王澤洋

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)配網(wǎng)故障定位方法存在操作復(fù)雜度高、配置設(shè)備成本投入高和故障定位效果差的問(wèn)題，文章對(duì)基于故障指示器的配網(wǎng)故障定位方法進(jìn)行了研究，該方法引入電網(wǎng)有向圖思想，利用主站接收到的故障指示器動(dòng)作信號(hào)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)與支路關(guān)聯(lián)矩陣，將關(guān)聯(lián)矩陣與電網(wǎng)有向圖中的電流向量進(jìn)行乘法運(yùn)算得到故障判斷結(jié)果，通過(guò)結(jié)果數(shù)據(jù)分析可精準(zhǔn)定位故障所在區(qū)段。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用仿真，配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位方法可準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點(diǎn)，具有廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)故障定位;故障指示器;電網(wǎng)有向圖

0引言

配電網(wǎng)是電能輸送到用戶的重要通道，與電力用戶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活密不可分，因此配電網(wǎng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到用戶的用電質(zhì)量，配網(wǎng)正成為我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的核心環(huán)節(jié)。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市和人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，配網(wǎng)正從過(guò)去單一的供電側(cè)末端網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為具有的多個(gè)分布式電源的復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致配電網(wǎng)內(nèi)的各種保護(hù)與控制設(shè)備無(wú)法做到準(zhǔn)確整定，造成了配電網(wǎng)故障時(shí)無(wú)法精準(zhǔn)定位故障發(fā)生位置，為故障的切斷與維修帶來(lái)難題。

因此，如何精準(zhǔn)定位配網(wǎng)故障發(fā)生位置成為電網(wǎng)研究的熱門課題，目前在配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)過(guò)程中，主要通過(guò)智能饋線終端進(jìn)行信號(hào)遙測(cè)來(lái)確定配網(wǎng)故障發(fā)生位置，但上述方法中不僅智能饋線終端造價(jià)昂貴不利于廣泛應(yīng)用，同時(shí)該方法還存在故障定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和定位精度較低的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將利用故障指示器與電網(wǎng)有向圖相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，以期為配網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1故障指示器概述

故障指示器（FI）研發(fā)于二十世紀(jì)八十年代的德國(guó)，主要用于電力線路中指示故障電流，通過(guò)指示的方式，幫助電網(wǎng)工作人員查找故障，減少故障巡線的查找時(shí)間。根據(jù)配網(wǎng)接線方式可將配網(wǎng)故障指示器類型分為：架空線路故障指示器、架空線路故障指示器和面板型故障指示器。通常情況下，故障指示器由探頭和故障集中器組成，架空線路故障指示器懸掛安裝于架空線路，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，探頭檢測(cè)到故障時(shí)，通過(guò)探頭上的無(wú)線發(fā)射裝置將故障信號(hào)發(fā)送到故障集中器中，故障信息通過(guò)故障集中器遠(yuǎn)程傳輸至主站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電纜線路故障指示器通常安裝于配網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜，其工作原理及構(gòu)造與架空線故障指示器類似，將探頭卡在電纜線路上進(jìn)行電壓、電流的檢測(cè)，并直接通過(guò)通信接口進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)，電纜線路故障指示器通常利用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸。面板型故障指示器與上述兩種故障指示器的組成以及工作方式都不同，通常情況下面板型故障指示器由主機(jī)和傳感器兩部分組成，安裝于配網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜、電力分支箱和箱式變壓器上，上述主機(jī)具有和故障指示器功能相對(duì)應(yīng)的操作界面，可實(shí)現(xiàn)自檢、測(cè)試、復(fù)位以及故障定位操作。

2 ?基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位研究

2.1電網(wǎng)有向圖概述

在工程應(yīng)用中，所有的應(yīng)用圖都可用點(diǎn)和線組成的集合進(jìn)行表示，其中點(diǎn)用來(lái)表示有形或無(wú)形的事物，而線用來(lái)表示各事物之間的聯(lián)系。在進(jìn)行應(yīng)用圖的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究時(shí)，用樹(shù)表示其中支路和頂點(diǎn)的集合，而有向圖是指帶有方向信息的節(jié)點(diǎn)以及支路的集合，即帶有方向信息的樹(shù)就是有向圖，每個(gè)應(yīng)用圖的樹(shù)并不是只有一種選擇，只要樹(shù)包含應(yīng)用圖中的所有頂點(diǎn)即可，通常情況下若應(yīng)用圖中包含m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則其樹(shù)中包含m-1條支路。

配網(wǎng)電路也可用上述有向圖進(jìn)行表述，通過(guò)節(jié)點(diǎn)和支路抽象的表現(xiàn)了與原電網(wǎng)絡(luò)具有相同的連接方式的幾何圖形，突出了電路的結(jié)構(gòu)特征。某簡(jiǎn)單電路的電路圖如圖1所示。

如圖1所示，某簡(jiǎn)單電路中包含4個(gè)電路節(jié)點(diǎn)和5條電路支路，每條支路上都包含兩端型電力元件，為突出該電路的線路結(jié)構(gòu)，將該電路圖進(jìn)行有向圖轉(zhuǎn)換后可去除每條支路中的電力元件得到該電路的應(yīng)用圖，某簡(jiǎn)單電路的應(yīng)用圖如圖2所示。

如圖2所示，在該應(yīng)用圖中選取節(jié)點(diǎn)2作為有向圖樹(shù)的頂點(diǎn)進(jìn)行有向圖構(gòu)造，某簡(jiǎn)單電路有向圖樹(shù)如圖3所示。

上式1中，aij表示節(jié)點(diǎn)i與支路j的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)支路j從節(jié)點(diǎn)i流出則aij取值-1;當(dāng)支路j從節(jié)點(diǎn)i流入則aij取值1;當(dāng)支路j與節(jié)點(diǎn)i物管則aij取值0。

2.2基于故障指示器的配網(wǎng)故障定位原理

根據(jù)上文可知，每個(gè)電路有向圖都有與之相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣A，該矩陣維數(shù)為m×b，其中b表示有向圖中包含的支路數(shù)。本文研究中，為使上述關(guān)聯(lián)矩陣中各行元素相互獨(dú)立，將在有向圖中選取參考節(jié)點(diǎn)對(duì)管理矩陣進(jìn)行降維處理記為A。某實(shí)驗(yàn)電路有向圖如圖4所示，

若上述實(shí)驗(yàn)電路發(fā)生短路故障，故障點(diǎn)將通過(guò)電源點(diǎn)與大地形成通路，為在有向圖中描述這種變化，將在各節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間增加短路支路，短路后實(shí)驗(yàn)電路的有向圖如圖5所示。

上式（4）中i表示短路故障發(fā)生前各支路電流，ic表示故障支路電流。若故障電流為0，該式即為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的支路電流方程;若系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，該式即為含短路通路的支路電流方程。

2.3配網(wǎng)故障定位容錯(cuò)機(jī)制

分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，電流己不再單一的由樹(shù)根電源點(diǎn)單向流往負(fù)荷。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，除了樹(shù)根處的電源向故障點(diǎn)提供短路電流外，分布式電源也可能向故障點(diǎn)輸出短路電流，因此從有向圖的角度上看，有向圖中邊的方向己不能確定。但配電網(wǎng)中分布式電源通常為逆變型，所提供的短路電流比較小，可能難以觸發(fā)故障指示器動(dòng)作，為此在研究有分布式電源的配網(wǎng)時(shí)，要進(jìn)行容錯(cuò)分析，即觸發(fā)故障指示器動(dòng)作的短路電流中必定有很大一部分來(lái)自樹(shù)根處的電源點(diǎn)，從樹(shù)根到故障點(diǎn)的路徑必是唯一的，故可假定故障處的短路電流全部由樹(shù)根電源點(diǎn)提供，并以此為電流參考方向。當(dāng)故障指示器動(dòng)作，且檢測(cè)到的故障電流方向與參考方向一致時(shí)，故障指示器判斷后上傳動(dòng)作信息，并設(shè)該線路的電流值為1;當(dāng)故障指示器動(dòng)作但檢測(cè)到的故障電流方向與參考方向相反或故障指示器不觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，不上傳動(dòng)作信息，則設(shè)此時(shí)該線路的電流值為0。

2.4故障定位流程

根據(jù)上文分析可知，基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位流程步驟為：

1）故障指示器檢測(cè)到故障信號(hào)觸發(fā)指示器動(dòng)作，故障指示器將動(dòng)作信息遠(yuǎn)程上報(bào)給配網(wǎng)調(diào)度中心。

2）配網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)收集的故障指示器動(dòng)作信息進(jìn)行基本定位處理，求解計(jì)算出故障的基本區(qū)段。

3）調(diào)度中心的控制程序通過(guò)識(shí)別基本區(qū)段，包括正常運(yùn)行在內(nèi)的多種線路運(yùn)行情況，并對(duì)其進(jìn)行容錯(cuò)性分析。

4）通過(guò)容錯(cuò)分析，計(jì)算出重合度最高的故障電流向量，因而最終確定概率最高的配電網(wǎng)運(yùn)行倩況。

5）根據(jù)結(jié)果分析，若線路處于正常運(yùn)行狀態(tài)，則定位程序再次回到休眠狀態(tài)，直到下次接收到故障指示器觸發(fā)動(dòng)作信號(hào);若線路有故障情況，將精確故障區(qū)段發(fā)送給工作人員。

3 ?應(yīng)用仿真

為驗(yàn)證上述研究的故障定位方法的可靠性，通過(guò)對(duì)含有光伏發(fā)電的配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了方法應(yīng)用仿真。含分布式電源的故障仿真如圖7所示。

上圖所示的配網(wǎng)中包含19個(gè)故障指示器，分別安裝于配網(wǎng)各處，在FI15與FI16之間裝有光伏發(fā)電裝置，因該裝置發(fā)電功率較大，因此在發(fā)生配網(wǎng)故障時(shí)可觸發(fā)故障指示器動(dòng)作。模擬故障發(fā)生在FI10以及FI7后段，配網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)故障指示器動(dòng)作信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1所示結(jié)果，當(dāng)故障發(fā)生過(guò)后，編號(hào)1-7、9和10號(hào)故障指示器發(fā)出正向動(dòng)作信息，編號(hào)12、13和15號(hào)故障指示器發(fā)出反向動(dòng)作信息，再結(jié)合故障電流ic的取值可準(zhǔn)確判斷出配電網(wǎng)的FI10以及FI7后段發(fā)生故障，準(zhǔn)確定位了配網(wǎng)故障發(fā)生位置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位方法，該方法引入了電網(wǎng)有向圖思想，并結(jié)合配網(wǎng)故障定位容錯(cuò)機(jī)制能夠有效去除常規(guī)故障指示器誤動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，有效減少了故障定位時(shí)間，避免了配網(wǎng)故障造成重大的財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，為電網(wǎng)的智能發(fā)展提供了技術(shù)支持。

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