基于配电网自动化开关的线路故障定位方法_汪娇娇.pdf

基金项目：广东电网有限责任公司职创项目（）。基于配电网自动化开关的线路故障定位方法汪娇娇刘同斌丁健（广东电网有限责任公司茂名供电局）摘要：由于传统故障定位方法精度较低，易导致配网线路故障范围扩大，本文提出了基于配电网自动化开关的线路故障定位方法，通过采集自动化开关 动作信息作为故障定位的基础条件，结合线路故障特征，根据馈线组拓扑关系设计线路故障定位方法。仿真实验结果表明：本文所设计方法定位配电网线路故障的绝对偏差为 .、耗时 .，验证该方法性能优越。关键词：配电网；自动化开关；线路故障；故障定位 引言为了进一步提高配网自动化开关动作准确性分析的工作效率，实现故障的快速定位，并对不正确动作开关制定相应的反措，进一步提升配网供电可靠性。目前，配网自动化开关动作分析工作仅依靠自动化运维人员人工开展，缺乏智能化运维技术辅助支撑，统计分析工作耗时费力、效率较低，遇到台风等恶劣天气时故障跳闸次数剧增，仅靠人工分析难以支撑运维需求。如果配网自动化开关动作正确率未能准确掌握，原本应在瞬时故障时应分析发现的不正确动作开关和故障源未能及时发现并消缺，不仅会发展为永久故障，还会因开关不正确动作而扩大故障范围，进一步增加供电运维人员的工作难度。针对上述问题，本文开展关于配网线路故障定位方法的课题研究，为保障配网运行安全做出一定的贡献。采集自动化开关 动作信息本文主要针对配电网线路故障中的短路及断路故障进行定位研究 。本文主要通过配电网自动化开关的 动作信息来设计故障定位方法，就是自动化开关量中带有时标的信号，不仅可以用于配网线路故障定位中，而且可以根据 信息实现故障后的分析工作，从而制定出有效防范措施。配电网自动化开关 动作信息的采集需要通过如图所示的采集单元来实现。如图 所示，首先通过采集板卡来采集配电网运行现场的自动化开关 动作信息，然后将动作信息打包好利用通讯单元传输至 单元中，而 单元不仅可以将接收到的自动化开关 动作信息存储至服务器，以便后续故障定位使用，而且可以将命令数据向下传输至 动作信息采集板卡上。图 自动化开关 动作信息采集单元结合配电网实际运行现场可知，输电线路中存在电压信号与干节点信号这两种，所以为满足配电网线路故障定位需求，自动化开关 动作信息的采集板卡需具备同时采集这两种信号的功能。同时，在进行配电网自动化开关 动作信息采集的过程中，需要及时记录下各信号产生时的相对时间，便于掌握线路故障信号产生前后的相关性，从而实现故障定位 。由于配电网自动化开关量变位过程中会发生一定抖动现象，所以为确保采集的开关 动作信息精度，需要在自动化开关量进行变位过程中，利用下电气技术与经济 产品与解决方案 式对开关量进行滤波处理：（）式中，、分别表示 时刻的配电网自动化开关先验状态与后验状态的估计值；、分别表示 时刻的配电网自动化开关先验状态与后验状态估计值的协方差；表示自动化开关状态转移矩阵；表示自动化开关量控制矩阵；表示自动化开关量的控制向量；表示自动化开关量协方差矩阵；表示采样周期。同时，考虑到配电网现场各输电线路的保护动作时间不同，将自动化开关的动作时间统一设置为秒级，保障采集配电网自动化开关 动作信息的可靠性，并将该信息作为线路故障定位的基础条件。提取线路故障特征量当配电网线路出现故障 时，线路故障信号中包含一定暂态故障分量，所以为提升配电网线路故障定位的精度与速度，本章将从故障信号的暂态分量中提取出可以描述故障特征的信息。配电网线路受恶劣工作环境等因素的影响，经常会出现一些难以掌握的故障，但大多数故障都是短路与断路这两种，其中短路故障特征量更加复杂，且导致的损失更为严重，所以本章主要针对配电网线路的短路故障特征量提取进行详细分析。一般情况下，配电网线路的短路故障包含相间短路和接地短路这两种，如果线路发生短路故障，此时可以将线路故障点等效为两个电压数据一致的电压源，但二者方向相反，根据配电网的叠加原理可知，故障点附近的电压值和故障前线路上正常电压值一致，所以可以将电力系统中电气量当作线路故障时的暂态分量 ，表达式如下所示：（）式中，、分别表示配电网线路故障时，正常状态下的线路电流分量 、电压分量 与短路状态下的暂态故障分量 、之间的叠加参数，也就是线路出现短路故障时所对应的故障分量。然后结合配电网线路故障的边界条件获取故障特征量，这里本文引入 变换矩阵来实现线路故障直流分量的解耦：|（）式中，表示配电网线路相电流的零模分量参数；、分别表示配电网线路 、三相电流、的线模分量参数。当配电网线路出现故障时，故障类型的不同所对应的三相电流变化情况也各不相同，所以在进行线路故障定位时，需要结合配电网实际运行情况，根据式（）求得线路相电流的模态分量特征，并将其提取出来。设计线路故障定位方法本文为保证配电网安全可靠运行，在获得自动化开关 动作信息的基础上，结合故障特征量，快速定位到故障区域 。一般情况下，我国配电网主要包含树状、环状以及辐射状这三种结构，这些配电网结构都由馈线、开关以及节点所构成，所以本文在设计线路故障定位方法时，参考配电网馈线组的拓扑结构来实现。首先参考配电网的拓扑结构设计一个网基结构矩阵 ，在 中，以馈线作为无向边，将馈线上的各开关作为节点，节点的数量则表示网基结构矩阵的阶数，此时参考馈线上最大的负荷参数，即可整定各馈线终端。如果配电网线路出现故障，那么馈线终端流经的故障电流将会超出整定值，需要记录下故障电流数据以及出现的时间，从而构建出故障信息矩阵，的阶数与 相同，最后利用 与 这两个矩阵的运算即可得到定位矩阵 ，从而实现配电网线路故障的定位。如果配电网线路上为单一故障，那么故障点应该处于未流经故障电流的开关节点与流经故障电流的开关节点范围内，所以在线路故障区段上一定存在流经了故障电流的自动化开关且仅存在一个开关节点，如果有 个以上的开关节点流经过故障电流，那么此开关将无法构成故障区域内的节点。综上所述，故障定位矩阵 的表达式如下：（）（）式中，()表示矩阵的规格化操作，就是通过将矩阵中元素置零处理来对开关节点进行判断，剔除误判的节点，从而解决馈线故障定位精度不够的问题。在故障定位矩阵 中，如果馈线组上的两个开关节点，仅有一个节点流经过故障电流，那么矩阵中这两个节点所对应的元素一定是不一致的；反之，如果馈线组上的两个开关节点都流经过故障电流，那么矩阵中这两个节点所对应的元素一定是相同的。所以在利用矩阵 定位配电网线路故障点时，需要对矩阵元素进行异或计算，根据故障区域内的节点元素来定位故障点。仿真实验本章于某市配电网中开展仿真试验，来判断本文所设计线路故障定位方法是否可行，该配电网的网络拓扑结构如图 所示。电气技术与经济 产品与解决方案 图 配电网单线图在该配电网下，逐步增加试验电压使线路分支 中间发生击穿故障，此时获得该支路的故障行波电流变化如图 所示。图 配网线路故障行波电流波形图将图中故障行波初始波头到达时间当作线路故障定位时间依据。然后选用基于遗传算法的配网线路故障定位方法、基于行波时域分析的配网线路故障定位方法作为对照组，与本文所提方法一起对该配网线路故障进行定位，为避免偶然结果，每种方法进行了 次实验，获得故障定位结果见下表。表配网线路故障定位结果对比表定位方法实验次数实际故障位置 故障定位结果 绝对偏差 定位时间 遗传算法 .行波时域分析 .电气技术与经济 产品与解决方案 （续）定位方法实验次数实际故障位置 故障定位结果 绝对偏差 定位时间 本文方法 .由表可知，本文所提线路故障定位方法的绝对偏差平均值为 .，较对照组降低了 .、.，说明本文所提方法具有更高的故障定位精度；同时，本文所提方法所需定位时间平均为 .，较对照组降低了 .、.，说明本文所提方法具有更良好的故障定位效率，可以满足配电网对故障定位方法性能的需求。结束语随着现代化社会的发展，我国各行各业对电能的需求量均与日俱增，为保证社会的稳定运转，对配电网供电可靠性的要求更加严格。因此，本文通过配电网自动化开关设计一种线路故障定位方法，该方法以配电网馈线组拓扑关系为依据，结合自动化开关的 动作信息，来定位线路故障区域。文中通过仿真实验验证了该方法性能优越，不仅可以确保线路故障定位的精度，而且具有一定速度。我国配电网仍处于高速发展时期，对于线路故障定位方法的研究应该是一个长期的过程，今后本文将深入探讨如何提升线路故障定位的经济性，为维持我国配电网安全运行提供理论参考。参考文献 谢李为，李勇，罗隆福，等基于极点对称分解的多分支线路故障定位方法 中国电机工程学报，（）：李泽文，颜勋奇，肖仁平，等基于暂态电流波形斜率的中压柔性直流配电线路故障定位方法 电力自动化设备，（）：徐岩，刘婧妍，张诗杭，等基于遗传算法的直流配电网 线 路 故 障 定 位 方 法 太 阳 能 学 报，（）：吴娜，王大川，樊淑娴基于行波时域分析和 的多分支输电线路故障定位 水电能源科学，（）：卢诗华，孙密，谢景海，等一种基于最大相关 最小冗余算法的输电线路故障定位方法 电测与仪表，（）：（收稿日期：-）电气技术与经济 产品与解决方案