进行分析。

现有技术是通过获取电力系统的整体节点导纳矩阵，然后对其进行求逆计算，得到节点阻抗矩阵，并基于节点阻抗矩阵求得纵向不对称故障的运行电压和电流。但是，实际过程中对导纳矩阵进行求逆操作的计算量较大，且矩阵整体计算过程仅能串行，无法并行提高计算效率，所以实际电网较大量的运行参数的计算效率较低。

发明内容

本申请提供了一种纵向不对称故障运行参数计算方法及相关装置，用于解决现有技术基于矩阵的计算过程的计算量大，导致运行参数计算效率低的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种纵向不对称故障运行参数计算方法，包括：

在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，所述节点电压方程包括待求解节点阻抗向量；

采用PLU分解法对所述节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，所述序节点阻抗向量包括正序节点阻抗向量、负序节点阻抗向量和零序节点阻抗向量；

采用等效阻抗法根据所述序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于所述故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量；

采用预设对参数求解公式依据所述网络等值阻抗向量计算出每个节点在故障时的运行参数，所述运行参数包括故障处电流和故障处电压。

优选地，所述在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，所述节点电压方程包括待求解节点阻抗向量，之前还包括：

在发生纵向不对称故障时，确定电网系统中的正序节点导纳矩阵、负序节点导纳矩阵和零序节点导纳矩阵，得到预置序节点导纳矩阵。

优选地，所述采用PLU分解法对所述节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，包括：

采用PLU分解法对所述节点电压方程中的所述预置序节点导纳矩阵进行矩阵分解操作，得到分解矩阵，所述分解矩阵包括单位下三角矩阵和单位上三角矩阵；

选取不同的节点，通过对所述分解矩阵进行再分解的方式求解每个节点的序节点阻抗向量。

优选地，所述采用等效阻抗法根据所述序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于所述故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量，包括：

采用等效阻抗法构建电网系统的故障前等效电路；

基于所述故障前等效电路和所述序节点阻抗向量分别求解出故障端口的两个相邻节点的系统对地导纳和系统等效阻抗；

根据所述系统对地导纳和所述系统等效阻抗对故障时等效电路进行电路简化计算，得到系统节点导纳，所述系统节点导纳包括系统简化导纳、节点简化导纳和融合导纳；

依据所述系统节点导纳、所述系统对地导纳和节点对地导纳计算故障端口的阻抗，得到故障等值阻抗向量；

基于所述故障等值阻抗向量分别确定正序网络、负序网络和零序网络下的网络等值阻抗向量。

本申请第二方面提供了一种纵向不对称故障运行参数计算装置，包括：

方程构建单元，用于在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，所述节点电压方程包括待求解节点阻抗向量；

方程求解单元，用于采用PLU分解法对所述节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，所述序节点阻抗向量包括正序节点阻抗向量、负序节点阻抗向量和零序节点阻抗向量；

阻抗等效单元，用于采用等效阻抗法根据所述序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于所述故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量；

参数计算单元，用于采用预设对参数求解公式依据所述网络等值阻抗向量计算出每个节点在故障时的运行参数，所述运行参数包括故障处电流和故障处电压。

优选地，还包括：

矩阵确定单元，用于在发生纵向不对称故障时，确定电网系统中的正序节点导纳矩阵、负序节点导纳矩阵和零序节点导纳矩阵，得到预置序节点导纳矩阵。

优选地，所述方程求解单元，具体用于：

采用PLU分解法对所述节点电压方程中的所述预置序节点导纳矩阵进行矩阵分解操作，得到分解矩阵，所述分解矩阵包括单位下三角矩阵和单位上三角矩阵；

选取不同的节点，通过对所述分解矩阵进行再分解的方式求解每个节点的序节点阻抗向量。

优选地，所述阻抗等效单元，具体用于：

采用等效阻抗法构建电网系统的故障前等效电路；

基于所述故障前等效电路和所述序节点阻抗向量分别求解出故障端口的两个相邻节点的系统对地导纳和系统等效阻抗；

根据所述系统对地导纳和所述系统等效阻抗对故障时等效电路进行电路简化计算，得到系统节点导纳，所述系统节点导纳包括系统简化导纳、节点简化导纳和融合导纳；

依据所述系统节点导纳、所述系统对地导纳和节点对地导纳计算故障端口的阻抗，得到故障等值阻抗向量；

基于所述故障等值阻抗向量分别确定正序网络、负序网络和零序网络下的网络等值阻抗向量。

本申请第三方面提供了一种纵向不对称故障运行参数计算设备，所述设备包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的纵向不对称故障运行参数计算方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的纵向不对称故障运行参数计算方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种纵向不对称故障运行参数计算方法，包括：在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，节点电压方程包括待求解节点阻抗向量；采用PLU分解法对节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，序节点阻抗向量包括正序节点阻抗向量、负序节点阻抗向量和零序节点阻抗向量；采用等效阻抗法根据序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量；采用预设对参数求解公式依据网络等值阻抗向量计算出每个节点在故障时的运行参数，运行参数包括故障处电流和故障处电压。

本申请提供的纵向不对称故障运行参数计算方法，通过PLU分解法对节点电压方程进行矩阵分解式的求解计算，得到每个节点的序节点阻抗向量；而不是节点阻抗矩阵，这样拆分矩阵的计算方式能够避免基于矩阵的大量计算，使得整个系统中的所有节点阻抗均可以并行进行后续计算，从而提高计算效率；此外，还利用等效阻抗法对电网系统进行阻抗分析，可以得到在并行线程上得到每个节点在不同序网络的网络等值阻抗向量，进而基于此计算出每个节点在故障时的运行参数，每个节点的运行参数计算过程相对独立，又能够确保计算结果的准确性和可靠性。因此，本申请能够解决现有技术基于矩阵的计算过程的计算量大，导致运行参数计算效率低的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种纵向不对称故障运行参数计算方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种纵向不对称故障运行参数计算装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的故障前等效电路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的故障时等效电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的故障时等效电路简化后结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种纵向不对称故障运行参数计算方法的实施例，包括：

步骤101、在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，节点电压方程包括待求解节点阻抗向量。

节点电压方程可以描述为：

AV＝B

其中，A为预置序节点导纳矩阵，具体包括正序节点导纳矩阵、负序节点导纳矩阵和零序节点导纳矩阵，可以预先求得；B为选择节点的序列，例如B＝[0...0 1 0...0]，其中第i项为1，其余项为0，即选取第i个节点进行计算；V是第i个节点的节点阻抗向量，即待求解的节点阻抗向量；若是存在阻抗矩阵，那么V

进一步地，步骤101，之前还包括：

在发生纵向不对称故障时，确定电网系统中的正序节点导纳矩阵、负序节点导纳矩阵和零序节点导纳矩阵，得到预置序节点导纳矩阵。

预置序节点导纳矩阵可以直接基于电网系统的结构和故障情况求出，分别包括正序网络、负序网络和零序网络上的节点导纳矩阵，可以基于现有技术实现，具体过程不作赘述。

步骤102、采用PLU分解法对节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，序节点阻抗向量包括正序节点阻抗向量、负序节点阻抗向量和零序节点阻抗向量。

进一步地，步骤102，包括：

采用PLU分解法对节点电压方程中的预置序节点导纳矩阵进行矩阵分解操作，得到分解矩阵，分解矩阵包括单位下三角矩阵和单位上三角矩阵；

选取不同的节点，通过对分解矩阵进行再分解的方式求解每个节点的序节点阻抗向量。

需要说明的是，PLU分解法求解的方程表达为：

AX＝B

其中，X即为待求解量，也就是本实施例中需要求解的序节点阻抗向量，X＝V。常规的LU分解过程中，如果本实施例的预置序节点导纳矩阵A为非奇，那么预置序节点导纳矩阵A可以分解为单位下三角矩阵L和单位上三角矩阵U：

A＝LU

将矩阵分解得到的单位下三角矩阵L和单位上三角矩阵U换算至待求解的方程中，得到：

LUX＝B

继续对分解矩阵形成的公式进行分解方式的求解：

其中，F为分解过程中产生的中间列向量，维度与同为列向量的B相同。这个求解过程相当于消元演算过程中对常数向量进行变换操作。

预置序节点导纳矩阵A通过行变换进行分解，采用高斯消元的思想，将原本需要进行矩阵求逆的操作改为LU分解操作。由于在高斯消元时默认第一列的主元值为0，这就无法通过行增减变换消元，所以采用PLU分解。这个过程主要是增加了选主元的操作，从而确保了计算稳定性。实质的计算就是将A＝LU替换为PA＝LU，其中，P为置换矩阵。

以上过程中，对预置序节点导纳矩阵进行分解的过程可以是基于电网系统所有节点，即系统的节点导纳矩阵；只有后半部分的再分解计算是基于单个节点的，所以可以避免现有技术在计算每个节点的等效阻抗时都需要对导纳矩阵进行求逆计算，从而使得整个电网系统的计算量非常大，影响计算效率。分解得到的序节点阻抗向量也不是以阻抗矩阵的形式表达，所以后续都可以基于节点的向量参数进行参数计算，实现更加高效的并行计算。

步骤103、采用等效阻抗法根据序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量。

进一步地，步骤103，包括：

采用等效阻抗法构建电网系统的故障前等效电路；

基于故障前等效电路和序节点阻抗向量分别求解出故障端口的两个相邻节点的系统对地导纳和系统等效阻抗；

根据系统对地导纳和系统等效阻抗对故障时等效电路进行电路简化计算，得到系统节点导纳，系统节点导纳包括系统简化导纳、节点简化导纳和融合导纳；

依据系统节点导纳、系统对地导纳和节点对地导纳计算故障端口的阻抗，得到故障等值阻抗向量；

基于故障等值阻抗向量分别确定正序网络、负序网络和零序网络下的网络等值阻抗向量。

需要说明的是，故障前等效电路请阅图3，包括两个相邻节点和其余电网系统简化后的一个π型等值线路；两个相邻节点之间存在互阻抗Z

需要说明的是，节点对地导纳Y

具体的，本实施例中依据的序节点阻抗向量包括节点i的序节点阻抗向量Z

系统对地导纳Y

以故障前等效电路为基础可以构建节点断线故障时的等效电路，请参阅图4，一旦节点发生断线故障，就会新增一个节点，本实施例以节点i为参考例，在节点i发生断线故障时，可以得到新增节点i’，此时，故障处的端口阻抗就是从节点i和节点i’之间看进系统的系统阻抗。

求解过程就是从简化电路开始，请参阅图5，首先，系统等效阻抗Z

基于融合的电路图5，可以分别求解系统简化导纳Y

其中，Z

依据系统节点导纳、系统对地导纳和节点对地导纳计算故障端口的阻抗，得到故障等值阻抗向量Z

基于故障等值阻抗向量Z

步骤104、采用预设对参数求解公式依据网络等值阻抗向量计算出每个节点在故障时的运行参数，运行参数包括故障处电流和故障处电压。

需要说明的是，纵向不对称故障也分为单相断开和两相断开的运行状态，所以在不同的纵向不对称故障下也存在不同的故障处电流和电压计算方法，本实施例主要针对单相故障和两相故障两种情况进行分析。

当发生单相故障时，以A相为例，故障节点f和故障节点f’在A相上。采用故障电流公式依据网络等值阻抗向量X

故障电流公式：

故障相电压公式：

其中，I

当发生两相故障时，以B、C两相断路为例，故障端口的节点f和节点f’在A相上。采用故障序电流公式依据网络等值阻抗向量X

故障序电流公式：

第二故障相电压公式：

其中，I

由于每个节点都可以进行向量级别的计算，而不需要进行矩阵形式的整体计算，所以每个节点的运行参数计算过程均可以作为小任务映射到实际的计算机处理器中进行并行计算，例如将每个节点的计算任务映射到GPU中进行并行计算，得到所有节点在发生纵向不对称故障时的运行参数，即电流和电压。

本申请实施例提供的纵向不对称故障运行参数计算方法，通过PLU分解法对节点电压方程进行矩阵分解式的求解计算，得到每个节点的序节点阻抗向量；而不是节点阻抗矩阵，这样拆分矩阵的计算方式能够避免基于矩阵的大量计算，使得整个系统中的所有节点阻抗均可以并行进行后续计算，从而提高计算效率；此外，还利用等效阻抗法对电网系统进行阻抗分析，可以得到在并行线程上得到每个节点在不同序网络的网络等值阻抗向量，进而基于此计算出每个节点在故障时的运行参数，每个节点的运行参数计算过程相对独立，又能够确保计算结果的准确性和可靠性。因此，本申请实施例能够解决现有技术基于矩阵的计算过程的计算量大，导致运行参数计算效率低的技术问题。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种纵向不对称故障运行参数计算装置的实施例，包括：

方程构建单元201，用于在发生纵向不对称故障时，基于电流注入法根据预置序节点导纳矩阵构建的节点电压方程，节点电压方程包括待求解节点阻抗向量；

方程求解单元202，用于采用PLU分解法对节点电压方程进行矩阵分解的求解操作，得到每个节点的序节点阻抗向量，序节点阻抗向量包括正序节点阻抗向量、负序节点阻抗向量和零序节点阻抗向量；

阻抗等效单元203，用于采用等效阻抗法根据序节点阻抗向量确定故障端口的故障等值阻抗向量，并基于故障等值阻抗向量分别确定每个节点在正序网络、负序网络和零序网络的网络等值阻抗向量；

参数计算单元204，用于采用预设对参数求解公式依据网络等值阻抗向量计算出每个节点在故障时的运行参数，运行参数包括故障处电流和故障处电压。

进一步地，还包括：

矩阵确定单元205，用于在发生纵向不对称故障时，确定电网系统中的正序节点导纳矩阵、负序节点导纳矩阵和零序节点导纳矩阵，得到预置序节点导纳矩阵。

进一步地，方程求解单元202，具体用于：

采用PLU分解法对节点电压方程中的预置序节点导纳矩阵进行矩阵分解操作，得到分解矩阵，分解矩阵包括单位下三角矩阵和单位上三角矩阵；

选取不同的节点，通过对分解矩阵进行再分解的方式求解每个节点的序节点阻抗向量。

进一步地，阻抗等效单元203，具体用于：

采用等效阻抗法构建电网系统的故障前等效电路；

基于故障前等效电路和序节点阻抗向量分别求解出故障端口的两个相邻节点的系统对地导纳和系统等效阻抗；

根据系统对地导纳和系统等效阻抗对故障时等效电路进行电路简化计算，得到系统节点导纳，系统节点导纳包括系统简化导纳、节点简化导纳和融合导纳；

依据系统节点导纳、系统对地导纳和节点对地导纳计算故障端口的阻抗，得到故障等值阻抗向量；

基于故障等值阻抗向量分别确定正序网络、负序网络和零序网络下的网络等值阻抗向量。

本申请还提供了一种纵向不对称故障运行参数计算设备，设备包括处理器以及存储器；

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的纵向不对称故障运行参数计算方法。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的纵向不对称故障运行参数计算方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。