于瀟琦 韓堯 董小順 袁霞 穆斯塔法·努爾 高藝超

摘 要：不同于輸電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)分支多、弱環(huán)網(wǎng)和輻射結(jié)構(gòu)并存;設(shè)備數(shù)量眾多且通常所處環(huán)境惡劣;故障率高，且70%～80%為單相接地故障。在這種復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備環(huán)境、運(yùn)行工況背景下，快速、準(zhǔn)確的故障診斷與定位可以為運(yùn)維人員提供有效指導(dǎo)，大大縮短故障處理和供電恢復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性與安全性。因此研究精確、快速的配電網(wǎng)故障診斷與定位技術(shù)具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：故障診斷;故障定位;有源配電網(wǎng);分布式電源

引言

配電網(wǎng)直接向廣大用戶提供電能，其安全可靠運(yùn)行是人們生產(chǎn)生活的重要保障。故障發(fā)生后，故障位置的快速精準(zhǔn)定位，能夠?qū)崿F(xiàn)故障線路的快速切除，極大提高故障處理效率和電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。隨著大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了潮流雙向流動(dòng)、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變等一系列問題，傳統(tǒng)的故障定位方法可能失效。

1有源配電網(wǎng)故障診斷與定位技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

故障電流水平是指故障對(duì)電流或功率的影響。通常，配電網(wǎng)中的短路電流大小為10～15倍的額定電流。當(dāng)配電網(wǎng)中存在DG時(shí)，會(huì)對(duì)故障電流水平產(chǎn)生影響，影響的大小取決于DG與故障的距離、DG的發(fā)電容量和DG的類型等因素。例如，當(dāng)DG安裝在變電站和故障點(diǎn)之間時(shí)，會(huì)使得主站檢測(cè)到的故障電流變小。當(dāng)配電網(wǎng)中安裝的DG容量較小（5kW～5MW）時(shí)，其對(duì)短路電流的影響很小;當(dāng)配電網(wǎng)中安裝的DG容量較大，如多個(gè)小機(jī)組或幾個(gè)大機(jī)組（50MW至200MW），它們可能改變故障等級(jí)，并影響斷路器失靈。此外，短路電流還受到DG類型的影響。在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，同步發(fā)電機(jī)輸出的起始短路電流可達(dá)額定電流的7倍左右;異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供的起始短路電流約為額定電流的5～6倍，此后經(jīng)過約3～10個(gè)周期逐漸衰減到零;雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生8～10倍于額定電流的起始短路電流，然后逐漸衰減。而逆變器類DG的故障電流特性取決于逆變器的控制與保護(hù)策略，在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，逆變器類DG向短路點(diǎn)提供的短路電流一般可以控制在設(shè)定的允許過電流范圍（一般為1.2～1.5倍額定電流）之內(nèi)。

2現(xiàn)有故障診斷與定位方法

2.1信號(hào)/擾動(dòng)注入的方法

在故障診斷方面，可以根據(jù)注入信號(hào)的頻率，分為基于工頻信號(hào)注入的故障診斷方法，如曾祥君等人提出了一種利用注入基波電流并測(cè)量被檢線路零序電流變化量的原理進(jìn)行故障診斷的方法。針對(duì)配電網(wǎng)高阻接地尤其是弧光高阻接地故障檢測(cè)準(zhǔn)確率低的問題，還提出了一種基于中性點(diǎn)注入電流增強(qiáng)故障特征的診斷方法。以及基于非工頻信號(hào)注入的故障診斷方法，如注入脈沖信號(hào)、高頻測(cè)試信號(hào)等。在故障定位方面，利用一次設(shè)備向系統(tǒng)中注入特定頻率信號(hào)，故障線路經(jīng)過故障點(diǎn)形成信號(hào)回路，通過線路上安裝的故障指示器檢測(cè)該信號(hào)流經(jīng)的路徑即可進(jìn)行區(qū)段定位。

2.2不利用接地故障特征分量的選線方法

（1）一般操作系統(tǒng)人員一般無需再自行添置任何一次其他機(jī)械設(shè)備，不會(huì)對(duì)正常設(shè)備運(yùn)行的其他機(jī)械設(shè)備運(yùn)行造成任何不良影響;（2）信號(hào)注入式式的信號(hào)輸出是否泛指它們具有與操作系統(tǒng)中任何一種固有接地信號(hào)相同的物理特征，對(duì)它們的接地檢測(cè)操作方式一般不受操作系統(tǒng)正常設(shè)備運(yùn)行工作狀態(tài)等不良情況的直接影響;（3）信號(hào)輸出的電流注入式式信號(hào)中的電流常數(shù)只能在系統(tǒng)接地檢測(cè)線路的規(guī)定接地期和相中期內(nèi)進(jìn)行一次流通，不會(huì)直接造成影響操作系統(tǒng)其他機(jī)械部件。但是該設(shè)計(jì)方法必須達(dá)到要求在注入線路所有的信號(hào)分段和各個(gè)線路分支之間都必須裝設(shè)一個(gè)注入信號(hào)上的電流電壓檢測(cè)器，導(dǎo)致線路投資控制力度的不斷增大，且在實(shí)際的線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作中，注入線路信號(hào)的電流數(shù)量和振動(dòng)強(qiáng)度也在很大一定程度上已經(jīng)因?yàn)槭艿搅诵盘?hào)電壓電流傳感器的注入容量很大限制。當(dāng)接地線路信號(hào)發(fā)生接地故障判斷是否為采用高阻線路接地時(shí)，線路上的分布式接地電容將可能會(huì)直接引起對(duì)被輸出線路注入接地信號(hào)的短路過濾，從而也將可能會(huì)給您所選擇的接地線路信號(hào)帶來一定的線路電磁干擾;如果在多個(gè)接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)了線路間歇性的線路電弧抖動(dòng)現(xiàn)象，還將直接影響導(dǎo)致被輸出注入的線路信號(hào)在連接線路過程中將同時(shí)發(fā)生不連續(xù)，從而直接損害被輸出注入的線路信號(hào)的電特性，影響信號(hào)檢測(cè)值的準(zhǔn)確率。

2.3多端行波時(shí)差的配電網(wǎng)故障

基于多端行波時(shí)差的配電網(wǎng)故障定位方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支眾多的配電網(wǎng)，根據(jù)配電網(wǎng)自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征定義節(jié)點(diǎn)矩陣和無效節(jié)點(diǎn)。通過分析故障行波的傳輸特性，提出一種配電網(wǎng)故障狀態(tài)表達(dá)式，根據(jù)多端行波時(shí)差和雙端行波原理計(jì)算的故障距離理論值，將理論值代入故障狀態(tài)表達(dá)式，建立故障搜索矩陣和輔助矩陣，通過分析故障搜索矩陣和輔助矩陣的元素狀態(tài)，提出故障線路判定原理，提取節(jié)點(diǎn)矩陣中的故障節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而有效判定故障線路。根據(jù)三端行波法計(jì)算實(shí)際故障距離，可消除行波波速不確定性造成的測(cè)距誤差，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。仿真結(jié)果表明，本文所提定位方法原理簡(jiǎn)單、可靠性好，不受故障類型和過渡電阻的影響，與現(xiàn)有配電網(wǎng)故障行波定位方法相比，通過節(jié)點(diǎn)矩陣的配合，有效降低了故障搜索矩陣和輔助矩陣的維度，減少了計(jì)算量，提高了配電網(wǎng)行波定位方法的可靠性和實(shí)用性。

結(jié)束語

配電網(wǎng)故障定位對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義?？焖贉?zhǔn)確地找出故障位置能大幅縮短故障恢復(fù)時(shí)間，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性，提升用戶滿意度，同時(shí)也能降低運(yùn)營商的運(yùn)營成本。配電網(wǎng)相較輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，支路眾多，這給配電網(wǎng)的故障定位帶來極大的挑戰(zhàn)。隨著通信技術(shù)和廣域測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，同步相量測(cè)量單元PMU（PhasorMeasurementUnit）的應(yīng)用愈加廣。PMU能獲取配電網(wǎng)中高精度、同步的電氣相量數(shù)據(jù)，其幅值和相角誤差分別僅為0.5%和0.01°，這為配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位提供了條件。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于PMU的配電網(wǎng)故障定位方法進(jìn)行了廣泛、深入的研究。

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