林榮秋

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000）

1 分布式電源的智能配電網(wǎng)的故障定位方法分析

1.1 概 述

一般情況下，智能配電網(wǎng)分布式電源采取開(kāi)環(huán)運(yùn)行的方式。在整個(gè)配電網(wǎng)中，變電站只是一個(gè)電源點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)）。根據(jù)根節(jié)點(diǎn)類型，可以將其分成父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變電站（屬于根節(jié)點(diǎn)）的父節(jié)點(diǎn)是流入功率節(jié)點(diǎn)，而子節(jié)點(diǎn)是變電站提供功率的節(jié)點(diǎn)?；谶@一原則進(jìn)行配電關(guān)系網(wǎng)的劃分和構(gòu)建，從分段母線中接入分布式電源。若分布式電源發(fā)生短路故障，則故障節(jié)點(diǎn)處的短路電流源于變電站和分布式電源。定位故障點(diǎn)前，需要分析故障點(diǎn)可能存在的位置。一般而言，故障點(diǎn)存在于FTU設(shè)備、FTU設(shè)備之間或者不同設(shè)備之間。本實(shí)驗(yàn)中的FTU設(shè)備主要指上下級(jí)相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的FTU類設(shè)備，而節(jié)點(diǎn)主要是指分布式電源的分支節(jié)點(diǎn)。通常而言，父節(jié)點(diǎn)主要是指上級(jí)節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)主要是指下級(jí)節(jié)點(diǎn)[1]。

1.2 故障定位方法

1.2.1 不同F(xiàn)TU間的故障判斷方法分析

此類方法的正方向是指從變電站到線路末端，變電站側(cè)屬于上游，線路末端屬于下游，也是下游正方向故障的電流流向。研究將這一方向設(shè)為1，反向故障電流流向設(shè)為-1。按照節(jié)點(diǎn)電流定律分析，進(jìn)入母線中的故障電流與從母線中流出的故障電流相等，由此得出其判斷示意圖，如圖1所示。

圖1 不同F(xiàn)TU間的故障判斷示意圖

從圖1可以看出，當(dāng)故障在1號(hào)和2號(hào)FTU之間時(shí)，此時(shí)故障電流I2和IS均為流入節(jié)點(diǎn)，I1和I3均為流出節(jié)點(diǎn)，I4和I5均為流入節(jié)點(diǎn)。因此，I1和IS均為正方向1，I3和I5均為負(fù)方向-1。若在FTU裝置中存在故障點(diǎn)，那么故障點(diǎn)的范圍就在父子節(jié)點(diǎn)之間的電流方是1和-1的FTU裝置間，從而判斷故障在父子節(jié)點(diǎn)間最后的電流方向?yàn)?的FTU裝置與下一個(gè)FTU裝置之間。

1.2.2 不同節(jié)點(diǎn)間的故障判斷方法分析

為了更好地在不同節(jié)點(diǎn)之間確保故障判斷的精準(zhǔn)性，可以按照?qǐng)D2的內(nèi)容進(jìn)行判斷。從圖2可以看出，當(dāng)故障點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)4之間時(shí)，I2、IS、I3屬于流入節(jié)點(diǎn)，I1為流出節(jié)點(diǎn)，得出I1=I2+IS+I3。IS方向?yàn)?，其他為-1。若故障電流流入故障發(fā)生地時(shí)故障點(diǎn)在兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)間，此節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)以及子節(jié)點(diǎn)間的故障電流方向都是-1，進(jìn)而得出故障點(diǎn)在上游最后一個(gè)電流方向?yàn)?的FTU裝置線路的端節(jié)點(diǎn)與兄弟節(jié)點(diǎn)的中間。

圖2 不同節(jié)點(diǎn)間的故障判斷示意圖

1.3 故障定位方法的驗(yàn)證

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)描述矩陣分析

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)不同的FTU裝置分別在上下游。上游的裝置設(shè)為i，下游的裝置設(shè)為j，i＜j。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)描述矩陣中的元素，若兩個(gè)裝置中間存在饋線，得出dij=1，dii=0，dji=0。從圖3可以看出，在分布式電源中，故障點(diǎn)位于F1，其網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D為：

圖3 網(wǎng)絡(luò)描述矩陣

1.3.2 故障信息矩陣分析

故障信息矩陣G中，元素gi的定義如下：若流向FTU裝置i的故障電流方向與假設(shè)正方向相同時(shí)，gi=1；若流向FTU裝置i的故障電流方向與假設(shè)正方向不同時(shí)，gi=-1；若無(wú)故障電流和無(wú)法明確電流方向時(shí)，那么gi=0。因此，從圖3分析來(lái)看，故障信息矩陣G為：

1.3.3 故障判斷矩陣分析

從原理來(lái)看，F(xiàn)TU設(shè)備之間故障的定位，主要是從父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)間最后的一個(gè)電流方向是1的FTU設(shè)備和下個(gè)FTU設(shè)備間進(jìn)行定位。在這樣的條件下，若gi=1，那么dij=1具有唯一性，同時(shí)gj=-1，從而更好地判斷FTU設(shè)備之間的故障。而節(jié)點(diǎn)間故障的定位，主要通過(guò)上游最后一個(gè)電流方向是1的FTU設(shè)備的饋線末端節(jié)點(diǎn)與兄弟節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行定位。在這樣的條件下，若gi=1，而dij=1不具有唯一性，那么所有的gj=-1，從而更好地判斷節(jié)點(diǎn)之間的故障。若這兩種情況至少有一種滿足時(shí)，那么pi=1（pi為故障判斷矩陣的元素）；若一種都不能滿足時(shí)，那么pi=0。此時(shí)，按照?qǐng)D3的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣與故障信息矩陣時(shí)，若gj=1，而dij=1存在不唯一的情況時(shí)，那么d12和d15均等于1，同時(shí)g2和g5均等于-1，最終得到故障判斷矩陣P為：

1.4 故障定位方法分析與注意事項(xiàng)

1.4.1 故障定位思路

在故障定位前，要明確故障定位思路。一般從故障判斷矩陣中找出元素是1的pi，其中i就是對(duì)應(yīng)的FTU設(shè)備序號(hào)。按照上述兩種情況判定故障類型，判定其屬于FTU設(shè)備間的故障還是屬于節(jié)點(diǎn)之間的故障。從圖3可以看出，它屬于節(jié)點(diǎn)之間的故障，那么故障點(diǎn)處于1號(hào)FTU線路尾部，或者是在節(jié)點(diǎn)5與周邊節(jié)點(diǎn)之間[2]。

1.4.2 注意事項(xiàng)

在分布式電源配電網(wǎng)中，儲(chǔ)能裝置是故障定位的主要方法。這種方法實(shí)施中需要綜合考慮的問(wèn)題較多，具有多分支、多故障、末梢故障以及環(huán)網(wǎng)運(yùn)行等特點(diǎn)。因此，發(fā)生故障后需要緊密結(jié)合描述矩陣與故障信息矩陣的確定方法，采用上述方法判斷故障矩陣，再結(jié)合故障判定矩陣確定值為1的元素在整個(gè)拓?fù)鋱D中所處的位置，進(jìn)而快速定位故障點(diǎn)所在位置。

1.4.3 故障定位方法流程

分布式電源智能配電網(wǎng)故障定位時(shí)的定位流程如下。若網(wǎng)絡(luò)描述矩陣和故障信息矩陣已知，生成故障判斷矩陣。按照得到的判定原理與判定條件，可以按照?qǐng)D4的流程定位故障。圖4中，需先判斷dij和gj的值，再對(duì)ki與yi計(jì)數(shù)，判斷是否滿足相關(guān)的條件，然后輸出故障判定矩陣元素pi與ki值。若pi=1，那么表示在第i號(hào)的設(shè)備周邊區(qū)域中存在故障。最后，結(jié)合ki值判斷故障的具體區(qū)域。

圖4 故障定位流程示意圖

2 基于分段開(kāi)關(guān)配置的智能配電網(wǎng)故障隔離方法分析

在對(duì)故障進(jìn)行定位的同時(shí)，還要做好故障隔離。本實(shí)驗(yàn)采用分段開(kāi)關(guān)配置的方式隔離智能配電網(wǎng)的故障。

2.1 優(yōu)化智能配電網(wǎng)的分段開(kāi)關(guān)的配置

智能配電網(wǎng)故障隔離的關(guān)鍵主要在于分段開(kāi)關(guān)的配置。為了優(yōu)化分段開(kāi)關(guān)配置，需要緊密結(jié)合智能配電網(wǎng)的電路特點(diǎn)和出線與線路特點(diǎn)，明確和優(yōu)化分段開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)配置。本文采用電壓時(shí)間型的自動(dòng)分段器，主要是考慮到其能在配電網(wǎng)失壓后能夠進(jìn)行自動(dòng)分合閘，且有兩種不同的運(yùn)行模式。一種是配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，智能變電站的出線端中的重合器會(huì)開(kāi)閘。利用這種自動(dòng)分段器能檢測(cè)配電網(wǎng)失壓的情況，并實(shí)施無(wú)延時(shí)跳閘。另一種是配電網(wǎng)中智能變電站的出線端重合器會(huì)延時(shí)重合。此類自動(dòng)分段器會(huì)根據(jù)預(yù)定的時(shí)延參數(shù)，從最近的自動(dòng)分段器進(jìn)行自動(dòng)合閘。如果分段器合閘在配電網(wǎng)的故障區(qū)域，重合器能檢測(cè)配電網(wǎng)故障電流進(jìn)行再次分閘。在故障區(qū)段的上游，相鄰的分段器會(huì)由于合閘后存在一定的時(shí)間，從而檢測(cè)失壓跳閘和閉鎖來(lái)達(dá)到隔離故障的目的。當(dāng)配電網(wǎng)中變電站的出線和分支線開(kāi)關(guān)中應(yīng)用重合器時(shí)，其他配電網(wǎng)中的線路與用戶的分界開(kāi)關(guān)應(yīng)用分段器。分段器開(kāi)關(guān)實(shí)施負(fù)荷開(kāi)關(guān)模式，并對(duì)其實(shí)施兩級(jí)極差保護(hù)，使得重合器和分段器的跳閘延時(shí)時(shí)間為0 s。因此，在變電站出線端重合器進(jìn)行開(kāi)合閘保護(hù)時(shí)，需要增加一定的時(shí)延。采取這樣的方式進(jìn)行分段開(kāi)關(guān)的配置，不僅能有效降低成本，不依賴相關(guān)的通信技術(shù)，而且在配電網(wǎng)中有著良好的故障隔離效果，便于操作。但是，它需要多次進(jìn)行分段開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以必須要通過(guò)科學(xué)算法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化控制，從而進(jìn)一步加強(qiáng)配電網(wǎng)故障的隔離效果。

2.2 切實(shí)做好智能配電網(wǎng)故障區(qū)域的判定

智能配電網(wǎng)故障區(qū)域判定是在分段開(kāi)關(guān)合理配置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此需要在做好上述配置的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合電網(wǎng)傳輸和監(jiān)控方面的數(shù)據(jù)信息，把分段開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作信息作為故障時(shí)間信息。當(dāng)某段電路出現(xiàn)故障時(shí)，重合器和分段器會(huì)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)。智能配電網(wǎng)中的故障檢測(cè)裝置可以檢測(cè)遙測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)上傳到重合器。重合器采取二進(jìn)制方式將配電網(wǎng)的故障特點(diǎn)輸入到分段開(kāi)關(guān)。分段開(kāi)關(guān)收到故障信息后會(huì)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，并初步判斷故障描述特征，再利用分段開(kāi)關(guān)中的重合器下達(dá)隔離的指令，同時(shí)控制對(duì)應(yīng)電路中的分段器進(jìn)行開(kāi)閘。但是，實(shí)際判斷中若分段開(kāi)關(guān)信息中存在錯(cuò)誤，會(huì)在初次判斷的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行故障判斷，分段開(kāi)關(guān)中的重合器就會(huì)給分段開(kāi)關(guān)下達(dá)選點(diǎn)的命令，使得分段開(kāi)關(guān)處于待工作狀態(tài)，直到再次判斷得出故障區(qū)域所在。

2.3 利用返送校對(duì)法隔離配電網(wǎng)故障

在做好上述判定的情況下，需要采取返送校對(duì)法對(duì)分段開(kāi)關(guān)提出雙命令隔離請(qǐng)求。經(jīng)過(guò)配電網(wǎng)故障區(qū)域后，變電站向分段開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的遙控指令，待分段開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息返回后，需做好對(duì)其的校對(duì)。若與原始信息相同，那么激活每個(gè)分段開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)合閘指令。智能變電站運(yùn)行過(guò)程中會(huì)定期掃描分段開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)，并將掃描數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒侄伍_(kāi)關(guān)的重合器。重合器分析配電網(wǎng)中的相關(guān)故障信息，并給故障區(qū)域發(fā)送隔離指令，通過(guò)周而復(fù)始的掃描，確保能夠利用分段開(kāi)關(guān)配置來(lái)隔離配電網(wǎng)的故障，從而確保配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]。

2.4 隔離方法可行性的驗(yàn)證

2.4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提出的故障隔離方法，將其與傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比過(guò)程中，某智能變電站的配電網(wǎng)中干線與子饋線長(zhǎng)度為16 km。從變電站出口開(kāi)始，每隔4 km配置一部故障檢測(cè)裝置，且將其安裝在FTU設(shè)備中，同時(shí)安裝相應(yīng)的重合器與分段器。每1 km的干線中配置了12個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)人為方式設(shè)置了50處故障，然后分別采用兩種方法對(duì)其實(shí)施故障隔離操作。實(shí)驗(yàn)共持續(xù)12 h。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)確定的故障隔離方法，在精心做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，并記錄兩組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，采用所提方法比傳統(tǒng)的故障隔離方法效率更高，傳統(tǒng)的平均隔離效率只有54.5%，而所提方法的平均隔離效率為84.8%，比傳統(tǒng)方法高出約30%，證明了所提故障隔離方法具有快速隔離故障的作用。

表1 故障隔離數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

在分布式電源下的智能配電網(wǎng)中開(kāi)展故障定位與隔離工作，以保證配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性為前提，借助聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)與線路中的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，有效斷開(kāi)故障區(qū)域內(nèi)的開(kāi)關(guān)，閉合其他線路的環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，從而確保無(wú)故障線路段能及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行而達(dá)到快速恢復(fù)供電的目的。因此，為提升配網(wǎng)自動(dòng)化水平，需要加強(qiáng)對(duì)智能配電網(wǎng)故障定位和隔離方法的研究，以保障智能配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和高效性。