唐金鳳　陳志峰

摘要：分布式電源接入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)的單一輻射式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)的故障定位方法不再適用。文章在分析了常用故障定位方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)常用故障指示器無(wú)法定位含分布式電源的配電線路故障區(qū)域提出了一種基于配電網(wǎng)自動(dòng)化故障指示器的故障定位新方案。該方案原理簡(jiǎn)單、判斷快速、準(zhǔn)確可靠，并且在已有的配電網(wǎng)上易于實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：DG；配網(wǎng)故障定位；故障指示器；頻率解列；重合閘；分布式電源 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM77 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0026-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.012

分布式電源（Distributed Generation，DG）是指利用可再生能源發(fā)電的新型獨(dú)立小電源，其發(fā)電容量?。ㄒ话阈∮?0MVA）、分散方式布置在用戶附近、供電靈活、與環(huán)境兼容，因此DG作為一種新能源得到了廣泛應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)外解決能源和環(huán)境問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。但是，DG的大量接入配電網(wǎng)改變了配電網(wǎng)原來(lái)單一電源、輻射型的結(jié)構(gòu)，并使得系統(tǒng)的潮流重新分布，尤其當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流的大小和流向都會(huì)發(fā)生很大變化，這給配電網(wǎng)的繼電保護(hù)帶來(lái)了很大影響，難以用原有的方法進(jìn)行故障定位，嚴(yán)重影響了配網(wǎng)的供電可靠性。

韶關(guān)電網(wǎng)水資源豐富，大量變電站都有小水電上網(wǎng)，約1500個(gè)小水電站通過(guò)10kV線路上網(wǎng)。韶關(guān)電網(wǎng)的部分配網(wǎng)線路已安裝了故障指示器，當(dāng)有短路電流流過(guò)時(shí)故障指示器就能翻牌動(dòng)作，通過(guò)檢查故障指示器的動(dòng)作情況來(lái)判斷故障區(qū)間；而對(duì)于接入小水電等分布電源的線路，發(fā)生故障時(shí)因?yàn)槭锥?、末端均有電源提供短路電流，所有故障指示器都?dòng)作，無(wú)法判斷故障區(qū)間。因此，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題本文提出一種基于配網(wǎng)自動(dòng)化故障指示器的故障定位新方案，能夠解決分布式電源對(duì)配網(wǎng)線路故障定位的影響，達(dá)到快速、準(zhǔn)確地判斷故障地點(diǎn)，從而達(dá)到提高供電可靠性和保障用戶安全的供電目的。

1 常見(jiàn)的故障定位方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜、分布廣泛且負(fù)荷變化大、故障頻率高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，用戶平均停電時(shí)間（扣除缺電因素）有90%是由配電網(wǎng)故障引起的，因此為了保證配網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)故障線路進(jìn)行定位和隔離。目前，配網(wǎng)的故障定位方法主要分為測(cè)距類(lèi)和定位類(lèi)。

1.1 測(cè)距類(lèi)方法

測(cè)距類(lèi)的故障定位方法主要有阻抗法、行波法、S信號(hào)注入法。阻抗法是指利用故障回路等值阻抗來(lái)故障定位，該方法簡(jiǎn)單，但結(jié)果容易受線路阻抗參數(shù)、電源參數(shù)和故障時(shí)的負(fù)荷電流影響，且當(dāng)配電線路分支較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，該方法不能排除偽故障點(diǎn)。而DG的接入使得配電線路更加復(fù)雜，且會(huì)對(duì)故障點(diǎn)產(chǎn)生注入電流，從而使故障定位更加困難。行波法測(cè)距是通過(guò)采集故障時(shí)的暫態(tài)行波，利用行波在故障點(diǎn)和線路之間往返一趟或者到達(dá)線路兩端的時(shí)間差來(lái)估算故障距離。而DG的接入會(huì)使得雙端行波法不再適應(yīng)，也會(huì)影響單端行波法的反射波形的采集，因此需要更深入地研究來(lái)解決問(wèn)題。S信號(hào)注入法是指通過(guò)母線PT和接地線向接地相注入基波頻率為工頻n～n+1次諧波之間的信號(hào)電流，再利用專(zhuān)用的信號(hào)電流探測(cè)器來(lái)查找故障線路和故障點(diǎn)。該方法不僅能進(jìn)行故障測(cè)距，還能解決小電流接地故障選線問(wèn)題，但是當(dāng)故障為高阻故障時(shí)，會(huì)受PT容量的限制和非故障線路的分布電容的影響，如果接地點(diǎn)還存在間歇性電弧時(shí)，注入信號(hào)也會(huì)受到破壞。

1.2 定位類(lèi)方法

定位類(lèi)方法通常是指將短路電流幅值與正常運(yùn)行時(shí)電流的特征進(jìn)行分析和比較得到過(guò)電流信息，再進(jìn)一步獲取系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的故障特征，從而區(qū)分出故障區(qū)段。定位類(lèi)方法主要有兩種：一種是矩陣算法；另一種是人工智能算法。

矩陣算法是利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚭凸收闲畔⒕仃嚨玫焦收吓袛嗑仃?，通過(guò)矩陣運(yùn)算和元素篩選得到故障區(qū)段定位信息。此算法目前在國(guó)內(nèi)外均有較多的研究，并且針對(duì)DG接入配網(wǎng)改變了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究也有不少。矩陣算法必須進(jìn)行復(fù)雜的矩陣相乘、異或運(yùn)算，還要?dú)w一化處理防止誤判，使得計(jì)算量較大，處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜時(shí)處理更加繁瑣，并且對(duì)DG的接入處理也存在局限性。

人工智能算法的故障定位方法主要有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法及GA等方面進(jìn)行研究?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法雖然具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但是需要較為完備的樣本庫(kù)，并且其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的歸一化處理都依賴經(jīng)驗(yàn)，目前該方法還處于實(shí)驗(yàn)階段。蟻群算法是一種能求解多目標(biāo)組合優(yōu)化問(wèn)題的通用啟發(fā)式算法，但蟻群算法容易陷入局部搜索，忽略全局的最優(yōu)解，并且由于蟻群的個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向比較隨機(jī)，這就需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)搜索出一條較好的路徑。GA算法對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)和計(jì)算，得到個(gè)體適應(yīng)度值，再利用遺傳算法的選擇算賬、交叉算子和變異算子來(lái)進(jìn)行全局最優(yōu)化求解，從而實(shí)現(xiàn)故障定位，其缺點(diǎn)是在實(shí)際中，由于配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而GA也受評(píng)價(jià)函數(shù)的限制，容易導(dǎo)致早熟而陷入局部最優(yōu)。

1.3 故障指示器

以上介紹的方法有的不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)太復(fù)雜的配網(wǎng)，有的算法過(guò)于復(fù)雜，有的存在現(xiàn)在無(wú)法克服的困難，需要更深一步的研究。就目前的配網(wǎng)狀況來(lái)說(shuō)，急需一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法來(lái)解決配網(wǎng)的故障定位問(wèn)題。韶關(guān)電網(wǎng)的部分配電網(wǎng)現(xiàn)在采用故障指示器來(lái)進(jìn)行故障定位，故障指示器是由故障傳感器和讀數(shù)儀表用電纜或光纜連接構(gòu)成的簡(jiǎn)單裝置，當(dāng)故障傳感器檢測(cè)到故障電流的存在時(shí)，就會(huì)發(fā)報(bào)警信號(hào)，使得讀數(shù)儀表上的LED燈亮來(lái)指示故障。配電線路每隔一段距離安裝一個(gè)故障指示器，當(dāng)單側(cè)電源的線路上發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)至電源之間的故障指示器均能翻牌動(dòng)作，通過(guò)檢查故障指示器的動(dòng)作情況來(lái)正確判斷故障區(qū)間。該方法簡(jiǎn)單有效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠快速鎖定故障區(qū)域，從而隔離故障，恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

2 DG并網(wǎng)對(duì)故障定位的影響

但是，目前配網(wǎng)安裝的故障指示器只適合于單電源供電線路，當(dāng)DG接入配網(wǎng)以后，使得配網(wǎng)變成了雙端電源供電，改變了系統(tǒng)的潮流，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG也會(huì)同時(shí)向故障點(diǎn)提供故障電流，從而導(dǎo)致故障指示器無(wú)法判斷故障區(qū)域。

下文詳細(xì)分析討論DG并網(wǎng)對(duì)故障指示器的故障定位的影響。

如圖1所示是不含DG的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，配電線路每隔一段距離都安裝有故障指示器，當(dāng)f處發(fā)生短路故障指示器時(shí)，故障指示器1和2均有短路電流流過(guò)，因此故障指示器1和2均會(huì)翻牌動(dòng)作，而故障指示器3和4因沒(méi)有故障電流不會(huì)動(dòng)作，從而可判斷故障點(diǎn)發(fā)生在故障指示器一個(gè)動(dòng)作和一個(gè)不動(dòng)作的2和3之間的線路上。

圖1 不含DG的簡(jiǎn)單配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

而當(dāng)DG接入配網(wǎng)后（如圖2所示），當(dāng)f處發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG都向f處提供短路電流，不僅故障指示器1和2會(huì)動(dòng)作翻牌，當(dāng)DG容量足夠大時(shí)，故障指示器3和4也會(huì)動(dòng)作翻牌，導(dǎo)致無(wú)法確定故障區(qū)域。

圖2 DG接入的簡(jiǎn)單配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

3 含DG的故障定位新方案

針對(duì)傳統(tǒng)的故障指示器不能適應(yīng)于含DG的配電網(wǎng)的故障定位問(wèn)題，本文提出故障定位新方案。該方案立足于韶關(guān)電網(wǎng)的富含小水電的配網(wǎng)自動(dòng)化方式優(yōu)化科技項(xiàng)目，在配網(wǎng)線路故障時(shí)通過(guò)及時(shí)解列小水電和線路側(cè)投入檢無(wú)壓重合閘，通過(guò)故障指示器對(duì)重合于故障時(shí)的反應(yīng)來(lái)對(duì)配網(wǎng)線路進(jìn)行正確定位。該方案中需要依托韶關(guān)電網(wǎng)科技項(xiàng)目中的兩個(gè)技術(shù)研究做支撐：一個(gè)是新型頻率解列裝置的研制；另一個(gè)是新型的小型線路電壓互感器的開(kāi)發(fā)。

3.1 新型解列裝置的投入

傳統(tǒng)的解列裝置只采用單一的電壓判據(jù)，系統(tǒng)在系統(tǒng)電壓波動(dòng)或特殊運(yùn)行方式下，電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常值，過(guò)電壓保護(hù)將會(huì)誤動(dòng)。如果大幅提高過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作值，在系統(tǒng)發(fā)生孤網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，其保護(hù)又可能因靈敏度不足而拒動(dòng)，因此水電廠對(duì)過(guò)電壓保護(hù)安裝、投入不積極。而新型頻率解列裝置采用電壓結(jié)合頻率的判據(jù)，將取代目前水電機(jī)組的過(guò)電壓保護(hù)，當(dāng)線路跳閘后，小水電側(cè)必將出現(xiàn)高頻或低頻的工況，此時(shí)迅速將水電廠進(jìn)線開(kāi)關(guān)切開(kāi)，而正常運(yùn)行時(shí)，即使出現(xiàn)電壓偏高的現(xiàn)象，由于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，不會(huì)誤切小水電。新型頻率解列裝置既保障了機(jī)組安全，又滿足了系統(tǒng)需要，且避免了系統(tǒng)電壓波動(dòng)造成的誤動(dòng)作，水電廠將樂(lè)于接受。

3.2 檢無(wú)壓重合閘的投入

常規(guī)的電壓互感器體積大，不能裝進(jìn)開(kāi)關(guān)柜，因此目前的10kV配電線路都沒(méi)有裝設(shè)電壓互感器，使得重合閘模式只能選擇既不檢線路無(wú)壓，又不檢同期的普通重合閘，而這種重合閘并不適合沒(méi)有裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)而并網(wǎng)的小水電線路，從而導(dǎo)致韶關(guān)電網(wǎng)中有小水電的線路均不投入重合閘。而研發(fā)的新型小線路電壓互感器體積小，能夠裝入10kV開(kāi)關(guān)柜，測(cè)量配網(wǎng)線路電壓二次值，用于重合閘裝置獲得可靠且穩(wěn)定的無(wú)壓檢定判據(jù)，避免了非同期合閘的發(fā)生，使韶關(guān)電網(wǎng)小水電上網(wǎng)線路投入檢無(wú)壓重合閘成為可能。此外，它采用的是電阻分壓原理，不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，二次短路時(shí)互感器不會(huì)燒毀，并且功耗極低、體積小、精度高和安全性高。

3.3 故障定位的方式

在以上兩個(gè)技術(shù)研究的支撐下，基于配網(wǎng)自動(dòng)化的故障指示器適用于含DG的配網(wǎng)故障定位的方案為：當(dāng)含小水電的配網(wǎng)線路的短路（暫不考慮接地）故障時(shí)，變電站及小水電都向故障點(diǎn)提供短路電流，全線的故障指示器都動(dòng)作翻牌，無(wú)法進(jìn)行故障定位。該線全部小水電通過(guò)新型頻率解列裝置解列后，變電站側(cè)檢無(wú)壓重合閘動(dòng)作，若重合于永久性故障，變電站至故障點(diǎn)之間的故障指示器再次動(dòng)作，此時(shí)因小水電已解列，故障點(diǎn)至小水電之間的故障指示器不再動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)正確定位。為配合此方案實(shí)施，需對(duì)常規(guī)故障指示器進(jìn)行改進(jìn)，增加快速?gòu)?fù)歸功能，使其具備兩次動(dòng)作功能，并將每次動(dòng)作信息及時(shí)發(fā)送至主站，以便進(jìn)行故障區(qū)域的識(shí)別。

其改進(jìn)的主要判斷邏輯動(dòng)作說(shuō)明如下：（1）線路正常通電（負(fù)荷電流大于10A）超過(guò)30s，開(kāi)始故障邏輯檢測(cè)；（2）檢測(cè)到線路瞬時(shí)跳變電流大于100A或者跳變峰值電流大于500A，且持續(xù)時(shí)間大于25ms，小于2.5s，后線路停電（線路負(fù)荷為0），判斷為線路發(fā)生短路故障。變電站和小水電兩側(cè)的故障指示器動(dòng)作翻牌，同時(shí)通過(guò)通訊機(jī)上傳主站對(duì)應(yīng)線路一次短路故障，并且故障指示器在3s內(nèi)快速?gòu)?fù)歸；（3）發(fā)生一次故障后，小水電快速解列，而變電站側(cè)投入一次重合閘，若重合于永久性故障，則在第一次短路故障發(fā)生后1～30s內(nèi)，會(huì)再發(fā)生短路故障，判斷條件如（2）則判斷為二次故障，變電站側(cè)故障指示器再次動(dòng)作翻牌，同時(shí)通訊機(jī)上傳主站對(duì)應(yīng)線路二次短路故障。

圖3 故障指示器的邏輯波形圖

以上圖2為例，首先，當(dāng)f點(diǎn)處發(fā)生永久性故障時(shí)，因系統(tǒng)S和小水電DG1、DG2都向故障點(diǎn)提供短路電流，故障指示器1、2、3、4均動(dòng)作翻牌，無(wú)法進(jìn)行故障定位；然后，此線路的斷路器跳閘，小水電處的新型頻率解列裝置檢查到高頻高壓判據(jù)而動(dòng)作解列小水電DG1、DG2，系統(tǒng)S處的檢無(wú)壓重合閘動(dòng)作重合于故障，系統(tǒng)S至故障點(diǎn)f之間的故障指示器1、2再次動(dòng)作翻牌，而故障指示器3、4不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)正確定位。

因此，該方案利用小水電的新型解列技術(shù)和新型小電壓互感器實(shí)現(xiàn)線路的第二次故障跳閘和故障指示器第二次翻牌的動(dòng)作信息來(lái)進(jìn)行故障定位，準(zhǔn)確可靠，能夠大大縮小故障查線區(qū)域，提高查線效率，快速恢復(fù)用戶供電。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)含有分布式電源的配網(wǎng)線路難以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行故障定位的問(wèn)題，本文提出的基于配網(wǎng)自動(dòng)化故障指示器的故障定位新方案，依托韶關(guān)電網(wǎng)富含小水電的配網(wǎng)自動(dòng)化方式優(yōu)化研究科技項(xiàng)目中的兩個(gè)重要技術(shù)研究，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)變電站和小水電兩側(cè)斷路器都跳閘，故障指示器均動(dòng)作并快速?gòu)?fù)歸，再利用科研項(xiàng)目中新研制的能夠裝設(shè)于10kV開(kāi)關(guān)柜中的小型線路電壓互感器檢無(wú)壓使變電站投入一次重合閘，而小水電通過(guò)科研項(xiàng)目中的新型頻率解列裝置解列不投入，故障指示器將在識(shí)別第二次故障時(shí)進(jìn)行定位，達(dá)到快速、準(zhǔn)確地判斷故障區(qū)域，大大減小故障查線范圍，保證供電的可靠性。

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基金項(xiàng)目：廣東電網(wǎng)2014年科技項(xiàng)目《富含小水電線路配網(wǎng)自動(dòng)化方式優(yōu)化研究》，項(xiàng)目編號(hào)K-GD2014-1055。

作者簡(jiǎn)介：唐金鳳（1989-），女，湖南益陽(yáng)人，廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局主網(wǎng)調(diào)度班員，助理工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行；陳志峰（1974-），男，廣東韶關(guān)人，廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局副主任，工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）