于競(jìng)哲

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

一種基于區(qū)域電流模型的配網(wǎng)分布式故障定位與隔離方法

于競(jìng)哲

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

針對(duì)基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的問(wèn)題，提出一種基于區(qū)域電流模型的分布式故障定位與隔離方法，可對(duì)發(fā)生多重故障的復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障定位及隔離。建立了區(qū)域電流模型，詳細(xì)論述了故障處理原理，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的通信方法。即使出現(xiàn)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)及通信失效，該方法仍能將故障隔離，并且不受系統(tǒng)運(yùn)行方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，具有廣泛適用性。

故障定位和隔離；分布式方法；復(fù)雜配電網(wǎng)；開(kāi)關(guān)拒動(dòng)；通信故障

Abstract: To solve the problem that distribution-based fault location based on the region location principle may become invalid in the case of multiple faults, this paper proposes a distribution-based fault location and isolation method based on the region current model, which can complete fault location and isolation for a complex distribution network with multiple faults. A region current model is established. The principle of fault handling is discussed at length, and a detailed communication method is designed. Even if switch malfunction and communication failure occur, this approach can still complete fault isolation. Furthermore it is widely applicable, for it is not confined by system operation mode or network structure.

Keywords: fault location and isolation；distribution-based method；complex distribution network；switch malfunction；communication fault

0 引 言

故障自動(dòng)定位和隔離能將故障準(zhǔn)確定位到相應(yīng)線路區(qū)段中，可提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，是智能配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。目前配電網(wǎng)的自動(dòng)故障處理大多建立在智能開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，主要分為集中型和分布型[1-3]，兩種方式各有優(yōu)劣。

集中型故障處理方法主要有統(tǒng)一矩陣算法和智能算法[4-5]。分布式故障處理方法主要包括自動(dòng)化開(kāi)關(guān)相互配合方法和基于區(qū)域定位原理的方法[6-7]。前一種方法主要通過(guò)開(kāi)關(guān)的重合閘和延時(shí)隔離故障，適用于以架空線路為主的農(nóng)村配電網(wǎng)；第二種方法通過(guò)開(kāi)關(guān)間的相互通信實(shí)現(xiàn)故障定位和隔離，適用于以電纜為主的城市配電網(wǎng)。這是因?yàn)槌鞘信潆娋W(wǎng)以電纜為主，不宜進(jìn)行重合閘。而且城市配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較完善，有利于智能開(kāi)關(guān)間的通信。

隨著電網(wǎng)對(duì)可靠性要求的不斷提高，在最短時(shí)間和最小范圍內(nèi)隔離故障就顯得更加重要。跟集中式故障處理方式相比，分布式能在更短的時(shí)間內(nèi)隔離故障，并可解決在集中控制模式下主站故障可能造成全系統(tǒng)開(kāi)關(guān)失控的問(wèn)題[8-9]。而且隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的速度和可靠性不斷提高，分布式故障處理模式具有很大的發(fā)展?jié)摿10-11]。

本文針對(duì)基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法存在的問(wèn)題，提出了一種基于區(qū)域電流模型的分布式故障定位與隔離方法，并設(shè)計(jì)了拒動(dòng)和通信后備保護(hù)。

1 區(qū)域電流模型

1.1 模型的基本定義

如圖1所示的配電網(wǎng)絡(luò)，其中S1、S2為電源，DG為分布式電源，K1～K10為斷路器。如果一條線路上的開(kāi)關(guān)A與B之間沒(méi)有其他開(kāi)關(guān), 則A、B互為相鄰開(kāi)關(guān)，如圖1中K3和K4。由一組相鄰開(kāi)關(guān)圍成的線路稱為一個(gè)區(qū)域(區(qū)域的所有進(jìn)線或出線上都應(yīng)有開(kāi)關(guān))，這些相鄰開(kāi)關(guān)稱為該區(qū)域的端點(diǎn)，該區(qū)域?yàn)槎它c(diǎn)的相鄰區(qū)域。如圖1中區(qū)域①的端點(diǎn)為K3、K4、K5；K5的相鄰區(qū)域?yàn)閰^(qū)域①和區(qū)域②。

圖1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

如果開(kāi)關(guān)兩側(cè)都有相鄰區(qū)域，則為普通開(kāi)關(guān)，如圖1中的K5；若開(kāi)關(guān)與電源相連的一側(cè)線路上無(wú)其余開(kāi)關(guān)，則為電源開(kāi)關(guān)，如圖1中的K1；若開(kāi)關(guān)一側(cè)所連線路上無(wú)其余開(kāi)關(guān)，則稱此開(kāi)關(guān)為末梢開(kāi)關(guān)，如圖1中的K6。

將一個(gè)區(qū)域的所有端點(diǎn)定義為一個(gè)開(kāi)關(guān)組，一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)組。對(duì)于普通開(kāi)關(guān)，有兩個(gè)開(kāi)關(guān)組與其相鄰；對(duì)于電源開(kāi)關(guān)或末梢開(kāi)關(guān)，一般只有一個(gè)開(kāi)關(guān)組與其相鄰。

1.2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表的定義

為每個(gè)開(kāi)關(guān)定義一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，如表1為K5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，其中記錄了與K5相鄰的兩個(gè)開(kāi)關(guān)組內(nèi)的所有開(kāi)關(guān)號(hào)，分為開(kāi)關(guān)組1和開(kāi)關(guān)組2，分別對(duì)應(yīng)其相鄰區(qū)域①、②。

表1中的關(guān)聯(lián)方向是通過(guò)參考方向定義的。如圖1中開(kāi)關(guān)下方的箭頭即開(kāi)關(guān)的參考方向。參考方向的選取無(wú)要求，但規(guī)定電源開(kāi)關(guān)的參考方向始終由電源指向負(fù)荷。關(guān)聯(lián)方向的定義如下：開(kāi)關(guān)的參考方向指向某區(qū)域則此開(kāi)關(guān)在該區(qū)域開(kāi)關(guān)組中的關(guān)聯(lián)方向記為1；背離該區(qū)域則記為-1。

表1中的電流狀態(tài)值的定義為：系統(tǒng)中發(fā)生故障后，開(kāi)關(guān)n檢測(cè)流過(guò)自身的電流in，若方向與參考方向相同記為in；相反記為-in；若未檢測(cè)到電流記為0。以有功潮流方向作為電流方向的判定依據(jù)。

表1中的狀態(tài)值是通過(guò)將關(guān)聯(lián)方向和對(duì)應(yīng)的電流狀態(tài)值相乘得到的，用Sn表示。當(dāng)Sn=in表示開(kāi)關(guān)檢測(cè)到故障電流，且方向?yàn)榱魅氡緟^(qū)域；Sn= -in表示檢測(cè)到故障電流，方向?yàn)榱鞒霰緟^(qū)域；Sn=0表示未檢測(cè)到故障電流。

表1 開(kāi)關(guān)K5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

1.3 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表的設(shè)置

開(kāi)關(guān)狀態(tài)表中的開(kāi)關(guān)組、關(guān)聯(lián)方向由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，由工作人員事先錄入。當(dāng)故障發(fā)生后，檢測(cè)到故障電流的開(kāi)關(guān)向其相鄰開(kāi)關(guān)發(fā)送電流狀態(tài)值及故障發(fā)生信號(hào)，定義此類開(kāi)關(guān)為主動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)于未檢測(cè)到故障電流的開(kāi)關(guān)，如果收到相鄰開(kāi)關(guān)的故障發(fā)生信號(hào)，則立即記錄并向所有相鄰開(kāi)關(guān)發(fā)送本開(kāi)關(guān)的電流狀態(tài)值，定義此類開(kāi)關(guān)為被動(dòng)開(kāi)關(guān)。各開(kāi)關(guān)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)獲得所有相鄰開(kāi)關(guān)的電流狀態(tài)值。最后，開(kāi)關(guān)計(jì)算得到狀態(tài)值，作為故障定位的依據(jù)。

2 故障定位與隔離

2.1 傳統(tǒng)分布式配網(wǎng)故障定位原理

傳統(tǒng)的基于區(qū)域定位的分布式配網(wǎng)的故障定位原理：對(duì)于一個(gè)配電區(qū)域，若其端點(diǎn)檢測(cè)的故障電流方向都指向該區(qū)域內(nèi)部，則故障發(fā)生在該區(qū)域；若某一個(gè)端點(diǎn)上報(bào)的故障電流方向指向該區(qū)域外部，則認(rèn)為該區(qū)域沒(méi)有故障。在大多數(shù)情況下此原理是有效的，但在某些情況下其可能失效。

以圖1配電網(wǎng)絡(luò)為例，當(dāng)同時(shí)發(fā)生f1、f2兩處故障時(shí)，區(qū)域①的端點(diǎn)K4檢測(cè)到流出區(qū)域①的故障電流。根據(jù)傳統(tǒng)故障定位原理，區(qū)域①檢測(cè)到了一個(gè)流出區(qū)域的故障電流(K5的故障電流i5)，判斷為該區(qū)域內(nèi)無(wú)故障。所以在這種情況下傳統(tǒng)分布式配網(wǎng)的故障定位原理失效。

2.2 分布式配網(wǎng)故障定位原理的改進(jìn)

下面對(duì)故障定位原理進(jìn)行改進(jìn)。以一個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)基爾霍夫電流定律，開(kāi)關(guān)可通過(guò)下列原則進(jìn)行定位。

(1)普通開(kāi)關(guān)：分別將兩組狀態(tài)值相加，兩個(gè)區(qū)域中計(jì)算結(jié)果不為0的區(qū)域?yàn)楣收蠀^(qū)域。兩組中只要有一組計(jì)算結(jié)果不等于0，則開(kāi)關(guān)為故障區(qū)域端點(diǎn)。在理想情況下判斷值為0，而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)具體情況設(shè)定判斷值。

(2)電源開(kāi)關(guān)：對(duì)于有相鄰開(kāi)關(guān)的一側(cè)按(1)處理；對(duì)于另一側(cè)，當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到故障電流且方向與參考方向相反時(shí)，開(kāi)關(guān)為故障區(qū)域端點(diǎn)，電源與開(kāi)關(guān)之間是故障區(qū)域。

(3)末梢開(kāi)關(guān)：對(duì)于有相鄰開(kāi)關(guān)的一側(cè)按(1)處理；對(duì)于另一側(cè)，當(dāng)檢測(cè)到故障電流時(shí)，開(kāi)關(guān)為故障區(qū)域端點(diǎn)，故障區(qū)域?yàn)殚_(kāi)關(guān)無(wú)相鄰開(kāi)關(guān)的一側(cè)。

2.3 分布式配網(wǎng)故障隔離

把故障區(qū)域的端點(diǎn)開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)稱為故障區(qū)開(kāi)關(guān)。在故障定位完成后，故障區(qū)開(kāi)關(guān)中的主動(dòng)開(kāi)關(guān)立即分閘。

以圖1配電網(wǎng)絡(luò)為例，當(dāng)圖中同時(shí)發(fā)生f1、f2兩處故障時(shí)，各開(kāi)關(guān)間進(jìn)行通信后獲得相鄰開(kāi)關(guān)的狀態(tài)值。由表1可知，對(duì)于普通開(kāi)關(guān)K5，其開(kāi)關(guān)組1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)值之和為i3+i4-i5，因?yàn)閒1處有故障電流，所以和不為0，則K5為故障區(qū)開(kāi)關(guān)，相鄰區(qū)域①為故障區(qū)域。開(kāi)關(guān)組2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)值和為i5+0+i8，和不為0，則K5為故障區(qū)開(kāi)關(guān)，相鄰區(qū)域②為故障區(qū)域。同時(shí)，因K5檢測(cè)到故障電流流過(guò)，故其為主動(dòng)開(kāi)關(guān)，則K5立即分閘。同理，K3、K4和K8經(jīng)過(guò)判斷后立即分閘。K3、K4、K5和K8分閘后將故障隔離。

對(duì)于末梢開(kāi)關(guān)K6，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)值之和i5+0+i8不為0，故判斷自身為故障區(qū)開(kāi)關(guān)，相鄰區(qū)域②為故障區(qū)域，但因其為被動(dòng)開(kāi)關(guān)，故不動(dòng)作。

對(duì)于電源開(kāi)關(guān)K1，其故障電流方向與參考方向相同，故電源側(cè)無(wú)故障。而開(kāi)關(guān)狀態(tài)值之和i1+i2-i3為0，故K1不是故障區(qū)開(kāi)關(guān)，相鄰區(qū)域內(nèi)無(wú)故障，故不動(dòng)作。

3 拒動(dòng)后備保護(hù)

下面對(duì)拒動(dòng)后備保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在故障定位完成后，如果開(kāi)關(guān)n為故障區(qū)開(kāi)關(guān)，則向它的非故障開(kāi)關(guān)組的所有相鄰開(kāi)關(guān)發(fā)送拒動(dòng)備用信號(hào)BRn=1；如果開(kāi)關(guān)n為非故障區(qū)開(kāi)關(guān)，則向其所有相鄰開(kāi)關(guān)發(fā)送拒動(dòng)備用信號(hào)BRn=0。如果開(kāi)關(guān)n與相鄰開(kāi)關(guān)m失去聯(lián)系未收到BRm值，則將BRm置1。

被動(dòng)開(kāi)關(guān)始終保持不動(dòng)作；主動(dòng)開(kāi)關(guān)在收到所有相鄰開(kāi)關(guān)的BRn后，通過(guò)式(1)進(jìn)行判斷。

Bn=BR1‖BR2‖…‖BRm

(1)

式中Bn為開(kāi)關(guān)n的拒動(dòng)備用動(dòng)作值；BRm為開(kāi)關(guān)n的相鄰開(kāi)關(guān)m的拒動(dòng)備用信號(hào)(m>0，m≠n)。如果Bn=1且檢測(cè)到故障電流則開(kāi)關(guān)n進(jìn)入拒動(dòng)后備狀態(tài)；若為0則不進(jìn)入。進(jìn)入拒動(dòng)后備狀態(tài)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作原則如下：

(1)延時(shí)T1分閘，并保證在T1內(nèi)故障區(qū)開(kāi)關(guān)能夠完成分閘。

(2)當(dāng)延時(shí)T1時(shí)間到，如果開(kāi)關(guān)仍檢測(cè)到故障電流則分閘；如果未檢測(cè)到故障電流則不動(dòng)作。

(3)對(duì)于將某個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)的備用信號(hào)值置1的開(kāi)關(guān)，此類開(kāi)關(guān)的延時(shí)時(shí)間為T(mén)2，且T2>T1。

按照以上原則判斷后，拒動(dòng)后備為距離拒動(dòng)開(kāi)關(guān)最近的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)將故障在小范圍內(nèi)隔離。同時(shí)，在整個(gè)后備保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程中，即使出現(xiàn)通信故障，開(kāi)關(guān)仍能通過(guò)延時(shí)T2將故障隔離。

4 通信后備保護(hù)

4.1 通信備用表

通信后備保護(hù)用于在某個(gè)開(kāi)關(guān)無(wú)法與其他開(kāi)關(guān)進(jìn)行通信的情況下確保各開(kāi)關(guān)能進(jìn)行故障定位及隔離。為了通信后備保護(hù)，工作人員需要為每個(gè)開(kāi)關(guān)建立一個(gè)通信備用表。如圖2所示的配電網(wǎng)絡(luò)，其中S1、S2為電源，DG為分布式電源，K1～K10為斷路器開(kāi)關(guān)。K4的通信備用表如表2所示。開(kāi)關(guān)組1、2分別對(duì)應(yīng)K5的相鄰區(qū)域②、③。

圖2 配電網(wǎng)的區(qū)域劃分圖

相鄰開(kāi)關(guān)組相鄰開(kāi)關(guān)備用1備用2開(kāi)關(guān)組1K3K1K2開(kāi)關(guān)組1K5K6K8開(kāi)關(guān)組2K7K8K9

由圖2和表2可知，K4有兩個(gè)開(kāi)關(guān)組，其中開(kāi)關(guān)組1有兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)K3和K5。K3另一側(cè)的開(kāi)關(guān)組中的相鄰開(kāi)關(guān)為K1和K2，則對(duì)K4來(lái)說(shuō)，K1和K2即是K3的通信備用。同理，對(duì)K4來(lái)說(shuō)，K6和K8為K5的通信備用。

4.2 通信后備保護(hù)的動(dòng)作原則

當(dāng)開(kāi)關(guān)接收不到某一個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，各個(gè)開(kāi)關(guān)的具體動(dòng)作原則如下：

(1)普通開(kāi)關(guān)，對(duì)這個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)的所有通信備用開(kāi)關(guān)發(fā)送讀取請(qǐng)求信號(hào)。如果仍不能完全接收到通信備用開(kāi)關(guān)的電流狀態(tài)值，若為被動(dòng)開(kāi)關(guān)則不動(dòng)作；若為主動(dòng)開(kāi)關(guān)則進(jìn)入通信后備狀態(tài)。如果主動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)另一區(qū)域判斷自身為故障區(qū)開(kāi)關(guān)或拒動(dòng)后備開(kāi)關(guān)則解除通信后備狀態(tài)。

(2)電源開(kāi)關(guān)，如果為主動(dòng)開(kāi)關(guān)，且其故障電流方向與參考反向相反(即流向電源)則立即動(dòng)作分閘； 如果故障電流方向與

參考反向相同則按(1)處理。

(3)末梢開(kāi)關(guān)，如果為主動(dòng)開(kāi)關(guān)則分閘；如果為被動(dòng)開(kāi)關(guān)則按(1)處理。

(4)進(jìn)入通信后備狀態(tài)的開(kāi)關(guān)延時(shí)T3時(shí)間。在T3內(nèi)，如果故障電流消失，則開(kāi)關(guān)不動(dòng)作；如果延時(shí)時(shí)間到仍檢測(cè)到故障，則開(kāi)關(guān)立即分閘。需要保證T3>T2，即保證拒動(dòng)后備開(kāi)關(guān)能夠完成分閘。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)傳統(tǒng)的基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的問(wèn)題，本文提出了基于區(qū)域電流模型的故障定位方法。該方法能對(duì)復(fù)雜配網(wǎng)的多重故障進(jìn)行定位及在最小范圍內(nèi)的隔離，且其不受運(yùn)行方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，并與開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)無(wú)關(guān)，具有廣泛適用性。

(2)設(shè)計(jì)了拒動(dòng)后備保護(hù)方案，通過(guò)開(kāi)關(guān)間的通信，保證系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)出現(xiàn)拒動(dòng)的情況下仍能將故障隔離。并且在整個(gè)拒動(dòng)保護(hù)過(guò)程中，即使出現(xiàn)通信故障，后備保護(hù)仍能通過(guò)延時(shí)方法將故障隔離。

(3)設(shè)計(jì)了通信后備保護(hù)方案，通過(guò)建立通信備用表并使用區(qū)域融合法，保證當(dāng)少量開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)也能進(jìn)行故障定位與隔離。并且通過(guò)延時(shí)方法保證即使在出現(xiàn)多重通信故障的情況下，系統(tǒng)仍能將故障隔離。

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A Distribution-based Fault Location and Isolation Method for Distribution Networks Based on the Region Current Model

Yu Jingzhe

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.013

TM764.1

A

1000-3886(2017)03-0039-03

定稿日期: 2017-01-17

于競(jìng)哲(1991- )，男，河北唐山人，碩士生，研究方向：配電系統(tǒng)故障處理自動(dòng)化技術(shù)。