面向智能配網(wǎng)的低壓直流電路故障診斷與定位分析

楊玉春

（臨滄鳳慶供電局，云南 臨滄 675900）

引言

當(dāng)前，分布式能源并網(wǎng)規(guī)模與容量的不斷提升，電力電子設(shè)備滲透率不斷增加，新型電力系統(tǒng)逐漸進(jìn)入電力電子化趨勢(shì)。直流負(fù)荷中心、電動(dòng)汽車(chē)以及終端用戶負(fù)荷直流化趨勢(shì)的發(fā)展直接驅(qū)動(dòng)能源傳輸以及應(yīng)用方式的變革。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于電力能源的需求度持續(xù)提升。基于此背景，應(yīng)為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)電能服務(wù)，妥善處理電力企業(yè)面臨的難題。智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展不僅應(yīng)管理和維護(hù)電力系統(tǒng)，還需要合理應(yīng)用低壓直流電路故障診斷與定位中，全面提升電力企業(yè)供電效率與質(zhì)量。注重研究智能電網(wǎng)、電力工程技術(shù)，有助于加強(qiáng)系統(tǒng)功能，為社會(huì)輸送高質(zhì)量電能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

一、智能配電網(wǎng)概念

智能配電網(wǎng)主要是將之前的人工系統(tǒng)全部采用自動(dòng)化技術(shù)代替，并且在應(yīng)用的過(guò)程中，加入了先進(jìn)的通人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，利用各種電子設(shè)備，在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，連接電網(wǎng)和電力用戶。為了讓整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都可以得到監(jiān)督，在進(jìn)行運(yùn)行的過(guò)程中，利用了可視化軟件，整個(gè)技術(shù)都是為了可以給用戶一個(gè)更加安全、優(yōu)質(zhì)的用電環(huán)境。智能配電網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)包括主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)、配電終端以及通信終端等。利用上述所說(shuō)的技術(shù)將其全部進(jìn)行連接，對(duì)配電網(wǎng)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行管理，當(dāng)出現(xiàn)故障之后，可以在第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行定位和修復(fù)，這樣可以將問(wèn)題降到很低。對(duì)于智能配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，搶修管理主要包括兩個(gè)方面：1.搶修信息智能化；2.搶修配件模式化。在目前的科學(xué)技術(shù)水平下，配電網(wǎng)所運(yùn)用的科學(xué)技術(shù)都是高科技，并且對(duì)設(shè)備的要求也越來(lái)越高，在日常的運(yùn)行中，維護(hù)管理就變得非常重要。而且用電企業(yè)已經(jīng)越來(lái)越多，所以配電網(wǎng)的任務(wù)也越來(lái)越重，確保整個(gè)智能化配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，遇到問(wèn)題從根源解決，已經(jīng)成為智能化配電網(wǎng)的主要工作之一。在以前，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題之后檢修人員才會(huì)進(jìn)行搶修，現(xiàn)在需要將事后的搶修變成事前的預(yù)防。對(duì)于智能配電網(wǎng)而言其和傳統(tǒng)配電網(wǎng)之間的區(qū)別主要如下所示：智能配網(wǎng)系統(tǒng)配用電自動(dòng)化系統(tǒng)由主站、通信系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)控終端設(shè)備三大部分構(gòu)成，形成一個(gè)完整的信息傳輸與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程管理。傳統(tǒng)配電網(wǎng)是由大型發(fā)電廠生產(chǎn)的電力，流經(jīng)輸電網(wǎng)（高壓），通過(guò)配電網(wǎng)送到用戶，因此中低壓（LV）配電網(wǎng)即為電力系統(tǒng)的“被動(dòng)”負(fù)荷，因此配電網(wǎng)可以稱之為被動(dòng)配電網(wǎng)（PDN）。智能化配電網(wǎng)的系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且所使用的設(shè)備都屬于高精端設(shè)備，所以很多電子器件成本都比較高，而且并不能隨意進(jìn)行更換，所以一旦出現(xiàn)問(wèn)題之后，可能會(huì)讓整個(gè)配電系統(tǒng)受到影響。為了可以降低這樣的風(fēng)險(xiǎn)，需要從根本上解決問(wèn)題，不僅需要了解技術(shù)，更需要在運(yùn)行的時(shí)候多加注意。

二、智能配電網(wǎng)的主要技術(shù)

（一）分布式發(fā)電

智能配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，分布式技術(shù)比較常見(jiàn)，可在客戶端的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化。經(jīng)過(guò)對(duì)需要設(shè)計(jì)的配電區(qū)域的設(shè)施優(yōu)化之后，可借助多余的電量來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，使電力輸出更加穩(wěn)定，充分發(fā)揮出分布式處理的作用。運(yùn)用該技術(shù)的時(shí)候，應(yīng)結(jié)合其他能源如風(fēng)能等的情況來(lái)分析。在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)同步電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)等的接入處理來(lái)優(yōu)化電網(wǎng)。采用分布式的形式具有顯著的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響，還可滿足節(jié)能環(huán)保的需求，符合當(dāng)前的發(fā)展特點(diǎn)。另一方面，該技術(shù)在應(yīng)用中存在一定的缺陷，受到自身特點(diǎn)的影響，為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改善，需要進(jìn)行創(chuàng)新。應(yīng)對(duì)分布式技術(shù)合理應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)，使技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)。在技術(shù)升級(jí)過(guò)程中，可將社會(huì)效益作為發(fā)展目標(biāo)，按照國(guó)家的要求，結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)的建設(shè)情況來(lái)開(kāi)展管理，使分布式發(fā)電納入城市的電網(wǎng)規(guī)劃方案中，電網(wǎng)的改造產(chǎn)生更好的效果。

（二）能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

應(yīng)用智能電網(wǎng)時(shí)應(yīng)當(dāng)全面提升經(jīng)濟(jì)效益，減少碳排放。通過(guò)應(yīng)用智能電網(wǎng)，可以利用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)低排放、低消耗效果。電網(wǎng)系統(tǒng)存在電能轉(zhuǎn)換效率較低的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)采用科學(xué)措施予以處理，應(yīng)用新能源發(fā)電技術(shù)如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，必須研發(fā)高轉(zhuǎn)換效率的能源轉(zhuǎn)換器，為智能電網(wǎng)提供充足電力能源，從根本上促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步發(fā)展。

（三）高壓直流輸電技術(shù)

建設(shè)智能電網(wǎng)時(shí)，需要應(yīng)用直流輸電技術(shù)，現(xiàn)階段交流電是電能的常用方式，電網(wǎng)系統(tǒng)傳輸電能時(shí)，需要采用直流電方式傳輸。為了確保換流操作的有效性，必須應(yīng)用高壓直流輸電技術(shù)，維護(hù)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程。在直流電傳輸期間，高壓直流輸電技術(shù)不受傳輸距離的影響，在偏遠(yuǎn)地區(qū)也可以進(jìn)行傳輸。根據(jù)我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀可知，高壓直流輸電技術(shù)會(huì)被應(yīng)用到長(zhǎng)距離、大容量電網(wǎng)系統(tǒng)中，需要加大高壓直流輸電技術(shù)研究力度。

三、低壓直流電路故障

極間短路故障可分為三個(gè)階段：電容放電階段、二極管依次導(dǎo)通階段、交流側(cè)饋入階段，其各階段的暫態(tài)特性如圖1 所示。

正常運(yùn)行時(shí)換流站出口電容電壓略高于交流電源側(cè)額定電壓，故第一階段僅換流站的出口電容放電，且其放電回路如圖2(a)所示。出口電容電壓隨放電深度增加而降低，當(dāng)其電壓達(dá)到380V，與交流側(cè)電壓幅值相等時(shí)，極間短路故障發(fā)展到第二階段，交流電源開(kāi)始向故障點(diǎn)放電，其放電回路如圖2(b)所示。當(dāng)直流側(cè)電壓持續(xù)降低，最終到達(dá)過(guò)零振蕩區(qū)間，所有二極管均正向?qū)?，交流電源直接饋入故障點(diǎn)。此時(shí)對(duì)于交流側(cè)來(lái)說(shuō)，可等效視為三相短路，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)危害較大。且第三階段交流側(cè)與直流側(cè)的等效電路如圖2(c)所示。圖中，R 和L 為直流線路電阻和電感，Rs和Ls 交流線路電阻和電感。

由圖1 可知，電容放電階段的故障回路能夠等效為二階電路，換流站出口電容的放電電壓可表示為

其中，U0 和0I 為直流電壓、電流的初值，j 為出口電容放電初相位，Uc 為換流站出口放電電容電壓，衰減系數(shù)α=R/(2L)，且ω=，直流側(cè)故障電流可表示為

其中，φ-θ 為故障電流的初相位，A 為中間變量。可以看出，直流側(cè)故障壓降的大小決定了故障電流的幅值，通過(guò)控制故障壓降能夠?qū)崿F(xiàn)故障電流的抑制。因篇幅限制，第二、三階段的輸出暫態(tài)特性將不再贅述。

四、面向智能配網(wǎng)的低壓直流電路故障診斷與定位分析

（一）故障檢測(cè)與定位

為了計(jì)算故障期間極對(duì)極和極對(duì)地的故障電流，相應(yīng)的參數(shù)如下：

1.極對(duì)地故障

R=Rf+Rg+pRc

L=Lr+pLc

2.極對(duì)極故障

R=Rf+2pRc

L=2Lr+2pLc

一旦檢測(cè)到故障，VC(0)和IL(0)的值就確定了。但是另兩個(gè)變量的值還未知。這兩個(gè)變量的值可以依據(jù)N-R 迭代算法確定。

具體步驟如下：

(1)設(shè)定初值，p 介于0-1pu，Rf 介于0-25Ω；

(2)在tk=kTs|k=1,2,…,NW 時(shí)，計(jì)算繼電保護(hù)的故障

電流。tk 為故障采樣時(shí)間，Nw 為窗口長(zhǎng)度，Ts 為采樣周期。

(3)確定△iR(tk)的值：

△iR(tk)=iRcal(tk)-iRM(tk)

其中，iRm(tk)為保護(hù)安裝處量測(cè)電流。

(4)根據(jù)△iR(tk)確定初始值的裕度。

(5)利用N-R 算法計(jì)算p 和Rf 的改變量：

其中，△iR(tk)表示采樣值k 下的偏移；△p 和△Rf 為修正量；J11 為雅克比矩陣元素。(6)迭代更新p 和Rf。(7)判斷p 和Rf 的收斂性。

（二）算例分析

1.極對(duì)極故障。考慮F1 點(diǎn)發(fā)生極對(duì)極故障，考查P 節(jié)點(diǎn)的特性，得到仿真結(jié)果是；故障發(fā)生后，正極和負(fù)極電壓開(kāi)始下降，在4ms 后p 點(diǎn)的極對(duì)極電壓降為0。正極和負(fù)極的串電感電壓在故障發(fā)生后均超過(guò)了38V，。正極和負(fù)極均可以檢測(cè)出故障，繼電保護(hù)動(dòng)作。

2.極對(duì)地故障考慮F1點(diǎn)發(fā)生極對(duì)地故障，此時(shí)假設(shè)距離P點(diǎn)為300m，得到結(jié)果是；可以看出，故障發(fā)生后，正極的DC 鏈路電壓開(kāi)始下降，6ms 后降為0，但是負(fù)極對(duì)地的電壓相比較正極對(duì)地下降的緩慢，因此能夠檢測(cè)出正極對(duì)地的故障。另外，在時(shí)間方面，極對(duì)地故障相比較極對(duì)極故障變化緩慢，故障清除時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)一些。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，比較直流配電系統(tǒng)與交流配電系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)對(duì)電壓穩(wěn)定性要求更高，然而，由于某些負(fù)載輸出功率的自身變化性特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的直流電壓斜率控制策略的多端柔性直流配電系統(tǒng)會(huì)造成直流電壓發(fā)生變化，直流電壓與額定值存在偏差。在惡劣的運(yùn)行工況下，可能出現(xiàn)偏差較大的情況，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至造成停運(yùn)的情形。、提出一種基于傳統(tǒng)下垂控制的改進(jìn)控制方式，通過(guò)功率與電壓間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少傳統(tǒng)方式穩(wěn)態(tài)時(shí)存在的電壓偏差為目標(biāo)。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證結(jié)果得出，提出的改進(jìn)直流電壓下垂控制方法可有效改進(jìn)有功功率和電壓參考值間的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)輸出功率在恒定運(yùn)行狀態(tài)下，該改進(jìn)控制策略能夠有效減少直流母線電壓偏差值；同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)功率突變時(shí)，保證系統(tǒng)直流母線電壓運(yùn)行在設(shè)定的較小且穩(wěn)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。