基于智能配变终端的配电网单相接地故障检测技术

尚忠玉 杨旭昕 李兵 李璧辰 李睿

（1.四川中电启明星信息技术有限公司 四川省成都市 610041 2.国网信息通信产业集团有限公司 北京市 100052）

在智能配电网的应用中，智能配电网位于电力系统终端，与大多数客户进行直接交流。因此，其运行情况的好坏相对于整个供电系统起到决定性影响。供电质量与客户的用户体验有直接联系，为了更好的确保供电质量，对于停电事件以及停电故障原因进行分析，得知在现有的停电事件中，有90%由配电网故障所引起。这就意味着我国在配电网建设工作中，与西方发达国家相比依然具有一定的差异。为此，需要采用合理且精准的特性，就智能配电终端的配电网单相接地系统进行研究，并得出合理、有效的改进意见。提升配电自动化覆盖率，缩短停电时间，以提升配电网的可靠性以及精准程度。

1 智能配变终端

随着我国科技技术的不断发展，针对于配电技术，其与信息通信技术进行结合。在改进过程中，其由原有的网络系统建立而来。因此，其作为智能能源集成网系统，必须在使用中借助自身的技术手段，确保其能够满足电力的供应以及未来发展需求。目前，智能配电终端通过物联网技术，可以控制配电网络中的各项环节，并运用先进的管理理念以及解决方案，确保整个电力运行能够符合发展要求。根据全新的互联网技术，打造具有边缘计算功能的智能配电终端。在配电网使用中，其可靠性以及受重视程度得到相关部门的重点关注。因此，我国对于此项领域投入大量的技术人员，就整个开发机制而言，通过机电保护算法以及相关设备，确保数字信号处理技术能够引入配电网，实现供电故障检测。确保配电网工程检测技术能够基于现有的发展模式，实现全面融合，就发展中出现的问题进行归纳总结。

目前，配电网故障检测技术基于人工神经网络算法，并就模糊推理算法、多元统计分析方法等对整个配电系统进行故障检测，完成信号提取与其特征。通过配电网运行状态监测以及故障分析，提升其主动化水准，并应用至整个配电系统中。本文在研究过程中，将以智能配变终端为研究平台，分析智能配变终端的相关故障问题建立检测模型。以APP形式进行分析、应用，以确保配电网状态能够有效运行，提升其精细化管理以及主动化服务水准。

2 智能配电台的结构分析

2.1 末端感知终端

其包含末端感知终端，末端感知终端根据整个电表箱完成数据采集并就停电事件进行上报，根据整个进线数据，使用开口式电流互感器，对电流进行采样，并就表向电量计算以及重复事件进行判断。对于单户表箱，整个末端，可以感知用户停电状态并进行监测。而对于多用户表箱，需要使用配套的电源感知模块，将220V电压接引至用户表后开启后端，通过感应磁场变化，判断用户停电状态。且对于设备投入等，可以实现用户停电事件分级上报，就末端感知终端与智能配电终端而言，其通讯可以采用宽带电力载波以及微功率无线波。利用终端设备所连接电力线，实现通讯以及数据传输，无需额外布线。并就整个低压集抄窄带宽波通信进行优化。微波无线通讯通过射频电波传输，因此其不受电网噪声以及相关的外部条件影响。但在传输过程中，其很容易受墙壁、天气因素等影响。因此，通过HPLC与RF结合的双通信方法，可以充分的发挥末端感知终端优势以及特性，并提供合理有效的解决措施，以实现数据的可靠传输。

2.2 分支线路监测终端

对分支线路监测终端进行分析，分支线路监测终端可以对整个分支箱的主回路、分支回路等进行采集处理，实现储存上传。就分支箱进出线侧的互感器，进行电压、电流等用电信息处理，并通过宽带电力载波、微波无线方式等实现终端通讯。配电终端、内置双通信模块以及超级电容等，可以通过微功率进出线停电事件进行主动上报。

2.3 智能配电终端

分析整个智能配电终端，可以得知其智能配电终端接合在分支箱侧的分支线，并根据分支线路安装在表箱的末端感知终端。因此，可以有效的对配电台区内部的电路进行实时监测，针对于特定区域内部的低压线路、停电表箱事件等问题进行记录分析，并根据台区拓扑结构以及感知终端上传故障信息。运用其计算能力，充分的对故障区段进行定位，并主动的将相应的停电事件进行实时上报。根据全新的处理方案，分析智能配电终端的谐波分析、抗阻计算、无功调节分析等功能，提升整个电力传输的精准性以及可靠性。

3 NMF相关算法介绍

3.1 NMF算法

分析NMF算法的特性，基于整个NMF算法，根据NMF算法的优势以及特性实现部分特征的非负线性结构组合数据。确保整个分析结果能够实现精细化处理，使计算结果能够满足实际使用需求。且NMF定义可以将其整体描述为指定向量，“X”，实现采样。并将采样次数标记为n1、n2等。结合整个数据给出的矩阵单位“X”进行计算，其公式如下所示：

根据公式可以得知“W”为基矩阵，而“H”则为系数矩阵。通过整个NFM算法，确保可以对矩阵中的“X”值进行全面分解。并选择非线性的优化过程，根据相关目标函数，描述其结果以及X值之间的接近程度。以特定的距离测定方法，如欧几里得距离测定方法作为目标函数，其数学公式如以下所示：

在对NMF算法进行全面研究中，根据单独“W”或“H”为变量时的目标函数，因此基于整个NMF算法在求解时，其可以得到局部的最优解决方案。

3.2 投影非矩阵分解算法

分析整个投影非矩阵分解算法，在后续改进中，与NMF算法的基准目标函数为切入点，增加整个约束项，以提升NMF算法的特性。解决问题，并就问题提出自身的改进思路，以得出合理化的建议以及指导措施。确保其NMF算法由原有的位置变量完成改善，并降低算法的求解难度。在演算过程中，其公式如以下所示：

根据公式分解，可以得知与NMF基本算法的迭代规则相比，公式中“W”为整个未知变量，降低PNMF算法的求解难度。其还可以降低整个系统理解的不确定性以及初始迭代时对所迭代结果的影响。

4 GPNMF算法

4.1 GPNMF算法

就整个GPNMF算法进行分析，其基于NMF算法基础上提升的全新思路。GPNMF研究在某种程度上，可以提高NMF算法的精准性，但其在改进过程中依然存在一定的问题。例如，在迭代规则下，其不能保证GPNMF的精准性，并有可能会在计算过程中出现震荡。此外，基于整个电力工业中的各种采集器，分析采集到的数据，其并非满足非负性要求。因此，为了确保NMF类算法在电力工业中能够得到全新应用，本文将就分解矩阵“X”非负要求，分析GPNMF算法的改进程度，并就整个改进算法提供全新的解决思路。在整个计算公式中，其可被改写为：

其中，“±”可以用来表示矩阵中“X”的正数以及负数、GPNMF算法的目标函数。其可以基于欧几里得距离平方进行构造，为了避免与GPNMF算法出现同样缺陷，GPN算法可以利用Lagrange法来解决公式中出现的问题，并进行集中优化。例如，可以采用假设矩阵“X”满足非负条件，并引用拉格朗日乘子“Y”以及“A”，随后将公式中的目标函数改写为相关形式。根据整个推导过程，其用到的辅助函数可以结合辅助函数，给出合理定义。分析公式后，可以得知迭代规则与PNMF算法的迭代规则在形式以及结构具有一定的相似之处。但整个公式的分值以及函数分布更为简单，且在公式分析中，得出PNMF算法的迭代规则。为了避免出现常规的缺陷问题，可在现有基础上提出另一种迭代规则，如公式所示：

因此，通过该公式，可以将HXTXij=HXTXHTHij的值设定为“1”，并推导至整个的迭代规则，满足矩阵“X”非附属条件下进行的方程式，并定义“X+”以及“X”的元素是否为绝对值。

4.2 GPNMF算法的收敛特性

根据整个GPNMF算法的收敛特性，即可运用辅助函数以及相关性质，并结合相关章节，对于辅助函数的定义进行了全新介绍。根据公式：

对于公式中的函数定义以及性质，通过以下公式：

将“X±=X+-X-”代入公式，忽略常数项，整理后便可以得出：

根据以上公式，分析方程式的计算方式，可以得知整个公式中的“A”大于等于“0”时，其公式“a2+b2>=2ab”可行，且成立。

5 仿真计算

根据整个仿真计算结果，可以确保在配电网故障总数中分析出现故障的几率。基于GPNF算法故障检测模型，可以构建模拟仿真系统。该系统包含三相电源、主变压器、输电线路、配电变压器等，其中三相电源可以产生110kV在线交流电。在该模型中，选择主变压器的测次级三相电压，以测量整个电流电路的传输效率。且该仿真过程还有处理公式以及处理函数，采样时间为50s，每1s分析整个故障发生原理。在仿真过程中，共得2000个数据样本，其数据正常样本1600个，运行故障样本4000个。截取0～0.25s间的5000个样本构成点进行截取，完成测试系统的更新。单相的故障测试从D1101采样点发生，因此将整个GPMF算法故障进行故障检测，可以确保故障检测状态精准、合理。

6 结束语

综上所述，基于智能配电终端的配电网单相接地故障检测技术进行研究，可以得出合理的解决措施。目前，我国国家电网大力推进配电网物网建设，积极推动智能配电终端完成大规模部署。