基于有源配電網(wǎng)故障診斷與定位方法的研究與分析

于瀟琦 韓堯 董小順 袁霞 穆斯塔法·努爾 高藝超

摘 要：不同于輸電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)分支多、弱環(huán)網(wǎng)和輻射結(jié)構(gòu)并存;設(shè)備數(shù)量眾多且通常所處環(huán)境惡劣;故障率高，且70%～80%為單相接地故障。在這種復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備環(huán)境、運行工況背景下，快速、準確的故障診斷與定位可以為運維人員提供有效指導(dǎo)，大大縮短故障處理和供電恢復(fù)時間，提高供電可靠性與安全性。因此研究精確、快速的配電網(wǎng)故障診斷與定位技術(shù)具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：故障診斷;故障定位;有源配電網(wǎng);分布式電源

引言

配電網(wǎng)直接向廣大用戶提供電能，其安全可靠運行是人們生產(chǎn)生活的重要保障。故障發(fā)生后，故障位置的快速精準定位，能夠?qū)崿F(xiàn)故障線路的快速切除，極大提高故障處理效率和電網(wǎng)運行可靠性，具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益。隨著大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了潮流雙向流動、配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)改變等一系列問題，傳統(tǒng)的故障定位方法可能失效。

1有源配電網(wǎng)故障診斷與定位技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

故障電流水平是指故障對電流或功率的影響。通常，配電網(wǎng)中的短路電流大小為10～15倍的額定電流。當配電網(wǎng)中存在DG時，會對故障電流水平產(chǎn)生影響，影響的大小取決于DG與故障的距離、DG的發(fā)電容量和DG的類型等因素。例如，當DG安裝在變電站和故障點之間時，會使得主站檢測到的故障電流變小。當配電網(wǎng)中安裝的DG容量較?。?kW～5MW）時，其對短路電流的影響很小;當配電網(wǎng)中安裝的DG容量較大，如多個小機組或幾個大機組（50MW至200MW），它們可能改變故障等級，并影響斷路器失靈。此外，短路電流還受到DG類型的影響。在并網(wǎng)點發(fā)生短路時，同步發(fā)電機輸出的起始短路電流可達額定電流的7倍左右;異步感應(yīng)發(fā)電機提供的起始短路電流約為額定電流的5～6倍，此后經(jīng)過約3～10個周期逐漸衰減到零;雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機會產(chǎn)生8～10倍于額定電流的起始短路電流，然后逐漸衰減。而逆變器類DG的故障電流特性取決于逆變器的控制與保護策略，在并網(wǎng)點發(fā)生短路時，逆變器類DG向短路點提供的短路電流一般可以控制在設(shè)定的允許過電流范圍（一般為1.2～1.5倍額定電流）之內(nèi)。

2現(xiàn)有故障診斷與定位方法

2.1信號/擾動注入的方法

在故障診斷方面，可以根據(jù)注入信號的頻率，分為基于工頻信號注入的故障診斷方法，如曾祥君等人提出了一種利用注入基波電流并測量被檢線路零序電流變化量的原理進行故障診斷的方法。針對配電網(wǎng)高阻接地尤其是弧光高阻接地故障檢測準確率低的問題，還提出了一種基于中性點注入電流增強故障特征的診斷方法。以及基于非工頻信號注入的故障診斷方法，如注入脈沖信號、高頻測試信號等。在故障定位方面，利用一次設(shè)備向系統(tǒng)中注入特定頻率信號，故障線路經(jīng)過故障點形成信號回路，通過線路上安裝的故障指示器檢測該信號流經(jīng)的路徑即可進行區(qū)段定位。

2.2不利用接地故障特征分量的選線方法

（1）一般操作系統(tǒng)人員一般無需再自行添置任何一次其他機械設(shè)備，不會對正常設(shè)備運行的其他機械設(shè)備運行造成任何不良影響;（2）信號注入式式的信號輸出是否泛指它們具有與操作系統(tǒng)中任何一種固有接地信號相同的物理特征，對它們的接地檢測操作方式一般不受操作系統(tǒng)正常設(shè)備運行工作狀態(tài)等不良情況的直接影響;（3）信號輸出的電流注入式式信號中的電流常數(shù)只能在系統(tǒng)接地檢測線路的規(guī)定接地期和相中期內(nèi)進行一次流通，不會直接造成影響操作系統(tǒng)其他機械部件。但是該設(shè)計方法必須達到要求在注入線路所有的信號分段和各個線路分支之間都必須裝設(shè)一個注入信號上的電流電壓檢測器，導(dǎo)致線路投資控制力度的不斷增大，且在實際的線路系統(tǒng)設(shè)計操作中，注入線路信號的電流數(shù)量和振動強度也在很大一定程度上已經(jīng)因為受到了信號電壓電流傳感器的注入容量很大限制。當接地線路信號發(fā)生接地故障判斷是否為采用高阻線路接地時，線路上的分布式接地電容將可能會直接引起對被輸出線路注入接地信號的短路過濾，從而也將可能會給您所選擇的接地線路信號帶來一定的線路電磁干擾;如果在多個接地點同時出現(xiàn)了線路間歇性的線路電弧抖動現(xiàn)象，還將直接影響導(dǎo)致被輸出注入的線路信號在連接線路過程中將同時發(fā)生不連續(xù)，從而直接損害被輸出注入的線路信號的電特性，影響信號檢測值的準確率。

2.3多端行波時差的配電網(wǎng)故障

基于多端行波時差的配電網(wǎng)故障定位方法。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支眾多的配電網(wǎng)，根據(jù)配電網(wǎng)自身拓撲結(jié)構(gòu)特征定義節(jié)點矩陣和無效節(jié)點。通過分析故障行波的傳輸特性，提出一種配電網(wǎng)故障狀態(tài)表達式，根據(jù)多端行波時差和雙端行波原理計算的故障距離理論值，將理論值代入故障狀態(tài)表達式，建立故障搜索矩陣和輔助矩陣，通過分析故障搜索矩陣和輔助矩陣的元素狀態(tài)，提出故障線路判定原理，提取節(jié)點矩陣中的故障節(jié)點，進而有效判定故障線路。根據(jù)三端行波法計算實際故障距離，可消除行波波速不確定性造成的測距誤差，實現(xiàn)故障點的精準定位。仿真結(jié)果表明，本文所提定位方法原理簡單、可靠性好，不受故障類型和過渡電阻的影響，與現(xiàn)有配電網(wǎng)故障行波定位方法相比，通過節(jié)點矩陣的配合，有效降低了故障搜索矩陣和輔助矩陣的維度，減少了計算量，提高了配電網(wǎng)行波定位方法的可靠性和實用性。

結(jié)束語

配電網(wǎng)故障定位對電力系統(tǒng)的運行具有重要意義?？焖贉蚀_地找出故障位置能大幅縮短故障恢復(fù)時間，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性，提升用戶滿意度，同時也能降低運營商的運營成本。配電網(wǎng)相較輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，支路眾多，這給配電網(wǎng)的故障定位帶來極大的挑戰(zhàn)。隨著通信技術(shù)和廣域測量技術(shù)的不斷發(fā)展，同步相量測量單元PMU（PhasorMeasurementUnit）的應(yīng)用愈加廣。PMU能獲取配電網(wǎng)中高精度、同步的電氣相量數(shù)據(jù)，其幅值和相角誤差分別僅為0.5%和0.01°，這為配電網(wǎng)故障的準確定位提供了條件。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基于PMU的配電網(wǎng)故障定位方法進行了廣泛、深入的研究。

參考文獻

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