張柳，許傲然，王雪杰

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

1 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)電能發(fā)、變、送、配中的最后一個環(huán)節(jié)，是連接輸電系統(tǒng)和電力用戶的橋梁，配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到用戶的利益。因此配電網(wǎng)發(fā)生故障時定位的快速性和準(zhǔn)確性，不僅對配電網(wǎng)供電修復(fù)和供電可靠性有著重要意義，對保證整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都有十分重要的作用。目前，國內(nèi)外關(guān)于配電網(wǎng)故障的定位技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，但是隨著世界能源局勢和環(huán)境問題的緊張，分布式電源(Distributed Generation)作為一項新能源開發(fā)的典范逐步得到了廣泛應(yīng)用，分布式電源與常規(guī)電力系統(tǒng)并網(wǎng)的趨勢越來越明顯。而分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)由單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成了多電源供電的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這使得傳統(tǒng)的故障定位方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對故障定位技術(shù)的要求，必須尋求新的故障定位思路和方案。本文此基礎(chǔ)上，意圖利用功能強大的電力系統(tǒng)仿真軟件Digsilent模擬含分布式電源配電網(wǎng)各類故障情況，研究出一種適用于含分布式電源的配電網(wǎng)隨時變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特點的故障定位技術(shù)。

2 傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位技術(shù)的研究方法

傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位的方法主要有直接算法和間接算法。直接算法是根據(jù)配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，以圖論知識結(jié)合故障過流或失壓分析為基礎(chǔ)實現(xiàn)故障定位，主要包括矩陣算法和過熱弧搜尋法等。矩陣算法又分為兩類:基于網(wǎng)基結(jié)構(gòu)的矩陣算法和基于網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)故障定位矩陣算法。其中應(yīng)用比較廣泛的是基于網(wǎng)基結(jié)構(gòu)的矩陣算法，它的基本原理是采用無向圖的方式描述網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，當(dāng)饋線發(fā)生故障時，根據(jù)各FTU監(jiān)測到的故障信息組成故障信息矩陣，然后將網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣和故障信息矩陣相乘再規(guī)格化處理得到故障判斷矩陣，根據(jù)故障判斷矩陣就可以判斷和隔離故障區(qū)段。這種算法實現(xiàn)了單電源樹形配網(wǎng)或環(huán)形配網(wǎng)開環(huán)運行的故障定位問題;過熱弧搜尋法是利用圖論知識，它將配電網(wǎng)的線路看作弧，開關(guān)看作頂點，將饋線供出的負荷看作弧的負荷，將開關(guān)流過的電流看作頂點的負荷，定義歸一化負荷為弧負荷與額定負荷之比再乘以100，很顯然故障區(qū)段的歸一化負荷遠遠大于100，因此這些弧稱為過熱弧，故障區(qū)段的需找問題就轉(zhuǎn)化為了過熱弧搜尋問題。

間接算法是利用人工智能技術(shù)來實現(xiàn)故障定位，常用的人工智能技術(shù)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊理論等。另外還有基于貝葉斯公式的配電網(wǎng)故障定位方法和基于粗糙集理論與遺傳算法相結(jié)合的配電網(wǎng)故障定位算法等。

3 Digsilent電力系統(tǒng)仿真軟件

分布式電源容量都比較小，建設(shè)比較分散，設(shè)施通常位于負荷附近，在配電網(wǎng)的末端或者中間接入系統(tǒng)。隨著分布式電源的接入，配電網(wǎng)由原來的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)逐步轉(zhuǎn)變成含有中小型電源的多電源網(wǎng)絡(luò)，潮流的方向隨機變化，同時由于接入電網(wǎng)的分布式電源通常都是太陽能、風(fēng)能等發(fā)電量不穩(wěn)定的新能源，因此這使得傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)不再使用于含分布式電源配電網(wǎng)，也使得以往所使用MATLAB、PSCAD等電力系統(tǒng)仿真軟件也不能很好的模擬含分布式電源配電網(wǎng)的真實運行情況，因此為了研究出符合含分布式電源配電網(wǎng)實際運行情況的故障定位技術(shù)，本文選擇了Digsilent電力系統(tǒng)仿真軟件，該軟件仿真功能強大，它不僅包含其他仿真軟件都具有的AC/DC潮流計算、故障分析、動態(tài)仿真等功能，還具有豐富且實用的電力元件，包括多類型的輸電線路、雙/三繞組變壓器、同/異步電機、負荷和保護裝置等，更重要的是它還有具有包含風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等各類新能源發(fā)電模型，同時它還允許用戶在單一的數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建詳盡的符合用戶實際需求的電力系統(tǒng)元件模型。這使得它尤其適合用于對具有動態(tài)運行特征的含分布式電源配電網(wǎng)的進行仿真分析，因此，本文選擇使用Digsilent仿真軟件做為含分布式電源配電網(wǎng)故障定位算法研究的分析工具。

圖1 Digsilent軟件的工作界面

4 基于傳統(tǒng)矩陣算法故障定位技術(shù)的改進

圖2 含分布式電源配電網(wǎng)簡化圖

改進的矩陣算法為確定故障區(qū)段，第一步與傳統(tǒng)算一樣，首選是要形成一個實時的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息描述矩陣，即網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。以圖1為例，首先要將饋線上的斷路器、分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)進行編號，將有N個開關(guān)作為節(jié)點，則根據(jù)各節(jié)點的有向連接關(guān)系形成一個N維方陣，假如若節(jié)點i和節(jié)點j之間存在一條饋線且該饋線的正方向是由節(jié)點i指向節(jié)點j，則對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣中的元素dij=1，否則dji=0，形成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D:

網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D確定后，再根據(jù)故障時FTU上報故障信息確定故障信息矩陣G，方法是，先給饋線確定一個正方向，即假設(shè)配電網(wǎng)僅由一個電源供電(該電源可任選)，饋線的正方向是由該電源向全網(wǎng)供電的功率方向，假如節(jié)點i的流過了超過整定值的故障電流，同時其方向與網(wǎng)絡(luò)正方向相同，那么故障信息矩陣的第i行第i列的元素就置0，不能同時滿足上述兩個條件的節(jié)點i，故障信息矩陣的第i行第i列元素就置l，其余元素均為0。假設(shè)選定正方向如圖1箭頭所示，故障點是K1、K2，則可得到故障信息矩陣 G:G=［1，1，1，－1，1］。

利用故障信息矩陣G對網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D進行修正后，修正的方法是利用G對D的對角元素進行如下修改:

最終得到故障判斷矩陣P:

得到故障判斷矩陣P后，使用以下方法對故障判斷矩陣P進行分析:(1)故障判斷矩陣P中有對角元素滿足 Pii=1，同時第 i行中當(dāng) j≠i有 Pij≠0，有 Pjj≠1，則表明第i節(jié)點到第j節(jié)點之間有故障發(fā)生;(2)故障判斷矩陣P中有對角元素滿足Pjj=－1，同時第j列中當(dāng)i≠j有Pij≠0，且有Pii=0，則表明第j節(jié)點至線路末端有故障發(fā)生;(3)若判斷矩陣P在滿足對角元素滿足 Pjj= －1，同時第 j列中當(dāng) i≠j時，有 Pij≠0，且，當(dāng)m ≠i且 m ≠j時還滿足 Pim≠0，Pmm≠ 1，(其中，j，m∈J，J為配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點集合)則表明第j節(jié)點至第m節(jié)點之間的線路末有故障發(fā)生。

根據(jù)上述判斷規(guī)則，分析圖2，配電網(wǎng)絡(luò)的故障判斷矩陣 P 有:P33=1，同時有 P34≠0，有 P44≠1，可知在節(jié)點3之節(jié)點4之間的線路有故障發(fā)生，故障定位結(jié)果與實際情況相符。

5 Digsilent實際算例仿真

本文用digsilent仿真軟件搭建了一個簡單的含分布式電源配電系統(tǒng)。首先畫出該含分布式電源配電系統(tǒng)的簡化網(wǎng)絡(luò)圖，并規(guī)定了正方向，如圖4所示。

圖3 Digsilent軟件模擬含分布式電源配電網(wǎng)的短路計算圖

其次建立該含分布式電源配電系統(tǒng)的8行8列網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D為:

網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D確定后，實際網(wǎng)絡(luò)要根據(jù)發(fā)生故障后FTU上報故障信息確定故障信息矩陣G，本文選擇用digsilent電力系統(tǒng)仿真軟件模擬該含分布式電源配電系統(tǒng)的運行，隨意設(shè)置幾處故障后進行短路計算，根據(jù)仿真軟件顯示的潮流數(shù)據(jù)，確定該配電系統(tǒng)的故障信息矩陣 G:G=［1，1，0，0，－1，1，1，1］。根據(jù)定義規(guī)則，利用改進的故障定位矩陣算法得到新的故障判斷矩陣P為:

圖4 含分布式電源配電網(wǎng)的簡化線路結(jié)構(gòu)圖

圖5 含分布式電源配電網(wǎng)的故障示意圖

觀察故障判斷矩陣P，可知節(jié)點2滿足P22=1，P23≠0，且有 P33≠1;P26≠0，且有 P66≠1;P28≠0，且有P88≠1;節(jié)點5 滿足P55= －1，P45≠0，且有P44=0。因此判斷本次模擬的故障有兩處，分別在節(jié)點2、3、6、8之間和節(jié)點4之間，如圖5所示的K1和K2點。已知圖3所示，Digsilent仿真軟件模擬的故障發(fā)生在母線2和母線3。而母線2和母線3正是在節(jié)點2、3、6、8之間和節(jié)點4之間，由此可見，本文改進算法故障定位技術(shù)故障定位準(zhǔn)確。

6 展望

分布式能源發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用之后，配電網(wǎng)的運行特性發(fā)生了很大的改變，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障技術(shù)很顯然已不再適用，研究出一種適合于含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)的已經(jīng)也愈加迫切。本文在總結(jié)傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用能有效模擬分析實際含分布式電源配電網(wǎng)運行情況的digsilent軟件，研究出的這種故障定位新算法，原理簡單、速度快、容錯性好，并且能同時滿足含分布式電源配電網(wǎng)的單故障和復(fù)故障的定位要求，有較強的推廣實用價值。

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