基于相量测量单元和故障指示器的配电网故障定位研究_刘明杨.pdf

，（）上海电气技术收稿日期：作者简介：刘明杨（），男，硕士研究生，主要研究方向为配电网故障定位、配电网规划基于相量测量单元和故障指示器的配电网故障定位研究刘明杨同济大学 电子与信息工程学院上海 摘要：研究配电网故障定位技术，快速定位故障发生点，对缩短停电时间，提高配电网供电可靠性具有重要意义。介绍了目前基于相量测量单元的配电网故障定位研究现状，基于故障指示器的配电网区段定位原理与研究情况，以及基于相量测量单元和故障指示器相结合的配电网故障定位方法。在此基础上探讨了未来配电网故障定位技术的研究方向。关键词：配电网；故障；定位；相量测量单元；故障指示器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，：；研究背景目前，在我国配电网中，主要采用不接地和经消弧线圈接地方式。配电网中最常见的故障类型是单相接地故障。小电流接地系统中，发生单相接地故障时，仍可以带电运行，并且基本不会影响对用户的持续供电。但是如果单相接地故障未被及时排除，系统长时间在故障状态下带电运行，那么会造成故障事态扩大，可能由单相接地故障发展为相间短路故障，引发电力系统安全事故。我国配电网结构复杂，并且线路分支众多，自动化水平不高，线路信息的采集和监测有限，给故障的精准定位造成困难。因此，对配电网故障定位技术进行研究，在发生故障后快速定位故障发生地点，对配电网的安全可靠运行而言意义重大。同步相量测量单元通过全球定位系统进行系统对时，可以提供精度高且带时标的电网量测数据，包括母线节点电压相量、出线三相电流相量及频率等，已经成为电力系统中动态过程监控的重要方式。通过相量测量单元得到量测数据，配电网内部的故障区段定位及精确测距定位有了强大的数据支撑，可以很好地满足配电网快速准确故障定位的需求。故障指示器是一种安装在配电线路上用于指示故障电流通路，确定故障分支和故障点的智能装置。由于成本低，故障指示器在线路上安装数量极多，可安装在变电站出线、长线路分段处、线路分支处、高压用户入口处等，使故障区段定位更精确，是目前最实用的配电自动化方案。目前，配电网故障定位常用的方法有阻抗法、信号注入法、零序电流比较法、行波法、智能化算法等。阻抗法利用故障发生点和测量点之间的阻抗与距离存在正比关系，通过量测信息得到阻抗值，进而计算上海电气技术 ，（）出故障点与测量点之间的距离，实现故障定位。阻抗法可以分为单端阻抗法和双端阻抗法。阻抗法原理简单，所需安装的设备简单，成本较低，并且可靠性较高，但容易受线路阻抗、线路负荷、电源参数的影响。信号注入法利用发生故障后向系统内注入异频电流，如脉冲信号、交流信号、直流信号、改进信号，通过专用的信号电流检测器跟踪检测信号电流的路径和特征，来查找故障线路和故障点。我国配电网分支众多，结构复杂，并且自动化水平不高，采用信号注入法需要投资大量信号检测设备，因此信号注入法不适合当前配电网故障定位。行波法根据行波理论，当配电线路发生故障时，故障瞬间会导致暂态电压波形和电流行波产生，暂态行波信号以特定的速度向两端传播，对暂态行波信号检测、分析、计算，可以实现配电网故障定位。与信号注入法类似，基于行波法的配电网故障定位的实现需要在分支众多的配电网中安装大量行波检测设备，而行波装置往往价格高昂，由此导致故障定位成本大幅增加，不适用于当前配电网故障定位。智能化算法利用遗传算法、小波分析、神经网络等实现配电网故障定位，目前这类研究主要停留在理论研究及仿真层面，实际应用较少。针对目前配电网中故障定位的研究情况，笔者分析国内外学者基于相量测量单元的精确配电网故障定位方法、基于故障指示器的配电网故障区段定位方法、相量测量单元和故障指示器相结合的配电网故障定位方法，通过对目前配电网故障定位方法的整理总结，明确配电网故障定位方法下一步的研究方向。基于相量测量单元的配电网故障定位方法基于相量测量单元的配电网故障定位方法利用阻抗法，通过相量测量单元精确测量信息，得到故障发生点与相量测量单元装置安装处的距离，确定故障的发生位置。目前，基于相量测量单元的配电网故障定位方法一种是基于单端相量测量单元测量信息的配电网故障定位方法，一种是基于双端相量测量单元测量信息的配电网故障定位方法 。单端相量测量单元文献 提出一种新的组合方法，来实现配电网中的单相接地故障定位。单相接地故障发生后，使用基于阻抗的故障定位算法确定可能的故障位置。然后利用电压暂降匹配算法来确定实际的故障区段，从而实现故障的准确定位。文献 提出基于阻抗的改进方法，使用型线路模型及恒定负载模型，基于单端阻抗的方法实现配电网故障定位，并在此基础上推导出存在分布式电源的故障定位过程。文献 采用模态转换下的网络计算故障距离，对耦合相的阻抗矩阵解耦，消除线路间的相互影响。对所有故障类型下的故障定位方程进行推导，同时考虑时变负载、支路故障、高阻故障、不平衡运行等方面的影响。文献 提出非基本频率下的基于单端阻抗的配电网故障定位方法，将故障电压源看作一个阶跃变化，将宽带频率注入系统，在注入频率下分析电路，求解故障距离。采用基于单端相量测量单元的配电网故障定位方法，只需要在变电站馈线处安装测量装置，对线路参数及等效负载模型的准确性要求极高。由于需要将故障电阻的影响排除，因此基于单端相量测量单元的方法所需的算法都较为复杂。目前，我国配电网结构形式复杂，线路参数不准确情况普遍，一般采用线路典型参数，线路参数随季节环境变化，误差较大，导致基于单端相量测量单元的配电网故障定位方法无法很好地适用于目前我国的配电系统。双端相量测量单元在单端相量测量单元的基础上，国内外借鉴输电网络中采用双端阻抗方法进行故障定位的方法，研究基于双端相量测量单元的配电网故障定位方法。文献 针对单相输电线路提出一种故障定位方法，使用分布式参数模型推导距离线路首端末端定值处的电压电流计算方法。使用迭代方法，以首末端计算的故障处电压幅值差最小为目标，从始端开始，以固定步长计算首末端到假定故障点的幅值差，从而求得故障距离。文献 针对输电线路提出一种动态条件下的同步相量测量算法，采用对称分量法，将三相系统转换为序分量系统，在不考虑线路电容的情况下，基于正序网络计算故障距离，然后考虑线路电容的影响，更新故障距离，直到收敛，减小现有的离散傅里叶变换算法在动态情况下测量的误差。文献 分析配电线路参数不准确对故障定位结果的影响，并对其进行量化研究，将线路参数和故障距离作为未知参数，将故障点与首末端的电压相量幅值差最小作为目标函数，增加相角约束条件，使用内点法优化，同时求得故障距离与线路参数。文献 在线路双端配备有相量测量单元的情况下，提出一种利用全线迭代寻找最大故障电流来实 ，（）上海电气技术现故障定位的方法。文献 提出一种基于零序分量分布特征的配电网故障定位方法。文献 研究有分支配电网络的故障定位方法。文献 基于单端阻抗方法，使用负载等效及线路戴维南等效模型，计算得到候选故障点。然后同时使用首末两端的电压电流相量信息，计算候选故障点所在区段的节点电压信息。如果故障点在主干线路，那么首末两端计算线路中电压时得不到相同电压。如果故障点在分支线路上，那么首末两端计算的故障点所在分支节点的电压相量理论上相同，但由于线路参数问题，实际这一相量差特别小，由此确定故障在对应分支线路上。文献 基于分布参数模型，在故障发生之后，使用线路末端相量测量单元的电压和电流相量，计算分支点前端的电压。如果故障线路存在故障分支，那么故障分支的前端电压会有异常。然后可以基于沿故障分支两端的电压分布来计算故障距离。文献 采用对称分量法，将线路分解将到正序网络。利用故障后正序网络计算故障距离，利用故障附加正序网络计算故障距离，通过与对比，确定故障发生在主干线还是分支线。若与相等，则故障发生在主干线路上。若与不相等，则故障发生在距离馈线处的分支线路上，利用故障正序网络计算分支故障距离，故障距离为。文献 提出采用非基波频率下的双端故障定位方法。文献 采用高频下的线路模型，计算故障位置。文献 利用故障产生的瞬态信息，在一个广泛的频率范围内估计故障距离，然后采用曲线拟合的方法，求出最终的距离估计值。相对于基于单端相量测量单元的故障定位方法，基于双端相量测量单元有效解决了基于单端相量测量单元中存在的多重故障点，个别方法还研究了参数不准确情况对故障定位的影响，以及有分支情况下的故障定位问题，适用于配电网络。基于故障指示器的配电网故障区段定位故障指示器是一种能进行智能判断和预警，实时显示故障并自动复位，安装在配电线路上指示故障电流通路的智能装置。为了缩短故障时间，快速定位确定故障区段，配电网络中已经大量安装了故障指示器。故障指示器能够实时检测配电线路的电气量，通过一定的故障判别算法，在配电网络发生故障时发出警示。利用故障指示器，将配电网络划分为多个区段。发生故障时，故障区段及故障区段到电源侧所安装的故障指示器均会发出报警信号，从而显示故障发生区段。故障指示器整套系统包括采集单元、汇集单元、主站。线路发生故障后，故障指示器采集单元检测电压电流信息，并进行录波，然后发送给汇集单元。汇集单元进行校验处理后，以通用分组无线业务通信方式发送给主站。主站通过使用一定的故障区段定位算法，确定配电网络中的故障发生区段。故障指示器判别原理故障指示器能够自适应线路负荷电流大小。短路故障时，当检测到线路电流突变，并且突变值不低于预设阈值，持续一段时间，线路各相电场强度大幅度下降，残余电流不超过规定的零漂值时，能够就地采集故障信息，并以闪光形式就地指示故障，同时可以将故障信息上传至主站。当线路发生接地故障时，电流、电压的突变值会大于故障指示器设定的录波启动阈值，故障指示器的采集单元启动录波。采集单元应能够实现三相同步录波，并且发送至汇集单元，合成零序电流波形，诊断故障。汇集单元将采集单元发送的故障信息及录波信息合并为一个波形文件，标注时间参数，上传至主站。主站根据配电网小电流接地故障选线及定位相关算法，对获得的数据进行处理，判断故障线路及故障位置，同时将处理结果发送至汇集单元。汇集单元通过闪光或报警形式，指示故障区段。接地故障主要的检测方法有首半波法、电流突变法、零序电流法、次谐波法。目前市场上的故障指示器针对接地故障检测主要采用首半波法，直接判据是对地电容电流变化，电压降低，线路不停电。这一方法对接地瞬间的电容电流首半波采样，当电容电流突变大于一定数值，并且与接地瞬间的电压首半波同相，同时导线对地电压降低时，判断线路发生接地。配电网故障区段定位方法文献 提出一种基于故障指示器的配电线路故障区段定位方法，将相邻的故障指示器之间的线路视为可能的故障位置，将故障指示器检测到的故障电流视为在相邻的可能的故障位置之间流动的线路电流，基于配电系统网络拓扑特性，建立可能的故障位置的注入电流矩阵、线路电流矩阵，得到关系矩阵，通过求解关系矩阵，得出故障位置。所提出的方法以求解矩阵方程的形式求解故障位置，简单高效，考虑同时发生多个故障的情况，在实际配电系统中进行试用，得到很好的故障定位效果。上海电气技术 ，（）文献 提出一种基于故障概率的故障定位方法，通过模拟故障信号与实际故障信号之间的相似性进行故障区段定位。通过模拟各个区段发生故障，建立模拟故障信号矩阵。实际发生故障后，若故障指示器实际警报信息与模拟警报消息相似，则可以确定故障发生在可能区段内。通过概率计算，概率最大的故障区段即为最可能的故障区段。文献 提出一种故障指示器多信息融合的简易配电网故障定位方法。利用故障指示器采集的馈线电流突变消息、馈线电场突变信息、翻牌变化信息，建立电流突变信息逻辑矩阵、电场突变信息逻辑矩阵、翻牌变化信息逻辑矩阵。对三个矩阵进行融合，生成故障指示器融合信息矩阵。通过对融合信息矩阵进行故障情况分析，确定故障区段。基于故障指示器的配电网故障区段定位方法工作原理简单，对于我国配电网的故障定位具有实用价值。然而，全线布置故障指示器显然是不经济的，并且是不需要的。对此，国内外学者分析了配电网故障指示器的优化布置问题，以实现故障定位的经济性。目前，用于优化布置故障指示器的研究主要采用各种不同的优化算法，如模糊逻辑方法、免疫算法、遗传算法、自适应遗传算法、细菌觅食算法、二进制粒子群算法、整数线性规划模型方法等。相量测量单元和故障指示器相结合的配电网故障定位方法由于配电网结构复杂，分支众多，因此基于相量测量单元的故障定位存在多重故障点问题，故障区段难以确定。故障指示器能够很好地确定故障区段，由此有学者提出相量测量单元与故障指示器相结合的故障定位方法 。文献 提出一种单端相量测量单元和故障指示器相结合的配电网故障定位新方法。首先记录每个馈线部分的阻抗和长度信息，基于馈线处的电压电流信息，利用负序网络计算测量设备与故障指示器之间的电抗值，确定故障距离。然后使用故障指示器信息减少故障位置，以确定准确故障位置。通过利用负序网络计算，减小线路互耦和负载引起的误差。利用线路电抗值计算距离，相对于应用线路阻抗的方法，提高了故障定位准确性。最后使用故障指示器进行区段定位，准确确定故障的发生位置。文献 为配电网故障定位提供了线路计算的新角度。文献 提出相量测量单元与故障指示器相结合的配电网故障定位方法，推导相间短路的故障定位过程。文献 提出双端相量测量单元与故障指示器相结合，采用正序网络计算方法实现配电线路故障定位。以上研究通过将相量测量单元与故障指示器信息相结合，在一定程度上避免基于相量测量单元实现故障定位存在的多重故障点问题，以及由过渡电阻、线路参数不准确造成的弊端，并且简化故障定位算法，降低故障精确定位难度，具有工程实用价值。通过将两种故障定位方法相结合，简化配电网故障定位算法，同时提高故障定位系统的稳定性。当其中一个故障定位系统失灵时，可以通过另一个故障定位系统进行故障定位，为故障定位提供后备方案。结束语配电网故障定位对提高供电可靠性而言具有重要意义。笔者介绍了目前配电网中基于相量测量单元和故障指示器信息实现故障定位的各种方法原理，并分析了各种方法的创新性及不足之处。基于相量测量单元的配电网故障定位方法原理简单，易于实施，但是十分依赖线路参数和负荷等效的准确性。基于故障指示器的故障定位方法能够容易地实现配电网故障区段定位，但是不能实现准确故障测距。相量测量单元与故障指示器相结合的故障定位方法为使用多种信息进行故障定位提供了借鉴，有利于简化基于相量测量单元的故障定位，减少使用单种故障定位方法造成的故障定位不准确情况，提高故障定位的准确性，但是在故障准确定位方面依然依赖于线路参数的准确性。我国配电网结构复杂，分支众多，线路参数不准确问题是目前故障定位方面的一个难点问题，后续研究应该针对线路参数对故障定位的影响，建立仿真模型，量化分析线路参数不准确对故障定位造成的误差，在此基础上以求降低线路参数不准确的影响，并通过多种故障定位方法相结合来提高配电网故障定位的准确性。参 考 文 献苏宏升，张耘川小电流接地系统故障定位方法综述电源技术，（）：王东芳，陶飞达，黄智鹏，等配电网小电流接地方式下故障定位技术研究综述机电工程技术，（）：，（）上海电气技术王小匆 基于 数据的配电网故障定位方法研究上海：上海交通大学，李程新型故障指示器的研制北京：华北电力大学，姚明，安宇，韩浩江，等 小电流接地系统故障选线与定位方法研究 电器与能效管理技术，（）：张宏亮 基于信号注入的 配电网故障定位系统设计 广州：华南理工大学，：，：，：，（）：，：，靳夏宁，汪芙平，王赞基基于 动态同步相量测量的故障测距电网技术，（）：王小君，任欣玉，和敬涵，等基于 相量信息的配电网络故障测距方法 电网技术，（）：，：，（）：，（），葛维春，张硕，张艳军，等 基于 同步量测数据的配电网故障定位方法电力系统保护与控制，（）：，（）：，（），李永刚，张书伟，张志军故障指示器综述科技风，（）：，王帅，宋晓东，王善龙，等暂态录波型故障指示器在 配网中的应用山东工业技术，（）：，（）：，（），吴孝彬，徐士华，张伟基于故障指示器多信息融合的简易配电网故障定位方法科技创新与应用，（）：，马草原配电网故障定位技术的研究济南：山东大学，刘永军，刘敏配电网下基于量测的混合故障测距法 电测与仪表，（）：朱贺 利用故障指示器和 装置信息的配电网故障定位技术应用研究 徐州：中国矿业大学，（编辑：尔东）