本發(fā)明涉及配電網(wǎng)接地故障定位方法，特別的為一種基于分區(qū)修正的邊緣計(jì)算單元配置優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、新型電力系統(tǒng)背景下的主動(dòng)智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，新型配網(wǎng)中新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等不同功能的電力電子設(shè)備大量接入，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及故障信號(hào)等都呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同的新特性，配電網(wǎng)已不再只是單向電能的提供者，而是正在向更加高級(jí)的新型配網(wǎng)角色轉(zhuǎn)變。新型配網(wǎng)中電氣信號(hào)呈現(xiàn)出諸多新特性，加劇了新型配網(wǎng)故障特征檢測(cè)、定位、隔離和恢復(fù)控制的難度。

2、配電網(wǎng)系統(tǒng)架設(shè)范圍廣、線路類型復(fù)雜，是電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，目前配電網(wǎng)單相接地故障辨識(shí)定位技術(shù)，在運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變配電網(wǎng)適應(yīng)性差。單相接地故障成因多樣，存在大量瞬時(shí)高阻、間歇電弧、弱暫態(tài)信號(hào)、強(qiáng)噪聲背景等類型接地故障，單相接地故障辨識(shí)定位一直是技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生高阻、弧光接地故障時(shí)，面臨零序保護(hù)的死區(qū)，造成多點(diǎn)接地、相間短路、電纜及中性點(diǎn)小電阻絕緣擊穿燒毀等等擴(kuò)展性危害。所以接地故障的有效診斷定位是提高新型配電網(wǎng)供電可靠和安全性的關(guān)鍵。

3、在配電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜的同時(shí)，故障定位的難度也隨之不斷提升。一方面，算法運(yùn)行時(shí)間增加，故障定位速度減緩，達(dá)不到配電網(wǎng)故障定位的實(shí)時(shí)性要求；另一方面，應(yīng)用于配電網(wǎng)故障定位的算法逐漸增多，但有些算法由于自身的局限性，在不同配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、不同故障類型下保護(hù)、定位協(xié)調(diào)配合機(jī)制變換的條件下適應(yīng)性存在諸多問(wèn)題。因此，考慮配電網(wǎng)實(shí)際工況，建立具有自適應(yīng)修正特性的故障隔離機(jī)制，尋找或構(gòu)建最合適的故障定位算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于分區(qū)修正的邊緣計(jì)算單元配置優(yōu)化方法，解決上述背景技術(shù)中的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于分區(qū)修正的邊緣計(jì)算單元配置優(yōu)化方法，

4、包括以下步驟：(1)通過(guò)對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合考慮通信實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性和均衡性因素構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)對(duì)于邊緣節(jié)點(diǎn)的分區(qū)規(guī)劃；(2)根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置分區(qū)數(shù)目，對(duì)于分區(qū)數(shù)目與通信時(shí)延進(jìn)行約束條件的設(shè)定；(3)利用遺傳算法對(duì)分區(qū)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代求解，得到分區(qū)數(shù)以及各分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；在此基礎(chǔ)上，借助降維-聚類算法，并將各分區(qū)的聚類中心選為邊緣節(jié)點(diǎn)，并以ieee33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為模型進(jìn)行分區(qū)邊緣計(jì)算算法的仿真驗(yàn)證；(4)對(duì)于初步分區(qū)進(jìn)行修正；對(duì)聚類得到的分區(qū)結(jié)果作出修正。

5、進(jìn)一步的：

6、所述步驟(1)為：結(jié)合配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)工況，綜合考慮通信實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性和均衡性因素以構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)；

7、上述通信實(shí)時(shí)性是指：在配電網(wǎng)故障區(qū)段定位中，盡量縮短定位時(shí)間可大大提高系統(tǒng)的安全性和供電可靠性，通信實(shí)時(shí)性隨分區(qū)數(shù)的增多而提高，通信時(shí)延t為：

8、t＝ta+tb+tc+td??????????????????(1)

9、式(1)中：ta表示發(fā)送數(shù)據(jù)所需時(shí)間；tb表示在信道中傳播數(shù)據(jù)的時(shí)延；tc表示分組在路由器中的排隊(duì)等待時(shí)延；td為分組處理時(shí)延，其值較小可忽略；

10、

11、

12、式(2)中：pt為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的容量大??；d為數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x即信道長(zhǎng)度；v1為網(wǎng)絡(luò)的通信速度；v2為數(shù)據(jù)在通信介質(zhì)中的傳播速度；r為路由總個(gè)數(shù)；θ為數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)的速率；μ為路由器傳輸速率；在計(jì)算信道長(zhǎng)度d時(shí)，通過(guò)均分處理，各分區(qū)中的通信距離可由下式估算：

13、

14、式(3)中：n為分區(qū)數(shù)；k為通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)即終端數(shù)量；d為分區(qū)內(nèi)終端之間進(jìn)行通信傳輸?shù)钠骄诺篱L(zhǎng)度；di為節(jié)點(diǎn)i的平均通信距離；ηi為節(jié)點(diǎn)i的連接度，即與節(jié)點(diǎn)i連接的線路數(shù)目；di,ε表示與節(jié)點(diǎn)i相連的第ε條通信路徑的長(zhǎng)度。由式(1)—式(3)得到通信時(shí)延的計(jì)算公式，如式(4)所示。

15、

16、進(jìn)一步的：

17、所述步驟(1)中的分區(qū)經(jīng)濟(jì)性為：

18、配電網(wǎng)增設(shè)邊緣設(shè)備后的費(fèi)用e可用公式表示為

19、e＝ec+et+ev??????(5)

20、式中：ec為引入邊緣計(jì)算單元及其配套設(shè)施所需費(fèi)用；et為系統(tǒng)其余配電設(shè)備的投資費(fèi)用；ev為系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；當(dāng)配電網(wǎng)的整體架構(gòu)確定后，et和ev基本保持不變，而ec與邊緣數(shù)成正比，即ec＝ns，其中s為增設(shè)單個(gè)邊緣設(shè)備所需費(fèi)用；e隨分區(qū)數(shù)的增加而增大，e又可表示為

21、e＝ns+et+ev??????(6)

22、進(jìn)一步的：

23、所述步驟(1)中的安全性與均衡性為：

24、附圖1為分區(qū)邊界節(jié)點(diǎn)的保護(hù)示意圖，其中f為故障點(diǎn)，bus為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如附圖1(a)所示，當(dāng)位于分區(qū)邊界的線路l4發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)并不能將故障線路隔離。附圖1(b)為分區(qū)邊界節(jié)點(diǎn)的交叉保護(hù)示意圖，由圖可知，分區(qū)1和分區(qū)2中的邊緣節(jié)點(diǎn)均可獲取節(jié)點(diǎn)bus5的量測(cè)信息，因此線路l4或l5發(fā)生故障時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)定位盲區(qū)，從而提升了配電網(wǎng)的安全可靠性。

25、對(duì)于分區(qū)數(shù)為n的k節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，若要實(shí)現(xiàn)交互保護(hù)，則各分區(qū)中包含的節(jié)點(diǎn)總數(shù)k＝k+(n-1)；

26、對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)時(shí)，各邊緣管轄區(qū)域的均衡性為：如果分區(qū)間的規(guī)模差距較大，則不同邊緣設(shè)備承擔(dān)的計(jì)算任務(wù)就會(huì)失調(diào)，進(jìn)而增加故障定位所需時(shí)間；通過(guò)下式(7)計(jì)算方差δ來(lái)判別分區(qū)是否均衡，其中，wi為邊緣分區(qū)i包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)；w為總節(jié)點(diǎn)劃分到n個(gè)分區(qū)中的平均數(shù)；δ的值越小代表分區(qū)越均衡；

27、

28、明確了影響邊緣分區(qū)的3個(gè)重要因素，分別為t、e、δ；由于三者量綱不同，因此在構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)之前需進(jìn)行歸一化處理，得到數(shù)學(xué)模型如下式(8)所示：

29、

30、式中：xt、xe、xδ為賦給各個(gè)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，可通過(guò)層次分析法求取；tmax、tmin分別為選取不同分區(qū)數(shù)時(shí)通信時(shí)延的最大值和最小值；emax、emin、δmax、δmin同理。

31、進(jìn)一步的：

32、所述步驟(2)為的約束條件為：

33、第一方面：分區(qū)數(shù)約束：

34、對(duì)于含有k個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，其分區(qū)數(shù)的上限可近似取√k，且最小分區(qū)數(shù)通常取2；但考慮到后續(xù)運(yùn)用遺傳算法求解目標(biāo)函數(shù)時(shí)，應(yīng)使種群具有多樣性，因此最大分區(qū)數(shù)設(shè)為1.5√k，分區(qū)數(shù)約束如式(9)所示：

35、

36、第二方面：通信時(shí)延約束：

37、最大時(shí)延tmax不應(yīng)超過(guò)5ms，通信時(shí)延的約束條件如式(10)所示：

38、t≤tmax?????????????(10)

39、進(jìn)一步的：

40、所述步驟(3)中包含：

41、首先，邊緣管轄區(qū)域劃分：按照上述方法，在改進(jìn)后的ieee33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行邊緣分區(qū)，三個(gè)指標(biāo)間的關(guān)系利用1-9比例標(biāo)度直觀表示為：xt/xδ＝3，xe/xδ＝2。求得各指標(biāo)的權(quán)重為xt＝0.5、xe＝0.333、xδ＝0.167；

42、最后，利用遺傳算法對(duì)分區(qū)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代求解，得到分區(qū)數(shù)以及各分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；在此基礎(chǔ)上，即通過(guò)聚類算法進(jìn)入對(duì)邊緣管轄范圍的具體劃分。

43、進(jìn)一步的：

44、所述聚類算法為譜聚類算法，譜聚類算法的關(guān)鍵在于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的laplace矩陣；對(duì)于待分區(qū)的配電網(wǎng)，首先由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到其鄰接矩陣j，j的定義為：若網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)a、b直接相連，則jab＝1，否則jab＝0且jaa＝0；再構(gòu)造一個(gè)對(duì)角線元素為各節(jié)點(diǎn)連接度的對(duì)角矩陣，稱為度矩陣d，laplace矩陣l的定義為：

45、l＝d-j?????????????(11)

46、求解l的特征向量并進(jìn)行譜分析，就能得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在特征向量空間的分布，

47、從而實(shí)現(xiàn)聚類。

48、進(jìn)一步的：

49、所述聚類算法為采用譜聚類與k-means算法將配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)劃分到不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)方法如下：

50、s101：觀察配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到其鄰接矩陣j與度矩陣d，并求得laplace矩陣l；s102：求解l的特征值并對(duì)其進(jìn)行排序。若l有多個(gè)零特征值，則系統(tǒng)中連通分支的個(gè)數(shù)即為零特征值的個(gè)數(shù)，與其相應(yīng)的特征向量可以作為分區(qū)依據(jù)；如果l有且僅有一個(gè)零特征值，則進(jìn)入步驟s103；s103：取l的第一、第二小非零特征值，求出其對(duì)應(yīng)的特征向量，聚類樣本即為第一、第二小非平凡特征向量；s104：得到聚類樣本后，利用k-means算法將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分到相應(yīng)的邊緣分區(qū)，并將各分區(qū)的聚類中心選為邊緣節(jié)點(diǎn)。

51、進(jìn)一步的：

52、所述步驟(3)中的對(duì)于初步分區(qū)進(jìn)行修正為：

53、為實(shí)現(xiàn)交互保護(hù)，對(duì)于具有n個(gè)分區(qū)的k節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，其分區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)之和k＝k+(n-1)，遵循此原則對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解；在劃分邊緣管轄區(qū)域時(shí)，聚類樣本中僅包含k個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此對(duì)聚類得到的分區(qū)結(jié)果作出一定修正；設(shè)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求解出各分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為w1,w2,…wn，而聚類得到的分區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為g1,g2,…gn；在完成對(duì)k節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的聚類后，其結(jié)果應(yīng)依據(jù)w1,w2,…wn進(jìn)行修正，令w＝{w1,w2,…wn}、g＝{g1,g2,…gn}，基于分區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)修正的目標(biāo)函數(shù)如下式(12)所示：

54、

55、決策變量的選取規(guī)則如下式(13)所示：

56、

57、每個(gè)分區(qū)還應(yīng)滿足下式條件：

58、

59、式(14)中：zonei為分區(qū)i的節(jié)點(diǎn)集合；nodecross為邊界交叉節(jié)點(diǎn)。。

60、本發(fā)明有益效果是：

61、本發(fā)明開展新型配網(wǎng)下線路分布式接地故障診斷定位隔離技術(shù)研究，開發(fā)了一種基于分區(qū)修正的邊緣計(jì)算單元配置優(yōu)化方法，發(fā)明研究成果豐富新型配網(wǎng)分布式接地故障診斷定位方法。實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的接地故障定位、更加快速故障隔離恢復(fù)。發(fā)明成果克服分布式電源接入等帶來(lái)的影響，為新型電力系統(tǒng)下配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)提供有力支撐；配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在邊緣側(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段的辨識(shí)進(jìn)而決策切除故障，降低了通信時(shí)延，減輕了主站的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提升了故障處理速度；定位模型被同時(shí)儲(chǔ)存在主站與邊緣節(jié)點(diǎn)，二者互為備用，只有在全部邊緣和主站均遭受攻擊的極端情況下，故障定位才會(huì)完全失效。因此，配電網(wǎng)的供電可靠性與安全性得到了提升。本發(fā)明提供了一種高效、準(zhǔn)確的新型配電網(wǎng)分布式接地故障診斷定位模型，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)ftu運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用邊緣計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型配電網(wǎng)分布式接地故障的早期檢測(cè)和診斷。