配電網(wǎng)接地故障測距改進方法研究

曹明杰 鄒曉松 袁旭峰 熊煒

摘 ?要： 針對配電網(wǎng)發(fā)生故障時對國民經(jīng)濟造成巨大危害，介紹一種主要結(jié)合智能控制終端的故障定位測距模塊和改進的故障測距方法。通過對常規(guī)測距方法的比較決定使用雙端測距法對故障點進行定位;為提高測量結(jié)果的精度，引入差分環(huán)節(jié)和FIR濾波環(huán)節(jié)的全周傅氏算法對數(shù)據(jù)進行處理，并對所建立的原始模型進行擴展，最后通過Matlab進行仿真實驗驗證。結(jié)果表明該方法具有很高的可靠性和測距精度，且在各種短路情況下依然具有較高的精度，滿足工程實際的要求。

關(guān)鍵詞： 智能終端; 雙端測距法; 差分環(huán)節(jié); 濾波環(huán)節(jié); 故障定位; 測距精度

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）11?0117?04

Abstract： Since the fault of the distribution network may bring great harm to the national economy， a fault location and ranging module combining intelligent control terminal is introduced， and its improved fault ranging method is studied. The double?ended ranging method is used to locate the fault point by means of comparing the conventional ranging methods. In order to improve the accuracy of the measuring results， the data is processed by the full?cycle Fourier algorithm with differential link and FIR filtering link. The established original model is extended. The simulation results of Matlab show that the method has high reliability and ranging accuracy， especially in a variety of short?circuit cases， and can meet the actual project requirements.

Keywords： intelligent terminal; double?ended ranging method; differential link; filtering link; fault location; ranging accuracy

0 ?引 ?言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)發(fā)生故障對經(jīng)濟和社會生產(chǎn)帶來的危害是巨大的。所以一旦配電網(wǎng)發(fā)生接地故障，需要快速、精準地找到故障位置，實現(xiàn)配電網(wǎng)的故障隔離和恢復供電[1]。故障測距方法基本上可以分為行波法、阻抗法、人工智能法和故障分析法[2]。行波法存在受初相角影響大，對采樣率要求高，易產(chǎn)生死區(qū)等問題[3]。阻抗法受接地電阻、故障點的過渡電阻、線路結(jié)構(gòu)、線路分布電容的影響顯著，即使有很多消除其影響的方法不斷出現(xiàn)，但也會付出降低測量結(jié)果精度的代價。人工智能測距法是將各種智能算法應(yīng)用到故障測距的算法求解中，并且算法種類多樣[4]，但每種人工智能算法都有其局限性，目前也都處在研究和發(fā)展階段，并未大規(guī)模投入使用。文獻[5]提出一種基于廣域同步信息的故障測距新方法。該方法基于線路的分布參數(shù)模型，利用橫向故障電流與故障距離的關(guān)系構(gòu)造了一個測距函數(shù)，從而通過迭代求出最大橫向故障電流，該電流的對應(yīng)距離即為實際故障距離。此方法的缺陷是不能對帶分支線路進行故障測距，如何改進測距算法是其要進行的核心工作。文獻[6?7]提出一種含DG配電網(wǎng)單相接地故障測距改進算法，利用變電站電機的出線電流和電壓作為輸入，通過迭代計算故障區(qū)段上下游母線電流電壓，代入由故障條件下復合序網(wǎng)建立的表達式中得到故障距離。文獻[8]提出在故障發(fā)生時利用故障錄波裝置采集電氣量信息，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息構(gòu)建測距方程，可分為單端測距和雙端測距方法。單端測距僅采集線路一端的電壓和電流值，不需要配備通信裝置，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也很成熟，具有一定的優(yōu)勢，但也存在一些問題，比如微分方程法受分布電容的影響較大，沿線電壓法存在故障測距的死區(qū)，單端工頻量法受對端系統(tǒng)阻抗影響顯著。

隨著大量DG加速滲入配電網(wǎng)，由于分布式電源的接入將會導致有源配電網(wǎng)中發(fā)生故障時的特性發(fā)生很大的改變，使得有源配電網(wǎng)的故障特性與傳統(tǒng)配電網(wǎng)之間存在很大區(qū)別[9]。這種情況下有源配電網(wǎng)發(fā)生故障和傳統(tǒng)配電網(wǎng)有了很大區(qū)別，研究出更適合現(xiàn)有故障類型的故障測距方法，對于快速準確地進行故障定位，加速故障排除，從而提高供電可靠性具有重大意義。雖然國內(nèi)外學者圍繞配電網(wǎng)單相接地故障問題開展了大量研究并取得了許多成果[10]，但當DG接入配電網(wǎng)時對配電網(wǎng)接地故障測距的影響研究較少，所以本文的研究對于以后結(jié)合有源配電網(wǎng)研究故障測距能夠建立一定的基礎(chǔ)。

雙端測距法利用線路兩端的電氣量信息，并且需要通信系統(tǒng)進行雙端信息的交互。相比單端測距法，由于其數(shù)據(jù)信息量充足，可在很大程度上減小故障點過渡電阻的影響，得到了廣泛的使用。本文將采用基于故障分析的雙端測距作為主動配電網(wǎng)智能控制終端的故障定位測距方法。

1 ?單端電源配電網(wǎng)絡(luò)模型

目前應(yīng)用于故障測距的線路模型主要有集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型兩種。本文采用的是更符合實際情況的線路分布參數(shù)模型。由于遠距離輸電線路的距離長，沿線路均勻分布的阻抗、電納、電容、漏抗等參數(shù)就不能看成是集中的參數(shù)。在具有分布參數(shù)的交流電路中，電壓、電流與時間和線路的距離有關(guān)。遠距離輸電線路的基本方程（推導略去）為：

一段故障線路如圖1所示。假設(shè)線路三相參數(shù)平衡，A為線路首端;B為線路末端，F(xiàn)為故障點，abc為三相線路。其中c相線路發(fā)生接地故障，[x]為線路首端到故障點的距離。

圖1 ?故障線路圖

設(shè)A和B電氣參量可測，在三相電路中，對于任意一組三相向量（電壓或電流）可以分解為正、負、零分量，當選擇a相作為基準相時，三相向量與其對稱分量之間的關(guān)系為：

針對上述公式的推導過程，三相電路的傳統(tǒng)分解向量圖如圖2所示。本文結(jié)合相應(yīng)的測距方法和方案對傳統(tǒng)的測距方法進行研究，并結(jié)合雙端同步向量法進行試驗研究。對比得出本文所研究的方法具有很大的優(yōu)點，并且對以后分布式能源接入配電網(wǎng)的故障測距也奠定了基礎(chǔ)。

本文在項目的研究中有意引用該文獻方法，但對該方法的大量實驗仿真研究表明，故障點可能在區(qū)域之外，因此該方法具有很大的不確定性，還需要進行優(yōu)化和改進。

2 ?測距原理和方法的實現(xiàn)

由上述分析可知，雙端同步向量法需要知道線路兩端的電壓和電流，而且對數(shù)據(jù)的同步性要求很高，所以DTU故障定位測距模塊將采用雙端測距算法。下面利用單端電源說明雙端測距法的基本原理。

圖2 ?序網(wǎng)圖

圖3 ?配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3 ?考慮其他因素對算法的改進

當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，此時的電壓和電流會呈現(xiàn)很嚴重的畸變現(xiàn)象。對于整數(shù)次諧波分量，本文選用具有較強穩(wěn)定性的全周傅氏算法進行濾除。雖然傅里葉算法可濾除諧波分量，但對非周期衰減的直流分量很難處理，解決方法是引入差分環(huán)節(jié)對傳統(tǒng)的全周傅氏算法進行改進，對于數(shù)據(jù)處理采用的是添加FIR濾波器的差分全周傅氏算法。含差分環(huán)節(jié)的故障測距流程圖見圖4。

圖4 ?含差分環(huán)節(jié)的故障測距流程圖

這里將每個負荷固定為[Pi=20] kW，選取[B1B2]間K點發(fā)生短路故障，故障發(fā)生的時間為0.2～0.25 s，配置在線路[B1B2]上的智能控制終端DTU1_1/DTU1_2將對故障進行定位測距，實際故障距離設(shè)置為20 km，模型見圖5。

圖5 ?帶DTU的配電網(wǎng)故障系統(tǒng)

式中：[e]表示測距誤差的百分比;[a]表示計算得到的故障距離，單位為km;[b]表示實際故障距離，單位為km;[L]表示區(qū)域內(nèi)故障點所在支線線路的總長度，單位為km。

4 ?仿真實驗結(jié)果與分析

為了驗證新方法的正確性，利用Matlab仿真工具建立模型，分別用本文方法和文獻[4]方法進行驗證。本文利用Simulink搭建線路為10 kV，20 km和25 km的配電線路。仿真參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率為10 kHz，用內(nèi)阻抗很小的電壓源模擬實際配電網(wǎng)的10 kV母線出線，根據(jù)所設(shè)故障條件，得到線路首末端的三相電壓、電流同步向量，設(shè)計不同的故障電阻進行仿真驗證，根據(jù)本文第2節(jié)所提的雙端故障測距法和文獻[4]所提的方法在過渡電阻分別在20 Ω，100 Ω的情況下進行仿真，并把仿真故障測距的結(jié)果做對比，如表1，表2所示。

表1 ?過渡電阻為20 Ω時的仿真結(jié)果比較

表2 ?過渡電阻為100 Ω時的仿真結(jié)果比較

本文在考慮配電網(wǎng)發(fā)生故障時，電壓、電流發(fā)生畸變，對此引入差分環(huán)節(jié)對諧波進行處理，仿真結(jié)果如表3所示，對比過渡電阻同為100 Ω的本文雙端故障測距方法，加入差分環(huán)節(jié)對諧波處理后，仿真得到的測距結(jié)果精度更高。

表3 ?加入差分環(huán)節(jié)后的仿真結(jié)果比較

把故障點仍設(shè)置在K點，實際故障的位置變?yōu)?5 km，并且在不同的短路故障情況下進行仿真，由表4可知，測距結(jié)果具有很高的測距精度。

表4 ?各智能控制終端故障測距結(jié)果

綜合仿真結(jié)果可知，通過智能控制終端可證明其內(nèi)部的故障定位測距模塊對故障點可以進行較為準確的定位，并且此改進故障測距算法在不同過渡電阻情況下測距精度很高，滿足仿真實驗的要求。

5 ?結(jié) ?論

本文采用的故障測距方法具有較高的創(chuàng)新性，策略簡單易行，仿真的實驗結(jié)果證明在改進的算法基礎(chǔ)上，測距精度明顯提高，且在加入差分環(huán)節(jié)處理，測距精度得到進一步提高;而且在對模型進行擴展后各智能控制終端可通過其內(nèi)部的故障定位測距模塊對故障點進行很準確的定位，并且在多種短路故障下都能滿足工程實際的要求。下一步需要改進的部分是結(jié)合DG變化和帶分支線路負荷進行研究，研究出適合現(xiàn)在有源配電網(wǎng)發(fā)展的一種更加可靠的故障測距方法。

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