一種面向低壓配電網(wǎng)的非侵入故障定位識(shí)別方法

范 華 任 俊 曹衛(wèi)國(guó)

（1.張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.南京五采智電電力科技有限公司，南京 211106）

近年來我國(guó)加快了智能電網(wǎng)建設(shè)，在智能小區(qū)/樓宇示范工程的建設(shè)中部署家庭能源管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)、高級(jí)計(jì)量表計(jì)、智能用電設(shè)備以及覆蓋到戶的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了家庭用電可視化。在智能園區(qū)示范工程建設(shè)中部署園區(qū)能源管理系統(tǒng)，通過高級(jí)計(jì)量表計(jì)采集園區(qū)企業(yè)內(nèi)部用能信息，實(shí)現(xiàn)了能耗監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、能效分析與診斷，指導(dǎo)處于園區(qū)范圍內(nèi)的工廠、企業(yè)合理有效用能，減少峰值負(fù)荷，提高能源使用效率。但是在建設(shè)上述能源管理系統(tǒng)時(shí)都需要部署大量具有通信功能的智能電能表，而且這些電能表目前大多只能單純用于電能計(jì)量和能效分析，系統(tǒng)的建設(shè)成本較高，難以推廣。

而另一方面，隨著用戶對(duì)低壓供配電網(wǎng)（尤其是400V 配電網(wǎng)）的供電質(zhì)量要求不斷提高，低壓供配電系統(tǒng)要求對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)高安全高可靠供電，但由于各種原因低壓供配電系統(tǒng)難免出現(xiàn)故障，其中最常見的故障是短路，但目前對(duì)短路故障的處理大多僅限于快速隔離，對(duì)于故障類型的自動(dòng)判別和區(qū)域的定位還存在比較大的困難，需要耗費(fèi)大量的人力成本去排查。智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)用戶安全用電的自動(dòng)化水平提出了更高的要求，其中，用戶低壓配電網(wǎng)（400V 低壓電網(wǎng)）的故障自動(dòng)偵測(cè)及定位是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，用來在短路等事故保護(hù)動(dòng)作之后，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)（可配合少量人工巡查工作）給出故障類型辨識(shí)和故障定位。

當(dāng)前市場(chǎng)上已見一些帶有通信功能的斷路器，它們可以通過與其配套的通信模塊連接至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、遙控“四遙功能”。不僅可以查詢斷路器的當(dāng)前狀態(tài)（合閘、分閘或者脫扣），而且可以查詢最近一次故障記錄，包括故障相極、故障類型、故障時(shí)各相電流、保護(hù)整定值、故障相電流及分?jǐn)鄷r(shí)間等。但帶通信功能的斷路器價(jià)格昂貴，多用于中高壓配電網(wǎng)中，低壓低壓配電網(wǎng)中的斷路器一般不帶有錄波和通信功能，因此，目前低壓配電網(wǎng)中還不能采用和斷路器進(jìn)行通信的方式來實(shí)現(xiàn)故障定位。

另一方面，如果將大量的智能斷路器部署于低壓配電網(wǎng)，顯然無論從可靠性上和經(jīng)濟(jì)性上都不可行，大量智能斷路器的安裝需要投入大量的改造成本、安裝成本，影響用戶用電設(shè)備的正常運(yùn)行，因此如果能夠采用一種非侵入低壓配電網(wǎng)絡(luò)的故障識(shí)別方法，將有效克服上述缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于上述考慮，本文基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)原理，提出了一種基于非侵入式的低壓配電網(wǎng)短路故障定位方法，構(gòu)建了低壓配電網(wǎng)非侵入式短路故障識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的粗略定位，如果在有條件的情況下再結(jié)合智能電能表，將可以實(shí)現(xiàn)故障的精確定位。

1 基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的故障識(shí)別原理

電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法大致可以分為侵入式和非侵入式兩類。侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法需要在負(fù)荷內(nèi)部每一個(gè)用電設(shè)備上都安裝一個(gè)傳感器用以得到不同用電設(shè)備實(shí)時(shí)的功率消耗比例。這種方法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量較為準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是投入較大，安裝工作需要進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，影響電力用戶正常的生產(chǎn)和生活，尤其對(duì)于已建負(fù)荷的改造非常困難，不適宜全面推廣。

非侵入式方法是相對(duì)于侵入式方法提出的，其基本思想是：無需進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，僅通過對(duì)電力負(fù)荷入口處的電壓、電流及功率信息進(jìn)行測(cè)量、分析，基于負(fù)荷內(nèi)部的用電特性，采用電力負(fù)荷優(yōu)化分解方法，便可得到負(fù)荷內(nèi)部不同用電設(shè)備的投切情況以及實(shí)時(shí)的功率消耗比例，從而實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷分解。

圖1 典型負(fù)荷用電特性統(tǒng)計(jì)示意圖

圖1可以看出各種用電設(shè)備的穩(wěn)態(tài)功率具有較 好的統(tǒng)計(jì)特性，可作為重要特征參數(shù)，用于負(fù)荷分解。通過捕捉負(fù)荷功率變化可以有效辨別某一用電設(shè)備的投入或退出，進(jìn)而得到負(fù)荷內(nèi)部各個(gè)用電設(shè)備的功率消耗比例。

常見的電力負(fù)荷分解算法有基于穩(wěn)態(tài)電壓、電流信息的負(fù)荷分解算法[2-3]，如最小二乘法，遺傳算法、模擬退火算法及粒子群優(yōu)化算法，也有基于暫態(tài)電壓、電流信息的負(fù)荷分解算法[1]，這些算法在實(shí)驗(yàn)室中都取得了良好的效果，負(fù)荷功率分解準(zhǔn)確度小于10%，負(fù)荷投切準(zhǔn)確度接近100%。

對(duì)于低壓配電網(wǎng)（380V），基于非侵入負(fù)荷監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)獲取負(fù)荷的投切情況和用電負(fù)荷的功率消耗情況，實(shí)時(shí)生成低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

當(dāng)確定了低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，就可以計(jì)算出低壓配電網(wǎng)的暫態(tài)元件參數(shù)，一旦低壓配電網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障或用電設(shè)備本身發(fā)生故障時(shí)，流過電力負(fù)荷入口處的電流波形將發(fā)生顯著變化，剔除非故障回路用電設(shè)備的正常負(fù)荷電流波形，即可以得到故障回路故障電流波形，如果再結(jié)合故障回路的用電設(shè)備負(fù)荷特性，即可定位故障類型和故障區(qū)域。

在低壓配電網(wǎng)短路故障發(fā)生時(shí)，同時(shí)還要考慮斷路器的燃動(dòng)作，斷弧過程及電弧電阻使得系統(tǒng)的暫態(tài)特性發(fā)生了巨大的變化，很難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，實(shí)際短路電流難以準(zhǔn)確計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過斷路器限流后的實(shí)際短路電流幅值將降低到穩(wěn)態(tài)短路電流值的0.25 左右，實(shí)際短路電流的直流諧波分量將大于25%，短路電流的作用時(shí)間不大于10ms，這些可以成為低壓配電網(wǎng)短路故障判據(jù)的試驗(yàn)依據(jù)。

2 低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識(shí)別系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識(shí)別，需要構(gòu)建故障識(shí)別系統(tǒng)，圖2是低壓配電網(wǎng)非侵入故障識(shí)別系統(tǒng)示意圖，在部分內(nèi)部回路增加計(jì)量用電能表，一方面為了實(shí)現(xiàn)對(duì)部分重要回路的能效計(jì)量，另一方面對(duì)非侵入故障識(shí)別系統(tǒng)定位的故障進(jìn)行校核，提高故障定位的準(zhǔn)確性。

圖2 低壓配電網(wǎng)非侵入故障識(shí)別系統(tǒng)示意圖

由圖2可知，該系統(tǒng)主要具有如下部件和配置：

1）具有電流錄波和分析功能的監(jiān)測(cè)主機(jī)

監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)置在變壓器低壓總出線處（即電力負(fù)荷入口處），具體包括以下功能：三相電流錄波功能、電流突變量提取及其幅值和諧波分析功能、短路故障判定及定位功能等。具體實(shí)施時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)可由工控機(jī)、大量程鉗口式電流變送器、數(shù)據(jù)采集卡等通用模塊集成開發(fā)。

2）低壓配電網(wǎng)短路故障測(cè)試環(huán)境

為了更好地測(cè)試低壓配電網(wǎng)非侵入故障識(shí)別能力，擬對(duì)兩種典型配置的監(jiān)測(cè)線路分別設(shè)置短路故障點(diǎn)1 和短路故障點(diǎn)2 路，其中：

（1）短路點(diǎn)1 所連線路上配置有電能表和斷路器，短路發(fā)生后，一方面，負(fù)荷總?cè)肟谔幍谋O(jiān)測(cè)主機(jī)捕捉到短路電流波形，通過優(yōu)化算法可以大致定位故障線路和故障類型。另一方面，由于繼電器發(fā)生跳閘保護(hù)動(dòng)作，電能表測(cè)量的線路電流將發(fā)生突變。通過電能表與監(jiān)測(cè)主機(jī)的通信，可以精確定位故障的類型和范圍。

（2）短路點(diǎn)2 所連線路上只配置有斷路器，即該線路的電能不需要單獨(dú)計(jì)量，監(jiān)測(cè)主機(jī)無法獲取該線路的電流信息。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，監(jiān)測(cè)主機(jī)形成可疑短路故障位置列表，用于下一步的人工排查。

3）監(jiān)測(cè)主機(jī)和電流表能夠?qū)崿F(xiàn)通信

為實(shí)現(xiàn)故障定位功能，需要建立監(jiān)測(cè)主機(jī)和智能電能表的通信，具體實(shí)施時(shí)可以采用RS-485 等通信方式。

3 低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識(shí)別方法

下面以低壓配電網(wǎng)單相對(duì)地短路故障為例[5-10]，詳細(xì)描述低壓配電網(wǎng)短路故障識(shí)別方法，以下給出了短路故障識(shí)別的步驟，如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)短路故障識(shí)別步驟

步驟1），整定低壓配電網(wǎng)的單相對(duì)地短路故障判據(jù)。

步驟1.1），計(jì)算特定短路點(diǎn)的單相穩(wěn)態(tài)短路電流，具體計(jì)算公式為

步驟1.2），依據(jù)步驟1.1 計(jì)算低壓配電網(wǎng)中所有可能短路點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)短路電流，確定最小穩(wěn)態(tài)短路 電流I最小。

步驟1.3），依據(jù)步驟1.2 的計(jì)算結(jié)果，整定低壓配電網(wǎng)單相對(duì)地短路故障判據(jù)如下：電流突變量 的幅值大于0.25I最小，并且突變量的直流諧波比例大于25%。

步驟2），基于用電設(shè)備負(fù)荷特性，采用最優(yōu)求解算法，計(jì)算低壓配電網(wǎng)用電負(fù)荷的投切情況以及負(fù)荷比例，進(jìn)而得到低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，基于典型參數(shù)值計(jì)算低壓配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

步驟3），低壓配電網(wǎng)的單相對(duì)地短路故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。安裝于變壓器低壓總出線處的監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)時(shí)錄取電流波形，并對(duì)錄取波形的幅值和直流諧波情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，當(dāng)電流突變量的幅值和直流諧波比例滿足步驟1.3 所述判據(jù)時(shí)，確定低壓配電網(wǎng)中有單相對(duì)地短路故障發(fā)生。

步驟4），當(dāng)發(fā)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，監(jiān)測(cè)主機(jī)報(bào)警，并啟動(dòng)故障定位功能模塊，初步定為故障類型和故障區(qū)域。

步驟5），與各條配電線路上安裝的智能電能表進(jìn)行通信，如果發(fā)生短路的配電線路上同時(shí)安裝有低壓保護(hù)繼電器和用于電能計(jì)量的智能電能表，則進(jìn)入步驟6），如果發(fā)生短路的配電線路上只安裝了低壓保護(hù)繼電器，沒有安裝智能電能表，則進(jìn)入步驟7。

步驟6），短路發(fā)生后，由于繼電器發(fā)生跳閘保護(hù)動(dòng)作，電能表測(cè)量的線路電流將改.變發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)主機(jī)根據(jù)記錄下該電能表的內(nèi)部編號(hào)，進(jìn)一步精確定位故障類型和故障區(qū)域。

步驟7），短路發(fā)生后，監(jiān)測(cè)主機(jī)無法直接獲取該故障線路的電流信息，只能將該線路添加到可疑短路故障位置列表。工作人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)故障位置。根據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)出的短路故障報(bào)警信息，工作人員將根據(jù)系統(tǒng)提供的可疑短路故障位置列表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

4 結(jié)論

論文提出的方法應(yīng)用于具有電流錄波和分析功能的低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可對(duì)低壓配電網(wǎng)中發(fā)生的短路故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，而且通過復(fù)用用戶能源管理系統(tǒng)所安裝的電能表進(jìn)行短路故障定位，最終可以統(tǒng)計(jì)出低壓配電網(wǎng)短路故障的頻率、發(fā)生時(shí)間、短路位置。

該方法基于非侵入負(fù)荷量測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)絡(luò)故障類型的判別和故障區(qū)域定位，可以適用于各類用戶用電現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于安全隱患排查、事故動(dòng)作分析等具有重要意義，該方法具有良好的推廣前景。

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