基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位方法研究

王澤洋

摘要：針對傳統(tǒng)配網(wǎng)故障定位方法存在操作復(fù)雜度高、配置設(shè)備成本投入高和故障定位效果差的問題，文章對基于故障指示器的配網(wǎng)故障定位方法進行了研究，該方法引入電網(wǎng)有向圖思想，利用主站接收到的故障指示器動作信號構(gòu)造節(jié)點與支路關(guān)聯(lián)矩陣，將關(guān)聯(lián)矩陣與電網(wǎng)有向圖中的電流向量進行乘法運算得到故障判斷結(jié)果，通過結(jié)果數(shù)據(jù)分析可精準(zhǔn)定位故障所在區(qū)段。通過實際應(yīng)用仿真，配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位方法可準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點，具有廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)故障定位;故障指示器;電網(wǎng)有向圖

0引言

配電網(wǎng)是電能輸送到用戶的重要通道，與電力用戶的社會經(jīng)濟生產(chǎn)生活密不可分，因此配電網(wǎng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到用戶的用電質(zhì)量，配網(wǎng)正成為我國電網(wǎng)建設(shè)的核心環(huán)節(jié)。然而，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市和人口規(guī)模的不斷擴大，配網(wǎng)正從過去單一的供電側(cè)末端網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為具有的多個分布式電源的復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致配電網(wǎng)內(nèi)的各種保護與控制設(shè)備無法做到準(zhǔn)確整定，造成了配電網(wǎng)故障時無法精準(zhǔn)定位故障發(fā)生位置，為故障的切斷與維修帶來難題。

因此，如何精準(zhǔn)定位配網(wǎng)故障發(fā)生位置成為電網(wǎng)研究的熱門課題，目前在配網(wǎng)自動化建設(shè)過程中，主要通過智能饋線終端進行信號遙測來確定配網(wǎng)故障發(fā)生位置，但上述方法中不僅智能饋線終端造價昂貴不利于廣泛應(yīng)用，同時該方法還存在故障定位時間過長和定位精度較低的問題。針對上述問題，本文將利用故障指示器與電網(wǎng)有向圖相結(jié)合的方法實現(xiàn)配網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，以期為配網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

1故障指示器概述

故障指示器（FI）研發(fā)于二十世紀(jì)八十年代的德國，主要用于電力線路中指示故障電流，通過指示的方式，幫助電網(wǎng)工作人員查找故障，減少故障巡線的查找時間。根據(jù)配網(wǎng)接線方式可將配網(wǎng)故障指示器類型分為：架空線路故障指示器、架空線路故障指示器和面板型故障指示器。通常情況下，故障指示器由探頭和故障集中器組成，架空線路故障指示器懸掛安裝于架空線路，當(dāng)有故障發(fā)生時，探頭檢測到故障時，通過探頭上的無線發(fā)射裝置將故障信號發(fā)送到故障集中器中，故障信息通過故障集中器遠程傳輸至主站進行數(shù)據(jù)處理。電纜線路故障指示器通常安裝于配網(wǎng)開關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜，其工作原理及構(gòu)造與架空線故障指示器類似，將探頭卡在電纜線路上進行電壓、電流的檢測，并直接通過通信接口進行遠程傳輸信號，電纜線路故障指示器通常利用光纖進行信號傳輸。面板型故障指示器與上述兩種故障指示器的組成以及工作方式都不同，通常情況下面板型故障指示器由主機和傳感器兩部分組成，安裝于配網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜、電力分支箱和箱式變壓器上，上述主機具有和故障指示器功能相對應(yīng)的操作界面，可實現(xiàn)自檢、測試、復(fù)位以及故障定位操作。

2 ?基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位研究

2.1電網(wǎng)有向圖概述

在工程應(yīng)用中，所有的應(yīng)用圖都可用點和線組成的集合進行表示，其中點用來表示有形或無形的事物，而線用來表示各事物之間的聯(lián)系。在進行應(yīng)用圖的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究時，用樹表示其中支路和頂點的集合，而有向圖是指帶有方向信息的節(jié)點以及支路的集合，即帶有方向信息的樹就是有向圖，每個應(yīng)用圖的樹并不是只有一種選擇，只要樹包含應(yīng)用圖中的所有頂點即可，通常情況下若應(yīng)用圖中包含m個節(jié)點，則其樹中包含m-1條支路。

配網(wǎng)電路也可用上述有向圖進行表述，通過節(jié)點和支路抽象的表現(xiàn)了與原電網(wǎng)絡(luò)具有相同的連接方式的幾何圖形，突出了電路的結(jié)構(gòu)特征。某簡單電路的電路圖如圖1所示。

如圖1所示，某簡單電路中包含4個電路節(jié)點和5條電路支路，每條支路上都包含兩端型電力元件，為突出該電路的線路結(jié)構(gòu)，將該電路圖進行有向圖轉(zhuǎn)換后可去除每條支路中的電力元件得到該電路的應(yīng)用圖，某簡單電路的應(yīng)用圖如圖2所示。

如圖2所示，在該應(yīng)用圖中選取節(jié)點2作為有向圖樹的頂點進行有向圖構(gòu)造，某簡單電路有向圖樹如圖3所示。

上式1中，aij表示節(jié)點i與支路j的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)支路j從節(jié)點i流出則aij取值-1;當(dāng)支路j從節(jié)點i流入則aij取值1;當(dāng)支路j與節(jié)點i物管則aij取值0。

2.2基于故障指示器的配網(wǎng)故障定位原理

根據(jù)上文可知，每個電路有向圖都有與之相對應(yīng)的節(jié)點-支路關(guān)聯(lián)矩陣A，該矩陣維數(shù)為m×b，其中b表示有向圖中包含的支路數(shù)。本文研究中，為使上述關(guān)聯(lián)矩陣中各行元素相互獨立，將在有向圖中選取參考節(jié)點對管理矩陣進行降維處理記為A。某實驗電路有向圖如圖4所示，

若上述實驗電路發(fā)生短路故障，故障點將通過電源點與大地形成通路，為在有向圖中描述這種變化，將在各節(jié)點與參考節(jié)點之間增加短路支路，短路后實驗電路的有向圖如圖5所示。

上式（4）中i表示短路故障發(fā)生前各支路電流，ic表示故障支路電流。若故障電流為0，該式即為系統(tǒng)正常運行時的支路電流方程;若系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，該式即為含短路通路的支路電流方程。

2.3配網(wǎng)故障定位容錯機制

分布式電源接入配電網(wǎng)時，電流己不再單一的由樹根電源點單向流往負荷。當(dāng)發(fā)生短路故障時，除了樹根處的電源向故障點提供短路電流外，分布式電源也可能向故障點輸出短路電流，因此從有向圖的角度上看，有向圖中邊的方向己不能確定。但配電網(wǎng)中分布式電源通常為逆變型，所提供的短路電流比較小，可能難以觸發(fā)故障指示器動作，為此在研究有分布式電源的配網(wǎng)時，要進行容錯分析，即觸發(fā)故障指示器動作的短路電流中必定有很大一部分來自樹根處的電源點，從樹根到故障點的路徑必是唯一的，故可假定故障處的短路電流全部由樹根電源點提供，并以此為電流參考方向。當(dāng)故障指示器動作，且檢測到的故障電流方向與參考方向一致時，故障指示器判斷后上傳動作信息，并設(shè)該線路的電流值為1;當(dāng)故障指示器動作但檢測到的故障電流方向與參考方向相反或故障指示器不觸發(fā)動作時，不上傳動作信息，則設(shè)此時該線路的電流值為0。

2.4故障定位流程

根據(jù)上文分析可知，基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位流程步驟為：

1）故障指示器檢測到故障信號觸發(fā)指示器動作，故障指示器將動作信息遠程上報給配網(wǎng)調(diào)度中心。

2）配網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)收集的故障指示器動作信息進行基本定位處理，求解計算出故障的基本區(qū)段。

3）調(diào)度中心的控制程序通過識別基本區(qū)段，包括正常運行在內(nèi)的多種線路運行情況，并對其進行容錯性分析。

4）通過容錯分析，計算出重合度最高的故障電流向量，因而最終確定概率最高的配電網(wǎng)運行倩況。

5）根據(jù)結(jié)果分析，若線路處于正常運行狀態(tài)，則定位程序再次回到休眠狀態(tài)，直到下次接收到故障指示器觸發(fā)動作信號;若線路有故障情況，將精確故障區(qū)段發(fā)送給工作人員。

3 ?應(yīng)用仿真

為驗證上述研究的故障定位方法的可靠性，通過對含有光伏發(fā)電的配網(wǎng)系統(tǒng)進行了方法應(yīng)用仿真。含分布式電源的故障仿真如圖7所示。

上圖所示的配網(wǎng)中包含19個故障指示器，分別安裝于配網(wǎng)各處，在FI15與FI16之間裝有光伏發(fā)電裝置，因該裝置發(fā)電功率較大，因此在發(fā)生配網(wǎng)故障時可觸發(fā)故障指示器動作。模擬故障發(fā)生在FI10以及FI7后段，配網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)故障指示器動作信息統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1所示結(jié)果，當(dāng)故障發(fā)生過后，編號1-7、9和10號故障指示器發(fā)出正向動作信息，編號12、13和15號故障指示器發(fā)出反向動作信息，再結(jié)合故障電流ic的取值可準(zhǔn)確判斷出配電網(wǎng)的FI10以及FI7后段發(fā)生故障，準(zhǔn)確定位了配網(wǎng)故障發(fā)生位置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 ?結(jié)語

本文提出了基于故障指示器的配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位方法，該方法引入了電網(wǎng)有向圖思想，并結(jié)合配網(wǎng)故障定位容錯機制能夠有效去除常規(guī)故障指示器誤動作信息，實現(xiàn)配網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，有效減少了故障定位時間，避免了配網(wǎng)故障造成重大的財產(chǎn)經(jīng)濟損失，為電網(wǎng)的智能發(fā)展提供了技術(shù)支持。

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