一種針對含分布式電源的配電網(wǎng)相間故障定位方法

王雙杰 楊炳元 李曉芹 田翀

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010080）

故障定位技術(shù)能夠快速動作切除故障，最大限度縮短停電時間，大幅度提高系統(tǒng)的可靠性，從而越來越受到重視。故障定位技術(shù)主要應(yīng)用于輸電線路上故障的定位,一方面因為輸電線路在電力系統(tǒng)中的重要性，另一方面因為檢查輸電線路所需的時間要比配電網(wǎng)大得多。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)是放射狀的,對于這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計保護方案非常簡單。配電系統(tǒng)保護設(shè)計的主要目的是檢測故障位置并使故障部分與系統(tǒng)其他部分隔離。文獻[1-5]提出了一些配電系統(tǒng)故障檢測方法。而分布式電源的接入使配電網(wǎng)放射狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變，從而引發(fā)了一些問題,如導(dǎo)致保護裝置失去協(xié)調(diào)性。由于配電系統(tǒng)的非齊次線性性質(zhì)、故障電阻和確定性負載的影響，使得故障定位的實現(xiàn)變得非常復(fù)雜。但使用測量電壓和電流計算故障位置的方法是基本不變的，計算傳輸系統(tǒng)的阻抗依然使用阻抗器件[4]或者各次諧波[5]。本文介紹了帶有 DG的配電網(wǎng)發(fā)生相間故障時的故障定位方法。方法中分別分析DG前和DG后兩個部分，通過測量主系統(tǒng)和分布式電源變電站處的電壓和電流來實現(xiàn)故障的定位。此外,對于DG前部分，簡化了故障定位方程，提出了一種新的方法來減少誤差。在文章最后給出了仿真結(jié)果，驗證了方法的可行性。

1 原理

圖1所示的是兩母線間的三相輸電線路。

圖1 三相配電線路

阻抗陣可表示為

圖1中母線電壓和支路電流間的關(guān)系式可表示為

文中用上面的三相不平衡模型。

1）故障定位算法

圖2所示為帶有分布式電源的配電網(wǎng)。分布式電源由母線K接入配電網(wǎng)，區(qū)段可劃分為DG接入前的部分和 DG接入后的部分。利用這兩部分在變電站處測得的電壓和電流可計算得到故障的位置。DG后的部分與傳統(tǒng)的放射狀網(wǎng)絡(luò)一樣，可由傳統(tǒng)方法得到故障點位置[6]，下面主要分析DG前的部分發(fā)生故障時的情況。

圖2 帶有分布式電源的配電網(wǎng)

2）DG前部分故障定位方法

DG后的配電網(wǎng)部分是一個放射狀網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)一樣，所以故障點的定位可利用傳統(tǒng)電路分析方法進行故障定位的方法，但在 DG之前的部分，所測數(shù)據(jù)為兩端電源的聯(lián)合作用結(jié)果，所以在DG以前的部分發(fā)生相間故障的的定位方法需要重新考慮。圖3顯示的是三相配電網(wǎng)在遠離變電所處發(fā)生相間故障時的示意圖。設(shè)圖3中為a相和b相發(fā)生相間故障，則

圖3 三相線路中的相間故障

由式（5）和式（6）消去故障電流 If和故障電阻Rf后，得

聯(lián)立式（8）、（9）、（10）、（11）可求出故障距離 d。

3）估算電壓和電流

如果計算出的故障距離大于1或為負數(shù)，就說明故障不在這一區(qū)段內(nèi)，而是在下一區(qū)段，故障的定位就應(yīng)該在下一區(qū)段進行，利用下一區(qū)段母線出口處測得的電壓和電流計算。假設(shè)電壓和電流只能在母線處測得，離本區(qū)段要估算的電流值和電壓值的節(jié)點有一段距離。如圖4所示，母線k和k+1之間發(fā)生短路，則母線K處的電壓可表示為

圖4 帶分布式電源的配電網(wǎng)發(fā)生故障

假設(shè)負荷阻抗恒定不變，圖4中的電流可表示為

式中，Vk-1是K-1處的母線負荷電流，YLK-1是K-2母線處的負荷導(dǎo)納矩陣。

根據(jù)式（12）至式（15），能夠求出來故障定位算法所需的電壓和電流，進而獲得故障位置。如果計算得到的距離0＜d＜1，表示故障點在本區(qū)段，并且到母線出口的距離為d。將此算法應(yīng)用于各區(qū)段就可以求出故障點距離分布式電源或主變電所母線的距離。

2 仿真實例

在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。為了驗證新故障定位法的可行性，建立如圖5所示的9母線帶有單相和三相支路的系統(tǒng)模型。連接到母線5、6和8上的負載是單相負載，其他負載是三相負載，并將支路等效為負載。主要負荷值為：單相=50+j15Ω ，三相 =100+j25Ω 。

圖5 帶分布式電源的配電網(wǎng)模型

線路阻抗陣和容抗陣可表示為

故障電阻的范圍為0.01～50Ω，進行仿真。故障位置的計算誤差%Error為

這里dcal是計算得到的故障點距離，dreal故障點真實距離，dtotal線路全長。

由圖6可知，最小誤差發(fā)生在故障電阻為0.01Ω時，最大誤差發(fā)生在故障電阻為50Ω時。故障定位會隨著故障阻抗值的增加而增大。DG之前部分定位誤差明顯低于DG之后部分。在圖5的仿真模型里母線5加入分布式電源，在不同點和不同故障電流下進行仿真。圖7所示的是接入分布式電源后發(fā)生故障時母線3處算得的故障位置誤差情況。

圖6 相間短路故障位置的計算誤差

圖7 接入DG后相間短路故障位置母線3處的計算誤差

表1顯示了DG前部分和DG后部分發(fā)生短路時的最大定位誤差對比情況。表中數(shù)據(jù)表明，用新定位方法計算時，DG前部分相間短路定位的誤差明顯小于DG后部分發(fā)生故障時的定位誤差。

表1 DG前后部分的故障位置計算誤差比較

3 結(jié)論

本文提出了一種新的故障定位算法。該算法避免了傳統(tǒng)的故障定位算法的序網(wǎng)絡(luò)分析過程。由上述分析可知，當故障電阻較小時定位誤差最小，誤差會隨著故障電阻值的增大而增大。DG前部分發(fā)生相間短路故障時的計算誤差會明顯小于DG后部分發(fā)生相間短路故障時的定位誤差。該方法適用于各種電力系統(tǒng)之中，為了提高算法的實際應(yīng)用效果，應(yīng)先確定DG的位置和變化情況。

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