《配电网络故障选线与区段定位系统》

近来,国内配电网建设投入不断加大,配网发展取得显著成效,但用电水平相对国际先进水平仍有差距,城乡区域发展不平衡,供电质量有待改善。建设城乡统筹、安全可靠、经济高效的配电网络设施和服务体系一举多得,既能够保障民生、拉动投资,又能够带动制造业水平提升,为适应能源互联、推动“互联网+”发展提供有力支撑,对于稳增长、促改革、调结构、惠民生具有重要意义。根据国家能源局发布的《配电网建设改造行动计划2015-2020》,“十三五”期间,配电网累计投资不低于1.7万亿元。预计到2020年,高中压配网变电容量达到32.5亿千伏安、线路长度达到505万公里。

该项目在国家自然科学基金、多项企业委托课题等的资助下,历经10年攻关,提出了基于现代信号处理及信息熵测度的故障选线与区段定位方法,并开发了相关系统,解决了故障选线与定位理论研究及系统开发的关键技术难题,取得了集理论、技术及装备于一体的系列成果,形成了3个方面的特色:

(1)创新了基于现代信号处理技术的特征提取方法。针对现有故障特征提取过程不具自适应性、基函数固定导致的表征能力不足等问题,系统开展了现代信号处理技术在配网暂态故障信号特征提取中的应用研究,首创原子稀疏分解、S变换、模态分解等获取配网故障零序电流精确特征的方法,构建了小波分析、模态分解、S变换、原子稀疏分解等方法的现代信号处理特征提取体系,准确获取了故障物理信息,为故障选线与区段定位判据构建奠定坚实的基础。

(2)构建了基于信息熵理论的故障选线与定位判据。针对谐振接地配网发生接地故障时,故障电流与负荷电流相差无几,现有固定阈值或网络法判据不能适应多变工况、判定时间长、过分依赖网架结构等问题,该项目将信号处理与物理学中的熵理论相结合,构建了信息熵以准确测度故障后物理特性,系统开展了多尺度信息熵、能谱熵、相关分析测度、可信度测评等的研究,构建出了基于信息熵的配电网故障选线与区段定位判据。

(3)攻克了强噪声背景下弱暂态故障信号检测问题。采用优化双稳态系统分析强噪声背景下高阻故障时的弱暂态故障信号,揭示了短时窗下非周期随机共振增强微弱信号的机理,解决了高阻故障电弧连续、多次、多频分量起振问题,实现了-1dB强噪声背景下暂态信号的准确检测;创新了Duffing振子检测法,解决了多频大参数信号检测难题,构建了变尺度随机共振理论,大幅提升了配网微弱故障信号检测能力。

该成果在将现代信号处理技术与信息熵理论应用于故障选线与区段定位方面取得了较大突破,形成了具有自主知识产权的理论与计算方法、实验测试方法与测试装备,项目整体技术达到国内领先水平。项目研究成果相关技术指标为:1)改变现有故障选线与区段定位单独配置导致的设备冗余性,将故障选线与区段定位合二为一,消除设备冗余性;2)首次建立选线定位结果可信度测评体系,优于现有设备;3)首次将EMD、S变换等暂态信号处理算法成功嵌入到选线定位系统中,在特征提取效果方面全面超越现有设备;4)故障判别时间仅8ms,判别准确率达99.1%,可实现信噪比为-1dB强噪声时的准确判别。

研究成果被中国电工技术学会鉴定为国内领先,所研发的具有自主知识产权的故障选线与区段定位系统已在西安安源矿山设备有限公司等多家单位进行推广,近三年,累计销售810套,新增销售额1.85亿元,新增利润1.02亿元,产生了显著的经济和社会效益,有力促进了配电网保护与控制领域的科技进步。授权与研究成果强相关的发明专利16项,发表与成果强相关论文80篇,SCI检索16篇,其中,电气工程领域顶级期刊IEEE Trans 2篇,EI检索30篇,知网总引用635次。

成果说明

从2015年1月开始,西安安源矿山设备有限公司等单位引入,经过4年多的生产销售及用户实际应用表明:该选线定位系统无需增加额外设备,可利用现有的电流互感器,馈线自动化终端,工控机等实现故障馈线及位置的准确判断;在故障特征信息提取方面,该系统采用现代信号处理技术,可有效获取出各分支馈线的故障特征频带、特征模态,计算量小,物理意义清晰;该选线定位系统运行期间,成功地判断出多次故障发生的具体位置,故障判定准确率高,系统程序可移植性强,运行可靠。以西安安源矿山设备有限公司为例,该公司在引进该选线定位系统后,向陕西煤

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