張圣埼 張赟寧 陳堂賢

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北宜昌 443002；2.國(guó)網(wǎng)武漢供電公司,武漢 430000；3.三峽大學(xué)智慧能源技術(shù)湖北省工程研究中心,湖北 宜昌 443002)

隨著配電自動(dòng)化建設(shè)普及率不斷提升,配電自動(dòng)化終端數(shù)量、種類以及饋線自動(dòng)化策略(FA)也在不斷完善與更新.除饋線終端FTU 外,站所終端DTU作為實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)自動(dòng)化功能的主要終端設(shè)備正被廣泛地建設(shè)與應(yīng)用.充分考慮電網(wǎng)面臨的信息安全風(fēng)險(xiǎn)壓力,將過去使用的可能存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)的無線公網(wǎng)GPRS終端通信模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w通信勢(shì)在必行.終端采集的數(shù)據(jù)將直接進(jìn)入調(diào)度自動(dòng)化主站生產(chǎn)大區(qū),不僅減少了信息安全面臨的種種困難,更確保了終端通訊的可靠性.隨之改變的饋線自動(dòng)化策略也逐步由原始的重合器式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榭煽康募惺交蛑悄芊植际絒1].大面積光纖接入帶來的通信網(wǎng)外破及老舊導(dǎo)致的終端掉線問題也越來越突出,這將直接影響調(diào)度自動(dòng)化主站饋線自動(dòng)化策略的準(zhǔn)確性.外加頻發(fā)的配電網(wǎng)故障,實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位成為了進(jìn)一步提升配電網(wǎng)供電可靠性的必然要求[2].

為了進(jìn)一步提升故障定位的準(zhǔn)確性,提出一種更為簡(jiǎn)化的矩陣通用算法,它能夠幫助更快地找到故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置.文獻(xiàn)[3]提出考慮多電源電路電流實(shí)際流向形成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣,利用FTU 監(jiān)控故障電流方向形成判斷矩陣,最終在根據(jù)判據(jù)得到故障區(qū)間的基礎(chǔ)上提出一種十字鏈表的方法,將以往判據(jù)改為利用十字鏈表進(jìn)行判斷,該過程較為復(fù)雜.文獻(xiàn)[4-8]分別對(duì)矩陣算法中網(wǎng)絡(luò)描述矩陣的定義、故障信息矩陣定義及判據(jù)、含DG 電源的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在演算流程上得到進(jìn)一步明確與簡(jiǎn)化,但未分析FTU 終端掉線時(shí)該算法研判的準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)[9]提出對(duì)矩陣算法進(jìn)行改進(jìn),能夠得出故障區(qū)間,但未對(duì)FTU 終端掉線情況進(jìn)行分析.文獻(xiàn)[10]通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),對(duì)FTU終端上報(bào)信息不完備的情況進(jìn)行了分析,利用矩陣算法論證了FTU 終端掉線將導(dǎo)致研判的故障區(qū)域增加,但未對(duì)站所終端DTU 及其實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行系統(tǒng)性分析,不具有普遍性.文獻(xiàn)[11]提出新的較為簡(jiǎn)化的矩陣算法,但其網(wǎng)絡(luò)描述矩陣定義為所有可能發(fā)生短路故障區(qū)段和開關(guān)電流方向的關(guān)系,其故障信息向量?jī)H針對(duì)開關(guān)流過電流方向進(jìn)行定義,在邏輯上不存在通用性.

針對(duì)上述矩陣算法存在的問題,結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展實(shí)際情況,提出一種適用于饋線終端FTU 及站所終端DTU 的改進(jìn)矩陣通用算法,通過對(duì)多電源網(wǎng)絡(luò)中終端點(diǎn)位及線路分段情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),確定故障區(qū)間,同時(shí)根據(jù)終端掉線的實(shí)際情況,分析該算法在終端掉線上存在的不足.

1 多故障點(diǎn)定位的改進(jìn)算法原理

配電網(wǎng)大多數(shù)故障為短路故障,現(xiàn)有配電自動(dòng)化終端能夠測(cè)量流經(jīng)終端故障電流的大小及方向[12].線路每一區(qū)段都能對(duì)應(yīng)線路兩個(gè)開關(guān),將區(qū)段編號(hào)與開關(guān)編號(hào)結(jié)合生成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D,再通過流經(jīng)開關(guān)的故障電流方向與參考正方向進(jìn)行比較,確定告警狀態(tài)矩陣,根據(jù)其乘積結(jié)果直接可找到故障區(qū)間.

1.1 多電源下的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣

圖1為雙電源環(huán)網(wǎng)柜拉手單環(huán)配電線路,環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)均內(nèi)置站所終端DTU 實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化策略.

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際建設(shè)要求,環(huán)網(wǎng)柜出線均采用就地速斷、過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障隔離功能.就地保護(hù)跳閘信號(hào)可傳達(dá)至主站,所以僅對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線串入主環(huán)中不投保護(hù)的負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行算法驗(yàn)證.按圖1將開關(guān)分為1～10不同序號(hào),開關(guān)將線路分為如圖L1,L2,…L9共9段.假定i為開關(guān)節(jié)點(diǎn)編號(hào),j為區(qū)段編號(hào),定義如下：

圖1 單環(huán)雙電源配電網(wǎng)絡(luò)

該方法與文獻(xiàn)[2-7]的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)描述矩陣對(duì)參量的描述上.文獻(xiàn)[2-7]中,i為開關(guān)節(jié)點(diǎn)編號(hào),與本文一致,而j為另一開關(guān)節(jié)點(diǎn),dij描述的是i開關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于j開關(guān)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系,而非本文描述的開關(guān)節(jié)點(diǎn)與故障區(qū)段間的關(guān)系.

根據(jù)以上條件,可以得到該配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣為9×10維矩陣：

從式(2)可以看出,該網(wǎng)絡(luò)描述矩陣每列反映出在某一區(qū)段與其連接開關(guān)編號(hào)的關(guān)系；每行反映的是某一開關(guān)與相連區(qū)段之間的關(guān)系.

1.2 告警狀態(tài)向量

當(dāng)配電網(wǎng)不同位置發(fā)生短路故障時(shí),短路電流方向可以經(jīng)配電自動(dòng)化終端傳送至調(diào)度主站.規(guī)定如圖1所示.從A 變電站至B變電站為電源參考正方向,假定線路在L6處發(fā)生一處短路故障,配電自動(dòng)化終端僅需要向主站報(bào)送流經(jīng)其故障電流方向的告警信息即可.設(shè)定流經(jīng)開關(guān)的故障電流與電源參考正方向一致,告警狀態(tài)記為1；流經(jīng)開關(guān)的故障電流與電源參考正方向相反時(shí)記為-1,其他情況記為2.其他情況主要針對(duì)支路沒有故障電流情況.表示如下：

當(dāng)配電網(wǎng)不同位置發(fā)生短路故障時(shí),短路電流方向可以經(jīng)配電自動(dòng)化終端上送至主站.記短路故障發(fā)生時(shí),流經(jīng)開關(guān)電流的狀態(tài)告警向量為F,針對(duì)圖1所示情況,則有：

在此配電網(wǎng)圖中沒有支路或其他情況,所以告警狀態(tài)矩陣中沒有元素2.

1.3 故障定位判據(jù)

對(duì)于多電源配電網(wǎng)某一區(qū)域發(fā)生一處短路故障,在確定唯一電源參考正方向后,流經(jīng)故障區(qū)段前后兩個(gè)開關(guān)的故障電流方向相反,由此可推斷這兩個(gè)開關(guān)的故障電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的告警狀態(tài)和值應(yīng)為0.

定義故障判斷向量P為網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D與告警狀態(tài)向量F的乘積,記為：

根據(jù)故障定位的判據(jù)可以知道,故障定位向量中0值對(duì)應(yīng)的編號(hào)即為故障區(qū)段編號(hào).

2 不同情況下的算例分析

2.1 單環(huán)網(wǎng)線路

根據(jù)上述算法原理,假定L6 處發(fā)生一短路故障,可以得出故障定位向量P為：

從式(6)可以明顯看出故障判斷向量第6個(gè)元素為0,其余元素均不為0,根據(jù)故障定位判據(jù)判斷,故障發(fā)生在第6區(qū)段,與假設(shè)一致.

2.2 含分支的多聯(lián)絡(luò)線路

根據(jù)以上算法原理可以得到該配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)描述矩陣為：

圖2 含分支多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)

當(dāng)線路L3處發(fā)生短路故障時(shí),該配電網(wǎng)告警狀態(tài)向量為：

當(dāng)線路L3處發(fā)生短路故障時(shí),支路2號(hào)及6號(hào)開關(guān)均沒有短路電流流過,故按照其他情況標(biāo)記為2.則該配電網(wǎng)故障定位向量為：

根據(jù)故障定位判據(jù)判斷故障區(qū)間為L(zhǎng)3,與假設(shè)一致.

2.3 終端掉線

目前,在國(guó)內(nèi)配電自動(dòng)化建設(shè)中,對(duì)于城市電網(wǎng)純電纜線路而言,除了高壓開關(guān)站外,一般采用2進(jìn)4出(進(jìn)線負(fù)荷開關(guān)出線斷路器)的一二次融合戶外環(huán)網(wǎng)箱作為主環(huán)連接設(shè)備,其終端稱為站所終端DTU.不同于饋線終端FTU,DTU 是將環(huán)網(wǎng)柜6個(gè)間隔的通信信號(hào)集成在一個(gè)終端上,而FTU 則是僅僅對(duì)應(yīng)1臺(tái)柱上斷路器信號(hào).所以在考慮站所終端DTU 掉線導(dǎo)致信號(hào)報(bào)送缺失的問題上,應(yīng)該分為兩類.一類是某個(gè)間隔二次回路故障或斷線導(dǎo)致的單個(gè)間隔信息報(bào)送缺失；另一類是站所終端DTU 本身通信線路故障或斷線導(dǎo)致的所有間隔報(bào)送信號(hào)的缺失.

2.3.1 某一間隔二次回路故障斷線

在圖1單環(huán)雙電源配電網(wǎng)絡(luò)中,假設(shè)左側(cè)第一臺(tái)環(huán)網(wǎng)對(duì)應(yīng)1號(hào)開關(guān)至站所終端DTU 二次回路線異常導(dǎo)致該開關(guān)故障電流信號(hào)無法報(bào)送至調(diào)度主站時(shí),在網(wǎng)絡(luò)描述矩陣中將該開關(guān)連接的區(qū)段置0,并將該區(qū)段連接至下一開關(guān)值置1,則其網(wǎng)絡(luò)描述矩陣變?yōu)椋?/p>

告警狀態(tài)向量定義為區(qū)段故障時(shí)流經(jīng)開關(guān)故障電流方向情況,因1號(hào)開關(guān)終端無法報(bào)送故障電流,根據(jù)告警狀態(tài)表示說明,將此開關(guān)告警狀態(tài)表示為“*”,則該狀況下的開關(guān)告警狀態(tài)向量為：

根據(jù)故障定位判據(jù)可以得到其故障定位向量為：

從式(12)可以看出故障定位向量中第5、第6元素均為0,其余元素均不為0,根據(jù)判據(jù)可以得到故障區(qū)間位于第5、第6兩個(gè)區(qū)段之間,假設(shè)區(qū)間位于其中.

相對(duì)于饋線終端FTU 而言,站所終端DTU 在某一間隔二次回路發(fā)生故障或短路時(shí)的情況與FTU通信掉線的情況匹配.

2.3.2 終端通信斷線

對(duì)于站所終端DTU 因通信網(wǎng)斷線導(dǎo)致的DTU所有間隔的故障電流信號(hào)無法報(bào)送至主站的情況,以圖1為例.假設(shè)從左往右第3個(gè)環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)發(fā)生斷線無法向主站報(bào)送短路電流信號(hào).按照上述處理方法得到其網(wǎng)絡(luò)描述矩陣為：

其告警狀態(tài)矩陣為：

根據(jù)故障定位判據(jù)可以得到其故障定位向量：

從式(15)可以看出,第5、6、7元素均為0,其余元素均不為0,根據(jù)判據(jù)可以得到故障區(qū)間位于第5、6、7區(qū)段之間,假設(shè)故障區(qū)間位于其中.假設(shè)從左往右第2個(gè)環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致終端無法向主站報(bào)送故障電流信息時(shí),其網(wǎng)絡(luò)描述矩陣、告警狀態(tài)矩陣及故障定位向量分別為：

從式(18)可以看出,僅第6元素為0,其余元素不為0,故障區(qū)間位于第6區(qū)段,與原假設(shè)一致.

3 結(jié) 語

針對(duì)多電源的配電網(wǎng)故障定位問題,提出了一種優(yōu)化矩陣算法,減少了判據(jù),根據(jù)結(jié)果能直觀地看出故障區(qū)段,且本算法對(duì)于多電源多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)線路依然適用.利用優(yōu)化算法進(jìn)一步對(duì)配電自動(dòng)化終端掉線影響故障區(qū)間研判問題加以推論發(fā)現(xiàn),對(duì)于饋線終端FTU 及站所終端DTU 某一間隔二次回路斷線導(dǎo)致的通信異常掉線情況,雖然研判故障區(qū)間擴(kuò)大,但能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位；對(duì)于站所終端DTU 通信網(wǎng)斷線導(dǎo)致所有間隔通信異常無法向調(diào)度主站報(bào)送故障電流信息的情況分兩種：一是對(duì)于故障點(diǎn)發(fā)生在環(huán)網(wǎng)內(nèi)部或故障點(diǎn)相鄰環(huán)網(wǎng)終端發(fā)生通信異常時(shí),故障研判區(qū)間將擴(kuò)大,但能實(shí)現(xiàn)故障定位；二是對(duì)于故障點(diǎn)相鄰環(huán)網(wǎng)終端通信發(fā)生故障異常時(shí),能夠準(zhǔn)確定位故障區(qū)間.經(jīng)過以上算例驗(yàn)證分析,該算法滿足故障區(qū)間的定位功能.