基于縮短故障定位及搶修時間的決策方法研究

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(1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030021；2.泰豪軟件股份有限公司，江西 南昌 330096 )

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模龐大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定運行及高可靠性是首要任務(wù)，直接關(guān)系到全社會人民的生產(chǎn)生活。電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生任何故障時，為了確保供電可靠性，需要對故障點進(jìn)行迅速定位，保證故障發(fā)生時間盡可能短，故障線路迅速恢復(fù)，使得故障范圍盡可能縮小，即盡量保證不失負(fù)荷或極少失負(fù)荷，從而保證電網(wǎng)的運行可靠性在較高的水平[1-2]。

目前，在電網(wǎng)故障查找及縮短電網(wǎng)故障定位時間等方面的研究中，主要是提出將人工智能算法、行波法等常見的故障定位法應(yīng)用在電網(wǎng)故障定位之中。由于考慮到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸電線路尤其是分支線路眾多，接線方式復(fù)雜多樣，因此依靠單一方法無法適用復(fù)雜多變的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，需要通過引入一些先進(jìn)方法到電網(wǎng)故障定位的研究之中。在文獻(xiàn)[3]中，提出采用單端向量法和節(jié)點阻抗矩陣的分析，對電網(wǎng)故障進(jìn)行定位，但此方法的主要缺點在于在故障檢測過程中檢測到偽故障點的概率較大，準(zhǔn)確率仍需提高。在文獻(xiàn)[4]中，基于零序電流法具有的較高的靈敏度特征，通過針對各個測量點獲得的線電壓和零序電流值來精確判斷故障點的位置。文獻(xiàn)[5]則提出采用線路零序電流、零序電壓之間的相位差與正常差值之間的差異，基于移動式相位比較法來對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但是此種方法對線路加裝同步測量裝置的要求較高，目前僅適用于在理論研究方面，暫未有條件能夠?qū)崿F(xiàn)在實際的工程應(yīng)用中。在文獻(xiàn)[6-7]中，通過對線路故障點量測的線路零序電流的頻率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其故障點兩側(cè)的重心頻率具有一定的差異，可以通過對這種頻率差異的分析來實現(xiàn)對線路發(fā)生故障的區(qū)間位置判斷，但是此種方法在故障發(fā)生位置的接地相角較小的情況下容易失效。通過以上針對故障定位方法的分析，常見方法在實際應(yīng)用過程中都存在一定的缺陷，在故障定位結(jié)果和定位準(zhǔn)確性方面都存在一定的偏差。目前，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其方法也正在滲透進(jìn)入各個研究領(lǐng)域之中。其中，以遺傳算法、深度學(xué)習(xí)算法為主的智能算法，以其具有的容錯性能等優(yōu)點，可以應(yīng)用于電網(wǎng)故障定位中，但是同時也要考慮由于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)模等因素對故障定位時間產(chǎn)生的較大影響。

由此，針對以上電網(wǎng)故障定位方法及縮短故障定位時間方法的研究，本文在對影響電網(wǎng)故障定位及故障搶修的因素進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于故障行波傳輸路徑及分支判定矩陣對電網(wǎng)故障進(jìn)行定位的方法，并通過一個實際的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真分析，驗證了本文所提出方法的有效性及可行性。

1 影響電網(wǎng)故障搶修的主要因素分析

1.1 電網(wǎng)故障隔離速度慢

在電網(wǎng)發(fā)生故障時，需要對故障類型進(jìn)行分類，其中若是由于終端用電用戶造成的故障，則不必采取故障隔離措施。其他因素導(dǎo)致故障的發(fā)生，需要立即采取故障隔離措施。同時考慮到電網(wǎng)發(fā)生中壓故障時涉及到的范圍較廣，需要盡快進(jìn)行有效隔離。通過對電網(wǎng)中壓故障歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，故障時間一般在十幾分鐘至幾十分鐘左右，而電網(wǎng)的復(fù)雜接線結(jié)構(gòu)通常是影響故障隔離速度的最主要影響因素，由此也增加了故障隔離的時間以及影響范圍。

1.2 電網(wǎng)故障定位困難且不夠及時

發(fā)生電網(wǎng)故障的因素有很多，故障類型都較為復(fù)雜。針對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在發(fā)生電網(wǎng)故障時，平均需要10.3 min實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位，而當(dāng)發(fā)生一些復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)故障問題，會極大增加故障定位的難度與準(zhǔn)確性，使得故障搶修時間在此期間被大量浪費。因此，需要針對故障定位方法及實踐等多方面進(jìn)行深入研究，以提高故障定位速度及定位準(zhǔn)確性。

1.3 電網(wǎng)故障搶修仍存在時效問題

另外，在對電網(wǎng)故障進(jìn)行成功定位后，搶修人員效率不夠高、準(zhǔn)備工作不充分等同樣是影響電網(wǎng)故障搶修的一項因素。在實際的工作中，需要重視搶修工作人員的工作態(tài)度，提高其工作效率及工作積極性，使其在每一次故障搶修工作中都做到盡可能迅速地趕往現(xiàn)場，并完成故障搶修及處理工作。

2 縮短電網(wǎng)故障定位及搶修時間的主要技術(shù)手段

2.1 配電網(wǎng)自動化技術(shù)用于故障定位方法

隨著配電網(wǎng)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，目前正在被廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)運行及故障處理應(yīng)用中。通過配電自動化設(shè)備返回的電網(wǎng)網(wǎng)實時信號，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)運行情況的實時檢測與監(jiān)督。當(dāng)電網(wǎng)運行中出現(xiàn)故障時，能夠通過電網(wǎng)設(shè)備在第一時間將已定位的故障區(qū)域進(jìn)行隔離，使得故障范圍得到有效限制。

2.2 電網(wǎng)故障負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)

電網(wǎng)的故障負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)主要是起源于電網(wǎng)故障定位之中，其主要是以負(fù)荷監(jiān)測功能為主。電網(wǎng)故障負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)的核心作用是通過對故障電流以及故障電壓的有效監(jiān)測，通過光纖通信將數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸會終端，以實現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備及線路運行情況的實時監(jiān)測。

3 基于故障行波傳輸路徑及分支判定矩陣的電網(wǎng)故障定位方法研究

3.1 故障行波傳輸路徑分析

本文以1根分支輸電線路為例，對故障行波的傳輸路徑進(jìn)行說明。在圖1所示的分支輸電線路中，線路L1～L3分別表示各條輸電線路的末端，3條分支線路的交叉節(jié)點用節(jié)點T表示，在3條分支線路的末端裝有故障行波測量裝置。當(dāng)發(fā)生線路故障時，如圖1中f點所示位置，故障行波假設(shè)從線路中的某點B開始向3條分支線路的終端位置進(jìn)行傳輸，則通過下述公式可以計算B點至3條分支線路各個終端的距離，即

(1)

DL1T、DL2T、DL3T分別為支路L1T、L2T、L3T的長度；DBT為行波起始傳輸點B至交叉節(jié)點T的距離。

圖1 三分支輸電線路示意

當(dāng)線路故障發(fā)生在點f位置處時，同樣可以列出故障點f與3個線路終端位置的距離方程

(2)

DfT為行波起始故障點f至交叉節(jié)點T的距離。

通過對式(1)和式(2)中的方程式進(jìn)行聯(lián)立求解后，構(gòu)建一個能夠表示線路故障點f與故障起始傳播點B之間關(guān)系的特征矩陣X。其中，當(dāng)故障點f與故障起始傳播點B的位置關(guān)系不同時，X具有不同的取值。

a.當(dāng)線路故障點f與故障起始傳播點B在同一支路線路上時，且2個點的位置是重合的，則有

(3)

b.當(dāng)線路故障點f與故障起始傳播點B在同一支路線路上時，但2個點的位置是不重合的，則有

(4)

c.當(dāng)線路故障點f與故障起始傳播點B在不同支路線路上時，則有

(5)

由此，通過上述分析及公式推導(dǎo)，可知特征矩陣X的各個元素值，隨著線路故障點和事先假設(shè)的故障起始傳播點之間的位置關(guān)系變化而產(chǎn)生變化。在最理想的情況下則是兩者位置重合，即特征矩陣X的各個元素全為0。

3.2 線路分支判定矩陣研究

電網(wǎng)線路接線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但不影響將線路結(jié)構(gòu)利用網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖表示，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只表示線路之間的接線關(guān)系，不表示線路的參數(shù)等方面的信息。由于電網(wǎng)的每條主干網(wǎng)架線路上通常會有若干多條分支線路，且各個分支線路上同樣會存在一些其他分支線路。1個電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。線路L1～L8分別表示各條輸電線路的末端，T1～T5分別表示各個分支線路與主干線路之間的連接點，同時，在分析電網(wǎng)線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，可以將主干線路L1L8看作是各個分支線路L1T1、T1T2、T2T3、T3T4、T4L8構(gòu)成。(圖2中,Li表示線路終端;Ti表示線路連接點)

圖2 拓?fù)涫疽?/p>

3.3 基于故障行波及分支判斷矩陣的電網(wǎng)故障定位原理

3.3.1 線路連接點故障分析

當(dāng)線路連接點發(fā)生故障時，主要有2種情況:一是該故障線路連接點是某條單一支路與主干線路的連接點；二是該故障線路連接點是多條支路與主干線路的連接點。在這2種不同的情況下，獲得的判定矩陣δ是不同的，即

(6)

具體的矩陣結(jié)果推導(dǎo)可見文獻(xiàn)[8-10]，在本文中不再贅述。

3.3.2 分支線路發(fā)生故障分析

當(dāng)故障發(fā)生在各條支路線路LiTi上時，可以獲得故障判定矩陣δ，且需要附加以下約束條件，即判定矩陣中的第i列的元素值均小于等于0，而判定矩陣中第i行的所有元素均大于等于0，即

(7)

3.3.3 線路連接點之間的線路發(fā)生故障分析

當(dāng)故障發(fā)生在2個連接點之間時，若2個線路連接點對應(yīng)的線路分支末端分別為Li、Lj，則可以獲得判定矩陣δ，其中第i列和第k列的元素點乘之和為0，表示為

δ(,i)×δ(,j)=0i,j=1,2,…,n

(8)

δ(,j)、δ(,j)分別為矩陣第i、j列的所有元素。

3.4 故障定位方法分析

在基于上述步驟將發(fā)生故障的支路確定之后，可以采用故障判定矩陣δ中各個故障支路相對應(yīng)的終端標(biāo)識點Ln來對故障進(jìn)行更加精準(zhǔn)的定位[11]。獲得的定位故障點坐標(biāo)用其余某線路終端Ln之間的距離進(jìn)行表示，即

(9)

DLn-Tm為終端Ln與參考線路連接點Tm之間的距離。同時，DLn表示也可換算為故障行波的表示方式，即

(10)

v1、v2分別為故障行波在電纜線路和架空線路之間的傳播速度；Doverhead為線路中架空輸電線路的長度。

4 仿真計算

本章以某城市一個實際電網(wǎng)中部分線路及實際發(fā)生的一次故障為實例，對該電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行故障定位仿真分析。仿真分析采用ATP軟件進(jìn)行模擬完成。電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，L1～L11分別為各條主干及分支線路的終點，在每個線路終點均安裝有行波測量裝置。在該電網(wǎng)系統(tǒng)中主要采用架空線路和電纜混合架設(shè)的方式，其中L1T1、L7T10為純電纜線路，其他線路均為架空線路鋪設(shè)，為了簡化計算，架設(shè)電纜和架空線路的線路類型均相同。

圖3 電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過對線路的不同連接點Ti處模擬各種類型故障的發(fā)生，以對故障發(fā)生點進(jìn)行定位。在線路發(fā)生接地故障時，將采集到的行波信號首先利用傅里葉變換或小波變換的方法進(jìn)行變換處理，將最初傳播的故障行波首次到達(dá)各個線路終端的時間計算出來。故障1以T3節(jié)點附近發(fā)生故障為例，故障行波到達(dá)時間如表1所示。

表1 故障行波到達(dá)各個線路終端的時間

由此，根據(jù)第3節(jié)中提出的關(guān)于行波定位方法，計算出分支判定矩陣，并對其中的各個值進(jìn)行相關(guān)修正，同時需要對判定矩陣中的各個元素值進(jìn)行特性分析。在上述獲得的分支判定矩陣中，第2、3列的元素全部為0，與故障發(fā)生在第2、3列所對應(yīng)端點的參考T節(jié)點條件相符合。因為線路終端節(jié)點L2、L3的參考節(jié)點均為T3節(jié)點，所以可以判斷出故障發(fā)生在T3節(jié)點附近。為計算出的故障點距離終端L2、L3的距離值，誤差即為計算值與實際故障點到終端L2,L3的距離值，通過與實際發(fā)生故障點的距離進(jìn)行對比，誤差率小于0.5%。

按照上述方法，再進(jìn)行2次仿真計算故障點位置，即分別以T7、T9節(jié)點發(fā)生故障為例進(jìn)行仿真計算，獲得的計算結(jié)果如表2所示。誤差均小于0.8%。由此驗證了本文所提出方法的有效性及可行性。

表2 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

通過對電網(wǎng)故障定位及搶修方面進(jìn)行了研究，首先對影響故障搶修效率的影響因素進(jìn)行了分析，確定了電網(wǎng)故障定位時間是影響故障搶修效率的主要因素。同時對電網(wǎng)故障定位的主要技術(shù)手段進(jìn)行了研究，提出一些能夠改進(jìn)的方法。由此，本文提出了基于故障行波傳輸路徑及分支判定矩陣的電網(wǎng)故障定位方法，并通過以某城市電網(wǎng)實際系統(tǒng)的真實故障為例進(jìn)行計算，根據(jù)本文提出方法計算獲得的故障定位結(jié)果與實際相差小于0.5%，驗證了所提方法的有效性及可行性。