基于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)電壓暫降故障精細(xì)定位方法

南東亮，譚金龍，張 路，王 暢

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 引言

智能電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的主要原因之一是電壓暫降，不同電網(wǎng)故障，均會(huì)引起電壓暫降[1]，精準(zhǔn)定位電壓暫降故障，可以確定引起電壓暫降的責(zé)任方[2～4]，避免不必要的糾紛，還可減少故障維修時(shí)間。胡安平等人通過(guò)小波能量 采集電網(wǎng)突變信號(hào)，獲取與電壓暫降源最近的節(jié)點(diǎn)，完成電壓暫降故障定位，該方法可有效定位電壓暫降故障[5]；但該方法具有與偽故障點(diǎn)問(wèn)題，且對(duì)突變信號(hào)采集要求較高，易受電網(wǎng)線路對(duì)地電容影響，推廣難度較高。陳汝斯等人通過(guò)序功率增量方向原理分析電壓暫降原因，獲取電壓暫降區(qū)域，以故障位置與過(guò)渡電阻為變量，故障電流、電壓誤差為目標(biāo)，構(gòu)造故障定位模型，通過(guò)智能優(yōu)化算法求解該模型，獲取電壓暫降故障定位結(jié)果，該方法可有效定位電壓暫降故障，具有一定的優(yōu)越性[6]；但其需對(duì)不同過(guò)渡電阻與故障位置進(jìn)行運(yùn)算，離線計(jì)算量過(guò)多，會(huì)出現(xiàn)不匹配情況，影響電壓暫降定位效果。傳感網(wǎng)絡(luò)具備靈活性高、定位精度高、能耗低等優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)其靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、快速的定位速度，可提升故障定位效果[7]。為此研究基于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)電壓暫降故障精細(xì)定位方法，提升故障精細(xì)定位效果，為智能電網(wǎng)故障維修提供更好的幫助，確保智能電網(wǎng)供電可靠性。

1 智能電網(wǎng)電壓暫降故障精細(xì)定位方法

1.1 智能電網(wǎng)電壓暫降故障產(chǎn)生原因

智能電網(wǎng)電壓暫降形成的原因有兩種，分別是自然與非自然原因，前者的占比較高，包含雷擊與臺(tái)風(fēng)等特殊天氣導(dǎo)致的線路短路故障，或者動(dòng)物、樹木等接觸線路導(dǎo)致的線路故障[8]，造成故障位置周圍電流提升，電壓下降，出現(xiàn)電壓暫降故障。

故障前的智能電網(wǎng)線路阻抗是R1；短路阻抗是R2；負(fù)載阻抗是R3；線路未短路情況下，負(fù)載電壓如下：

其中，示波器系數(shù)是E。

在線路短路后，負(fù)載電壓如下：

因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)線路短路情況下，R2較小，所以U較低，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)，出現(xiàn)電壓暫降故障，各類型短路故障形成的電壓暫降種類不盡相同。

非自然原因多為負(fù)荷波動(dòng)，例如電機(jī)與變壓器等投切影響負(fù)載電壓，令其出現(xiàn)大幅度改變，電機(jī)開啟時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，其轉(zhuǎn)速達(dá)到指定值，這個(gè)過(guò)程電機(jī)會(huì)不斷形成大電流[9]，導(dǎo)致電機(jī)接入處電壓下降，且下降幅度較大，出現(xiàn)電壓暫降故障。

受電壓暫降故障影響較大的是工業(yè)，電壓暫降故障危害主要包括三方面，第一方面是延長(zhǎng)工期，電壓暫降故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停止，再次啟動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，還會(huì)增加電能消耗量；第二方面是產(chǎn)品損失，生產(chǎn)線停止，造成產(chǎn)品原料遭到破壞，同時(shí)再次開啟設(shè)備，會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，提升經(jīng)濟(jì)損失[10，11]；第三方面是設(shè)備損失，生產(chǎn)線突然停止，對(duì)設(shè)備使用壽命存在影響。電壓暫降故障時(shí)常見(jiàn)設(shè)備的承受能力如表1所示。

表1 電壓暫降故障時(shí)常見(jiàn)設(shè)備的承受能力

1.2 智能電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)初步定位

1.2.1 智能電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)距離分布函數(shù)

令智能電網(wǎng)各條故障線路l的首尾節(jié)點(diǎn)是p、q，令虛擬故障點(diǎn)是r，求解r的自阻抗Rrr，公式如下：

令監(jiān)測(cè)點(diǎn)是m，則m至r的自阻抗Rmr如式(4)所示。

1.2.2 智能電網(wǎng)電壓暫降故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓序分量比值

1.2.3 基于電壓序分量比值的電壓暫降故障初步定位

按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓序分量比值gm-cal，和實(shí)際電壓序分量比值gm間的誤差，初步定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障。gm-cal與gm間誤差eg計(jì)算公式如式(9)所示：

其中，權(quán)重是w；可調(diào)節(jié)因子是λ；監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量是M。

在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相位不同情況下，可以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相電壓最低相的幅值為w；降低對(duì)小范圍智能電網(wǎng)電壓暫降故障初步定位的影響[13]；當(dāng)智能電網(wǎng)電壓暫降故障范圍較大時(shí)，變更式(9)獲?。?/p>

遍歷全部電壓暫降故障線路后，可獲取故障點(diǎn)序列s(l)，依據(jù)eg的值，從小至大排列可能故障點(diǎn)，排名越靠前，故障點(diǎn)可能性越大[14]，最小eg相應(yīng)的l與d，即最可能的智能電網(wǎng)電壓暫降故障線路與故障距離[15]，完成智能電網(wǎng)電壓暫降故障初定定位，初步定位結(jié)果是S。

1.3 基于傳感網(wǎng)絡(luò)的電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)精細(xì)定位優(yōu)化

依據(jù)初步定位結(jié)果，可確定故障區(qū)域，求解該區(qū)域中故障節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)，獲取其距離差異度，利用傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化初步定位結(jié)果，實(shí)現(xiàn)故障精細(xì)定位。令智能電網(wǎng)內(nèi)隨機(jī)兩個(gè)區(qū)域是a′-b′，初步定位故障節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部與虛部是Uv、Uk，故障電阻是；故障節(jié)點(diǎn)數(shù)量是M′，x=1，2...M′，選擇故障區(qū)域，公式如式(11)所示。

確定智能電網(wǎng)電壓暫降故障區(qū)域后，在距離分布函數(shù)內(nèi)，添加故障節(jié)點(diǎn)的電壓與電流，求解該節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部與虛部的距離d′，d′超出區(qū)間(0，1)時(shí)，說(shuō)明該故障區(qū)域是偽區(qū)域，通過(guò)搜索法確定故障區(qū)域電阻間的過(guò)渡電阻值R′可令Uv與Uk差異度總和降至最低，通過(guò)R′優(yōu)化智能電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)初步定位結(jié)果，實(shí)現(xiàn)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)精細(xì)定位，通過(guò)距離分布函數(shù)，確定故障節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部與虛部的故障距離d′，公式如式(12)所示：

其中，m的j相實(shí)部、虛部故障距離是j=1，2，3，代表三相，在m為實(shí)際節(jié)點(diǎn)情況下，那么與的差異度如式(13)所示：

其中，修正系數(shù)是θ。

兩相智能電網(wǎng)電壓暫降故障情況下的差異度如式(15)所示：

其中，智能電網(wǎng)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)相是α。

在一相智能電網(wǎng)電壓暫降故障情況下，μ2=0；對(duì)初步定位的電壓暫降故障進(jìn)行精細(xì)定位，公式如式(16)所示：

當(dāng)智能電網(wǎng)線路中，出現(xiàn)電壓暫降故障時(shí)，傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被故障節(jié)點(diǎn)發(fā)出的故障信號(hào)觸發(fā)，立刻處于工作狀態(tài)，采集故障節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化智能電網(wǎng)電壓暫降故障的精細(xì)定位結(jié)果。智能電網(wǎng)內(nèi)線路傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)集合如式(17)所示：

其中，精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障的傳感器節(jié)點(diǎn)是OA、OB、OC；利用OA、OB、OC優(yōu)化S′，公式如式(18)所示。

通過(guò)式(18)完成智能電網(wǎng)電壓暫降故障精細(xì)定位優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某區(qū)域500kV智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該區(qū)域智能電網(wǎng)共包含12個(gè)節(jié)點(diǎn)，基準(zhǔn)容量100MVA，電壓暫降器故障前節(jié)點(diǎn)電壓是1pu，該區(qū)域智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

該區(qū)域智能電網(wǎng)中共包含14條線路l1，l2，...l14，在2號(hào)與4號(hào)節(jié)點(diǎn)中間位置安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，在8號(hào)節(jié)點(diǎn)與11號(hào)節(jié)點(diǎn)中間位置安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，為提升該區(qū)域智能電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓暫降故障精細(xì)定位精度，因此選擇兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)電壓暫降故障進(jìn)行精細(xì)定位。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)線路l1、l2、l3、l4、l5、l6、l14，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2監(jiān)測(cè)線路l7、l8、l9、l10、l11、l12、l13。

對(duì)于該區(qū)域智能電網(wǎng)共設(shè)置三種故障，分別是A相接地故障、BC兩相故障、BC兩相接地故障，記作故障1、故障2、故障3，因線路l12與l2出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電壓暫降故障的線路為l13、l7、l8、l9、l10、l11的故障距離是0.6pu，故障線路為l1、l6、l5、l3、l4、l14的故障距離是0.5pu，分別利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)2與監(jiān)測(cè)點(diǎn)1進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取智能電網(wǎng)電壓暫降故障初步定位結(jié)果，利用本文方法初步定位不同故障類型時(shí)智能電網(wǎng)電壓暫降故障，初步定位結(jié)果如表2所示，以故障距離為例。

根據(jù)表2可知，在不同智能電網(wǎng)故障類型時(shí)，本文方法均可有效初步定位電壓暫降故障，獲取各故障類型時(shí)，各線路的故障距離；同時(shí)還可有效定位故障線路，與實(shí)際故障線路相同，為提升電壓暫降故障定位精度，繼續(xù)利用本文方法對(duì)初步定位結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，獲取電壓暫降故障精細(xì)定位結(jié)果，根據(jù)表2可知，精細(xì)定位后的故障距離與實(shí)際故障距離更為接近，可明顯縮短初步定位故障距離與實(shí)際距離間的差距。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可有效精細(xì)定位電壓暫降故障距離與故障線路，且精細(xì)定位故障距離與實(shí)際故障距離非常接近，定位的故障線路與實(shí)際故障線路完全一致，表面本文方法的精細(xì)定位效果更優(yōu)。

表2 智能電網(wǎng)電壓暫降故障初步定位結(jié)果

通過(guò)可調(diào)節(jié)電網(wǎng)情況的權(quán)重系數(shù)，分析本文方法精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障的定位速度，權(quán)重系數(shù)在[2.0，3.0]之間，說(shuō)明故障精細(xì)定位速度最快，分析本文方法在精細(xì)定位不同故障線路時(shí)的定位速度，如圖2所示。

圖2 本文方法定位速度分析結(jié)果

根據(jù)圖2可知，在精細(xì)定位不同智能電網(wǎng)電壓暫降故障線路時(shí)，權(quán)重系數(shù)基本維持在2.0至3.0之間，說(shuō)明本文方法精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障的定位速度較快。

分析不同接入負(fù)荷與故障電阻時(shí)，本文方法精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障距離與故障電阻的效果，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同接入負(fù)荷時(shí)電壓暫降故障距離精細(xì)定位結(jié)果

圖4 不同接入負(fù)荷時(shí)電壓暫降故障電阻精細(xì)定位結(jié)果

綜合分析圖3與圖4可知，在不同接入負(fù)荷，不同故障類型時(shí)，本文方法均可精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障距離；在不同故障類型時(shí)，本文方法精細(xì)定位的電壓暫降故障距離與實(shí)際故障距離差距均較小；在不同故障電阻，不同故障類型時(shí)，本文方法也均可精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障距離，且本文方法精細(xì)定位的電壓暫降故障距離與實(shí)際故障距離差距較小。實(shí)驗(yàn)證明：在不同接入負(fù)荷與不同故障電阻時(shí)，本文方法依舊能夠精準(zhǔn)精細(xì)定位智能電網(wǎng)電壓暫降故障距離與故障電阻。

3 結(jié)語(yǔ)

智能電網(wǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在直接影響，智能電網(wǎng)線路出現(xiàn)不同故障時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致電壓暫降故障，影響供電穩(wěn)定性。本文通過(guò)電壓暫降故障節(jié)點(diǎn)距離分布函數(shù)，初步定位電壓暫降故障。初步定位故障結(jié)果，確定故障區(qū)域后，通過(guò)距離分布函數(shù)確定該區(qū)域內(nèi)故障節(jié)點(diǎn)實(shí)部與虛部故障距離，并求解該距離的差異度。依據(jù)差異度與電壓序分量比值誤差，精細(xì)定位電壓暫降故障。二次定位技術(shù)為維修人員提供具體故障信息，加快其維修效率，保證智能電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。