陶毅剛,李小偉,黎 敏,陳 楚,李镕耀

（廣西電網(wǎng)有限責任公司，廣西 西寧 810000）

1 引言

隨著社會的飛速進步以及發(fā)展，電力系統(tǒng)的運行環(huán)境日益復雜，對電力系統(tǒng)的需求也日益增加。智能電網(wǎng)的相關概念被很多國家提出，配電自動化是減少停電時間，提升電力系統(tǒng)供電可靠性的有效途徑之一。現(xiàn)階段，已經(jīng)發(fā)展為提升電網(wǎng)管理水平[1]和減少損耗的重要手段之一。最近幾年，國內配網(wǎng)自動化技術迅猛發(fā)展，部分地區(qū)已經(jīng)實施了配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)存在一定的問題。如何實現(xiàn)配電短路故障自動隔離已經(jīng)成為現(xiàn)階段研究的熱點話題。相關專家給出了一些較好的研究成果，例如孫東等人[2]首先分析了閉環(huán)運行的電纜配電環(huán)網(wǎng)一次和二次構成，獲取配電環(huán)網(wǎng)在不同位置發(fā)生短路故障時正序電流故障分量相位特征，制定對應的環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)和動態(tài)信號統(tǒng)一發(fā)送規(guī)則，組建對應的配電短路故障自動隔離策略。郭琦等人[3]重點分析了配電系統(tǒng)對于直流側發(fā)生雙極性短路等多種不同故障的隔離原理，結合控制器的工作狀態(tài)，給出對應的隔離方案。以上方法現(xiàn)階段雖然取得了十分滿意的研究成果，但是由于未考慮配電短路故障特征提取問題，導致故障自動隔離延時上升，故障自動隔離準確率下降。為此，提出一種基于置信度預測的配電短路故障自動隔離方法。仿真實驗結果表明，所提方法能夠有效增加故障自動隔離準確率，降低故障自動隔離延時。

2 方法

2.1 置信度預測

引入統(tǒng)計學的置信度概念，將其設定為界定的準確度。所謂置信度實際就是某確定集合中事件發(fā)生的概率。設定第一類的任意特征φ取值為M1；第二類對應φ的取值為M2，則M1和M2均屬于平穩(wěn)隨機過程。同時，M1和M2的均值相差較大，則認為兩者具有較高的可區(qū)分程度高，于是需要優(yōu)先將該特征φ作為進行判別的特征依據(jù)[6]。

P(M)作為特征φ取值為M點時的概率密度。對M0點，則有：

分析公式(1)可知，當M＜M0時，則認為M屬于第一類，實際上就是“M屬于類A的可能性比它屬于類B的可能性要大”。但是，有時任意一種類B要求被誤判為類B的概率應該控制在設定的范圍內[7-9]，即獲取類B對應的誤判概率a，對應的概率區(qū)間為(M2-m，m-M1)。

2.2 配電短路故障特征提取

在進行配電短路故障特征提取前，需要進行以下幾方面的假設，即：

(1)將各個樣本的特性認定為是一個平穩(wěn)隨機過程，同時各個統(tǒng)計量需要服從正態(tài)分布；

(2)不同類型樣本的檢測手段需要具有可分性；

(3)為了進行分類，需要提取足夠的特征。

在已經(jīng)提取的特征中，通常情況下會存在無法或者不利于將各類樣本進行劃分的特征數(shù)據(jù)[4-5]。為了有效刪除這些“干擾特征”，在滿足精度要求且正確分類的前提下，能夠降低特征數(shù)量，同時設定一個準則能夠剔除無用的特征。對配電短路故障進行特征提取的主要操作步驟為：

(1)根據(jù)點估計求取必要的參數(shù)，例如均值μ、方差σ等，將兩者進行對比，獲取較優(yōu)值：

組建t分布函數(shù)，即：

(2)通過“拒絕類B”的概率a來計算類B的(1-a)置信區(qū)間，具體的計算式為：

上式中，t1-α/2代表自由度為(n-1)，分位數(shù)為(1-α/2)的t分布值代表類B的特征φ的取值M的方差估計值。

(3)由m逆向求區(qū)間[M1-(M2-m-M1)]，[M1+(M2-m-M1)]上M{類A}的置信度(1-β)。

其中：

(4)對比置信度排序：

以一個特征φ為求解出置信度，假設將φ記為φ1，將置信度設定為(1-β)。重復上述操作，直到獲取其他特征的置信度，將其記為{bi}=1。根據(jù){bi}將特征繼續(xù)降序處理，表示為{Φi}，將其進行排序，同時選取置信度較大的特征設定為需要進行提取的特征。

(5)使用“加逼近”方法獲取適量的特征，同時結合置信度預測，進行配電短路故障特征提取，具體的操作流程圖如圖1所示。

圖1 配電短路故障特征提取流程圖

現(xiàn)階段，隨著智能電網(wǎng)以及通信技術的飛速發(fā)展，饋線終端單元等現(xiàn)場監(jiān)控被大量應用于配電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于包含多個DG配電網(wǎng)絡的復雜性以及對故障處理快速性的要求，采集以及處理的故障信息也并非越多越好，如果故障信息過多則會影響繼電保護的選擇性。同時，由于配電網(wǎng)線路上級聯(lián)的開關數(shù)量較多，將會出現(xiàn)多個故障同時上報的情況出現(xiàn)，所以需要有針對性的提取出配電短路故障特征。

2.3 配電短路故障自動隔離

完成配電短路故障特征提取之后，需要對其故障進行有效隔離，并且有效解決信道共享的分配問題，如果對上級子站的依賴性較強，也將會給系統(tǒng)留下一定的風險。

通過分布式進行隔離主要有兩個基本要求：

(1)采用現(xiàn)階段的通信方式，它不僅能夠滿足分布式隔離的需求，還能夠滿足電力系統(tǒng)實時保護的需求。

(2)采用有效的保護算法，確保各個開關能夠通過有效信息判定故障發(fā)生的具體位置。

通過配電網(wǎng)結構，能夠將配電網(wǎng)劃分為兩個區(qū)段：分別為：

(1)單電源供電區(qū)段；

(2)多電源供電區(qū)段。

將配電網(wǎng)中各個母線看為一個節(jié)點，同時通過母線上連接的饋線數(shù)量將配網(wǎng)中節(jié)點劃分為三類(如圖2)，分別為：

圖2 配電網(wǎng)節(jié)點分類圖

(1)二分支節(jié)點；

(2)多分支節(jié)點；

(3)末端節(jié)點。

當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，位于故障回路中的FIU將啟動對應的故障處理程序。需要針對配電短路故障進行如下假設：

(1)發(fā)生的故障是饋線上的單一故障；

(2)負荷電流對故障產(chǎn)生較小的影響。

針對故障區(qū)域短時電流的理論分析可知：

(1)假設短路故障點落在單電源供電區(qū)段的任意線路上，由短路電流的連續(xù)性可知，位于單電源供電區(qū)段中回路任意相鄰線段均能夠流過相同的短路電流，但是單電源供電區(qū)段的非短路回路中并無短路電流流過，所以只需要跳開電源端距離故障點最近的斷路器即可進行故障隔離[8]，其中位于多遠供電區(qū)段中隨機一條線路兩端的FTU裝置所采集到的故障電流大小是相等的。

(2)假設短路故障點落在多源供電區(qū)段的任意一條線路上時，由于短路點兩側的短路電流是由不同側電源提供的，導致電源容量以及線路參數(shù)之間差距較大，所以兩端FTU 檢測到的短路電流有效值是不同的，而任意一條從電源點到短路故障點的支路上流過的短路電流是連續(xù)的或者是由多個系統(tǒng)電源提供的短路電流疊加；其中位于單電源供電區(qū)段的FTU無法檢測到短路電流。

(3)如果故障點正好落在節(jié)點上，針對單電源供電的回路而言，由于短路電流具有唯一性，所以不會為故障定位以及自動隔離帶來負面影響；但是在多電源的短路回路中，需要準確劃分故障點和非故障點之間的差異性。結合相關定律可知，對非故障的母線節(jié)點而言，流經(jīng)該母線的全部電流能夠劃分兩個相等的部分；而故障的母線節(jié)點檢測到的全部電流無法劃分為相等的兩個部分。

通過上述分析可知，假設短路故障點落在單電源供電區(qū)段的任意一條線路上；則位于單電源供電區(qū)段的短路回路中的FTU首先需要向其下游節(jié)點直接連接全部的FTU，同時發(fā)送自身獲取的短路電流有效值，接收它們各自發(fā)來的短路電流有效值，將其自身短路有效值進行對比，通過對比結果判定是否發(fā)送對應的斷路器跳閘指令。

總之，通過節(jié)點以及線路對電流信息的分析對比，使其能夠做到快速準確切除故障點。

針對含有多個DG的復雜配網(wǎng)，分布式既能夠直接并網(wǎng)運行，也能夠通過微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)并網(wǎng)運行；當發(fā)生故障時，任意DG 或者多個DG 退出運行的情況是無法避免的。當DG退出運行或者重新并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)絡的拓撲結構將發(fā)生變化，不同運行方式下的故障特點存在較大的差異，所以無法使用同樣的判別原則理解DG不同運行方式下的隔離問題。

位于單側電源供電區(qū)域的FTU 在檢測到故障電流之后，非回路中的FTU啟動以及處理流程如圖3所示。

圖3 非回路中的FTU啟動以及處理流程圖

針對于單側電暈供電區(qū)段非故障回路中的FTU，由于檢測不到故障電流，所以不會啟動故障識別程序。但是為了和上端的FTU 配合，需要將該區(qū)域內FTU 在接收到上端FTU發(fā)送的故障電流有效值，同時還需要采集自身有效值，上傳至FTU，以確保上端FTU 能夠實現(xiàn)相鄰信息交換，結合故障特征提取結果，準確判斷出故障發(fā)生的具體位置，同時結合固態(tài)直流斷路器快速隔離故障區(qū)域。

位于對電源供電區(qū)段中的FTU，無論故障發(fā)生在單電源供電區(qū)段還是多電源供電區(qū)段，都能夠準確檢測到故障電流突變量啟動，所以需要通過對端FTU 以及相同節(jié)點相連的FTU之間進行信息交互以及判斷。針對多電源供電區(qū)段的故障判別流程，需要保證故障點落在單電源供電區(qū)段內，其中位于多電源供電區(qū)段的判路器不誤動；故障點落在多電源供電區(qū)段時，該區(qū)段內的相應斷路器不拒動。

當線路中的FTU裝置發(fā)生故障時，會導致故障的FTU無法和其他FTU 之間進行正常的信息交互。FTU 裝置發(fā)生故障主要分為兩種情況，分別為：

(1)無法向其他FTU發(fā)送自身的故障信息，同時只能夠接收其他FTU傳輸回來的故障信息；

(2)能夠向其他FTU發(fā)送自身的故障信息，但是無法接收其他FTU傳送回的故障信息。

當故障點落在本線路，本端FTU 能夠接收回傳的故障信息，但是無法發(fā)送自身的故障信息；本端FTU能夠正常獲取全部有效信息且不會發(fā)生誤判，但是對端FTU 以及本端FTU將會缺失本端發(fā)送的故障信息，容易造成誤判。為此，需要結合2．1小節(jié)的故障特征提取結果，獲取具體的故障位置信息，通過固態(tài)直流斷路器快速隔離故障區(qū)域，有效實現(xiàn)配電短路故障自動隔離。

3 仿真實驗

為了驗證所提基于置信度預測的配電短路故障自動隔離方法的綜合有效性，在Windows7 系統(tǒng)中2015a 版本的Matlab軟件，處理器是AMD A6-5350M APU with Radeon(tm)HD Graphics，主頻是2．90GHz，內存(RAM)是2．00GByte下進行仿真實驗測試。

(1)故障自動隔離延時/(ms)：

利用圖4給出不同方法的故障自動隔離延時對比結果：

圖4 不同方法的故障自動隔離延時對比

分析圖4中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于測試對象不同，導致各個方法的故障自動化延時也存在一定的差異。但是由于在實際研究的過程中，所提方法有效解決了故障特征提取問題，促使整個方法的隔離延時明顯低于另外兩種方法。

(2)故障自動隔離準確率/(%)：

在不同的正序故障分量相位差條件下，利用表1給出各個方法的故障自動隔離準確率對比結果：

表1 不同方法的故障自動隔離準確率對比

分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法最高的故障自動隔離準確率為99．55%；文獻[2]方法最高的故障自動隔離準確率為98．88%；文獻[3]方法最高的故障自動隔離準確率為95．03%。所提方法的故障自動隔離準確率明顯高于另外兩種方法，主要是由于所提方法有效解決了配電短路故障特征提取結果，結合特征提取結果能夠有效實現(xiàn)故障定位，有效提升故障自動隔離準確率。

4 結束語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，結合置信度預測，提出一種基于置信度預測的配電短路故障自動隔離方法。仿真實驗結果表明，所提方法能有效地降低故障自動隔離的時延，提高故障自動隔離的準確性。由于配電短路故障隔離是一個不斷深入以及發(fā)展的過程，在所提方法中仍然存在大量的不足，后續(xù)將重點針對以下幾方面的內容進行研究：

(1)所提方法并沒有考慮故障信息丟失或者發(fā)生畸變的情況，后續(xù)針對方法的容錯能力進行進一步研究。

(2)所提方法缺少對相關軟件、硬件以及通信方面的研究，后續(xù)將進一步進行完善。