吳樂鵬，黃 純，曾照新

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障區(qū)間定位的自適應(yīng)矩陣算法

吳樂鵬，黃 純，曾照新

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

準(zhǔn)確定位分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障區(qū)段是有效利用清潔能源的前提?；陴伨€終端單元(FTU）的配電網(wǎng)故障定位矩陣算法，提出一種適合分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障定位自適應(yīng)算法。根據(jù)流過FTU的過電流及其方向，首先判斷分布式電源是否投入運(yùn)行和母線及分布式電源是否發(fā)生故障，初步確定配電網(wǎng)的故障區(qū)域;再根據(jù)故障區(qū)域結(jié)構(gòu)和FTU過電流信息自適應(yīng)構(gòu)成故障矩陣，定位故障所在線路;為排除畸變故障信息的干擾，比較故障線路兩端檢測到的故障電流差值，提出了故障電流差值比較判據(jù)。算例驗證了算法的準(zhǔn)確性、高效性和良好的容錯機(jī)制。

分布式發(fā)電;配電網(wǎng);FTU;故障定位;自適應(yīng)算法

1 引言

由于分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG）能源多樣化、環(huán)保、節(jié)能、高效等多方面的優(yōu)越性，這種發(fā)電技術(shù)獲得人們越來越多的關(guān)注。大量DG直接接入配電網(wǎng)以后，給配電網(wǎng)帶來了許多不利影響［1-3］，使得配電系統(tǒng)不是只含系統(tǒng)電源的網(wǎng)絡(luò)，而是存在大量的分布式電源的復(fù)雜電網(wǎng)，傳統(tǒng)的故障定位方式已經(jīng)不能夠滿足要求。因此，為了經(jīng)濟(jì)、快速地實現(xiàn)DG配電網(wǎng)故障定位，有必要對現(xiàn)有的故障定位方法進(jìn)行改進(jìn)，為分布式發(fā)電的蓬勃發(fā)展提供廣闊的空間。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，用于故障定位的方法主要是基于FTU的故障分段定位方法［4］。文獻(xiàn)［5］提出了一種適合在多電源供電系統(tǒng)中同一條線路中發(fā)生多重故障的定位方法，但方法的不足之處是要對每一個電源都假定一次正方向，同時算法需要矩陣相乘和規(guī)格化處理，運(yùn)算量大，處理時間長。文獻(xiàn)［6］通過判斷FTU上的故障過電流提出一種配電網(wǎng)故障區(qū)段判斷和隔離的統(tǒng)一矩陣算法。文獻(xiàn)［7］使用鏈表法對故障進(jìn)行搜索，確定故障位置，縮短了故障定位時間。然而以上方法均不能夠有效地解決含分布式電源的配電網(wǎng)定位故障問題，文獻(xiàn)［8-9］基于智能電子裝置和廣域保護(hù)方案，提出分布式發(fā)電故障定位新方法，但其對通信要求較高，難于實現(xiàn)。

本文提出了一種分布式發(fā)電故障定位自適應(yīng)算法，在不改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)FTU故障定位裝置的前提下，在分布式電源接入電網(wǎng)處安裝FTU，只需要對傳統(tǒng)故障定位方法進(jìn)行軟件升級，便可以有效地確定分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障區(qū)域，與傳統(tǒng)故障定位 矩陣算法相比，具有良好的容錯機(jī)制，解決了當(dāng)DG頻繁投切時傳統(tǒng)算法存在誤判的問題。

2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障定位自適應(yīng)算法

2.1 分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障描述矩陣

對每個FTU進(jìn)行編號，將配電網(wǎng)系統(tǒng)電源指向饋線或DG的方向定義為正方向，判斷與系統(tǒng)電源連接的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)無故障電流或故障電流方向與正方向相反時，表明該節(jié)點(diǎn)所在的支路無故障:反之，該節(jié)點(diǎn)所在的支路存在故障。

圖1所示為與DG直接相連的三分支節(jié)點(diǎn)，先判斷與分布式電源直接相連的節(jié)點(diǎn)3的過電流方向。如果過電流方向與正方向相同，則為DG故障，如果過電流方向與正方向相反，則為配電網(wǎng)線路故障，此時還應(yīng)對另外兩分支上的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的過電流方向進(jìn)行如下分析。

圖1 與DG相連接的三分支節(jié)點(diǎn)Fig.1 Three branches of node connected with DG

(1）節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的過電流方向同向且與正方向相同，則故障發(fā)生在分布式電源的下游，只需考慮節(jié)點(diǎn)2下游的線路;

(2）節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的過電流方向同向且與正方向相反，則故障發(fā)生在分布式電源的上游，只需考慮節(jié)點(diǎn)1上游的線路;

(3）節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的過電流方向相反，則表明配電網(wǎng)線路存在多重故障;

(4）如果只有一個節(jié)點(diǎn)存在過電流，其過電流一定發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1上，且方向與正方向相反，只需考慮節(jié)點(diǎn)1上游的線路。

按上述方式確定故障所在區(qū)域，對故障區(qū)域內(nèi)的FTU重新編號，可得到故障描述矩陣 D，D為上三角矩陣，其中

這種故障描述矩陣排除了部分非故障區(qū)域節(jié)點(diǎn)，簡化了矩陣維數(shù)，根據(jù)故障區(qū)域自適應(yīng)調(diào)節(jié)矩陣，運(yùn)算速度更快。

2.2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障信息矩陣

根據(jù)故障區(qū)域內(nèi)FTU流過的故障過電流及其方向確定故障信息矩陣G，G為一對角矩陣，G的維數(shù)與D相同，其中

2.3 分布式發(fā)電配電網(wǎng)故障判斷矩陣

當(dāng)配電網(wǎng)中發(fā)生故障后，若節(jié)點(diǎn)i存在故障電流且故障電流方向與正方向相同，則將節(jié)點(diǎn)i置 1;若節(jié)點(diǎn)i存在故障電流且故障電流方向與正方向相反，則節(jié)點(diǎn)i置－ 1;若節(jié)點(diǎn) i不存在故障過電流，則節(jié)點(diǎn)i置0。將故障描述矩陣D和故障信息矩陣G相加后得到故障判斷矩陣P，即

故障判斷矩陣P是反應(yīng)配電網(wǎng)故障所在區(qū)域及故障信息的依據(jù)。

2.4 故障區(qū)段定位原則

對故障判斷矩陣P進(jìn)行分析即可以確定故障區(qū)段。P中的元素滿足下列條件之一即可確定故障區(qū)段:

① 當(dāng) pii=1時，若 pij=1(i≠ j）且 pjj≠1，則故障在節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間;

② 當(dāng) pii=－1時，若 pji=1(i≠ j）且 pjj=0，則故障在節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間。

注:線路末端i故障時有pii=1

3 分布式發(fā)電復(fù)雜配電網(wǎng)多重故障定位

圖2所示為含分布式發(fā)電配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，配電網(wǎng)中F1、F2和 F3處同時發(fā)生故障時，可根據(jù)以下原則定位故障。

圖2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topological structure diagram of certain distribution network with distributed generation

根據(jù)故障定位自適應(yīng)算法可確定故障所在區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為:節(jié)點(diǎn) 7、8、9、10、11、12、13、16、17、21、22、25和 26。按此順序可得故障描述矩陣見式(4），故障信息矩陣見式(5），可得到故障判斷矩陣P見式(6）。

由故障定位判定條件可知p11=1，p12=1且p22≠1，由此判定節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8之間的線路上發(fā)生故障;p44=1，p45=1且p55≠1，由此判定節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)11之間的線路上發(fā)生故障;p88=1，p89=1且p99≠1，由此判定節(jié)點(diǎn)16和節(jié)點(diǎn)17之間的線路上發(fā)生故障。而對節(jié)點(diǎn)12和節(jié)點(diǎn)13故障信息同時為1或－1時均不滿足故障發(fā)生條件，算例結(jié)果不受影響。自適應(yīng)矩陣算法得出的故障定位結(jié)果與配電網(wǎng)中實際故障點(diǎn)F1、F2、F3完全一致。

4 畸變故障信息下的故障定位判據(jù)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生畸變時，單點(diǎn)畸變或者多點(diǎn)畸變均有可能導(dǎo)致對故障區(qū)間的誤判，因此，針對畸變可能引起的誤判，提出了故障電流差值比較判據(jù)，對故障進(jìn)一步處理，排除誤判，準(zhǔn)確定位故障區(qū)間。

當(dāng)故障發(fā)生在節(jié)點(diǎn)5、6之間，首先確定節(jié)點(diǎn)1的故障電流方向與正方向相同，其次對節(jié)點(diǎn)1下游與分布式電源相連的三節(jié)點(diǎn)分支進(jìn)行分析:對于DG1，節(jié)點(diǎn)2和3的過電流方向同向且與正方向相同，故障發(fā)生在節(jié)點(diǎn)3的下游線路;對于 DG2，只有節(jié)點(diǎn)6流過過電流且方向與正方向相反，故障發(fā)生在節(jié)點(diǎn)6的上游線路;可確定故障所在區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為3、4、5、6。但由于節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5的故障信息發(fā)生畸變，故障信息序列變?yōu)镚=diag［1 0 0－1］，

對故障FTU所采集到的電流幅值進(jìn)行比較，排除畸變信息對故障點(diǎn)的影響。分析線路有無故障時FTU所采集的電流差值如下:

(1）正常情況下，線路兩端FTU所采集到電流相差不大，所以電流差值近似為 0;

(2）當(dāng)故障發(fā)生時，故障點(diǎn)兩端FTU所采集到的電流差值較大。

因此，可以利用基于電流差值比較的方法進(jìn)一步確定故障區(qū)域，排除畸變信號對故障定位可能發(fā)生誤判的影響。比較故障線路兩端的FTU檢測到的電流差值為

式中，Ik1為流過節(jié)點(diǎn)1的故障電流;Ik2為流過節(jié)點(diǎn)2的故障電流。

故障電流差值比較判據(jù)為

式中，系數(shù)K可根據(jù)工程實際情況確定，本文算例分析部分取系數(shù)K為0.1。

5 算例分析

算例仿真以SQL Server和VC作為數(shù)據(jù)庫和計算程序開發(fā)工具，編制故障定位軟件，以圖2中分布式發(fā)電配電網(wǎng)為例，在不改變DG安裝位置和容量時，對完備信息、畸變故障信息，分布式電源故障及投退，進(jìn)行故障定位算例測試結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果均在20ms內(nèi)準(zhǔn)確定位到正確的故障區(qū)段，自適應(yīng)故障定位測試結(jié)果驗證了該方法的正確性。

表1 部分故障定位算例測試結(jié)果Tab.1 Test results of some fault location example

(1）改變DG容量對算法的容錯性進(jìn)行算例分析。當(dāng)系統(tǒng)在F1和F2處同時發(fā)生三相短路故障時，由第2節(jié)分析可知，改變所有DG的容量，所需要考慮到故障信號序列為節(jié)點(diǎn) 10、11、12、13、16、17、21、22、25 和 26。測試結(jié)果如表 2 所示。

由表2可知，改變DG容量，只對FTU故障信息序列中節(jié)點(diǎn)17、21、22的信號產(chǎn)生影響，對算法測試結(jié)果無影響，能準(zhǔn)確判定故障發(fā)生在F1和F2處。

(2）改變DG的安裝位置對算法的容錯性進(jìn)行算例分析。當(dāng) DG容量均為1MW時，改變 DG1，DG2和DG3的安裝位置，系統(tǒng)在 F3處發(fā)生三相短路故障時，測試結(jié)果如表3所示。

表2 改變DG容量算例測試結(jié)果Tab.2 Test results of examples of changing DG capacity

表3 改變DG安裝位置算例測試結(jié)果Tab.3 Test results of examples of changing DG installation location

由表3可知，改變DG安裝位置容量，只對故障點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)FTU所檢測到的信號產(chǎn)生影響，對算法測試結(jié)果無影響，能準(zhǔn)確判定故障發(fā)生在F3處。

綜上可知，分布式發(fā)電配電網(wǎng)中，對于FTU所檢測到的完備故障信息、非完備故障信息和畸變故障信息，不同 DG容量、不同 DG安裝位置、不同故障類型，自適應(yīng)矩陣算法均能夠準(zhǔn)確定位故障區(qū)段，并能準(zhǔn)確判斷DG是否投入運(yùn)行或發(fā)生故障，對系統(tǒng)運(yùn)行方式改變具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。文中方法使用相電流進(jìn)行分析，適用于不同類型的故障類型，限于篇幅僅對三相短路故障進(jìn)行了分析。

6 結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位方法的局限性，結(jié)合DG接入后配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，提出一種能根據(jù)DG投入或者退出運(yùn)行改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，并具有自適應(yīng)調(diào)整能力的DG故障定位自適應(yīng)矩陣算法。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位方法相比，自適應(yīng)算法能根據(jù)DG投切與否自動調(diào)整故障判斷矩陣，故障判斷矩陣排除了無關(guān)節(jié)點(diǎn)信息，運(yùn)算速度更快，更適合在線監(jiān)測故障。

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A practical fault locating adaptive algorithm for distribution network with distributed generation

WU Le-peng，HUANG Chun，ZEN Zhao-xin
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

The premise of effective use of clean energy is to correctly determine the malfunction zone of distribution network with distributed generation.Based on the matrix algorithm in the location of feeder terminal unit(FTU）to the malfunction of distribution network，an adaptive algorithm for the fault location in distribution network is proposed.According to the overcurrent flowing through the FTU and its direction，firstly the algorithm judges whether distributed power is put into operation，and whether the fault happens at bus and network.Then it preliminarily locates the malfunction zone in the distribution network.Secondly，on the basis of malfunction zone structure and overcurrent information of FTU，the fault matrix is adaptively formed and the fault zone is confirmed.Lastly，according to the defected fault current difference at both ends of fault circuit to form the fault criteria，the proposed criteria are formed by comparing the difference between fault current.The numerical example verifies accuracy and efficiency of the algorithm，and good mechanism of fault tolerance.

distributed generation;distribution network;FTU;fault location;adaptive algorithm

TM 726;TP183

A

1003-3076(2012）04-0052-06

2011-09-14

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(10JJ5055）

吳樂鵬 (1987-），男，江西籍，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù);

黃 純 (1966-），男，湖南籍，教授，博士，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量分析與控制。