基于方向比較原理的故障定位研究

沈雯暉

(國網(wǎng)龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

基于方向比較原理的故障定位研究

沈雯暉

(國網(wǎng)龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

為了提高電網(wǎng)故障定位的速度，本文提出了基于方向比較原理構(gòu)成方向信息矩陣的故障定位算法，綜合了變電站中能夠反映站內(nèi)拓?fù)湫畔⒌姆较蛐畔⒕仃?。利用正常運(yùn)行和故障發(fā)生時(shí)方向信息矩陣進(jìn)行分析比較，對站內(nèi)變壓器、出線和母線等一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)分別判斷。該算法所需信息量小，簡單易行，流程簡明，克服了傳統(tǒng)后備保護(hù)在定值和時(shí)間上復(fù)雜配合的缺陷，可實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)故障元件的快速、準(zhǔn)確定位，還具有較高的容錯(cuò)性和擴(kuò)展性。

方向比較原理；方向信息矩陣；故障定位

1 引言

隨著互聯(lián)大電網(wǎng)的發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜和龐大，區(qū)域間功率交換日益增加，電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制越加靈活多變。傳統(tǒng)的后備保護(hù)一般采用零序過電流保護(hù)或者階段式距離保護(hù)[1]，通過定值和時(shí)間的配合來保證選擇性，動作速度慢，使得繼電保護(hù)難以同時(shí)保證選擇性和靈敏性的要求，無法保證繼電保護(hù)始終處于最佳工作狀態(tài)。比如：遠(yuǎn)后備方式實(shí)現(xiàn)較困難，只能以近后備配失靈保護(hù)的方式部分代替，各種原理的后備保護(hù)均由本地電氣量構(gòu)成，在復(fù)雜電網(wǎng)特別是短線環(huán)網(wǎng)中的定值和時(shí)間配合關(guān)系整定更加困難。對現(xiàn)有的定位原理進(jìn)行了系統(tǒng)歸納，可將其概括為三類[2]:一類是以在線路端點(diǎn)處測量故障距離為目的的故障測距法;一類是故障發(fā)生后通過向系統(tǒng)注入特定信號實(shí)現(xiàn)尋跡的信號注入法;還有一類是根據(jù)故障點(diǎn)前后故障信息的不同確定故障區(qū)段的戶外故障點(diǎn)探測法。

由于上述的三類故障定位方法都不太適合短線環(huán)網(wǎng)中，本文綜合了變電站中能夠反映站內(nèi)拓?fù)湫畔⒌姆较蛐畔⒕仃?，提出了基于方向比較原理構(gòu)成方向信息矩陣的故障定位算法，通過利用正常運(yùn)行和故障發(fā)生時(shí)方向信息矩陣進(jìn)行分析比較，對站內(nèi)變壓器、出線和母線等一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)做出故障定位。最后通過算例驗(yàn)證本文提出的故障定位算法是一種快速、可靠的故障定位方法，為變電站的快速切除故障提供了一種有效的方法。

2 方向元件與變電站一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)表示

為了能夠正確地判斷故障元件，在變電站被保護(hù)系統(tǒng)的每一個(gè)斷路器或者電流互感器處對應(yīng)安裝一個(gè)方向元件，用于指示電流方向變化的情況，并經(jīng)站內(nèi)局域網(wǎng)將故障方向信息上傳至站域后備保護(hù)裝置中?；诜较虮容^原理構(gòu)成方向信息矩陣的故障定位算法只需采集變電站內(nèi)的各斷路器電流方向信息，且只針對與發(fā)電網(wǎng)絡(luò)相鄰的線路，因此應(yīng)用分析說明該算法，可去除主接線與相鄰網(wǎng)絡(luò)相連接的電網(wǎng)部分以及連接負(fù)荷的線路。簡化后的變電站主接線如圖1所示。

圖1 變電站主接線示意圖

圖中D1～D5是安裝在斷路器處的方向元件，與斷路器一一對應(yīng)；L1～L5是變電站的引出線路；B1～B2為母線；T為110kV/10kV的雙圈變壓器，K1～K3表示線路、母線、主變壓器出現(xiàn)的故障。

從變電站的主接線示意圖中，由此可以得出表1中方向元件與變電站主要設(shè)備的關(guān)聯(lián)表示。由于所有斷路器和方向元件都已連接到母線，故表1的信息就可以反映出該變電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

表1 方向元件與變電站主要設(shè)備的關(guān)聯(lián)

表1中的元素Di反映的是線路之間的方向元件輸出值，方向元件的方向按電流流出母線為正，流入母線為負(fù)來定義，于是每個(gè)方向元件的輸出值便可表示如下式：

(1)

此時(shí)，方向元件與變電站一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)就可用便于處理的0，±1來表示，為故障定位奠定了基礎(chǔ)。

3 故障定位算法

在提出基于方向比較原理構(gòu)成方向信息矩陣的故障定位算法前，必須先來明確下故障定位的三條判斷準(zhǔn)則：

準(zhǔn)則一：如果故障發(fā)生在變壓器，那么母線和變壓器相關(guān)聯(lián)的方向元件輸出值將會全為“1”；如果變壓器正常，那么對應(yīng)的輸出值將不會全為“1”。

準(zhǔn)則二：如果故障發(fā)生在引出線路上，那么請遍歷母線與線路相關(guān)聯(lián)的元素，以行為遍歷單位，若母線對應(yīng)行中的關(guān)聯(lián)元素不完全一樣，那么與該母線相關(guān)的線路其一便是故障線路[3]。再跟其它行中的元素作比較，輸出值和其它線路對應(yīng)輸出值不一樣的那條便是故障線路。如果線路正常，那么每一行與線路有關(guān)的輸出值將會全部一樣，不是“1”就是“-1”。

準(zhǔn)則三：如果故障發(fā)生在母線，請遍歷母線與變壓器相關(guān)聯(lián)的那一列數(shù)據(jù)，則列中元素是“-1”的為故障母線。

根據(jù)以上三條判斷準(zhǔn)則，基于方向比較原理構(gòu)成方向信息矩陣的故障定位算法[4]通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和采集相關(guān)斷路器方向元件的信息，形成方向信息矩陣，依次對變壓器、直接出線、母線做出故障判斷，故障定位的流程如圖2所示。

圖2 基于方向比較原理的故障定位算法流程圖

流程圖中的DBT指的是母線與變壓器相關(guān)聯(lián)的元素；Di對應(yīng)母線與線路相關(guān)聯(lián)的元素；DBi代表以行為單位的母線和線路相關(guān)聯(lián)的元素。由流程圖可知，該故障定位方法先實(shí)時(shí)獲取方向信息矩陣，然后根據(jù)方向信息矩陣對變壓器和出線進(jìn)行檢測判斷是否出現(xiàn)故障，最后再判斷母線是否發(fā)生故障，從而得到精確故障定位。

4 算例分析

本文選取如圖1所示的變電站，首先，智能變電站在無故障情況下，形成的方向元件和主要設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系如表2。

表2 正常情況下的關(guān)聯(lián)關(guān)系

由表2可得無故障情況下，方向元件與一次設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系所形成的的方向信息矩陣如下式所示：

(2)

只有當(dāng)檢測出的方向信息矩陣與無故障的信息矩陣N0不一樣時(shí)才啟動后備定位故障的程序進(jìn)行遍歷。為了驗(yàn)證該算法的正確有效性，下文將在線路、母線、變壓器上分別設(shè)置故障K1、K2、K3，利用本文提出的基于方向比較原理的故障定位方法進(jìn)行故障定位。

4.1 假設(shè)故障發(fā)生在出線側(cè)K1

故障發(fā)生時(shí)，先生成對應(yīng)的方向信息矩陣N，如下式所示：

(3)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發(fā)現(xiàn)方向元件出現(xiàn)了不一樣，于是進(jìn)入故障定位的程序遍歷。

(1)判斷故障是否發(fā)生在主變

一開始，程序遍歷Ni6=(i=1,2)，發(fā)現(xiàn)并不是所有的Ni6=(i=1,2)=1，可知故障沒有出現(xiàn)在變壓器上；

(2)再判斷故障是否發(fā)生在出線

程序接著遍歷N11、N12，N23、N24，N25，發(fā)現(xiàn)N11=N12=-1，N23=N25=-1，但N24≠N23，且N24=1。根據(jù)故障定位的三條判斷準(zhǔn)則中的準(zhǔn)則二，得出故障發(fā)生在線路L4，這與圖中設(shè)置的故障K1所在位置一致。故障定位之后程序進(jìn)入出線跳閘模塊，即開斷出線L4。

4.2 假設(shè)故障發(fā)生在母線K2

故障發(fā)生時(shí)，先生成對應(yīng)的方向信息矩陣N，如下式所示：

(4)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發(fā)現(xiàn)方向元件出現(xiàn)了不一樣，于是進(jìn)入故障定位的程序遍歷。

(1)先判斷故障是否發(fā)生在主變

一開始，程序遍歷Ni6(i=1,2)，發(fā)現(xiàn)并不是所有的Ni6(i=1,2)=1，可知故障沒有出現(xiàn)在變壓器上。

(2)再判斷故障是否發(fā)生在出線

程序接著遍歷N11、N12，N23、N24，N25，發(fā)現(xiàn)N11=N12=-1，N23=N24=N25=-1。根據(jù)故障定位的三條判斷準(zhǔn)則中的準(zhǔn)則二，可知故障也沒有發(fā)生在出線上。

(3)最后判斷故障是否發(fā)生在母線上

繼續(xù)遍歷程序，發(fā)現(xiàn)Ni6=-1，根據(jù)故障定位的判斷準(zhǔn)則的準(zhǔn)則三，得出故障可能發(fā)生在母線B1上，這和圖中所設(shè)置的故障K2所在位置一致。故障定位之后程序進(jìn)入母線跳閘模塊，即開斷母線B1。

4.3 假設(shè)故障發(fā)生在主變K3

故障發(fā)生時(shí)，先生成對應(yīng)的方向信息矩陣N，如下式所示：

(5)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發(fā)現(xiàn)方向元件出現(xiàn)了不一樣，于是進(jìn)入故障定位的程序遍歷。判斷故障是否發(fā)生在主變，一開始程序遍歷Ni6(i=1,2)，發(fā)現(xiàn)所有的Ni6(i=1,2)=1，根據(jù)故障定位的三條判斷準(zhǔn)則的準(zhǔn)則一，得出故障發(fā)生在變壓器T上。這與圖中所設(shè)置的故障K3所在位置一致，因此，故障定位之后程序進(jìn)入變壓器跳閘模塊，即開斷變壓器線路。

5 算法的優(yōu)點(diǎn)

(1)優(yōu)化后備保護(hù)動作時(shí)間

該算法可起到快速近后備保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)部故障定位[5]，可縮短后備保護(hù)切除故障的時(shí)間。例如算例分析中判斷出線K1故障的情況，在主保護(hù)拒動時(shí)，一個(gè)時(shí)間的延時(shí)后，通過遍歷方向信息矩陣N，便可快速判斷出故障所在位置，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)備的跳閘動作。

(2)優(yōu)化斷路器失靈保護(hù)

在保護(hù)系統(tǒng)中，變壓器和母線互為后備，所以可以通過遍歷方向信息矩陣實(shí)現(xiàn)斷路器的失靈保護(hù)[6]。比如如果母線B2對應(yīng)的斷路器3、4、5失靈時(shí)，則由變壓器所對應(yīng)的斷路器7進(jìn)行跳閘。同理，當(dāng)對應(yīng)于變壓器低壓側(cè)的斷路器7跳閘拒動時(shí)，應(yīng)該跳開母線B2對應(yīng)的斷路器3、4、5。另外，當(dāng)出線L3故障，而斷路器3失靈時(shí)，站域后備保護(hù)系統(tǒng)遍歷表中對應(yīng)于L3的第二行，然后掃描定位到同一行中的DBT元素，跳開斷路器7便可實(shí)現(xiàn)出線L3上的斷路器失靈保護(hù)。

(3)容錯(cuò)性分析

當(dāng)變電站內(nèi)一次設(shè)備的某一方向元件信息缺失而反饋為0時(shí)，站域后備保護(hù)系統(tǒng)將進(jìn)入冗余運(yùn)算，修正方向信息矩陣。即，尋找方向信息矩陣對應(yīng)行中其它一次設(shè)備關(guān)聯(lián)的方向元件輸出值，以此值的負(fù)值作為該缺失的方向元件的輸出值，然后再進(jìn)行故障判斷。例如，線路L4在K1處發(fā)生故障，由于某些原因而使得L1上的方向元件D1信號缺失，輸出值為0。根據(jù)方向信息矩陣的修正策略，找到了D1對應(yīng)行中其它一次設(shè)備關(guān)聯(lián)的方向元件D6，此時(shí)D6的輸出值為1，所以可將D1值修正為-1。修正后再將正確的方向信息矩陣帶入故障判別算法。但對于方向信息矩陣中出現(xiàn)2個(gè)及2個(gè)以上為0時(shí)，系統(tǒng)將對保護(hù)閉鎖，并發(fā)出告警信息。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于方向比較原理的故障定位算法，依據(jù)方向信息矩陣，通過對正常運(yùn)行和故障發(fā)生時(shí)方向信息矩陣進(jìn)行分析比較，對站內(nèi)變壓器、出線和母線等一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)做出故障定位。以此同時(shí)，通過算例分析得到本文提出的故障定位方法可以快速定位到變電站內(nèi)發(fā)生故障的線路、母線、變壓器。該故障定位方法對多電源復(fù)雜線路上的多重故障具有較好的適應(yīng)性，在故障定位的速度、準(zhǔn)確性、可靠性等方面均有明顯的改進(jìn)，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了新的思路和方法。

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Fault Location Study Based on Direction Comparison Principle

SHENWen-hui

(Longyan Power Supply Corporation Stute Grid,Longyan 364000,China)

In order to improve the speed of power grid fault location，fault location algorithm is proposed directional comparison principle constitutes direction information matrix，a combination of substation topology information to reflect the station direction information matrix.Based on the normal operation and fault occurs direction information matrix analysis comparison,it can judge the device such as the station transformer,bus bar and line respectively when it is fault.The algorithm needs Small amount of information,is easy to process.The process is concise,overcome the traditional backup protection on the fixed value and the time complicated with defects,which can realize fault components inside the station of rapid,accurate positioning,but also has high fault tolerance and extensibility.

direction comparison principle;direction information matrix;fault location

1004-289X(2016)03-0073-04

TM56

B

2015-03-29

沈雯暉(1987-)，女，福建省龍巖市連城人，本科，助理工程師，主要從事供電企業(yè)配網(wǎng)用戶側(cè)用電檢查工作。