基于智能配變終端的配電網單相接地故障檢測技術

尚忠玉 楊旭昕 李兵 李璧辰 李睿

（1.四川中電啟明星信息技術有限公司 四川省成都市 610041 2.國網信息通信產業集團有限公司 北京市 100052）

在智能配電網的應用中，智能配電網位于電力系統終端，與大多數客戶進行直接交流。因此，其運行情況的好壞相對于整個供電系統起到決定性影響。供電質量與客戶的用戶體驗有直接聯系，為了更好的確保供電質量，對于停電事件以及停電故障原因進行分析，得知在現有的停電事件中，有90%由配電網故障所引起。這就意味著我國在配電網建設工作中，與西方發達國家相比依然具有一定的差異。為此，需要采用合理且精準的特性，就智能配電終端的配電網單相接地系統進行研究，并得出合理、有效的改進意見。提升配電自動化覆蓋率，縮短停電時間，以提升配電網的可靠性以及精準程度。

1 智能配變終端

隨著我國科技技術的不斷發展，針對于配電技術，其與信息通信技術進行結合。在改進過程中，其由原有的網絡系統建立而來。因此，其作為智能能源集成網系統，必須在使用中借助自身的技術手段，確保其能夠滿足電力的供應以及未來發展需求。目前，智能配電終端通過物聯網技術，可以控制配電網絡中的各項環節，并運用先進的管理理念以及解決方案，確保整個電力運行能夠符合發展要求。根據全新的互聯網技術，打造具有邊緣計算功能的智能配電終端。在配電網使用中，其可靠性以及受重視程度得到相關部門的重點關注。因此，我國對于此項領域投入大量的技術人員，就整個開發機制而言，通過機電保護算法以及相關設備，確保數字信號處理技術能夠引入配電網，實現供電故障檢測。確保配電網工程檢測技術能夠基于現有的發展模式，實現全面融合，就發展中出現的問題進行歸納總結。

目前，配電網故障檢測技術基于人工神經網絡算法，并就模糊推理算法、多元統計分析方法等對整個配電系統進行故障檢測，完成信號提取與其特征。通過配電網運行狀態監測以及故障分析，提升其主動化水準，并應用至整個配電系統中。本文在研究過程中，將以智能配變終端為研究平臺，分析智能配變終端的相關故障問題建立檢測模型。以APP形式進行分析、應用，以確保配電網狀態能夠有效運行，提升其精細化管理以及主動化服務水準。

2 智能配電臺的結構分析

2.1 末端感知終端

其包含末端感知終端，末端感知終端根據整個電表箱完成數據采集并就停電事件進行上報，根據整個進線數據，使用開口式電流互感器，對電流進行采樣，并就表向電量計算以及重復事件進行判斷。對于單戶表箱，整個末端，可以感知用戶停電狀態并進行監測。而對于多用戶表箱，需要使用配套的電源感知模塊，將220V電壓接引至用戶表后開啟后端，通過感應磁場變化，判斷用戶停電狀態。且對于設備投入等，可以實現用戶停電事件分級上報，就末端感知終端與智能配電終端而言，其通訊可以采用寬帶電力載波以及微功率無線波。利用終端設備所連接電力線，實現通訊以及數據傳輸，無需額外布線。并就整個低壓集抄窄帶寬波通信進行優化。微波無線通訊通過射頻電波傳輸，因此其不受電網噪聲以及相關的外部條件影響。但在傳輸過程中，其很容易受墻壁、天氣因素等影響。因此，通過HPLC與RF結合的雙通信方法，可以充分的發揮末端感知終端優勢以及特性，并提供合理有效的解決措施，以實現數據的可靠傳輸。

2.2 分支線路監測終端

對分支線路監測終端進行分析，分支線路監測終端可以對整個分支箱的主回路、分支回路等進行采集處理，實現儲存上傳。就分支箱進出線側的互感器，進行電壓、電流等用電信息處理，并通過寬帶電力載波、微波無線方式等實現終端通訊。配電終端、內置雙通信模塊以及超級電容等，可以通過微功率進出線停電事件進行主動上報。

2.3 智能配電終端

分析整個智能配電終端，可以得知其智能配電終端接合在分支箱側的分支線，并根據分支線路安裝在表箱的末端感知終端。因此，可以有效的對配電臺區內部的電路進行實時監測，針對于特定區域內部的低壓線路、停電表箱事件等問題進行記錄分析，并根據臺區拓撲結構以及感知終端上傳故障信息。運用其計算能力，充分的對故障區段進行定位，并主動的將相應的停電事件進行實時上報。根據全新的處理方案，分析智能配電終端的諧波分析、抗阻計算、無功調節分析等功能，提升整個電力傳輸的精準性以及可靠性。

3 NMF相關算法介紹

3.1 NMF算法

分析NMF算法的特性，基于整個NMF算法，根據NMF算法的優勢以及特性實現部分特征的非負線性結構組合數據。確保整個分析結果能夠實現精細化處理，使計算結果能夠滿足實際使用需求。且NMF定義可以將其整體描述為指定向量，“X”，實現采樣。并將采樣次數標記為n1、n2等。結合整個數據給出的矩陣單位“X”進行計算，其公式如下所示：

根據公式可以得知“W”為基矩陣，而“H”則為系數矩陣。通過整個NFM算法，確?？梢詫仃囍械摹癤”值進行全面分解。并選擇非線性的優化過程，根據相關目標函數，描述其結果以及X值之間的接近程度。以特定的距離測定方法，如歐幾里得距離測定方法作為目標函數，其數學公式如以下所示：

在對NMF算法進行全面研究中，根據單獨“W”或“H”為變量時的目標函數，因此基于整個NMF算法在求解時，其可以得到局部的最優解決方案。

3.2 投影非矩陣分解算法

分析整個投影非矩陣分解算法，在后續改進中，與NMF算法的基準目標函數為切入點，增加整個約束項，以提升NMF算法的特性。解決問題，并就問題提出自身的改進思路，以得出合理化的建議以及指導措施。確保其NMF算法由原有的位置變量完成改善，并降低算法的求解難度。在演算過程中，其公式如以下所示：

根據公式分解，可以得知與NMF基本算法的迭代規則相比，公式中“W”為整個未知變量，降低PNMF算法的求解難度。其還可以降低整個系統理解的不確定性以及初始迭代時對所迭代結果的影響。

4 GPNMF算法

4.1 GPNMF算法

就整個GPNMF算法進行分析，其基于NMF算法基礎上提升的全新思路。GPNMF研究在某種程度上，可以提高NMF算法的精準性，但其在改進過程中依然存在一定的問題。例如，在迭代規則下，其不能保證GPNMF的精準性，并有可能會在計算過程中出現震蕩。此外，基于整個電力工業中的各種采集器，分析采集到的數據，其并非滿足非負性要求。因此，為了確保NMF類算法在電力工業中能夠得到全新應用，本文將就分解矩陣“X”非負要求，分析GPNMF算法的改進程度，并就整個改進算法提供全新的解決思路。在整個計算公式中，其可被改寫為：

其中，“±”可以用來表示矩陣中“X”的正數以及負數、GPNMF算法的目標函數。其可以基于歐幾里得距離平方進行構造，為了避免與GPNMF算法出現同樣缺陷，GPN算法可以利用Lagrange法來解決公式中出現的問題，并進行集中優化。例如，可以采用假設矩陣“X”滿足非負條件，并引用拉格朗日乘子“Y”以及“A”，隨后將公式中的目標函數改寫為相關形式。根據整個推導過程，其用到的輔助函數可以結合輔助函數，給出合理定義。分析公式后，可以得知迭代規則與PNMF算法的迭代規則在形式以及結構具有一定的相似之處。但整個公式的分值以及函數分布更為簡單，且在公式分析中，得出PNMF算法的迭代規則。為了避免出現常規的缺陷問題，可在現有基礎上提出另一種迭代規則，如公式所示：

因此，通過該公式，可以將HXTXij=HXTXHTHij的值設定為“1”，并推導至整個的迭代規則，滿足矩陣“X”非附屬條件下進行的方程式，并定義“X+”以及“X”的元素是否為絕對值。

4.2 GPNMF算法的收斂特性

根據整個GPNMF算法的收斂特性，即可運用輔助函數以及相關性質，并結合相關章節，對于輔助函數的定義進行了全新介紹。根據公式：

對于公式中的函數定義以及性質，通過以下公式：

將“X±=X+-X-”代入公式，忽略常數項，整理后便可以得出：

根據以上公式，分析方程式的計算方式，可以得知整個公式中的“A”大于等于“0”時，其公式“a2+b2>=2ab”可行，且成立。

5 仿真計算

根據整個仿真計算結果，可以確保在配電網故障總數中分析出現故障的幾率。基于GPNF算法故障檢測模型，可以構建模擬仿真系統。該系統包含三相電源、主變壓器、輸電線路、配電變壓器等，其中三相電源可以產生110kV在線交流電。在該模型中，選擇主變壓器的測次級三相電壓，以測量整個電流電路的傳輸效率。且該仿真過程還有處理公式以及處理函數，采樣時間為50s，每1s分析整個故障發生原理。在仿真過程中，共得2000個數據樣本，其數據正常樣本1600個，運行故障樣本4000個。截取0～0.25s間的5000個樣本構成點進行截取，完成測試系統的更新。單相的故障測試從D1101采樣點發生，因此將整個GPMF算法故障進行故障檢測，可以確保故障檢測狀態精準、合理。

6 結束語

綜上所述，基于智能配電終端的配電網單相接地故障檢測技術進行研究，可以得出合理的解決措施。目前，我國國家電網大力推進配電網物網建設，積極推動智能配電終端完成大規模部署。