何　哲，　王瑞峰，　郝　溪

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院　甘肅 蘭州 730070)

?

含分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距研究

何哲，王瑞峰，郝溪

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院甘肅 蘭州 730070)

摘要：為解決含分布式電源(DG)配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距問(wèn)題，對(duì)含DG配電網(wǎng)單相接地故障時(shí)故障區(qū)段上、下游母線電流、電壓進(jìn)行了分析，在對(duì)稱分量法的基礎(chǔ)上，提出了一種含DG的配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距算法.該方法首先建立配電網(wǎng)單相接地故障模型，獲取故障前后變電站和DG出線電流、電壓，對(duì)故障點(diǎn)發(fā)生在DG下游和上游分別進(jìn)行分析，然后得到配電網(wǎng)單相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)，最后利用故障區(qū)段電流、電壓的各序分量計(jì)算得到故障距離.采用配電網(wǎng) IEEE 34 節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，該方法具有較高的測(cè)距精度.

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)； 分布式電源； 故障測(cè)距

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及配電網(wǎng)中大量分布式電源(distributed generation, DG)的接入，對(duì)供電的可靠性、配電網(wǎng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行都提出了更高要求[1].在配電網(wǎng)故障類型中，單相接地故障占到80%左右，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地電流小，供電可靠性高；但是發(fā)生永久性接地故障時(shí)，為了防止故障擴(kuò)大必須快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并排除故障，并在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電[2—3].國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞配電網(wǎng)單相接地故障問(wèn)題開展了大量研究并取得了許多成果[4—6]，但當(dāng)DG接入配電網(wǎng)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距的影響研究的較少.

近年來(lái)，一些專家考慮到DG對(duì)故障測(cè)距的影響，提出了基于阻抗法的含DG配電網(wǎng)故障測(cè)距方法[7—8]，但這類方法需要獲取故障狀態(tài)下DG的瞬時(shí)電抗值和DG內(nèi)部電壓值，而這些參數(shù)的獲取往往比較困難.文獻(xiàn)[9]提出利用變電站出線電壓、電流來(lái)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障測(cè)距，該方法故障測(cè)距精度高，易于實(shí)現(xiàn)但并不適應(yīng)于含DG的配電網(wǎng).為此，本文提出了一種含DG配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距改進(jìn)算法，利用變電站、電機(jī)類DG的出線電流和電壓作為輸入，通過(guò)迭代計(jì)算故障區(qū)段上、下游母線電流、電壓，代入由故障條件下復(fù)合序網(wǎng)建立的表達(dá)式中得到故障距離，并利用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

圖1　配電網(wǎng)模型Fig.1　The model of an electric power distribution system

1含DG的配電網(wǎng)單相接地故障模型

1.1故障測(cè)距采用的數(shù)學(xué)模型

配電網(wǎng)具有多條分支且每條線路結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，為了減小配電網(wǎng)的故障測(cè)距計(jì)算量，可對(duì)配電網(wǎng)做如下的簡(jiǎn)化處理：將母線、電源、變壓器等看作節(jié)點(diǎn)，負(fù)荷看作阻抗并與對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)相連，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行編號(hào)，就可以得到一個(gè)線路參數(shù)已知、負(fù)荷可測(cè)的配電網(wǎng)模型，如圖1所示.該電路模型對(duì)故障測(cè)距結(jié)果的影響較小，被廣泛用于配電網(wǎng)的測(cè)距算法中.ZLk為第k條線路的阻抗矩陣；Yk為第k條線路的導(dǎo)納矩陣.

1.2單相接地故障下的配電網(wǎng)電路模型

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的電路模型如圖2所示，其中圖2(a)為故障區(qū)段發(fā)生在DG下游情況下配電網(wǎng)故障電路模型，故障點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)x與節(jié)點(diǎn)y之間，故障接地電阻為Rf.Vfx為節(jié)點(diǎn)x的相電壓，Yx為節(jié)點(diǎn)x的對(duì)地導(dǎo)納矩陣，Yy為節(jié)點(diǎn)y的對(duì)地導(dǎo)納矩陣，ZL(x,y)為節(jié)點(diǎn)x與節(jié)點(diǎn)y之間的阻抗矩陣，If(x,f)為由節(jié)點(diǎn)x流向節(jié)點(diǎn)f的電流，m為故障距離表征量.圖2(b)表示故障區(qū)段發(fā)生在DG上游情況下配電網(wǎng)故障電路模型，該模型與故障發(fā)生在DG下游相比，故障線路發(fā)生在DG上游時(shí)電路中增加了一個(gè)由節(jié)點(diǎn)y流向節(jié)點(diǎn)f的電流If(y,f).

圖2　含DG配電網(wǎng)單相接地故障圖Fig.2　Single phase to ground fault diagram of an electric power distribution system with DG

2基于復(fù)合序網(wǎng)單相接地故障測(cè)距算法

2.1算法流程

基于復(fù)合序網(wǎng)單相接地故障測(cè)距算法流程主要包括以下步驟：

1) 獲取變電站出線電壓、電流,確定可能發(fā)生接地故障的分支，同時(shí)預(yù)估發(fā)生故障的區(qū)段以及故障區(qū)段上、下游母線.

2) 根據(jù)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行等效變換，計(jì)算故障區(qū)段上、下游母線中DG所提供的電流、電壓.

3) 由故障前的電流、電壓計(jì)算出故障區(qū)段電阻，將線路阻抗變換為序阻抗，同時(shí)將故障后的電流、電壓轉(zhuǎn)化為各自序分量.

5) 判斷m是否滿足收斂條件.當(dāng)0

2.2故障區(qū)段上游母線電流、電壓

由于只有變電站和DG出線電壓、電流是可測(cè)量的，因此故障區(qū)段上游母線電壓、電流需要由變電站出線電壓、電流向下游逐段推算.圖3中節(jié)點(diǎn)i表示變電站節(jié)點(diǎn)或含DG支路節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)n表示終節(jié)點(diǎn)或者是位于DG支路和輻射網(wǎng)絡(luò)分支之間的任一節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)j的三相電壓向量為

(1)

由節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)x的電流為

(2)

圖3　故障區(qū)段等效電路Fig.3　Equivalent feeder in fault steady state

2.3母線電流、電壓以及線路的序分量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算得到單相接地故障區(qū)段上游節(jié)點(diǎn)的三相電壓和電流，將其變換為序分量為

(3)

式中：V0、V1、V2分別為上游節(jié)點(diǎn)電壓的零序、正序、負(fù)序分量；I0、I1、I2分別為由上游節(jié)點(diǎn)流向下游節(jié)點(diǎn)電流的零序、正序、負(fù)序分量.

(4)

各條線路的等序阻抗矩陣為

(5)

式中：ZL(x,y)為節(jié)點(diǎn)x與節(jié)點(diǎn)y之間的阻抗矩陣.

單相接地故障時(shí)正序接地阻抗矩陣為

(6)

2.4單相接地故障測(cè)距算法

圖4　含DG配電網(wǎng)單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)

如圖4(a)所示，故障線路位于DG下游，可得：

Vf1=V1-mZ1I1=((1-m)Z1+ZC1)IC1,

(7)

IL1=I1-If,

(8)

(9)

由式(7) 、(8)可得

(10)

由式(9) 、(10)可推出含復(fù)數(shù)常量的二次多項(xiàng)式方程

K2m2+K3m+K4=RfK1,

(11)

其中:

(12)

式(11)中含有兩個(gè)未知量m和Rf，將式(11)實(shí)部、虛部分開可得:

(13)

聯(lián)立式(13)求得故障距離表征量 m滿足：

(14)

如圖4(b)所示，故障線路位于DG下游，可得：

(15)

If=I1+IL1.

(16)

由式(15) 、(16)可推出含復(fù)數(shù)參數(shù)的線性方程為

K5-mK6=RfK7,

(17)

其中：

(18)

式(17)中含有兩個(gè)未知量Rf和m，將式(17)實(shí)部、虛部分開可得：

(19)

聯(lián)立式(19)求得故障距離表征量m為

(20)

3仿真分析

3.1系統(tǒng)模型

在ATP中搭建如圖5所示的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，對(duì)該模型進(jìn)行故障仿真獲取故障數(shù)據(jù)，在MATLAB中編制故障測(cè)距算法，計(jì)算故障距離.仿真測(cè)試時(shí)，選取主干線N800～N848 之間若干個(gè)點(diǎn)故障進(jìn)行單相接地實(shí)驗(yàn).過(guò)渡電阻選擇范圍為1～40 Ω，驗(yàn)證該算法在不同過(guò)渡電阻、故障距離下的測(cè)距精度.故障測(cè)距精度為

LError=(LRe-LCa)/LTotal，

(21)

式中：LRe為實(shí)際故障距離；LCa為測(cè)量故障距離；LTotal為線路總長(zhǎng)度.

利用本文提出的故障測(cè)距算法進(jìn)行以下3組試驗(yàn)：① 在節(jié)點(diǎn)N840接入容量為1 MW的DG，對(duì)含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真試驗(yàn)并考慮DG對(duì)系統(tǒng)的影響；② 在節(jié)點(diǎn)N840接入容量為1 MW的DG，對(duì)含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真試驗(yàn)但不考慮DG對(duì)系統(tǒng)的影響；③ 對(duì)不含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真試驗(yàn).圖6～8分別給出了這3類條件下的故障精度曲線.

圖5　N840接入DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)仿真模型Fig.5　The IEEE 34 nodes test feeder with DG in N840

圖6　考慮DG對(duì)配電網(wǎng)影響時(shí)單相接地故障精度曲線Fig.6　The error curves of single phase to ground faults with considering DG in the analysis

圖7　不考慮DG對(duì)配電網(wǎng)影響時(shí)單相接地故障精度曲線Fig.7　The error curves of single phase to ground faults without considering DG in the analysis

圖8　不含DG配電網(wǎng)單相接地故障精度曲線Fig.8　The error curves of single phase to ground faults without DG

3.2對(duì)含DG配電網(wǎng)進(jìn)行仿真并考慮DG對(duì)系統(tǒng)的影響

利用本文提出的基于復(fù)合序網(wǎng)的單相接地故障測(cè)距算法對(duì)含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真，選取8個(gè)主干線上的節(jié)點(diǎn)作為故障點(diǎn)，過(guò)渡電阻分別為1，10，20，30，40 Ω，得到如圖6所示的故障測(cè)距精度曲線.由圖6可知,利用該算法進(jìn)行故障選線可將誤差控制在-0.5%～1.0%.隨著故障距離的增加，故障選線的誤差會(huì)增大，但變化幅度均不明顯.因此，該算法基本不受故障距離的影響,且故障距離測(cè)量值一般低于實(shí)際值.

3.3對(duì)含DG配電網(wǎng)進(jìn)行仿真不考慮DG對(duì)系統(tǒng)的影響

不考慮DG對(duì)系統(tǒng)的影響，僅以變電站出線電流、電壓作為輸入，對(duì)含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真，得到如圖7所示的故障測(cè)距精度曲線.由圖7可知，故障平均誤差大于20%，證明在含DG的配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，若不考慮DG對(duì)配電網(wǎng)的影響，故障測(cè)距的精確度明顯較低.由于算法充分考慮了發(fā)生故障時(shí)DG對(duì)故障電流的影響，因此大大提升了含DG配電網(wǎng)的故障測(cè)距精度.

3.4對(duì)不含DG配電網(wǎng)進(jìn)行仿真

對(duì)不含DG的IEEE 34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真測(cè)試，其故障精度曲線如圖8所示.由圖8可知，當(dāng)接地電阻為1 Ω時(shí)，故障測(cè)距精度一般大于0，而當(dāng)電阻為40 Ω時(shí)，故障測(cè)距精度一般小于0.進(jìn)一步分析電阻的不同取值還可以得到以下結(jié)論，在故障距離小于30 km時(shí)，故障距離測(cè)量值一般高于實(shí)際值；在故障距離大于50 km時(shí)，故障距離測(cè)量值一般低于實(shí)際值.最終可以得到故障誤差為-1.5%～1.0%，證明該測(cè)距方法對(duì)不含DG配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距分析同樣準(zhǔn)確.

4結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，當(dāng)含DG配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不考慮DG對(duì)故障電流的影響得到平均故障測(cè)距誤差大于20%，證明DG對(duì)測(cè)距有很大影響；當(dāng)充分考慮DG對(duì)故障電流的影響時(shí)，得到故障測(cè)距誤差在-0.5%～1.0%，證明本文提出的對(duì)于電力系統(tǒng)單相接地故障測(cè)距算法是有效的.僅利用DG和變電站獲得的電流、電壓值，就能夠比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)輻射型配電網(wǎng)的故障測(cè)距，給出了一個(gè)實(shí)際有效的方法解決了含DG的配電網(wǎng)故障測(cè)距問(wèn)題.

2) 該算法的另一大優(yōu)勢(shì)就是算法受過(guò)渡電阻及故障距離的影響小，且故障距離測(cè)量值一般低于實(shí)際值.這就使該測(cè)距方法在配電網(wǎng)中更容易實(shí)施，具有良好的應(yīng)用前景.

3) 本文只是對(duì)電力系統(tǒng)故障中最常見(jiàn)的單相接地故障且只含單一DG的情況進(jìn)行了研究，由于現(xiàn)代配電網(wǎng)中DG數(shù)量和種類日益增加，以及電力線路故障的多樣性，下一步將考慮對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)使其可以解決其他條件下的故障測(cè)距問(wèn)題.

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑薇,胡學(xué)浩,何國(guó)慶,等.分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2012,36(11):46—52.

[2]郭清滔,吳田.小電流接地系統(tǒng)故障選線方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(2):146—152.

[3]張海平,何正友,張鈞.基于量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)融合的小電流接地選線方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(12):171—178．

[4]劉健,張小慶,同向前，等.含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013,37(2):36—42.

[5]王守相,江興月,王成山.含分布式電源的配電網(wǎng)故障分析疊加法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(5):38—42．

[6]吳爭(zhēng)榮,王鋼,李海鋒,等.含分布式電源配電網(wǎng)的相間短路故障分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(1):130—136.

[7]MORA-FLOREZ J, MORALES-ESPANA G, PEREZ-LONDONO S. Learning-based strategy for reducing the multiple estimation problem of fault zone location in radial power systems[J]. IET generation, transmission & distribution,2009,3(4):346—356.

[8]GUTIERREZ-GALLEGO J, PEREZ-LONDONO S, MORA-FLOREZ J, et al. Efficient adjust of a learning based fault locator for power distribution systems [C]//IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition. Latin America, 2010: 774—779.

[9]鄭濤,潘玉美,郭昆亞,等.基于節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的配電網(wǎng)故障測(cè)距算法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(11):3233—3240.

(責(zé)任編輯：孔薇)

Research on Single Phase to Ground Fault Location for Electric Power Distribution Systems with Distributed Generation

HE Zhe,WANG Ruifeng,HAO Xi

(SchoolofAutomationandElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Abstract:In order to solve the problem of single phase to ground fault location for electric power distribution systems with distributed generation (DG), a fault location technique based on the analysis of the voltages and currents of faulted line section and symmetrical component method was proposed. Firstly, single phase to ground fault location model was built and the voltages and currents of pre-fault and fault steady were measured.Secondly, sequence networks which were connected in series was presented.Finally, the measurements of voltages and currents were transformed into sequence to obtain the fault distance. The proposed fault localization technique was tested on the IEEE 34 nodes test feeder. According to the results, the proposed method was characterized by high detection precision.

Key words:electric power distribution system; distributed generation (DG); fault location

收稿日期:2015-09-15

作者簡(jiǎn)介:何哲(1989—)，男，安徽宣城人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究；通訊作者：王瑞峰(1966—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及儀器儀表技術(shù)研究，E-mail: 1253131228@qq.com.

中圖分類號(hào)：TM93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-6841(2016)01-0085-06

DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.201507040

引用本文：何哲，王瑞峰，郝溪.含分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2016,48(1)：85—90.