基于无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法

唐美霞

（南宁职业技术学院，南宁 530000）

0 引言

在社会经济的发展下，电力系统飞速发展，电网在运行的过程中，会产生暂降故障，并且电网结构复杂、系统规模庞大，当电网电压暂降节点出现故障时，会产生大量的报警信息，为运行人员增加处理电网故障的难度，则需要对电网数据节点进行分析并快速对电网电压暂降故障节点进行定位，国内外的研究学者对电网电压暂降故障节点定位进行了深入研究[1,2]。为了能够对电网电压暂降节点故障准确定位，需要提高电网故障的隔离时间，使电网能够正常运行[3,4]。随着电网供电重要性的提高，电网电压暂降故障节点的排除、定位以及优化日益重要，电网电压暂降故障节点定位优化方法的研究成为热门话题。

无线传感网能够快速的对电网故障信号进行采集，并且快速判断出故障节点的位置[5]，在电网故障节点定位中受到广泛关注。将电网中的电流、电压、等效阻等特征向量当作指标体系，判断电网指标体系中电压源的位置，计算电网电压暂降故障信息中的阈值和权值，完成对电网电压暂降故障节点的定位，但该方法的定位准确性差、误差较高。采用分布式计算对电网发生故障时的电流进行计算，分析电网故障节点中电流的特性，完成电网电压暂降故障节点定位，发现该方法对故障节点的定位速度较慢。

针对上述两种方法存在的问题，提出基于无线传感网的电网电压暂降故障节点定位优化方法。

1 电网电压暂降故障节点定位优化研究方法

1.1 电网电压暂降故障类型

当电网的线路出现故障，会引起电网电压暂降，能够根据电网的暂降对故障进行判断，使电网电压暂降的原因有电动机的启动、电网短路和变压器的激磁，电网电压暂降故障的分类如图1所示。

图1 电网电压暂降故障分类

对采集到的电网电压暂降进行分析，假设Mn（n=1，2，3，...，n）为电网电压暂降变换后的特征矩阵，MSn（n=1，2，3，...，n）为标准的模板矩阵，计算电网电压暂降模板矩阵的相似度，计算公式如下：

其中，δ表示调节电网电压暂降的阈值，根据式(1)能够对电网电压暂降的故障类型进行确定，当电网电压暂降模板矩阵与变换后的特征矩阵的相似度较高时，则采集的电网电压暂降故障为确定的电网故障类型。为分析不同电网电压暂降的故障类型和电阻值，以电网电压的实部U'和虚部U''为主，将其存放到对应故障类型的电网数据库中，表达式为：

1.2 电网电压暂降故障节点距离分布函数

利用电网线路故障节点的距离，对电网虚拟故障节点的阻抗和监测点的阻抗进行计算，根据电网发生故障前的电压和监测点的电压，计算电网监测点的电压分量比值，并与与实际得到的电压值相比较，计算其误差值得到电压的权重系数，能够对电网故障情况进行调节，得到电网电压暂降故障节点的距离分布函数。

假设电网中的故障线路为l，其中电网故障线路的首端和末端节点分别用p和q来表示，电网虚拟的故障节点为t，对电网电压暂降虚拟故障节点的阻抗和与电网监测点m之间的阻抗进行计算，计算公式如下：

其中，d表示电网线路故障节点首端的距离，A0(s)、A1(s)、A2(s)表示电网故障节点的电流值，Zrr(s)和Zmr(s)能够表示电网电压暂降故障的阻抗距离，式(3)中的Bm(s)和Cm

(s)可以通过下式对其进行计算得到，表达式为：

式中，Zpm(s)、Zqm(s)代表电网电压暂降故障节点阻抗阵的元素值，用电网线路的步长d对故障距离进行假设，d（d=0，d，2d，…，1），计算电网监测点的电压分量比值，表达式如下：

其中，Er(1)0表示电网中虚拟故障节点r发生故障之前的电压，Em(1)0表示电网故障监测点的电压，Rf表示电网电压暂降的故障电阻，根据式(6)的计算，能够得到电网电压暂降故障监测点的误差变化，通过对电网故障监测点电压分量比值的计算，与实际得到的电压值gm进行比较，表达式为：

式(7)中，Eg代表电网故障电压的误差，w代表权重系数，能够根据电网的情况进行调整，M'代表电网故障监测点数，当电网电压暂降故障监测点的位置不同时，可以利用权重系数对其进行判断，当电网规模变大时，其结果会受到影响，可以将式(7)改写：

电网中的每条线路都会存在电压误差，根据上述计算，得到电网电压暂降故障节点的距离分布函数，函数表达式如下：

1.3 无线传感网的电网电压暂降故障节点定位优化

在对电网故障类型分析和对电网电压暂降故障节点距离分布函数计算的基础上，对电网电压暂降的故障区域进行选取，计算出电网电压暂降故障节点电压实部、虚部的数据，计算其距离的差异度，根据电网线路的传感器节点完成对电网电压暂降故障节点的定位优化。

电网中的任意区域为a'-b'，假设电网中的电阻不连续，则电网电压暂降的数据不在电网范围内，假设Ur、Ui分别表示电网电压暂降故障相电压的实部、虚部两部分，对应的故障电阻分别为Rf'(x)和Rf'(x+1)，x=1，2，3，...，n'，n'为电网电压暂降故障节点的个数，对电网电压暂降的故障区域进行选取，表达式为：

电网电压暂降的故障三相节点总距离为：

电网故障为三相时的故障节点差异度表达式如下：

电网电压暂降故障为两相时的差异度为：

其中，i'、j'分别表示电网电压暂降故障i'相和j'相，当电网电压暂降故障相一相时，差异度为0。确定电网电压暂降故障节点后完成定位，表达式如下：

电网中线路的传感器节点集合为：

式中，NA、NB、NC代表定位电网故障的三个传感器节点，根据电网线路的传感器节点对电网电压暂降故障暂降节点的定位进行优化，表达式为：

利用式(19)完成对电网电压暂降故障节点定位优化。

2 实验设计与结果分析

实验设计有6个不同的电网电压暂降故障位置，分别为X1、X2、X3、X4、X5，X6，故障初始角为20℃，利用无线传感网的电网电压暂降故障节点定位优化方法对故障节点的定位结果进行测试，实验对比如表1所示。

表1 电网电压暂降故障及节点定位结果对比

分析表1可知，无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法中，故障初始角度不变，故障位置在X1和X2时的故障定位误差为51m，当电网电压暂降的故障位置在X3时，对应的故障定位误差为52m，故障位置在X4、X5和X6时，定位误差分别为53m、54m和55m，BP神经网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法中，电网故障的初始角度同样不变，故障位置在X1和X2时的故障定位误差分别为120m和125m，当电网电压暂降的故障位置在X3时，对应的故障定位误差为123m，故障位置在X4、X5和X6时，定位误差分别为128m、126m和132m，无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法的故障节点定位误差值在51m～55m之间，BP神经网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法的故障节点定位误差值在120m～132m，对比可知，无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法的故障节点定位误差较小，说明电网电压暂降故障节点定位的准确性好。

在对电网电压暂降故障节点定位准确性测试的基础上，利用可以调节电网情况的权重系数，对电网电压暂降故障节点的定位速度进行测试，设其单位为μ，权重系数在[1.5，2.5]区间的故障节点定位速度最快，实验对比如图2、图3所示。

图2 无线传感网络定位方法的故障定位速度

分析图2、图3可知，无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位方法中，故障位置在X2时的权重系数处于最低点为1.5，故障位置在X3时的权重系数处于最高点为2.5，电网电压暂降5个不同的故障位置，对应的权重系数在1.5～2.5之间，分布式馈线自动化的电网电压暂降故障节点定位方法中，不同的电网故障位置，权重系数不同，当故障位置在X3时的权重系数处于最低点为0.5，整体权重系数在0.5～2.0之间，对比可知，无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位方法的权重系数在[1.5，2.5]区间，说明无线传感网络故障节点定位方法的定位速度较快，能够快速的对电网中的故障节点进行定位。

图3 分布式馈线自动化定位方法的故障定位速度

3 结语

通过分析电网电压暂降故障节点定位优化方法的缺点，提出一种基于无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法。并得出实验结果证明无线传感网络的电网电压暂降故障节点定位优化方法可以准确的对电网的故障节点进行定位，定位速度较快，确保电网的稳定运行，电网电压暂降故障节点定位的研究工作至关重要，希望能够在未来能够实际运用。