基于配電系統(tǒng)故障定位技術(shù)的分析

韓佳寧

【摘 要】本文針對當(dāng)前配電網(wǎng)的需求，對國內(nèi)外在配電系統(tǒng)故障定位診斷方面已有的研究做出了深入的分析，構(gòu)造出具有高容錯(cuò)性、快速性、準(zhǔn)確性的配電網(wǎng)故障定位技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)；故障定位

要提高供電可靠性，首先必須有合理的配電網(wǎng)，從而減少停電時(shí)間，提高供電可靠性；其次就必須在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，迅速確定故障區(qū)段，并將故障區(qū)段隔離、恢復(fù)非故障區(qū)的供電，從而減少停電面積。因此實(shí)施配電自動(dòng)化的故障定位功能將可以減少停電時(shí)間、縮小停電面積，提高供電的可靠性。

1.配電網(wǎng)的故障定位和隔離

（1）基于重合器、分段器的故障。重合器是一種自具控制及保護(hù)功能的開關(guān)設(shè)備，它能按預(yù)定的開斷和重合順序自動(dòng)進(jìn)行開斷和重合操作，并在其后自動(dòng)復(fù)位或閉鎖。分段器是一種與電源側(cè)前級開關(guān)配合，在失壓或無電流的情況下自動(dòng)分閘的開關(guān)設(shè)備。當(dāng)發(fā)生永久性故障時(shí)，分段器在預(yù)定次數(shù)的分合操作后閉鎖于分閘狀態(tài)，從而達(dá)到隔離故障線路區(qū)段的目的。若分段器未完成預(yù)定次數(shù)的分合操作，故障就被其他設(shè)備切除了，則其保持在合閘狀態(tài)，并經(jīng)一段延時(shí)后恢復(fù)到預(yù)先的整定狀態(tài)，為下一次故障作好準(zhǔn)備。利用重合器和分段器的動(dòng)作特性，通過設(shè)置重合器和分段器的動(dòng)作次數(shù)、時(shí)間來實(shí)現(xiàn)故障定位的方法稱為基于重合器和分段器的故障定位。

當(dāng)線路故障時(shí)，分段開關(guān)并不立即分?jǐn)啵且揽恐睾掀鞯谋Ｗo(hù)跳閘，導(dǎo)致饋線失壓后，各分段開關(guān)才能分?jǐn)?。因此這種方式的故障定位模式存在以下缺陷：切斷故障的時(shí)間較長；由于必須分?jǐn)嘀睾掀?，因此?shí)際擴(kuò)大了事故范圍；在進(jìn)行恢復(fù)供電時(shí)無法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

（2）基于電話報(bào)修的故障定。基于故障投訴電話進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位的基本原理是較初期的原理，它是根據(jù)用戶電話號碼或用戶代碼搜索到與終端配電變壓器連接的資料，大致確定故障的位置，這種方法簡單經(jīng)濟(jì)。目前在我國城市中，家庭電話擁有率逐步升高，另外，供電公司的營業(yè)管理系統(tǒng)中保存有用戶的有關(guān)信息，如電話號碼、用戶代碼與終端配變連接的資料，從而得到故障的信息。但如僅接到一個(gè)用戶投訴電話僅能確定該用戶的自身設(shè)備發(fā)生故障，接到多個(gè)投訴電話則可確定關(guān)聯(lián)配電設(shè)備發(fā)生故障，但實(shí)際上電話的更改、投訴電話的打或不打都可形成不確定。所以該方法簡單，但定位結(jié)果不精確。我國電話的普及率與國外有一定的差距，且電力用戶參與意識(shí)不太強(qiáng)，故在我國可作為故障定位診斷的輔助參考部分。

（3）基于FTU的故障判定。饋線自動(dòng)化的首要條件是一次系統(tǒng)應(yīng)該是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重夠的一次系統(tǒng)的硬件是變電站的出線斷路器和負(fù)荷開關(guān)，而要較好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重構(gòu)則要安裝具有遠(yuǎn)方通信能力的現(xiàn)場監(jiān)測和控制裝置（FTU）。FTU安裝在柱上開關(guān)處。各FTU分別采集相應(yīng)柱上開關(guān)的運(yùn)行情況，并將采集的信息通過通訊網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)方的配電自動(dòng)化控制中心。各FTU還可接受配電自動(dòng)化控制中心下達(dá)的命令進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)方倒閘操作。在故障發(fā)生時(shí)，各FTU記錄下故障前及故障時(shí)的重要信息，上傳到控制中心，經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析后確定故障區(qū)段和最優(yōu)恢復(fù)供電方案，最終以遙控方式隔離故障區(qū)段，恢復(fù)健全區(qū)段供電。

利用FTU上傳的參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算實(shí)現(xiàn)故障定位的方法稱為基于FTU的故障定位。由于輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和處于開環(huán)運(yùn)行的環(huán)網(wǎng)，判斷故障區(qū)段只需根據(jù)饋線沿線各開關(guān)是否流過故障電流就可以了。假設(shè)饋線上出現(xiàn)故障，顯然故障區(qū)段位于從電源側(cè)到末梢方向最后一個(gè)經(jīng)歷了故障電流的開關(guān)和第一個(gè)未經(jīng)歷故障電流的開關(guān)之間的區(qū)段。因此利用FTU上傳的各開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)通過計(jì)算即可確定故障區(qū)段。

現(xiàn)在主要流行以下幾種比較典型的基于FTU的故障定位方法。

首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)的連接關(guān)系和假定的方向建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。從FTU得到有關(guān)故障電流及FTU的信息，并加入到D中對角線元素上，就可以得到故障判別矩陣Dp。依據(jù)Dp中的相關(guān)元素的值就可以快速而有效地判別出故障區(qū)域。該算法無需進(jìn)行矩陣相乘的繁瑣運(yùn)算，適用于單電源樹狀網(wǎng)或多電源復(fù)雜配電網(wǎng)，但僅限于單一故障下的故障定位，但當(dāng)上傳信息中有畸變時(shí)FSD的準(zhǔn)確率較差。

其次將配電網(wǎng)的饋線看作弧，將開關(guān)看作頂點(diǎn)，則饋線供出的負(fù)荷可以看作弧的負(fù)荷，開關(guān)流過的電流可以看作是頂點(diǎn)的負(fù)荷。定義歸一化負(fù)荷為弧負(fù)荷與額定負(fù)荷之比再乘以100，則故障區(qū)段顯然是歸一化負(fù)荷遠(yuǎn)大于100的那些弧，這些弧稱為過熱弧。于是問題被歸為過熱弧搜尋問題。文獻(xiàn)將配電網(wǎng)絡(luò)的描述矩陣分解成只含耦合點(diǎn)矩陣和不含耦合點(diǎn)矩陣的方法，方便了過熱弧的搜索方法，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但沒有考慮樹狀分支末端情況。文獻(xiàn)[3]提出了一種新的統(tǒng)一矩陣算法。算法需構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D，故障信息向量G及源點(diǎn)分布向量M，并根據(jù)D和G間相應(yīng)元素的運(yùn)算構(gòu)造向量Q，同過分析P、Q定位故障區(qū)段。該算法適用于放射狀網(wǎng)絡(luò)、雙電源及多電源并列供電系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)中任何區(qū)段的故障都能做出判斷，但原矩陣算法FSD準(zhǔn)確率較低的不足仍存在。

現(xiàn)有的方法在故障判斷過程中存在有盲目搜索，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)會(huì)使搜索時(shí)間過長，不能適應(yīng)快速性的要求；并且容易誤判、漏判、擴(kuò)大判，使故障定位的容錯(cuò)性差，直接影響了供電可靠性指標(biāo)，如何在任何情況下都能確保故障定位的準(zhǔn)確性，是有待深入研究的關(guān)鍵性問題。

2.基于FTU的故障定位原理

本文故障定位算法的具體步驟如下：①根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；②根?jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立網(wǎng)絡(luò)模型；③實(shí)時(shí)地從SCADA系統(tǒng)中讀取有關(guān)故障警報(bào)和遙信信息，進(jìn)行矩陣運(yùn)算，判斷出故障位置；④根據(jù)遙測信息、故障錄波進(jìn)行輔助分析，判斷解出的結(jié)果是否正確。

故障檢測的原理比較簡單，主要根據(jù)配電網(wǎng)一般為輻射狀，故障電流從電源點(diǎn)（或饋線首端結(jié)點(diǎn)）開始沿樹狀支路構(gòu)成的連通路徑單一方向地流向故障區(qū)。因此，對故障饋線上的任一區(qū)段，如果故障電流不流入該區(qū)段的任何端點(diǎn)，或從該區(qū)段的一個(gè)端點(diǎn)流入并從另一個(gè)端點(diǎn)流出，該區(qū)段是非故障區(qū)段；如果故障電流只流入?yún)^(qū)段而不流出該區(qū)段，則該區(qū)段是故障區(qū)段。

隨著FTU越來越廣泛的被應(yīng)用到配電網(wǎng)的在線監(jiān)測中，我們只需要對饋線上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)模型，將FTU上傳的每一個(gè)開關(guān)是否有故障電流流過的信息作為判斷的依據(jù)。電纜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的FTU方案，進(jìn)線和出線采用的均是負(fù)荷開關(guān)，進(jìn)線開關(guān)為S1和S2，出線開關(guān)為S3和S4，都由FTU進(jìn)行監(jiān)控。為了便于建立模型，將該環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行簡化，只有采集到足夠的樣本進(jìn)行參考學(xué)習(xí)，才能形成可以診斷用的網(wǎng)絡(luò)模型，開關(guān)S1、S2、S3和S4均由FTU監(jiān)控。

3.結(jié)束語

在目前國內(nèi)外配電網(wǎng)故障定位診斷方法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了歸納分類和概述，對基于FTU的故障定位技術(shù)進(jìn)行了較為深入的分析，同時(shí)也在不斷地改進(jìn)和完善配電自動(dòng)化的應(yīng)用軟件功能。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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