10kV架空線路配電網(wǎng)故障饋線定位方法研究

楊興志，羅紹書(shū)，譚斯發(fā)，韋美印，歐陽(yáng)后文

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山馬關(guān)供電局，云南 文山壯族苗族自治州 663700）

0 引言

電力系統(tǒng)的整個(gè)電能傳遞過(guò)程包括發(fā)電廠發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五個(gè)過(guò)程，各個(gè)過(guò)程都需要不同的設(shè)備支持，最終才能夠傳輸?shù)接秒娫O(shè)備。而五個(gè)過(guò)程中，配電是整個(gè)電力輸送到使用的中樞部位，在電力系統(tǒng)建設(shè)中不可或缺。其不僅需要根據(jù)用戶可用電壓范圍對(duì)高壓進(jìn)行降壓后滿足用戶的直接用電需求，而且要保證用戶用電的平穩(wěn)和安全性，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率，就要保證配電網(wǎng)的科學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)和平穩(wěn)運(yùn)行[1]。在配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、信息傳輸、數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)等方面都可能導(dǎo)致配電網(wǎng)故障，使得配電網(wǎng)的故障定位難度運(yùn)來(lái)越大。而且，分支線路的延伸和增多，使得線路一旦發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致饋線面臨全線停電的風(fēng)險(xiǎn)，致使整個(gè)的配電網(wǎng)的非故障區(qū)發(fā)生連鎖停電。以10kV架空線路配電網(wǎng)故障饋線定位方法研究提供一定的方法，為故障的修復(fù)提供思路[2]。

1 故障饋線定位方法概述

1.1 故障定位矩陣算法

其中，作為較為常用的故障饋線定位方法而言，較為常用的有兩種，其中一種是基于網(wǎng)基結(jié)構(gòu)的矩陣算法，隨著該方法研究的深入和實(shí)踐應(yīng)用的探索，另外一種基于網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的算法也逐漸發(fā)展起來(lái)，被應(yīng)用于配電網(wǎng)的故障定位中來(lái)。兩種故障定位算法的主要區(qū)別體現(xiàn)在采用的方式上，分別采用無(wú)向圖和有相圖兩種方式，這也導(dǎo)致其構(gòu)造的矩陣和故障判別矩陣存在一定的差異。

1.2 算法判據(jù)

針對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，需要分別對(duì)兩個(gè)分段開(kāi)關(guān)間的線路進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步確定故障發(fā)生的位置。其中，在靠近電源點(diǎn)的故障點(diǎn)上游出現(xiàn)的故障電流的波形較大，而在距離聯(lián)絡(luò)點(diǎn)較近的下游并不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的波形，同時(shí)在非故障點(diǎn)的上游和下游都不會(huì)有較大的波形出現(xiàn)。所以，在檢測(cè)的過(guò)程中，如果某一區(qū)段發(fā)生了故障，電流在經(jīng)過(guò)電源點(diǎn)到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)，會(huì)在故障點(diǎn)出現(xiàn)故障電流，將在電源的上游開(kāi)關(guān)表現(xiàn)出來(lái)，在故障點(diǎn)的下游開(kāi)關(guān)卻不會(huì)出現(xiàn)故障電流[3]。在故障定位的過(guò)程中，要科學(xué)判斷故障區(qū)段的位置，就要遵循以下原則：

一是互異性，指的是在相鄰的節(jié)點(diǎn)上表現(xiàn)出的信息互異性。也就是說(shuō)如果在某個(gè)區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)故障，如果靠近電源一側(cè)的上游出現(xiàn)了故障電流，那么在了另外的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置不會(huì)出現(xiàn)故障電流，通過(guò)判斷兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障電流的表現(xiàn)形式來(lái)確定是否是故障區(qū)段。

二是唯一性，故障電流如果不在某個(gè)區(qū)段中被檢測(cè)到，那么在其相鄰的節(jié)點(diǎn)中不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)的故障電流節(jié)點(diǎn)。

2 常用故障饋線定位方法分析

2.1 基于改進(jìn)矩陣算法的故障定位

目前我國(guó)的配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)上采用的方式是閉環(huán)設(shè)計(jì)，但是在運(yùn)行上實(shí)行的是開(kāi)環(huán)運(yùn)行，所以要進(jìn)行配電網(wǎng)的分類，可以通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)供電區(qū)的獨(dú)立輻射型網(wǎng)絡(luò)管理。其中，對(duì)于單條饋線而言，網(wǎng)絡(luò)中的電源只有一個(gè)，所以其線路上的功率方式是確定的，可以通過(guò)無(wú)方向的矩陣算法對(duì)配單網(wǎng)的拓?fù)溥M(jìn)行描述。

2.1.1 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模要求

結(jié)合配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)建模，要從以下幾方面進(jìn)行綜合考慮：

一方面建立的拓?fù)淠Ｐ鸵茖W(xué)，模型能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的線路有一個(gè)準(zhǔn)確、明朗的描述。另一方面建立的拓?fù)淠Ｐ瓦€要滿足線路狀態(tài)的動(dòng)態(tài)模擬，能夠?qū)€路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量的調(diào)整[4]。借助現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)進(jìn)一步簡(jiǎn)化配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)和線路，分別模擬配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和支路，形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能夠?qū)ν負(fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行操作、計(jì)算和處理[5]。

2.1.2 聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)拓?fù)渥R(shí)別

因?yàn)榕潆娋W(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的變化會(huì)受到電量負(fù)荷、故障供電以及停電檢修等操作的影響，如此每當(dāng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置發(fā)生變化，都需要進(jìn)行再次的位置確定。也就是說(shuō)，在每一條線路中，電源開(kāi)關(guān)、一般開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)確定后，如果聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化，那么網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也將隨之改變。所以，識(shí)別饋線是聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置終端首要承擔(dān)的任務(wù)。過(guò)程中還要確定被監(jiān)控的開(kāi)關(guān)是否是聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)[6]。

聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的確認(rèn)常常采用的方式是逐級(jí)查問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主動(dòng)辨認(rèn)，通過(guò)依次查詢的方式對(duì)終端配置相鄰的通信地址和局部饋線的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行查詢，通過(guò)信息收集和比對(duì)，確定聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置。需要經(jīng)過(guò)一下幾個(gè)步驟：一是主站需要對(duì)終端發(fā)起拓?fù)涿睿鶕?jù)命令指令終端首先進(jìn)行自我查詢，自我查詢之后根據(jù)拓?fù)涿钤儐?wèn)相鄰的終端，同時(shí)獲取到相鄰終端以及下一級(jí)終端的通信地址。并對(duì)相鄰終端的下一級(jí)終端進(jìn)行詢問(wèn)，收集到局部的所有拓?fù)湫畔⒑拖乱患?jí)通信終端的通信地址，依次類推，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置的確認(rèn)。

圖1 環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)識(shí)別示意圖

在圖1中的環(huán)網(wǎng)配網(wǎng)中的每一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、主干開(kāi)關(guān)以及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)都配置智能終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一級(jí)拓?fù)湫畔⒌淖R(shí)別，從而全方位地把控各個(gè)分布式智能終端的屬性和需要的通信地址等拓?fù)湫畔?。要先確保拓?fù)涞恼_性和科學(xué)性，就要按照要求和需求，從左右側(cè)進(jìn)行終端報(bào)文，然后通過(guò)終端進(jìn)行發(fā)送。K1處位置配置的設(shè)備有智能終端相關(guān)設(shè)備不僅包括了K1的名稱和分布式終端的通信地址以及電源開(kāi)關(guān)的屬性，K2附近包含的是類似的以上的信息。

配電網(wǎng)故障一旦發(fā)生，配電網(wǎng)系統(tǒng)可以采用逐級(jí)詢問(wèn)的方式，進(jìn)一步明確K4開(kāi)關(guān)的閘位狀態(tài)，確保其處于分閘。然后保證其他的K2、K3、K5與K1、K6等開(kāi)關(guān)均處于合位狀態(tài)。借助分布式智能終端也能夠掌握聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)K4的開(kāi)關(guān)性質(zhì)[7]。

2.2 基于改進(jìn)相關(guān)分析算法的故障定位

在故障定位的矩陣算法中，只有確保上傳信息的準(zhǔn)確性，才能實(shí)現(xiàn)正確的配電網(wǎng)的故障定位。不過(guò)在配低網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)過(guò)程中，各種人為及自然行為都會(huì)受到化境因素的影響，所以極容易導(dǎo)致故障信息的丟失和故障定位的失誤。

2.2.1 相關(guān)分析算法簡(jiǎn)介

自相關(guān)性和互相關(guān)性在本質(zhì)上還是不同的，其中自相關(guān)函數(shù)比較的是兩個(gè)信號(hào)在特定的時(shí)間內(nèi)的共有成分，并不會(huì)對(duì)相位進(jìn)行比較。互相關(guān)函數(shù)一方面能夠分析比較兩個(gè)信號(hào)的相似性頻率的成分，另一方面還能夠借助相位實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)信號(hào)的相似性功能分析。所以，有效借助相關(guān)分析法，對(duì)于信號(hào)的處理至關(guān)重要，其科學(xué)應(yīng)用在信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別中發(fā)揮著重要作用。尤其是互相關(guān)函數(shù)，其相位信息能夠很好地表示出兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)行，同時(shí)能夠合理地利用電力系統(tǒng)的相位特征?；ハ嚓P(guān)系數(shù)ρxy可用來(lái)表達(dá)相關(guān)分析結(jié)果：

x（n）、y（n）表示不同的兩個(gè)信號(hào)，n表示采樣序列；n為信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

2.2.2 改進(jìn)相關(guān)分析算法

相關(guān)分析算法應(yīng)用過(guò)程中，如果配電網(wǎng)中發(fā)生短路故障，在故障點(diǎn)和電源點(diǎn)之間的線路上的電流將會(huì)在瞬間出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。故障點(diǎn)所在的線路因?yàn)闆](méi)有供電電源，所以此時(shí)的電流為0。這導(dǎo)致故障點(diǎn)位置前面的電流的相似性較大，但是對(duì)比前后的電流，其相似性卻不大。在實(shí)際的相關(guān)分析算法應(yīng)用中，傳統(tǒng)的相關(guān)分析算法存在一定的局限性。因此對(duì)相關(guān)分析算法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)故障分支饋線定位[8]。

具體的改進(jìn)步驟如下：

（1）首先確定聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置，確定饋線上的開(kāi)關(guān)拓化。

（2）然后，通過(guò)主干饋線上的智能終端設(shè)備，對(duì)波形進(jìn)行有效識(shí)別。

（3）通過(guò)計(jì)算兩個(gè)相鄰的智能終端的相關(guān)系數(shù)，來(lái)確定獲取到信號(hào)的相似程度，代入上文中的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行科學(xué)分析。

（4）確定故障區(qū)段。計(jì)算一下相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值，按照大小依次排序，從而確定故障的區(qū)段。

（5）確定故障分支。根據(jù)分支單元上的故障指示器的信息數(shù)據(jù)，選取其中最大的分支電流故障區(qū)的電流數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。通過(guò)電流的差值，確定出分支故障。

但是，在實(shí)際的電力工程中，難以實(shí)現(xiàn)在所有的分支線路上安裝故障指示器，但該方法仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能。也就是說(shuō)電力故障發(fā)生時(shí)，如果故障發(fā)生在沒(méi)有安裝指示器的分支線路上，此分支上的故障指示器并不會(huì)保障，就很容易判斷故障發(fā)生的位置可能是在主干線路上或者沒(méi)有安裝故障指示器的其他分支線路上，從而確定故障發(fā)生區(qū)域。

3 結(jié)論

在電力系統(tǒng)中，由于配電網(wǎng)的承擔(dān)著向用戶供電的重要職能，因此其配電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行成為用戶安全用電的重要保障。10kV架空線路配電網(wǎng)故障饋線定位技術(shù)能夠科學(xué)結(jié)合無(wú)線智能終端和有線智能終端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視和控制，從而精確判斷故障點(diǎn)的位置和類型，采取科學(xué)方法迅速隔離故障，進(jìn)一步縮小停電的范圍，保證非故障區(qū)的正常供電。