逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障分析方法研究

谷源

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司舞陽(yáng)縣供電公司 河南漯河 462400

在電力能源系統(tǒng)內(nèi)，低電壓配電網(wǎng)扮演著很重要的角色，用戶的電能質(zhì)量大多由低電壓配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)決定。所以，我們要格外注重低電壓配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，避免故障的發(fā)生，保障人民用電的安全性與質(zhì)量性。目前，低壓400V系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，其特點(diǎn)為：三相和單相負(fù)荷都能正常使用，且在三相負(fù)荷不平衡的情況下供電電壓基本對(duì)稱，保證了供電質(zhì)量。這種運(yùn)行方式下短路故障有三相短路、兩相（及對(duì)地）短路，單相對(duì)地短路。兩相（及對(duì)大地）、三相短路因短路時(shí)電流是通過(guò)電力線路構(gòu)成回路，電力線路因本身阻抗很小，短路電流大，是變壓器額定電流幾倍或十幾倍，系統(tǒng)的電流型保護(hù)正確動(dòng)作切除故障線路。這兩類短路故障因短路電流大，能量大，能把故障點(diǎn)燒炸開，肉眼巡視基本能明顯看到。但是，單相對(duì)地、零線因回路阻抗較大，短路電流小，能量小，造成故障點(diǎn)不明顯。目前配電網(wǎng)單相接地故障定位方法主要有注入信號(hào)法、阻抗法和行波法。由于配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路分支多，阻抗小導(dǎo)致故障信號(hào)本身非常微弱，難以識(shí)別，而且配電網(wǎng)線路分支多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般多為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給故障測(cè)距帶來(lái)了很大困難。為克服這一難題，介紹了可采用加裝剩余電流保護(hù)或零序電流保護(hù)作單相接地故障保護(hù)，這樣同時(shí)可以滿足電氣火災(zāi)防護(hù)的要求。提出了一種基于非侵入式的低壓配電網(wǎng)短路故障定位方法，構(gòu)建了低壓配電網(wǎng)非侵入式短路故障識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的粗略定位。本文在傳統(tǒng)電路保護(hù)的基礎(chǔ)上，分析低壓對(duì)地故障的原理，研制出一套適合現(xiàn)場(chǎng)查找的故障快速定位裝置，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了成功。

1 目標(biāo)與優(yōu)勢(shì)

縮短設(shè)備維修時(shí)間是配電運(yùn)維一體化管理主要目的，即在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的同時(shí)，還要提高監(jiān)管效率，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維修，降低設(shè)備單項(xiàng)維修的時(shí)間損耗，能夠提高設(shè)備維修效率，從而加強(qiáng)設(shè)備的維修安全性能。配電運(yùn)維一體化，專業(yè)化管理的實(shí)施，最重要的體現(xiàn)是在機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能夠有效減少維修時(shí)長(zhǎng)。在經(jīng)過(guò)這一流程時(shí)，不單單縮短了修理的時(shí)間，將維修的技術(shù)人員分工到具體工作中，從而減少了維修人員的檢修工作量，簡(jiǎn)化了維修工作日程，通過(guò)提升工作人員的工作效率來(lái)讓電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。

2 逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障分析方法研究

2.1 創(chuàng)建配電數(shù)據(jù)庫(kù)，提高運(yùn)檢效率

為提高配電線路運(yùn)行效率，建設(shè)配電線路時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中涵蓋了關(guān)鍵設(shè)備的位置和區(qū)域內(nèi)配電線路布局等內(nèi)容。以信息技術(shù)監(jiān)控線路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能夠顯著提高配電運(yùn)行效率，與此同時(shí)，也可在分析大數(shù)據(jù)的過(guò)程中，掌握發(fā)生概率較高的線路故障及故障產(chǎn)生的主要原因，加大監(jiān)控力度。工作人員在運(yùn)檢工作中應(yīng)將該設(shè)備作為關(guān)鍵點(diǎn)，高度重視線路常見的故障以及發(fā)生故障的主要原因。在數(shù)據(jù)全面，功能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)支持下，促進(jìn)設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行。再者，高水平的數(shù)據(jù)庫(kù)也可優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的供電配置，為線路平穩(wěn)運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。用電高峰期，配電管理系統(tǒng)也可自動(dòng)開展限流管理活動(dòng)，調(diào)整線路的運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 故障定位思路

我們可根據(jù)電氣特征有針對(duì)性地測(cè)量和快速查找故障點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)上述第1點(diǎn)的電氣特征量測(cè)量比較麻煩，而且測(cè)量不準(zhǔn)確。第2點(diǎn)的電氣特征量雖然測(cè)量方便，但很難判斷是三相負(fù)荷不平衡還是對(duì)接故障引起的，易誤判斷。第3點(diǎn)的電氣特征量現(xiàn)場(chǎng)用鉗形電流表直接測(cè)量就知道故障情況，而且能根據(jù)測(cè)量電流值大小來(lái)判斷故障嚴(yán)重程度。綜上所述，遇到供電異常，懷疑可能是對(duì)地故障時(shí)，到現(xiàn)場(chǎng)后的步驟如下。第一步：確定是否有對(duì)地故障。就是測(cè)量變壓器接地引上線電流，農(nóng)村綜合變上做好必要技術(shù)措施后退出剩余電流保護(hù)后強(qiáng)送，讓故障電流重現(xiàn)。這個(gè)電流很小，一般不大于1A；城鎮(zhèn)公用變這個(gè)電流較大，一般小于5A。超過(guò)此值，應(yīng)該有對(duì)地故障了。第二步：停電做測(cè)試準(zhǔn)備。斷開故障線路的開關(guān)、熔斷器，做好停電措施，解開故障線路的零線，并將零線懸空。第三步：確認(rèn)故障相別。把故障線路的三相和零線短接（不接地并懸空），從電源側(cè)引一相電源（經(jīng)過(guò)燈泡降壓，安全考慮）至已短接的故障線路上，然后用鉗型電流表分別測(cè)量A、B、C、N線（暫叫四相）上電流。農(nóng)村綜合變：這四根線上最大電流那一相為故障相，其他三相為通過(guò)負(fù)載與接地點(diǎn)形成回路的電流。城鎮(zhèn)公用變：如果N相電流很小，說(shuō)明此變壓器零線無(wú)重復(fù)接地。這時(shí)就像綜合變線路查故障一樣。如果N相電流很大，說(shuō)明此變壓器零線有重復(fù)接地，先把重復(fù)接地查到并斷開（參照第四步方法），然后看A、B、C三相中最大電流那一相為故障相。這樣，故障相就已確認(rèn)。第四步：確認(rèn)故障電流流向。在確認(rèn)的故障相上登桿用鉗形電流表測(cè)量電流，電流值與在確認(rèn)故障相別電流差不多的，說(shuō)明故障點(diǎn)此桿后段（有支接時(shí)每個(gè)支接方向都要測(cè)量，搭接點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)）。用此方法來(lái)來(lái)不斷換桿登桿測(cè)量，最終就能找到故障點(diǎn)[2]。

2.3 拓?fù)渌阉鞣椒?/h3>

通過(guò)廣度優(yōu)先搜索（breadth-first search，BFS）與深度優(yōu)先搜索（depth-first search，DFS）對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷。BFS從根節(jié)點(diǎn)開始搜索與之相連的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)該層節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以該層節(jié)點(diǎn)作為頂點(diǎn)繼續(xù)搜索下一層子節(jié)點(diǎn)，逐層搜索，直至搜索完所有節(jié)點(diǎn)。DFS從根節(jié)點(diǎn)開始搜索，若有相鄰邊未搜索到，則沿該路徑搜索。當(dāng)節(jié)點(diǎn)所有邊均搜索完畢，搜索回溯到發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)的那條邊的起始點(diǎn)，直至搜索完根節(jié)點(diǎn)可達(dá)的所有節(jié)點(diǎn)。

2.4 加強(qiáng)運(yùn)維人員的培訓(xùn)，提高運(yùn)維人員的水平

配電運(yùn)維工作者的技術(shù)水平，是實(shí)現(xiàn)配電運(yùn)維一體化管理的基礎(chǔ)，因此，電力配電企業(yè)需要充分了解運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)水準(zhǔn)，繼而采取相應(yīng)的方法與措施來(lái)提高自身的技術(shù)水平，來(lái)提高配電運(yùn)維工作的質(zhì)量和效率。運(yùn)維一體化后，每個(gè)人的工作內(nèi)容都不是固定的，所以可能要對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作、維護(hù)和檢查。因此，有必要對(duì)全體員工進(jìn)行相應(yīng)的知識(shí)培訓(xùn)，并請(qǐng)專業(yè)講師講解相應(yīng)的知識(shí)，使全體員工掌握各項(xiàng)工作的重點(diǎn)，對(duì)突發(fā)情況及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，從而推動(dòng)運(yùn)維一體化專業(yè)化管理的實(shí)施。例如，工業(yè)企業(yè)可定期對(duì)配電運(yùn)維人員進(jìn)行培訓(xùn)和講座，對(duì)其理論知識(shí)鞏固和學(xué)習(xí)，提高對(duì)配電系統(tǒng)的控制。此外，還可以開展配電運(yùn)維工作的模擬實(shí)踐，以此檢驗(yàn)和提高運(yùn)行維護(hù)人員的實(shí)踐能力。這樣可以有效地提高運(yùn)行維護(hù)人員的水平，并促進(jìn)配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

2.5 故障緊急恢復(fù)策略

在故障緊急恢復(fù)時(shí)，首先充分利用DG的供電能力，形成孤島劃分方案，并與主網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，最終得到故障緊急恢復(fù)策略，具體流程如下：。步驟1：讀取配電網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括初始結(jié)構(gòu)、支路阻抗、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷類型等。步驟2：讀取故障信息，斷開故障支路。步驟3：輸入故障時(shí)刻，確定相應(yīng)時(shí)刻的優(yōu)先恢復(fù)集Ft，Rload和可控負(fù)荷集Cload。步驟4：以含DG的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，以該時(shí)刻DG出力值為最大搜索半徑，采用BFS確定功率圓所包含的負(fù)荷，由此得到功率圓實(shí)際半徑。若出現(xiàn)2個(gè)或多個(gè)孤島交叉，則將其融合為一個(gè)孤島。步驟5：判斷Ft，Rload中負(fù)荷是否都已恢復(fù)，以未恢復(fù)的負(fù)荷作為根節(jié)點(diǎn)，采用DFS將其接入最近的DG節(jié)點(diǎn)。若負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)DG進(jìn)行恢復(fù)，則不恢復(fù)該負(fù)荷。判斷孤島是否滿足功率平衡約束，若滿足，則轉(zhuǎn)至步驟7，若不滿足，則執(zhí)行步驟6。步驟6：削減Cload，直至滿足功率平衡約束執(zhí)行步驟7。若所有Cload都已切除，仍無(wú)法滿足功率平衡約束，則根據(jù)重要度等級(jí)進(jìn)行切負(fù)荷操作，縮小孤島范圍；若滿足功率平衡及其他約束條件，則執(zhí)行步驟7，否則繼續(xù)步驟6的切負(fù)荷操作，直至滿足條件。步驟7：形成初步孤島劃分方案。步驟8：對(duì)初步孤島內(nèi)開關(guān)重新編碼，更新配電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用主網(wǎng)與DG的協(xié)調(diào)控制，在保證步驟7方案中已恢復(fù)的負(fù)荷不斷電的基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行綜合恢復(fù)，以提高負(fù)荷恢復(fù)量。步驟9：初始化改進(jìn)BPSO算法參數(shù)。步驟10：種群初始化。步驟11：進(jìn)行算法迭代尋優(yōu)，更新粒子速度與位置，執(zhí)行交叉、變異操作，計(jì)算適應(yīng)度，直至到達(dá)最大迭代次數(shù)則停止迭代。步驟12：更新開關(guān)集合，得到緊急恢復(fù)方案。步驟13：按照緊急恢復(fù)策略對(duì)聯(lián)絡(luò)和分段開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)開合操作。

2.6 積極應(yīng)用智能化管理平臺(tái)

現(xiàn)如今，信息技術(shù)得到完善，其也為配電線路智能化管理提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。為了保證配電線路運(yùn)檢管理效果，應(yīng)充分利用智能管理平臺(tái)，發(fā)揮智能管理平臺(tái)的積極作用，從而加強(qiáng)配電線路管理有效性，縮短線路維修消耗的時(shí)間，顯著提高線路維修的效率。不僅如此，合理利用運(yùn)檢管理平臺(tái)也可為云計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗?xiàng)技術(shù)的綜合運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其有利于人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，增強(qiáng)故障識(shí)別的快速性和精準(zhǔn)性，以較短的時(shí)間處理線路故障，進(jìn)而提升配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)配電線路的壽命。

2.7 加強(qiáng)安全工作宣傳，提高員工風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)

在配電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)及施工過(guò)程中，施工單位和電力公司應(yīng)加強(qiáng)安全工作的宣傳，使企業(yè)和職工真正認(rèn)識(shí)安全的重要性，樹立安全第一的工作意識(shí)。同時(shí)，工業(yè)企業(yè)也需要制定有效的方式和措施，如在實(shí)際工作中設(shè)立安全獎(jiǎng)項(xiàng)，可以調(diào)動(dòng)施工單位中工作人員的積極性，充分重視安全的必要性，如果完成度較好可以給予未發(fā)生安全事故企業(yè)及個(gè)人予以獎(jiǎng)勵(lì)。此外，配電單位及施工公司還可以細(xì)化責(zé)任分工，明確工作操作標(biāo)準(zhǔn)，確保配電網(wǎng)建設(shè)的質(zhì)量、安全及進(jìn)度。

2.8 故障搶修策略

在緊急恢復(fù)之后，以搶修時(shí)間最短和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失最少為目標(biāo)函數(shù)，由于故障搶修策略與緊急故障恢復(fù)不是同一類優(yōu)化問題，故障搶修采用十進(jìn)制編碼方式，利用改進(jìn)PSO算法得到最優(yōu)故障搶修策略，調(diào)度搶修小隊(duì)對(duì)配電網(wǎng)故障進(jìn)行搶修。考慮在實(shí)際生產(chǎn)中，搶修小隊(duì)對(duì)發(fā)生多重故障的片區(qū)進(jìn)行分區(qū)管理，因此所提策略僅對(duì)某一片區(qū)的故障搶修進(jìn)行研究。步驟1：讀取優(yōu)先恢復(fù)集Ft，Rload，若無(wú)未恢復(fù)負(fù)荷，執(zhí)行步驟2；若存在未恢復(fù)負(fù)荷，按照Ft，Rload中未恢復(fù)負(fù)荷順序，優(yōu)先對(duì)相關(guān)支路進(jìn)行搶修，F(xiàn)t，Rload中所有負(fù)荷恢復(fù)完畢后執(zhí)行步驟2。步驟2：更新配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，包括緊急恢復(fù)后的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、支路阻抗、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷類型等；讀取故障位置、對(duì)應(yīng)所需搶修時(shí)間及故障節(jié)點(diǎn)間的車程距離。步驟3：初始化改進(jìn)PSO算法。步驟4：計(jì)算粒子適應(yīng)度值。分別計(jì)算故障搶修時(shí)間F1和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失F2。若當(dāng)前位置為故障節(jié)點(diǎn)，則將搶修小隊(duì)的位置更改為當(dāng)前位置，累計(jì)F1和F2；若當(dāng)前位置非故障節(jié)點(diǎn)，則不改變搶修小隊(duì)位置，不累計(jì)F1和F2。步驟5：根據(jù)所計(jì)算的粒子適應(yīng)度值，尋找個(gè)體極值和群體極值，對(duì)速度和位置進(jìn)行更新。步驟6：執(zhí)行交叉和變異操作，判斷是否到達(dá)最大迭代次數(shù)，若是則執(zhí)行步驟7，否則轉(zhuǎn)至步驟4。步驟7：輸出搶修方案，并按此方案對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行搶修。

3 結(jié)語(yǔ)

從逆變型分布式電源的并網(wǎng)性質(zhì)以及不脫網(wǎng)運(yùn)行要求，結(jié)合逆變型分布式電源的控制策略以及逆變器本身的容量屬性，其故障電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)有很大的不同。在電網(wǎng)對(duì)稱與不對(duì)稱故障情況下，逆變型分布式電源均只輸出正序電流。（inverter interfaced distributed generation，IIDG）的規(guī)?；尤?，在配電網(wǎng)故障期間，IIDG因其固有故障屬性，不能等同電源與阻抗串聯(lián)的形式,本文提出的含IIDG的配電網(wǎng)故障分析方法，可以提高故障分析的精度，并可以推廣到含多IIDG的配電網(wǎng)故障分析中。