一種補(bǔ)償配變高頻容性效應(yīng)的配電網(wǎng)故障測(cè)距新方法

劉亮，鄧名高，張明，周鋒

（1.長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022；2.湖南湘能智能電器股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410013）

確定配電線路故障的準(zhǔn)確位置，有利于故障快速隔離和檢修，提高供電質(zhì)量，對(duì)電力系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大［1-3］。

智能配電網(wǎng)中，分布式電源（Distributed Generator，DG）的并網(wǎng)以及環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的單向樹(shù)狀配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)多端配電網(wǎng)，使配電線路能量潮流雙向動(dòng)態(tài)變化，并產(chǎn)生配電網(wǎng)的故障特性差異［4-8］。為解決配電線路故障測(cè)距的難題，戴鋒等提出一種考慮短線路折反射規(guī)律，并利用故障線路的中點(diǎn)線模電壓行波波頭的前兩個(gè)到達(dá)時(shí)刻，進(jìn)行故障的精確測(cè)距的方法［9］；趙海龍等提出一種基于變分模態(tài)分解和能量算子的單端行波測(cè)距方法［10］；嚴(yán)太山運(yùn)用人類進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障測(cè)距［11］；陶維青等、劉鵬程等針對(duì)含DG配電網(wǎng)，利用蟻群、模因以及遺傳算法進(jìn)行故障測(cè)距［12-13］；趙喬等提出基于免疫二進(jìn)制粒子群優(yōu)化算法的配網(wǎng)故障定位法［14］；王巍璋等提出一種基于果蠅優(yōu)化算法的故障定位方法［15］；劉亮等提出利用有源配網(wǎng)的線路歸一和網(wǎng)絡(luò)解耦，進(jìn)行架空線和電纜混合配電線路的故障測(cè)距［16］；賈伯巖等基于隨機(jī)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃建立配電網(wǎng)故障區(qū)段定位模型，采用二進(jìn)制帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法設(shè)計(jì)模型求解主動(dòng)配電網(wǎng)故障區(qū)段定位［17］；郭利爽等提出一種基于子網(wǎng)絡(luò)劃分的配電網(wǎng)故障區(qū)段定位算法［18］；DENG et al.提出基于云計(jì)算平臺(tái)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)多端行波故障定位算法［19］。這些研究運(yùn)用自適應(yīng)性尋優(yōu)、局部尋優(yōu)、全局尋優(yōu)算法，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)故障測(cè)距及故障分區(qū)，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和穩(wěn)定性。但以上研究主要是探討測(cè)距算法，并未考慮配電線路故障微時(shí)段配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以及配電變壓器對(duì)配電線路故障行波傳輸?shù)挠绊憽?/p>

文章提出一種補(bǔ)償配變高頻容性效應(yīng)的配電網(wǎng)行波測(cè)距方法，利用配電變壓器的高頻模型，分析配變的容性效應(yīng)對(duì)行波傳輸?shù)臅r(shí)延特性，運(yùn)用配變時(shí)延補(bǔ)償法提高故障測(cè)距精度。仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明該故障測(cè)距方法對(duì)主動(dòng)配網(wǎng)故障測(cè)距準(zhǔn)確性高、適用性強(qiáng)。

1 配電線路故障行波傳輸特性分析

配電變壓器高頻容性效應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀古潆娋€路高頻行波傳輸特性變得更加繁雜，分析如下。

1.1 配電線路的行波折反射分析

行波在配電線路波阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生折射與反射，如圖1所示。

圖1 行波的折反射

電壓入射波V1在波阻抗分別為Z1和Z2處產(chǎn)生折射波V3和反射波V2，電壓的折射系數(shù)為uγ、反射系數(shù)為uρ，它們之間的關(guān)系為：

由式（1）可知，當(dāng)Z1=Z2時(shí)，電壓的反射波為零，折射波等于入射波；當(dāng)Z2=0時(shí)，電壓的反射波與入射波幅值相同，極性相反，折射波為零；當(dāng)Z2=∞時(shí)，電壓的反射波等于入射波，折射波是入射波的2倍。

電壓入射波常被模擬成一個(gè)階躍函數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，階躍函數(shù)在行波傳播過(guò)程中，前沿上升速度減小。將入射波的波頭模擬為一個(gè)快速上升的斜波函數(shù)，上升時(shí)間不大于10μs，則故障行波入射波的斜坡時(shí)域函數(shù)為：

在圖1中，當(dāng)電容C或電感L并聯(lián)于配電線路A點(diǎn)時(shí)，以入射波V1到達(dá)節(jié)點(diǎn)A的時(shí)間為參考，如圖2所示。

圖2 電容或電感并聯(lián)的行波折反射

（1）電容并聯(lián)節(jié)點(diǎn)A的折射分析。

如圖2（a），當(dāng)入射波如式（2）所示，則電容并聯(lián)節(jié)點(diǎn)的折射波函數(shù)表示為：

二是入駐企業(yè)質(zhì)量有待提高。入駐企業(yè)是孵化器的目標(biāo)客戶，孵化器應(yīng)結(jié)合自身服務(wù)企業(yè)的功能配置，選擇自身的特定目標(biāo)客戶，并通過(guò)對(duì)目標(biāo)客戶的培育，獲得相應(yīng)的收益。但Z公司迫于經(jīng)營(yíng)壓力，未對(duì)入駐企業(yè)進(jìn)行甄別和篩選，造成科技型企業(yè)與房產(chǎn)、貿(mào)易等公司混雜入駐，導(dǎo)致入駐企業(yè)整體質(zhì)量不高。

（2）電感并聯(lián)節(jié)點(diǎn)A的折射分析。

電感并聯(lián)節(jié)點(diǎn)的折射波函數(shù)表示為：

1.2 配電變壓器對(duì)行波傳輸特性的影響

配電系統(tǒng)中，配變高頻模型如圖3所示，其中C1、C2為一、二次線圈繞組對(duì)地分布電容，K1、K2為一、二次線圈匝間分布電容，R1、R2為一、二次線圈繞組等值損耗電阻，L1、L2為一、二次線圈單位長(zhǎng)度電感，C12為一、二次線圈繞組間電容。

圖3 配電變壓器高頻模型

考慮到文章主要是研究配變節(jié)點(diǎn)對(duì)高頻信號(hào)折射現(xiàn)象的影響，可將三相配變高頻模型簡(jiǎn)化為圖4所示模型，R1和L1串聯(lián)后與K1并聯(lián)，當(dāng)故障高頻分量通過(guò)配變節(jié)點(diǎn)時(shí)，R1和L1串聯(lián)阻抗遠(yuǎn)大于電容K1阻抗，假定為開(kāi)路，則配變相當(dāng)于K1和C1串聯(lián)的電容C。即在高頻信號(hào)作用時(shí)，配電變壓器類似于電容效應(yīng)。

圖4 三相配電變壓器高頻簡(jiǎn)化模型

根據(jù)配電線路的行波折反射分析可知，在配電線路的電容器并聯(lián)節(jié)點(diǎn)，故障高頻信號(hào)傳輸時(shí)，相對(duì)于入射波而言，折射波時(shí)延為，因此，在高頻信號(hào)作用時(shí)，并聯(lián)的配電變壓器相當(dāng)于一個(gè)配電線路并聯(lián)的電容器，故障行波在配變接入節(jié)點(diǎn)時(shí)，折射波會(huì)帶來(lái)的時(shí)延，其中 1c=Z Cτ。當(dāng)配變數(shù)量較多時(shí)，如果不對(duì)配變的容性效應(yīng)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，將會(huì)導(dǎo)致故障精確測(cè)距產(chǎn)生較大誤差。

2 配電線路故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電線路故障診斷系統(tǒng)主要由分布式監(jiān)測(cè)終端、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器及診斷系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 配電線路故障診斷系統(tǒng)框架

配電線路故障診斷系統(tǒng)收集故障線路的所有監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)配電線路故障精確測(cè)距、異常預(yù)警、故障類型識(shí)別，以及故障信息的Web發(fā)布或短信通知，便于配網(wǎng)運(yùn)檢人員處理故障事件。

3 配電網(wǎng)故障行波測(cè)距方法

3.1 主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重構(gòu)

智能配網(wǎng)的建設(shè)，使配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的單端供電輻射狀結(jié)構(gòu)向環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。對(duì)于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)配電線路某些支路過(guò)負(fù)載或發(fā)生故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)柜的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)切換到其他變電站供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和供電快速恢復(fù)。配電系統(tǒng)任一條饋線，在同一時(shí)刻只有一個(gè)大電網(wǎng)的變電站供電，因此，對(duì)故障微時(shí)段，根據(jù)配電線路的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)側(cè)監(jiān)測(cè)終端功率方向，確定故障線路的供電變電站，將環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛錉罱Y(jié)構(gòu)。

分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)大電網(wǎng)的饋電線路供電端來(lái)說(shuō)，分布式電源既是受電端，也是供電端，使配電線路能量潮流動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)成多端配電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)配電線路發(fā)生故障，對(duì)故障微時(shí)段進(jìn)行分析，多端電源均設(shè)為接地，進(jìn)而重構(gòu)以模擬故障電源為電源的輻射狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.2 配變時(shí)延補(bǔ)償

當(dāng)配電線路發(fā)生故障時(shí)，考慮配變接入點(diǎn)對(duì)故障行波首波頭傳輸時(shí)延影響，需要對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)行波傳輸時(shí)差進(jìn)行補(bǔ)償，如k區(qū)域內(nèi)有m個(gè)變壓器，Mk節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)終端記錄的行波波頭時(shí)間為tk，將tk補(bǔ)償為T(mén)k，Tk補(bǔ)償公式為：

3.3 故障測(cè)距

依據(jù)故障微時(shí)段重構(gòu)的配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以故障線路為準(zhǔn)則，運(yùn)用基于雙端測(cè)距的網(wǎng)絡(luò)測(cè)距法，交叉進(jìn)行雙端測(cè)距計(jì)算，雙端測(cè)距計(jì)算公式為：

其中：i=1，2，…，k-1；j=k，k+1，…，n；Ti、Tj為監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)故障行波補(bǔ)償后的時(shí)間，Lij為計(jì)算雙端監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的線路長(zhǎng)度。

4 仿真分析

運(yùn)用EMTDC仿真軟件構(gòu)建10kV含分布式電源的多端配電網(wǎng)絡(luò)仿真模型，如圖6所示。架空線路采用頻率相關(guān)模型，架空線路由M、N變電站選擇供電，QF1、QF2為環(huán)網(wǎng)柜的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，DG1、DG2為分布式光伏發(fā)電站，線路中安裝500kVA配變32臺(tái)，節(jié)點(diǎn)N1至N8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，F(xiàn)D1至FD8為分布式配電線路監(jiān)測(cè)終端，設(shè)N6至N7的架空線距離N6節(jié)點(diǎn)2km處F點(diǎn)發(fā)生A相接地故障，架空線線模波速度為v1=2.98×108m/s，線模波阻抗為300Ω，過(guò)渡電阻500Ω。

圖6 含分布式電源的多端配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

額定容量500kVA三相變壓器的相間等值電容為1 800pF，相對(duì)地等值電容為3 200pF，串聯(lián)后等值電容約為1 152pF。單個(gè)三相變壓器相當(dāng)于電容對(duì)故障行波時(shí)延為，則：

設(shè)M站饋線流出電流方向?yàn)檎较颍收衔r(shí)段，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)旁的監(jiān)測(cè)裝置FD1、FD4功率方向均為正方向，可知QF1閉合、QF2斷開(kāi)，饋線由M站供電，構(gòu)建以M站供電的配電線路樹(shù)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。仿真時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)間為起點(diǎn)時(shí)間，各監(jiān)測(cè)終端的標(biāo)定時(shí)間以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)配變時(shí)延補(bǔ)償后的時(shí)間如表1所示，對(duì)配變行波時(shí)延未補(bǔ)償和補(bǔ)償?shù)碾p端故障測(cè)距分析如表2所示。

表1 監(jiān)測(cè)終端故障監(jiān)測(cè)時(shí)間及配變時(shí)延補(bǔ)償分析

表2 故障測(cè)距分析

表2中，條件Ni-F為監(jiān)測(cè)點(diǎn)FDi到故障點(diǎn)F運(yùn)用雙端定位時(shí)，節(jié)點(diǎn)Ni到故障點(diǎn)F的距離及測(cè)距誤差；LNi-F為節(jié)點(diǎn)Ni到故障點(diǎn)F的實(shí)際距離；Lf1為配電變壓器時(shí)延無(wú)補(bǔ)償?shù)墓收蠝y(cè)距距離；Lf2為配電變壓器時(shí)延補(bǔ)償?shù)墓收蠝y(cè)距距離；Err1為配變時(shí)延無(wú)補(bǔ)償故障測(cè)距絕對(duì)誤差；Err2為配變時(shí)延補(bǔ)償?shù)墓收蠝y(cè)距絕對(duì)誤差。

5 工程應(yīng)用

配電線路故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用于10kV配電線路異常狀態(tài)預(yù)警和故障測(cè)距，監(jiān)測(cè)裝置安裝于某市供電公司張新變電站的10kV花都線。監(jiān)測(cè)裝置安裝點(diǎn)分別為：饋線首末端，中間間隔2~4km；短分支線靠近首端；長(zhǎng)分支線首末端，中間也需要考慮安裝；聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和分布式電源接入側(cè)?？傮w上要確保安裝點(diǎn)線路電流有效值不小于5A。安裝圖如圖7所示。

圖7 配電線路監(jiān)測(cè)終端工程安裝

10套監(jiān)測(cè)裝置安裝于花都饋線桿塔#2、#98、#199、#306，嚴(yán)上支線#1、嚴(yán)上支線_黃太支線#18，黃平支線#22，石馬支線#1、石馬支線#62的T接頭的太陽(yáng)能電源接入點(diǎn)、石馬支線_沿高支線#48，饋線及分支按監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間線路長(zhǎng)度及配變數(shù)量如表3所示。2020年1月至9月，花都線共發(fā)生9次故障，包括2次相間短路故障、5次單相接地故障、2次雷擊故障。抽取3次代表性故障進(jìn)行分析：2020年2月22日9時(shí)17分28秒的花都饋線A相感應(yīng)雷故障、2020年6月18日8時(shí)19分48秒嚴(yán)上支線_黃太支線BC相間短路故障、2020年9月11日12時(shí)22分58秒石馬支線C相接地故障，3次故障測(cè)距誤差分析如表4所示。系統(tǒng)故障區(qū)域識(shí)別相同，系統(tǒng)（不帶配變時(shí)延補(bǔ)償算法）自動(dòng)彈出故障測(cè)距結(jié)果與故障巡線結(jié)果誤差分別為380m、289m、476m，誤差范圍為300m至500m；同等條件下，帶配變時(shí)延補(bǔ)償算法的系統(tǒng)自動(dòng)彈出故障測(cè)距結(jié)果與故障巡線結(jié)果誤差分別為-30m、65m、60m，誤差在100m以內(nèi)，不同故障類型下故障測(cè)距誤差對(duì)比如圖8所示，可知不帶配變時(shí)延補(bǔ)償算法時(shí)，系統(tǒng)定位誤差約為400m；帶配變時(shí)延補(bǔ)償算法的故障測(cè)距誤差在100m以內(nèi)，測(cè)距精度顯著提高。

圖8 不同故障類型下故障測(cè)距誤差對(duì)比

表3 配電網(wǎng)花木饋線參數(shù)

表4 配變時(shí)延有、無(wú)補(bǔ)償?shù)呐渚W(wǎng)故障測(cè)距對(duì)比

6 結(jié)論

（1）文章分析配變?nèi)菪孕?yīng)對(duì)暫態(tài)行波傳播的影響，提出了一種基于配變時(shí)延補(bǔ)償法來(lái)提高故障測(cè)距精度的方法。

（2）文章提出了一種故障微時(shí)段動(dòng)態(tài)重構(gòu)配網(wǎng)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，有效選取故障最短路徑，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障網(wǎng)絡(luò)行波測(cè)距法。

（3）文章提出了一種補(bǔ)償配變高頻容性效應(yīng)的配電網(wǎng)故障測(cè)距方法，仿真分析該方法可行，花都饋線工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明其有效性，故障測(cè)距誤差從400m降低到100m以內(nèi)，測(cè)距精度顯著提高。