電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位方法研究

毛禹龍

（遵義余慶供電局，貴州遵義 564400）

0 引言

配電網(wǎng)設(shè)備眾多、故障成因復(fù)雜，在實(shí)際故障搶修中由于不能對(duì)故障準(zhǔn)確定位致使停電時(shí)間延長(zhǎng)，增加用戶投訴率[1]。尤其是近幾年敏感電子設(shè)備逐漸增多，若出現(xiàn)短時(shí)停電，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，造成設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重事故。根據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，配電網(wǎng)故障占據(jù)停電因素的80%，因此，要想提升供電可靠性，其配電網(wǎng)是主要因素[2]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行模式，操作方便，配置簡(jiǎn)單，缺陷在于出現(xiàn)故障時(shí)需要進(jìn)行停電轉(zhuǎn)供[3]。如果采取閉環(huán)運(yùn)行，則能夠?qū)Ψ枪收蠀^(qū)域采取隔離措施，但缺陷在于環(huán)網(wǎng)內(nèi)短路電流雙向流動(dòng)，原有保護(hù)控制方式將不能適應(yīng)。由此，針對(duì)于配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行模式下的保護(hù)控制方法進(jìn)行研究。

1 配電環(huán)網(wǎng)故障定位方法

如圖1 所示，配電支路通過(guò)環(huán)網(wǎng)柜（Ring Main Unit，RMU），也就是環(huán)網(wǎng)柜與配電線路環(huán)網(wǎng)相互連接，環(huán)網(wǎng)柜中裝有智能終端（Smart Terminal Unit，STU），同時(shí)智能終端支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與分布式智能控制功能。

1.1 故障分析

如圖1 所示，若故障發(fā)生在f1-f4處，規(guī)定環(huán)路正方向從M側(cè)母線指向N 側(cè)母線。在此之中，正序電壓故障分量采用U1表示，正序電流故障分量為I1-i，M與I1-i，N表示，電流的參考方向以母線流向線路為正方向，正序電流故障分量相位差為ΔφiM-iN。一旦出現(xiàn)電路異常故障后，STUi采取正序電流故障分量相位，同時(shí)和附近的智能終端交換數(shù)據(jù)，獲取正序故障分量的電流相位差，以及從STUi兩邊經(jīng)過(guò)的ΔφiM-iN與ΔφiN-（i+1）M。

圖1 電纜配電環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置

在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行過(guò)程中，短路時(shí)系統(tǒng)及線路阻抗容易對(duì)ΔφiM-iN產(chǎn)生影響。相位比較的閉鎖角應(yīng)該根據(jù)90°整定，故障點(diǎn)所處的線路兩段相位差應(yīng)在-90°＜Δφ＜90°，其他相近斷路器相位差應(yīng)在90°＜Δφ＜270°，按照相位差值特征則能夠確定故障區(qū)間。

1.2 統(tǒng)一的故障處理規(guī)則

統(tǒng)一的故障處理規(guī)則主要目的是方便配電自動(dòng)化（Distribution Automation，DA）系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)故障定位及隔離[4]。假若環(huán)路中有k 個(gè)RMU，終端STU0 和STU（k+1）為特殊RMU。當(dāng)STUi相連路和內(nèi)部母線并未出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)定STUi狀態(tài)則為Y0；當(dāng)RMUi上游線路出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)定RMUi狀態(tài)為Y1；當(dāng)RMUi下游線路出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)定RMUi狀態(tài)為Y2；當(dāng)STUi內(nèi)部母線出現(xiàn)故障時(shí)，則將RMUi狀態(tài)設(shè)為Y3。

為了讓故障得到有效隔離，需要對(duì)發(fā)送信號(hào)規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，如處于Y0狀態(tài)將在保持時(shí)間到達(dá)后自動(dòng)返回；若為Y1狀態(tài)將向QFiM發(fā)送跳閘信號(hào)；若為Y2狀態(tài)則將向QFiN發(fā)送跳閘信號(hào)；若為Y3狀態(tài)則向QFiM和QFiN發(fā)送跳閘信號(hào)。

1.3 智能終端啟動(dòng)方法

可靠因數(shù)為Krel，低壓母線最大三相負(fù)載的有功功率為Pmax，低壓母線額定電壓為UN，低壓負(fù)荷功率因數(shù)為cosφ，環(huán)網(wǎng)柜降壓變壓器變比為KT，將電流突變量作為智能終端的啟動(dòng)元件，其定值公式如下：

1.4 故障定位與保護(hù)動(dòng)作邏輯

當(dāng)處于閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，智能終端則可以接收上下游信號(hào)，另外，通過(guò)快速計(jì)算來(lái)決定是否需要采取行動(dòng)。當(dāng)處于開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)則表現(xiàn)為輻射狀線路，例如當(dāng)上游段線路出現(xiàn)故障時(shí)，其下游全部智能終端馬上處于停電狀態(tài)，相鄰智能終端則不能接受相關(guān)數(shù)據(jù)信息。處于故障點(diǎn)上游同時(shí)和不相鄰RMU 正常接收相應(yīng)信息，處于Y0狀態(tài)；如果故障點(diǎn)發(fā)生在線路，上游相近RMUi的M、N 處斷路器均存在電流，此時(shí)狀態(tài)應(yīng)該為Y2，如果不能對(duì)下游RMU 信息進(jìn)行接受，則不能判斷其具體狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)該設(shè)置φ（i+1）M=φiN；如果故障出現(xiàn)在RMUi內(nèi)部母線，N 側(cè)斷路器無(wú)電流，此時(shí)狀態(tài)應(yīng)該為Y1，不過(guò)由于缺失下游環(huán)網(wǎng)柜信息，不能給予狀態(tài)評(píng)判，應(yīng)該設(shè)置φ（i+1）M=φiN-180°。

2 仿真模型分析

2.1 仿真模型參數(shù)

為了對(duì)本文所提出的故障定位與隔離方法進(jìn)行檢驗(yàn)，采取PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件進(jìn)行電磁建模仿真分析[5]。將電源電壓數(shù)值設(shè)為ES1=ES2=10.5 kV（∠10°），電源內(nèi)阻抗參數(shù)數(shù)值為ZS1=ZS2=0.4+j0.4 Ω，電纜線路長(zhǎng)度設(shè)為li-i+1=0.8 km，ltotal=4 km，單位阻抗設(shè)為z1=0.3+j0.08 Ω/km，環(huán)網(wǎng)柜所帶負(fù)荷數(shù)值為S=2 MV·A，cosφ=0.85。設(shè)置RMU 出線單臺(tái)最大功率為0.3 MW，得出STU啟動(dòng)電流為0.117 kA。

2.2 閉環(huán)運(yùn)行動(dòng)作特性

假定T 為4 s，結(jié)果表明，f3出現(xiàn)三相短路故障，流過(guò)各斷路器的電流突變量均超過(guò)4.5 kA，全部STU 均能夠啟動(dòng)；相位差1在-90°～90°，STU0 則為Y2狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定好的規(guī)則STU1 跳開(kāi)QF1M，其他環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)為Y0，因此，并不會(huì)出現(xiàn)相關(guān)信號(hào)。由此可見(jiàn)，在閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的前提下，此方法能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確故障定位及隔離。

2.3 開(kāi)環(huán)運(yùn)行動(dòng)作特性

假定斷路器QF3M為開(kāi)位，T 為4s，f3出現(xiàn)三相短路故障，結(jié)果表明，故障后唯有STU0 具有電流突變量且處于Y2狀態(tài)，終端啟動(dòng)發(fā)送跳閘信號(hào)。由此可見(jiàn)，在開(kāi)環(huán)運(yùn)行下，其故障定位及保護(hù)方式是適用的。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)配電網(wǎng)普遍采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”模式，保護(hù)控制方式簡(jiǎn)單，負(fù)荷轉(zhuǎn)供過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致短時(shí)停電。本文基于供電可靠性為前提，提出了一種新的配電環(huán)網(wǎng)短路故障定位隔離方法，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，智能終端將根據(jù)接收信號(hào)自動(dòng)對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，相鄰RMU 根據(jù)統(tǒng)一的相位差來(lái)進(jìn)行故障點(diǎn)定位，從而按照設(shè)定狀態(tài)采取隔離措施。通過(guò)模擬仿真結(jié)果表明，該方式可以同時(shí)適用于配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行和開(kāi)環(huán)運(yùn)行，可行性較強(qiáng)。