高宏宇，王巖，喬建

(1. 東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132012)

0 引 言

故障指示器在整個(gè)系統(tǒng)中所扮演的角色是最基礎(chǔ)的控制采集單元的角色。這個(gè)測(cè)控單元的性能指標(biāo)主要包括數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)采集可靠性和數(shù)據(jù)類型[1]。這些指標(biāo)直接對(duì)于配網(wǎng)自動(dòng)化有著巨大的影響。故障指示器具有很多功能，但在故障定位方面，主要用到的功能包括四個(gè)方面:遠(yuǎn)程通信、遙測(cè)、遙信和遙控。首先是遙信功能，這種功能實(shí)際上就是對(duì)各種信息的采集，如元件電源是否正常、通信是不是流暢以及開(kāi)關(guān)位置等[2-5]；對(duì)于遙測(cè)功能，主要完成的是對(duì)于正常運(yùn)行以及故障時(shí)各種電量信號(hào)的采集；對(duì)于遙控功能，即從遠(yuǎn)方進(jìn)行控制，因此要求可以接受從遠(yuǎn)處控制中心傳來(lái)的命令，從而在遠(yuǎn)方就能控制啟動(dòng)以及開(kāi)關(guān)的閉合；對(duì)于遠(yuǎn)程通信功能，在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)就要求其能夠?qū)收锨昂箅娋W(wǎng)中的一些電量信息進(jìn)行上傳和監(jiān)控[6-8]。故障指示器的廣泛使用為配網(wǎng)單向接地故障定位帶來(lái)了很大的方便。本文以故障指示器為基礎(chǔ)，結(jié)合零序電流能量和矩陣算法實(shí)現(xiàn)了故障的準(zhǔn)確定位。

1 基于故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)

圖1為在配電網(wǎng)中裝有故障指示器的線路，這些故障指示器分別安裝在固定距離的開(kāi)關(guān)柱上，對(duì)于這些開(kāi)關(guān)柱上的電量如電流、電壓、功率方向和各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)等都有信息采集功能。在采集完這些信息后，會(huì)將信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到自動(dòng)控制主站。

圖1 安裝故障指示器的配電線路

除此之外，還可以經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)接受到主站傳來(lái)的指令，進(jìn)行一些倒閘等的操作。綜上所述，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，這些故障信息可以利用故障指示器進(jìn)行采集，再將采集到的信息經(jīng)通信系統(tǒng)上傳至控制主站，然后通過(guò)主站的分析，確定出發(fā)生故障的區(qū)段，最后通過(guò)遙控倒閘的操作實(shí)現(xiàn)故障隔離。

2 基于故障指示器故障定位的矩陣算法

以故障指示器為基礎(chǔ)，在饋線自動(dòng)化技術(shù)中，應(yīng)用于故障區(qū)段定位中的的矩陣算法就是將故障之后以及故障之前的信息通過(guò)故障指示器的通信通道，上傳到主站的控制中心。之后，再通過(guò)控制中心對(duì)這些信息進(jìn)行矩陣運(yùn)算，從而得到故障區(qū)間的過(guò)程。在故障區(qū)段定位應(yīng)用的算法中，使用的矩陣算法是通用算法，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

起初，對(duì)于任何一個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)，都可以針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成一個(gè)矩陣，這個(gè)矩陣稱之為網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。如果這個(gè)配電網(wǎng)的系統(tǒng)發(fā)生了故障，由該系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的故障指示器檢測(cè)到的信息，將信息向主站上傳，形成一個(gè)新矩陣，即故障信息矩陣G。之后將前面得到的兩個(gè)矩陣進(jìn)行乘法處理，這樣就可以得到一個(gè)新的矩陣。但通過(guò)這個(gè)矩陣還不能直接找出故障區(qū)間，對(duì)于這個(gè)矩陣進(jìn)行所謂的格式化處理之后，就可以得到進(jìn)行故障區(qū)間判定時(shí)要用的矩陣，稱之為故障判斷矩陣P。對(duì)這個(gè)得到的矩陣P內(nèi)元素進(jìn)行分析，就可以知道發(fā)生故障的位置在哪兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。

下面對(duì)于該算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。首先找到一個(gè)具有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)單的饋線網(wǎng)絡(luò)

對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編號(hào)，參與編號(hào)的節(jié)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的斷路器以及開(kāi)關(guān)柱上的故障指示器。圖2所示的網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)數(shù)6個(gè)，因此這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以列出一個(gè)6×6階的方陣。如果節(jié)點(diǎn)i以及節(jié)點(diǎn)j中間存在線路上的直接聯(lián)系，也就是說(shuō)這兩個(gè)點(diǎn)是所謂的臨近點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候?qū)τ谠趇行i列或是在j行j列的數(shù)值設(shè)定成1，之后把這個(gè)矩陣的其他的數(shù)值設(shè)定成0。這樣就形成了前面所說(shuō)的可以反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣，即網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。

(1)

利用相似的形成方法，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里形成的故障信息矩陣G也同樣為6×6階的矩陣。本文使用對(duì)于故障的判定標(biāo)準(zhǔn)為:在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障指示器處預(yù)定一個(gè)故障信息比較值，這里取零序電流能量。故障出現(xiàn)之后，如果說(shuō)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)i上的故障指示器的零序電流能量值的計(jì)算值大于這個(gè)使用的整定值，那么就會(huì)把所要形成的這個(gè)矩陣的i行i列的元素設(shè)定為0。反之把位于i行i列的元素設(shè)定為1。對(duì)于其他元素，都將數(shù)值設(shè)定為0。根據(jù)前面所分析的網(wǎng)絡(luò)的矩陣形成方式，可以結(jié)合故障出現(xiàn)的位置，得到故障信息矩陣，即：

(2)

在前面的兩個(gè)方陣都形成之后，可以把這兩個(gè)方陣作乘法處理。之后對(duì)于這個(gè)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行所謂的規(guī)格化。通過(guò)上面的運(yùn)算之后就得到所需要的矩陣，即最終的方陣P。

P=g(D×G)

(3)

式中：D為網(wǎng)絡(luò)描述矩陣;G為故障信息矩陣。在這里，要具體的介紹一下規(guī)格化的操作，該方法的描述如下：對(duì)于前面所列出的方陣D中各值dmj，dnj,…,dkj=1。由于矩陣G中的固定一個(gè)值gjj也為1，并且gmm,gnn,…,gkk這些值里面為0的數(shù)字大于等于2，因此把D×G矩陣?yán)锩娴膉行j列的元素進(jìn)行了格式化運(yùn)算，也就是把在j行j列的所有元素設(shè)定為0。如果有些元素不符合上面的兩個(gè)條件，則這些元素的值不發(fā)生變化。由上面的網(wǎng)絡(luò)圖的具體的故障區(qū)段情況，可以得到如下矩陣，即故障判斷矩陣P。

(4)

之后就可以判定發(fā)生故障時(shí)故障點(diǎn)所位于整條線路的區(qū)間了。具體方法可以由前面給出的故障判斷矩陣看出來(lái)，在矩陣P中，如果對(duì)于矩陣P中某個(gè)元素pij∧pji=1，那么位于節(jié)點(diǎn)i以及節(jié)點(diǎn)j之間的這個(gè)區(qū)間發(fā)生了故障。對(duì)于上面例子可以由P矩陣看出來(lái)對(duì)于元素p34∧p43=1，則故障位于節(jié)點(diǎn)3以及節(jié)點(diǎn)4之間。

3 仿真驗(yàn)證

該系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，電壓等級(jí)為6 kV，這里對(duì)于仿真過(guò)程中線路參數(shù)的設(shè)定如下：R1=0.012 64 Ω/km、R0=0.375 4 Ω/km；L1=0.935 6 mH/km,L0=4.124 2 mH/km；C1=12.81 μF/km,C0=7.749 μF/km。對(duì)于消弧線圈，在這里設(shè)置L=1.5 H、R=30 Ω。對(duì)于線路負(fù)載，這里使用的是三相串聯(lián)RLC模塊，將系統(tǒng)的各個(gè)有功負(fù)荷設(shè)置為10 MW。

模型中共3條6 kV輸電線路，均采用π型等效電路模型，其中故障線路為線路3。在故障線路上設(shè)置四個(gè)故障指示器，故障點(diǎn)位于故障指示器2和故障指示器3之間。將三相電壓電流測(cè)量模塊作為故障指示器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)前后零序電流信號(hào)的測(cè)量。將故障指示器檢測(cè)到的A、B、C三相線路的故障電流引出，通過(guò)加法器相加，得到三倍的零序電流，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

系統(tǒng)模型中，仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為0.2 s，故障時(shí)刻0.045 s，當(dāng)線路3出現(xiàn)某一相的故障時(shí)，檢測(cè)到的系統(tǒng)發(fā)生接地的線路三倍零序電流值如圖3所示。

圖3中:第一個(gè)波形圖為系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地時(shí)故障點(diǎn)前后故障指示器所檢測(cè)到的三倍零序電流波形；第二個(gè)波形圖為系統(tǒng)發(fā)生非金屬性接地時(shí)，設(shè)置過(guò)渡電阻2 000 Ω，故障點(diǎn)前后故障指示器所檢測(cè)到的三倍零序電流波形。當(dāng)故障發(fā)生前系統(tǒng)中零序電流為零，在系統(tǒng)發(fā)生故障之后系統(tǒng)中開(kāi)始出現(xiàn)零序電流，并且此時(shí)的零序電流中含有大量的奇次諧波。隨著時(shí)間的推移諧波快速衰減，故障狀態(tài)過(guò)渡到了穩(wěn)態(tài)。由于故障發(fā)生在故障指示器2和故障指示器3之間，因此這里將故障指示器2與故障指示器3檢測(cè)到的零序電流波形進(jìn)行對(duì)比。很明顯，當(dāng)線路發(fā)生故障后，故障點(diǎn)前后故障指示器檢測(cè)到的零序電流幅值具有十分明顯的變化，且該方法同時(shí)適用于金屬性接地與非金屬性接地。

圖3 系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障零序電流波形圖

對(duì)故障線路各個(gè)故障指示器檢測(cè)到的零序電流進(jìn)行采樣分析，利用離散形式下的電流能量計(jì)算公式，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的零序電流能量值。為驗(yàn)證該區(qū)段定位方法的有效性，將在故障距離和過(guò)渡電阻方面考慮不同種影響因素，并對(duì)影響因素進(jìn)行仿真。

(1)當(dāng)故障距離為3 km時(shí)，故障位置位于故障指示器1與故障指示器2之間，故障區(qū)段定位仿真結(jié)果如表1所示。

表1 故障區(qū)段定位仿真結(jié)果

(2)當(dāng)故障距離為8 km時(shí)，故障位置在故障指示器2與故障指示器3之間，故障區(qū)段定位仿真結(jié)果如表2所示。

表2 故障區(qū)段定位仿真結(jié)果

(3)當(dāng)故障距離為15 km時(shí)，故障位置在故障指示器3與故障指示器4之間，故障區(qū)段定位仿真結(jié)果如表3所示。

表3 故障區(qū)段定位仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，在基于故障指示器的區(qū)段定位方法中，以零序電流能量作為特征量，形成故障信息矩陣，可準(zhǔn)確找到故障區(qū)段，且該方法不受故障距離的影響，仿真結(jié)果充分說(shuō)明了該方法的有效性和實(shí)用性。