海底观测网供电系统故障定位方法技术方案

一种海底观测网供电系统故障定位方法，通过构建含海水节点的节点导纳矩阵，计算并分析不同故障场景下的泄漏电流向量，根据越阈值泄露电流特性，构建相邻越阈值泄露电流方向相似度向量以识别存在异常数据的节点；然后对异常数据进行基于空间相关性的数据插补，通过分析越阈值泄露电流与量测数据的关系精确定位故障位置，本发明专利技术通过分析过阈值泄漏电流的特征，采用基于相邻泄漏电流方向相似度向量的异常数据检测，准确识别异常节点，通过基于空间相关性的数据插补精确修正异常数据，并根据越阈值泄露电流和插补数据的关系确定故障位置。阈值泄露电流和插补数据的关系确定故障位置。阈值泄露电流和插补数据的关系确定故障位置。

【技术实现步骤摘要】
海底观测网供电系统故障定位方法


[0001]本专利技术涉及的是一种海底电网控制领域的技术，具体是一种海底观测网供电系统故障定位方法。

技术介绍

[0002]海底观测网供电系统中发生的短路故障维修费用昂贵、维修周期长，快速、准确地定位故障是保证海底观测网络可靠、经济运行的关键。且由于海底接驳盒所收集到的数据质量较差，导致海底电网中的电气故障更难定位和修复。首先，海洋环境和生物、自然灾害和人类活动会对电气传感器造成威胁，导致出现损坏数据。其次，海底光电复合缆通常由电缆和通信光纤封装而成。电气故障可能会损坏光纤，使得通讯网络发生连锁故障，导致出现大规模的缺失数据。此外，主干节点为提高可靠性和经济性，简化其内部结构包括量测模块和通信模块，但也导致岸基站无法获取主干节点的电流数据。因此，在量测数据有限且含异常数据的海底观测网供电系统中实现故障的准确定位是亟待解决的关键。
[0003]现有配电网故障定位技术有通过在配电网馈线(包括主干线和各支路)各开关、负荷节点处设置多个智能体，通过判断各相泄露电流大小，对配电网不同运行方式下不同类型区段同回线路发生相间短路故障风险进行预警及准确定位。但由于现有技术没有考虑海底观测过程中涉及的异常数据的影响、海底观测网供电系统的主干节点没有配备通信模块，因此通常无法获取主干电缆的电流数据等特殊情况，导致目前海底故障检测领域尚处于空白。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种海底观测网供电系统故障定位方法，通过分析过阈值泄漏电流的特征，采用基于相邻泄漏电流方向相似度向量的异常数据检测，准确识别异常节点，通过基于空间相关性的数据插补精确修正异常数据，并根据越阈值泄露电流和插补数据的关系确定故障位置。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提出一种海底观测网供电系统故障定位方法，通过构建含海水节点的节点导纳矩阵，计算并分析不同故障场景下的泄漏电流向量，根据越阈值泄露电流特性，构建相邻越阈值泄露电流方向相似度向量以识别存在异常数据的节点；然后对异常数据进行基于空间相关性的数据插补，通过分析越阈值泄露电流与量测数据的关系精确定位故障位置。
[0007]优选地，本专利技术通过在PSCAD中建立系统模型，在不同故障场景下进行案例仿真以验证上述方法的有效性。
[0008]所述的泄露电流向量是指：根据基尔霍夫电流定律，流入流出节点的电流总和应恒等于零。由于故障所产生的短路电流会导致其两侧节点出现泄露电流，计算每个节点的泄露电流大小并由向量的形式记录，即泄露电流向量。
[0009]所述的越阈值泄露电流是指：理论上只有故障线路两侧的节点会因短路电流而产
生泄露电流，其余节点的泄露电流应都为零。但实际工程应用中，由于受到设备的量测误差影响，所有节点的泄露电流都不等于零，所以需要设置相应的阈值来确定泄露电流在理论上是否为零。受到故障或异常数据影响的节点其产生的泄露电流都是超过阈值的，并非在量测误差的范围之内，即越阈值泄露电流。
[0010]所述的相邻越阈值泄露电流方向相似度向量是指：根据异常节点会导致其相邻节点产生相同方向越阈值泄露电流的特征，通过分析某一节点的相邻节点数量和泄露电流方向，所定义的用于检测异常节点的一个指标。
[0011]本专利技术涉及一种实现上述方法的系统，包括：泄露电流向量计算单元、异常数据检测单元、异常数据修正单元以及故障定位单元，其中：泄露电流向量计算单元根据系统参数、各节点量测电压、各岸基站输出电流、电极等效阻抗的信息，构建含海水节点的节点导纳矩阵、电压向量、电流向量，并将增加海水节点的节点导纳矩阵与电压向量相乘，最后加上电流向量，得到包含每个节点泄露电流大小的泄露电流向量；异常数据检测单元根据节点导纳矩阵和泄露电流向量，可以获取节点关联矩阵、相邻节点总数向量和泄露电流方向向量的信息，将节点关联矩阵与泄露电流方向向量相乘，并加上相邻节点总数向量，得到相邻越阈值泄露电流方向相似度向量，根据该向量中等于0的元素可以确定对应节点存在异常数据；异常数据修正单元根据系统参数、电压向量的信息，基于节点之间的电气关系，利用相邻节点的健康电压数据来对异常数据进行插补，将插补数据替换相应异常数据以更新电压向量，并重新计算泄露电流向量以对其进行更新；故障定位单元根据系统参数、更新后泄露电流向量、更新后电压向量的信息，通过分析更新后泄露电流向量中越阈值泄露电流与系统参数和量测电压的关系，推导计算出故障定位距离和故障过渡电阻大小。技术效果
[0012]本专利技术在考虑海水回路并增加海水节点后，故障定位误差整体减少1％。对于存在的多个异常数据节点均可实现100％精度的识别以及有效修正异常数据，修正后故障定位误差平均减少63.9％。且与现有数据插补方法比较，相比于拉格朗日插值法故障定位精度提高52.6％％，相比于牛顿插值法故障定位精度提高36.9％，相比于KNN法故障定位精度提高16.83％。
附图说明
[0013]图1为典型的海底负极直流系统示意图；
[0014]图2为不同场景下某段主干电缆部示意图；
[0015]图中：(a)为正常运行，(b)为开路故障，(c)为短路故障；
[0016]图3为部分负极直流系统的简化图示意图；
[0017]图4为基于泄露电流向量的故障定位方法流程图示意图；
[0018]图5为实施例应用系统模型示意图；
[0019]图6为无异常数据时短路故障泄露电流向量分布示意图；
[0020]图7为无异常数据时开路故障泄露电流向量的分布示意图；
[0021]图8为插补前后的数据比较示意图；
[0022]图9为存在异常数据时插补前后泄漏电流向量分布示意图；
[0023]图10为不同故障电阻下数据插补前后的故障定位精度对比示意图；
[0024]图11为存在丢失数据时插补前后泄漏电流向量分布示意图；
[0025]图12为不同故障电阻下数据插补前后的故障定位精度对比示意图；
[0026]图13为存在异常数据和丢失数据时插补前后泄漏电流向量分布示意图；
[0027]图14为不同故障电阻下数据插补前后的故障定位精度对比示意图；
[0028]图15为实施例效果示意图。
具体实施方式
[0029]如图1所示，在海底负极直流网络中，采用电极和海水形成回路实现供电。大多数海底观测网络的故障定位文献都忽略海水回路，这实际上对定位精度有影响。海水是一种均匀、良好的导电介质，在浩瀚的大海中近似为等势体。因此，海水可以作为海底观测网络的辅助节点。
[0030]附加海水节点后，所有支路电流可以通过分支单元节点和海水节点的电压数据以及等效电阻计算得到。不再需要测量支路电流。因此，电压误差是唯一需要考虑的因素。每个分支单元节点通过海水节点与岸基站形成供电回路。
[0031]理论情况下在系统正常运行时I
leak
＝0。由于测量误差的影响，实际上泄露电流向量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底观测网供电系统故障定位方法，其特征在于，通过构建含海水节点的节点导纳矩阵，计算并分析不同故障场景下的泄漏电流向量，根据越阈值泄露电流特性，构建相邻越阈值泄露电流方向相似度向量以识别存在异常数据的节点；然后对异常数据进行基于空间相关性的数据插补，通过分析越阈值泄露电流与量测数据的关系精确定位故障位置；所述的相邻越阈值泄露电流方向相似度向量是指：根据异常节点会导致其相邻节点产生相同方向越阈值泄露电流的特征，通过分析某一节点的相邻节点数量和泄露电流方向，所定义的用于检测异常节点的一个指标。2.根据权利要求1所述的海底观测网供电系统故障定位方法，其特征是，具体包括：步骤1、计算泄露电流向量，具体包括：1.1)根据系统参数分别获得节点导纳矩阵、电压向量和电流向量；基于基尔霍夫电流定律可得泄露电流向量具体为：其中：I
leak
是每个节点的泄露电流所组成的向量，Y是节点导纳矩阵；I
leak,n
是节点n的泄露电流；U
n
是节点n的电压；I
SS
是岸基站的电流，I
SN
是海水节点的电流；1.2)将节点j和节点k作为研究对象，不考虑异常数据时得到不同场景的泄露电流向量特征；步骤2、异常数据检测，即通过检查相邻节点的泄露电流方向相似度识别异常节点，具体包括：2.1)根据节点导纳矩阵和泄露电流向量，可得泄露电流方向向量T
lcd
和相邻节点总数向量N
an
，计算相邻泄露电流方向相似性其中：S
alcd
为相邻泄露电流方向相似度；S
alcd,1
用于识别正偏差的异常数据,S
alcd,2
用于识别负偏差的异常数据；M
ni
是节点关联矩阵，其中元素T
lcd
是每个节点的泄露电流方向，其中的元素其中：M
ni,jk
代表矩阵M
ni
中第j行、第k列所对应元素；T
lcd,n
代表向量T
lcd
中第n行所对应元素；2.2)当矩阵S
alcd
中存在等于0的元素，则该元素对应节点的所有相邻节点越阈值泄露电流方向相同，即该对应节点为潜在的异常节点；将识别出的异常节点从节点导纳矩阵中、电压电流向量中移除，并重新计算泄露电流向量和S
alcd
以识别更多潜在的异常节点；2.3)当无法识别出更多异常节点时，泄露电流向量仍然与表1中正常运行特征不匹配，则此时存在两个偏差相同的相邻异常节点；通过遍历T
lcd
中所有元素相同的相邻节点，并将找到的相邻节点合为一个节点，更新节点导纳矩阵重新计算S
alcd
识别剩余的异常节点；步骤3、异常数据插补，即利用相邻节点的健康数据对异常数据进行修正，具体包括：
3.1)当异常节点x不与任何其他伪故障节点相邻，则需暂停节点x向接驳盒供电，利用插补方程对异常数据进行修正，具体为：其中：U
re
为伪故障节点的插补电压，R
xi
为节点x和节点i之间的电阻；3.2)当步骤3.1)实现数据插补后，异常节点仍存在越阈值泄露电流，则该异常节点与故障点相邻，则利用单个相邻节点数据的插补方程进行修正，具体为：其中：节点x是异常节点，节点z是相邻健康节点之一；3.3)当存在两个相邻异常节点(节点x，节点y)，则通过方程组插补进行修正，具体为：其中：U
re,x
是节点x的插补数据；3.4)当步骤3.3)实现数据插补后，异常节点仍存在越阈值泄露电流，则故障点与其中一个异常节点相邻，因此进一步提出修正方程组其中：节点z是节点y的健康相邻节点之一，U
z
是节点z的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文焘，余墨多，胡思哲，邰能灵，王杰，祝彦兵，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：