基于邊緣計算和廣域同步測量技術(shù)的 配電網(wǎng)故障定位方法*

田 鵬 秦 賀 侯乃乾 劉志強

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司 棗莊 277100； 2. 國網(wǎng)山東省電力公司建設公司 濟南 250000)

1 引言

現(xiàn)階段我國配電網(wǎng)中，單相接地故障占全部故障的80%以上[1]。傳統(tǒng)的暫態(tài)特征型故障指示器主要依據(jù)本地單一裝置的零序電流和零序電壓數(shù)據(jù)進行接地故障的判斷定位[2]。因為接地故障發(fā)生后故障線和非故障線的特征差異以及故障點上游與故障點下游的特征差異無法被利用，造成單相接地故障判決的參數(shù)難以整定，單相接地故障區(qū)段定位成功率低。近三年出現(xiàn)的暫態(tài)錄波型故障指示器利用電場啟動錄波，上送到主站進行故障區(qū)段定位[3]。這種方法定位準確度有待提高，而且增大了配電自動化主站的處理開銷和通信帶寬占用，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素。

本文提出一種基于邊緣計算和廣域同步測量技術(shù)的配電網(wǎng)故障定位方法。該方法通過線路廣域同步相電流設備提供同段母線波形數(shù)據(jù)，在母線上增設邊緣計算單元監(jiān)測零序電壓、匯集同段母線錄波數(shù)據(jù)，根據(jù)相似度量算法推導出余弦相似度以及變形的故障定位理論模型，并據(jù)此開發(fā)單相接地智能定位系統(tǒng)，實現(xiàn)該方法的工程應用和運行驗證。

2 單相接地故障區(qū)段定位方法

2.1 配電網(wǎng)單相接地故障特征

小電流接地的單相接地故障有如下特征[4-5]。

(1) 零序電壓：接地后出現(xiàn)零序電壓，其大小與接地電阻成反比；

(2) 零序電流：非故障線路和故障線路故障點下游的零序電流為該線路的對地等值電容電流，相位超前于零序電壓90°。中性點不接地或消弧線圈接地時，故障線路故障點上游的初始暫態(tài)零序電流為所有非故障線路的初始暫態(tài)零序電流之和，且與非故障線路和故障線路下游相位相反，滯后零序電壓90°。

2.2 配電物聯(lián)網(wǎng)的母線邊緣計算

國家電網(wǎng)配電物聯(lián)網(wǎng)為“云管邊端”架構(gòu)層級[6]。其中，“邊”即邊緣計算，計算分析功能擴展到網(wǎng)絡邊緣[7]。在每段母線設立對應的緣計算單元來處理故障定位問題，實現(xiàn)接地故障錄波集中觸發(fā)啟動。邊緣計算單元可安裝于變電站內(nèi)，亦可在線路上與配電終端監(jiān)控開關等設備融合獲得零序電壓或單獨安裝電壓互感器獲得零序電壓信號。

邊緣計算單元需要滿足以下要求：① 內(nèi)置遠傳通信模塊，與同一母線全部“端設備”廣域同步電流相電流錄波裝置通信；② 中央處理器滿足數(shù)據(jù)處理性能指標；③ 可集中式觸發(fā)接地故障分析，匯集分支數(shù)據(jù)，其采樣與廣域同步相電流錄波裝置保持同步。

2.3 廣域同步的相電流錄波測量

以同步相量測量單元為核心的廣域測量系統(tǒng)已經(jīng)在主網(wǎng)大量使用[8]。新設計的廣域同步相電流錄波裝置是在PMU 方案的基礎上改進而成，步驟如下所述。

(1) 引入自動頻率跟蹤算法，裝置周期性接收GPS/北斗授時信號作參考時鐘，在兩次接收間隔利用內(nèi)部高頻時鐘(10.24 MHz)經(jīng)專用的“基于計數(shù)器的遲早門”同步跟蹤技術(shù)，動態(tài)化跟蹤調(diào)節(jié)頻率配置，將采樣誤差控制在1 μs 以下。

(2) 建立裝置處理功耗與線路感應取能功耗的平衡機制，線路負荷高于4.5 A 即可全功能工作。

(3) 采用無線遠傳通信與邊緣計算單元通信，合成高質(zhì)量零序電流數(shù)據(jù)，使得基于相位關系的多點數(shù)據(jù)相似性比較類算法成為可能。

2.4 故障區(qū)段定位方法

廣域同步相電流錄波裝置持續(xù)錄波相電流數(shù)據(jù)，并帶有絕對時間標簽。邊緣計算單元的零序電壓監(jiān)測模塊持續(xù)監(jiān)測零序電壓變化，一旦發(fā)現(xiàn)零序電壓變化值ΔU0超過設定閾值ε，可認為發(fā)生了單相接地故障，記錄滿足條件時刻的絕對時間標簽T0，并將T0絕對時標下發(fā)到線路的各廣域同步相電流錄波裝置。錄波裝置接收到該絕對時標后，將該絕對時標前P 后Q 個周波的錄波數(shù)據(jù)上傳到邊緣計算單元，其中P 默認設置為4，Q 默認設置為12。邊緣計算單元收集到同段母線所有線路錄波裝置返回的錄波數(shù)據(jù)后，將各節(jié)點的相電流數(shù)據(jù)合成為零序電流數(shù)據(jù)I0(m,n)，并研判故障點。

邊緣計算單元統(tǒng)計判斷同段母線的所有安裝位置零序電流是否都已獲得。如果數(shù)據(jù)不完整，且還未超過設定的延長定時器T1，則繼續(xù)等待數(shù)據(jù)上傳，否則邊緣計算單元將開始第一次故障判決。如果故障判決已確定故障區(qū)段，將結(jié)束整個過程，否則再等待T1時間，期間邊緣計算單元向尚未上傳數(shù)據(jù)的裝置發(fā)出數(shù)據(jù)重調(diào)指令，整個過程可以重復D 次，D 為預設的次數(shù)。T1取180 s，D 取5 次。整個處理流程如圖1 所示。

邊緣計算單元在進行故障判決定位時，采用相似度度量算法，提高算法抗干擾力和普適性。余弦相似度可把相似度量結(jié)果限定在[-1,1]之間，反映兩組相量信號之間的夾角(相位)關系。度量不同配電分支的零序電流相似度，如式(1)所示

式中，ρ 為相似度系數(shù)；I0為零序電流；m1,m2為不同出線；k 為采樣點位置，故障初始時刻為零序電壓滿足突變門限的采樣點位置。

相似度度量之前，采用濾波器選取特征頻段的零序電流數(shù)據(jù)做相似度度量[9-10]。選擇在不同出線暫態(tài)零序電流最大值所在的裝置之間進行余弦相似度度量，從而根據(jù)不同出線的相似度度量結(jié)果選擇出故障線路。每條線路選出的裝置與其他線路的余弦相似度度量結(jié)果求和并歸一化得到式(2)

式中，thresρ′ 為低限閾值，取-0.5 或更??；2thresρ′ 為高限閾值，取0.5 或更大；minρ′ 為歸一化形式度系數(shù)最小值，如果位于兩個閾值之間，需要結(jié)合其他算法，例如暫態(tài)能量法等進行故障定位。

根據(jù)拓撲關系選擇沿線裝置，被選中的裝置對故障線路而言有上下游相鄰邏輯，繼續(xù)進行度量迭代計算，能夠明確故障點的區(qū)段。定位區(qū)段時采用余弦相似度變形的Tonimoto 系數(shù)計算，如式(5)所示

式中，(,1)nnρ+′ 為編號n 與編號n+1 兩條相鄰節(jié)點的Tonimoto 系數(shù)；k 為采樣點位置；I0為零序電流；M1為故障支線；n 為相鄰節(jié)點編號。記故障線路所有相鄰節(jié)點計算的 Tonimoto 系數(shù)最小值為，如果滿足，則故障在這兩個相鄰節(jié)點之間，即確定了故障區(qū)段。如果滿足則故障位于故障線路的最下游 (其中thresρ′ 為低閾值，取 0.1；thres2ρ′ 為高閾值， 取0.7)。

3 工程應用及算例分析

基于邊緣計算和廣域同步測量的配網(wǎng)單相接地故障定位方法設計的配網(wǎng)單相接地智能定位系統(tǒng)，已在十余座變電站10 kV 側(cè)進行了安裝。經(jīng)過一年多的實地應用，該系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位功能成效顯著，準確指示單相接地故障，且無誤報和漏報。系統(tǒng)在實現(xiàn)故障定位的同時，結(jié)合零序電壓突變持續(xù)情況，能夠辨識接地故障持續(xù)時間。

3.1 區(qū)域內(nèi)故障定位實例分析

以某日凌晨4 點發(fā)生在NG 站的單相接地故障為例。該變電站有7 條10 kV 配電線路，安裝示意如圖2 所示，其中圓圈表示廣域同步相電流錄波裝置安裝位置。

故障發(fā)生時的零序電壓波形如圖3 所示，從波形可以看出故障持續(xù)超過90 min。

該母線下7 條出線首端裝置的零序電流波形如圖4 所示，可以看到除19NG 線外，其他線路的波形變化大體一致，而19NG 線與24YZ、22BL、20GY、13LC、17SN 以及21ML 的零序電流基本反相，而且幅度最高。計算各配電出線的歸一化余弦相似度數(shù)值如表1 所示。

表1 出線歸一化余弦相似度數(shù)值

其中，19NG 線的數(shù)值小于閾值-0.5，并且和其他線路差距較大，可以確認故障線路為19NG 線。然后計算19NG 線沿線上下游相鄰裝置的Tonimoto系數(shù)，得到表2。

表2 故障線路上下游相鄰節(jié)點Tonimoto 系數(shù)

可以看到2#與XD-12#之間的Tonimoto 系數(shù)小于閾值0.1，結(jié)合實際線路拓撲，2#在主線的下游還有40#，而和2#和40#之間的Tonimoto 系數(shù)也小于閾值，所以綜合結(jié)果為故障在19NG 線2#與40#之間，而且可以排除分支線XD-12#的下游。

現(xiàn)場最終反饋結(jié)果為，DJ 支線的弓子線斷線造成的單相接地故障在19NG 線2#與40#之間，與系統(tǒng)定位的故障區(qū)段一致。

3.2 區(qū)域外故障定位實例分析

以某日15 點發(fā)生在NG 站的單相接地故障為例，本次故障的各出線首套裝置的零序電流如圖5所示，波形相似度很高，進一步計算7 條線路與其他線路的歸一化余弦相似度，得到表3 數(shù)據(jù)，最小的Tonimoto 系數(shù)為0.966 大于閾值0.5，所以判斷接地故障發(fā)生在區(qū)域外。

表3 出線歸一化余弦相似度數(shù)值

4 結(jié)論

本文提出了一種基于邊緣計算和廣域同步測量技術(shù)的配電網(wǎng)故障定位方法。

(1) 與傳統(tǒng)配網(wǎng)故障定位相比，本文方法充分利用多點數(shù)據(jù)，邊緣計算在終端側(cè)發(fā)揮數(shù)據(jù)分析作用，有效規(guī)避了對主站的依賴和資源占用。

(2) 本文算法源于相似度度量理論，不受配電網(wǎng)絡復雜拓撲結(jié)構(gòu)影響，抗干擾和抗噪聲能力強，可靠性和普適性較好，符合當前配電物聯(lián)網(wǎng)建設需求。

(3) 基于本方法開發(fā)的配網(wǎng)單相接地智能定位系統(tǒng)，經(jīng)工程應用驗證真實有效，且定位精確度滿足配電網(wǎng)運行故障處置要求。