含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究綜述

吳璐子，繆希仁，莊勝斌，傅敏毅，趙丹

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

配電網(wǎng)在電網(wǎng)中最靠近用戶(hù)，其故障后的快速?gòu)?fù)電是支撐供電可靠性的主要技術(shù)手段，因此，故障快速檢測(cè)與精準(zhǔn)定位已成為故障區(qū)域快速有效隔離的關(guān)鍵技術(shù).

隨著可再生能源的發(fā)展，從2014年開(kāi)始，我國(guó)每年的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量均超過(guò)全社會(huì)新增用電量.截止2020年年底，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)281.53 GW，光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到252.88 GW.國(guó)家能源局“十四五”發(fā)展規(guī)劃進(jìn)一步推進(jìn)可再生能源的發(fā)展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)將逐步發(fā)展為分布式電源高度滲透的新型電力系統(tǒng).

新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控與故障特性將發(fā)生根本性變化，傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)存在技術(shù)局限性，亟待研究含分布式電源配電網(wǎng)的新型保護(hù)方法.因此，本研究分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)和含分布式電源(distributed generation,DG)配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究現(xiàn)狀，基于含分布式電源配電網(wǎng)故障特性分析，給出含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究展望，指出故障快速檢測(cè)與定位可實(shí)現(xiàn)含分布式電源配電網(wǎng)故障快速保護(hù)，以保障含分布式電源配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

1 配電網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)與定位研究現(xiàn)狀

配電網(wǎng)是分配電能的電力網(wǎng)絡(luò)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響供電可靠性，可靠性很大程度上取決于配電網(wǎng)保護(hù)的準(zhǔn)確性與靈敏性.傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)適用于輻射型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然而，目前還沿用傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)方式，以解決多源多端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)，從而產(chǎn)生了諸多技術(shù)問(wèn)題.因此，亟待開(kāi)展含分布式電源配電網(wǎng)的新型保護(hù)原理研究，尤其是解決關(guān)鍵的故障檢測(cè)與定位問(wèn)題.

1.1 配電網(wǎng)繼電保護(hù)檢測(cè)現(xiàn)狀

我國(guó)配電網(wǎng)的接線方式主要為電纜采用單環(huán)網(wǎng)或雙環(huán)網(wǎng)接線、架空線采用放射式接線或分段聯(lián)絡(luò)接線[1]，但聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，故而傳統(tǒng)配電網(wǎng)是單側(cè)電源供電、輻射狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般采用三段式電流保護(hù)[2-3]或反時(shí)限電流保護(hù)，繼電保護(hù)裝置采用過(guò)流繼電器以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè).

迄今，大多數(shù)配電網(wǎng)DG滲透率較低，鑒于傳統(tǒng)繼電保護(hù)故障檢測(cè)適應(yīng)性差，采用故障時(shí)線路DG強(qiáng)制退出措施，以保留原有傳統(tǒng)保護(hù)配置方案的有效性.因此，現(xiàn)階段主要從不同的約束條件入手限制DG準(zhǔn)入容量，如基于輸配協(xié)同[4]、繼電保護(hù)動(dòng)作[5]、保護(hù)可靠性[6]、諧波約束[7-8]和電壓約束[9]等方式，以計(jì)算分布式電源在配電網(wǎng)中的最大準(zhǔn)入容量.

隨著DG滲透率的不斷提高，限制容量的并網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)方式，在故障發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)大量DG的投切，將影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而限制分布式電源的接入容量.因此，現(xiàn)有并網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)方式限制了接入配電網(wǎng)的DG容量，不利于新能源的并網(wǎng)消納，亟待研究DG有效接入配電網(wǎng)的新型保護(hù)檢測(cè)方式.

1.2 配電網(wǎng)繼電保護(hù)定位現(xiàn)狀

配電網(wǎng)故障跳閘后，由配電自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障定位[10-11]，以提升一線運(yùn)維人員恢復(fù)故障區(qū)域供電的效率.配電自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)饋線終端裝置(FTU)將故障信息上傳至配電主站，由主站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理完成故障定位[12-13].基于FTU信息的定位方法主要分為兩類(lèi)，根據(jù)建模方式的不同可分為矩陣法[14-17]和人工智能法[18-21].

其中，矩陣法基于饋線終端FTU上傳的信息形成故障信息矩陣，與拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣運(yùn)算后形成故障判斷矩陣,該方法對(duì)信息準(zhǔn)確度要求極高，運(yùn)算速度快，但容錯(cuò)性較差.人工智能法基于開(kāi)關(guān)函數(shù)建立求解模型，將故障區(qū)段作為解空間以獲取最優(yōu)解,該方法容錯(cuò)性好、種類(lèi)多樣且更新速度快，但存在運(yùn)算速度慢、容易陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn),如采用遺傳算法[18]、粗糙集理論[19]、和聲算法[20]、仿電磁學(xué)[21]等算法以實(shí)現(xiàn)故障定位.

隨著多類(lèi)型分布式電源與電力電子設(shè)備的大量接入，配電網(wǎng)存在故障特性復(fù)雜化、模型構(gòu)建難度大等多重挑戰(zhàn)，因此亟待提升故障定位算法性能.

2 含分布式電源配電網(wǎng)故障特性分析

隨著分布式電源并網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)逐步拓展為含分布式電源配電網(wǎng)，DG接入導(dǎo)致其故障特性與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在諸多差異，給系統(tǒng)保護(hù)檢測(cè)與定位帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn).

根據(jù)分布式電源并網(wǎng)方式的不同，分布式電源可分為兩類(lèi)：電機(jī)類(lèi)和逆變類(lèi)[22].電機(jī)類(lèi)DG一般為直接并網(wǎng)的分布式電源，主要有柴油機(jī)發(fā)電、小型水力發(fā)電等類(lèi)型.電機(jī)類(lèi)DG提供的最大短路電流可達(dá)其額定電流的6～10倍，對(duì)配電網(wǎng)短路電流特性的影響較大[23].

逆變類(lèi)DG一般為逆變器并網(wǎng)的分布式電源，主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等類(lèi)型.受逆變器控制策略及電力電子器件耐受力影響，逆變類(lèi)DG承受的短路電流一般不超過(guò)其額定電流的1.5～2.0倍.不同于電機(jī)類(lèi)DG，逆變類(lèi)DG需具備低電壓穿越功能[22,24]，故障時(shí)優(yōu)先輸出無(wú)功以支撐系統(tǒng)電壓并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持不脫網(wǎng).

2.1 DG間歇性接入的故障特性分析

計(jì)及分布式電源的保護(hù)檢測(cè)，需滿(mǎn)足不同運(yùn)行工況下分布式電源間歇式接入的時(shí)空特性，如分布式電源不出力時(shí)的傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)要求，不同分布式電源間歇式出力、分布式電源全部出力等不同工況對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)適應(yīng)性要求.因此，含分布式電源配電網(wǎng)的復(fù)雜并網(wǎng)運(yùn)行工況，給配電網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)及其可靠性提出了新的技術(shù)要求.

分布式電源間歇式接入時(shí)，配電網(wǎng)故障特性主要表現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

1) 逆變類(lèi)DG的出力具有間歇性，當(dāng)分布式電源出力期發(fā)生故障，由于逆變類(lèi)DG故障電流通常不超過(guò)其額定電流的1.5～2.0倍，故障電流較小，增加了故障檢測(cè)難度.當(dāng)DG處于歇力期，針對(duì)變換器的不同可分為兩種情況：?jiǎn)蜗嘧儞Q器電力電子裝置閉鎖，此時(shí)DG類(lèi)似空載特性；采用雙向變換器的分布式電源，在歇力期DG將轉(zhuǎn)換成負(fù)荷充電.此外，光伏與風(fēng)電間歇特性存在較大差異.DG出力的不穩(wěn)定性使得故障特性失穩(wěn)，對(duì)保護(hù)檢測(cè)的自適應(yīng)性提出了更高的要求.

2) 不同時(shí)間段的出力特性、不同拓?fù)浜涂刂撇呗缘腄G在不同并網(wǎng)點(diǎn)下的短路故障響應(yīng)特性差異化較大，且電力電子高比例應(yīng)用將形成由半導(dǎo)體電路產(chǎn)生的短路故障新特性，因此，故障電流難以定性分析和建模，且增加了故障檢測(cè)算法的不確定性和隨機(jī)性，給保護(hù)整定及故障方向判斷帶來(lái)困難[25-26].

3) 故障期間，逆變類(lèi)DG呈現(xiàn)電流源特性，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電壓源特性存在較大差異[27]，交流系統(tǒng)非電源側(cè)短路故障下，由于逆變類(lèi)DG的短路故障響應(yīng)特性不同于傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機(jī)，基于“恒電壓源+恒內(nèi)阻抗串聯(lián)”的傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機(jī)等效模型無(wú)法適用；低電壓穿越期間，負(fù)序分量的存在對(duì)故障穿越的控制策略提出了新的要求[28-29].迄今，DG的不同運(yùn)行狀態(tài)與間歇性出力的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性尚未深入探索，現(xiàn)有等值模型難以適用，為保護(hù)檢測(cè)帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn).

由此可見(jiàn)，分布式電源間歇式接入時(shí)，不同運(yùn)行工況下配電網(wǎng)故障特性差異較大，因此，含分布式電源配電網(wǎng)故障保護(hù)檢測(cè)研究難度大且要求故障檢測(cè)方法要具備多工況適應(yīng)性.

2.2 DG不同接入位置的故障特性分析

傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障電流一般從電源側(cè)流向故障點(diǎn)，然而，含分布式電源配電網(wǎng)存在多電源點(diǎn)，故障短路電流呈現(xiàn)出多端多向的特性，傳統(tǒng)配電網(wǎng)單一故障電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換為多源故障檢測(cè)，因此，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與故障定位成為含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù).

此外，DG接入位置的不同影響配電網(wǎng)繼電保護(hù)檢測(cè)性能，可能引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng).

1)DG接入線路首端.如圖1所示，DG位于線路首端，如F1故障發(fā)生時(shí)，DG和系統(tǒng)電源共同提供短路電流，DG對(duì)配網(wǎng)保護(hù)的影響較小，只需調(diào)整保護(hù)整定值即可沿用傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù).

2)DG接入線路中段.如圖2所示，DG位于線路中段對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響較大，具體影響需視故障點(diǎn)與DG的相對(duì)位置來(lái)決定.當(dāng)DG上游線路如F1發(fā)生短路故障時(shí)，DG向故障點(diǎn)注入的短路電流對(duì)K1產(chǎn)生了類(lèi)似“屏蔽”的效應(yīng)，K1處保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流幅值減小，可能引起K1保護(hù)拒動(dòng).當(dāng)DG下游線路如F2發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)和DG同時(shí)向故障點(diǎn)注入短路電流，此時(shí)，DG向K2所在區(qū)段提供助增短路電流，該助增電流可能提高K2保護(hù)的靈敏度或造成K2與相鄰下一段線路的原有保護(hù)設(shè)置失去有效配合.當(dāng)DG接入饋線的鄰近線路如F3發(fā)生短路故障時(shí)，DG提供的反向短路電流將流過(guò)非故障線路L1及其保護(hù)K1處，可能引起K1保護(hù)誤動(dòng).

圖1 DG接入線路首端Fig.1 DG is connected to the head of the line

圖2 DG接入線路中段Fig.2 DG is connected to the middle of the line

圖3 DG接入線路末端Fig.3 DG is connected to the end of the line

3) DG接入線路末端.如圖3所示，DG位于線路末端，DG對(duì)配網(wǎng)保護(hù)的影響僅限于DG接入處饋線.當(dāng)DG近端F1發(fā)生故障時(shí)，由于距離較近，DG對(duì)故障點(diǎn)的影響相當(dāng)于系統(tǒng)電源，K3保護(hù)動(dòng)作；由于系統(tǒng)側(cè)與故障點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，L1線路K1處故障特征不明顯，可能引起K1保護(hù)拒動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電源持續(xù)向故障點(diǎn)注入短路電流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障完全隔離，形成非計(jì)劃孤島.當(dāng)系統(tǒng)近端F2處或非DG接入饋線如F3處發(fā)生故障時(shí)，K1將檢測(cè)到DG提供的反向故障電流，由于故障點(diǎn)F2/F3距離DG較遠(yuǎn)，DG提供的故障電流不足以引起K1保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)F3處發(fā)生故障時(shí)，DG向K2提供的助增電流較小，但在一定程度上提升K2保護(hù)的靈敏度.

由此可見(jiàn)，含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)不僅從傳統(tǒng)配電網(wǎng)單一故障電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換為多源故障檢測(cè)，而且DG接入位置不同、故障發(fā)生位置不同的情況下，將帶來(lái)故障檢測(cè)靈敏度問(wèn)題，給故障檢測(cè)可靠性及其故障有效辨識(shí)增加了技術(shù)難度.

3 含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究現(xiàn)狀

如上節(jié)所述，由于含分布式電源配電網(wǎng)故障特性與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在較大差異，傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位方法已無(wú)法適用，需針對(duì)分布式電源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)保護(hù)做出相應(yīng)的調(diào)整與改進(jìn).目前，針對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究工作，其現(xiàn)狀按故障檢測(cè)與定位概括如下.

3.1 含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)研究現(xiàn)狀

故障檢測(cè)實(shí)現(xiàn)感知及判斷系統(tǒng)發(fā)生故障，其準(zhǔn)確性可有效降低后續(xù)故障定位的誤判率.國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)針對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)研究，可歸納為以下3種.

近年來(lái)，靈渠基礎(chǔ)設(shè)施及人文環(huán)境不斷改善，同時(shí)列入世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單，相應(yīng)知名度也在日漸提升，靈渠旅游已逐漸成熟。但筆者在田野調(diào)查之后，發(fā)現(xiàn)其中仍存在眾多問(wèn)題。靈渠文化遺產(chǎn)旅游不僅是一種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，更是是一種文化活動(dòng)，文化是靈渠旅游的靈魂。文化結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層面，外層的物質(zhì)層面，中層的制度層面、內(nèi)層的精神層面。靈渠旅游發(fā)展的一系列問(wèn)題側(cè)面反應(yīng)了靈渠旅游規(guī)劃的基本思想存在一些偏差，致使出現(xiàn)一系列不利于旅游發(fā)展的矛盾。筆者在此運(yùn)用人類(lèi)學(xué)理論對(duì)靈渠旅游發(fā)展提出幾點(diǎn)建議。

3.1.1 基于閾值的故障檢測(cè)方法

基于閾值的故障檢測(cè)方法[30]設(shè)置動(dòng)作閾值，若測(cè)量值超過(guò)閾值，則判定系統(tǒng)發(fā)生故障并啟動(dòng)保護(hù)裝置.該方法原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但閾值選取不當(dāng)，將引起誤判，為此引入了自適應(yīng)保護(hù)，可根據(jù)配電系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)變化自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)閾值，以使含分布式電源配電網(wǎng)的檢測(cè)性能處于最佳狀態(tài)[31-34].其中，文獻(xiàn)[31]根據(jù)支路貢獻(xiàn)因子消除DG對(duì)保護(hù)的影響，從而得到自適應(yīng)的整定閾值；文獻(xiàn)[32]通過(guò)迭代法求解適用于逆變類(lèi)DG的自適應(yīng)閾值.然而，隨著DG滲透率提高，閾值整定難度逐步加大，已無(wú)法適用高比例DG接入的配電網(wǎng).

3.1.2 基于多端信息的故障檢測(cè)方法

1)信號(hào)比較法.含分布式電源配電網(wǎng)具有多端供電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可通過(guò)比較故障態(tài)下線路兩側(cè)的電氣量，以檢測(cè)區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障[35-40].配電網(wǎng)故障信息多且廣，可利用電流幅值與相角[35-36]、電流相角突變量方向[37]、故障超前相的能量函數(shù)[38]、波形相關(guān)性[39-40]等，以實(shí)現(xiàn)含分布式電源配電網(wǎng)的故障檢測(cè).但信號(hào)比較法對(duì)通信的依賴(lài)性較高，故障時(shí)區(qū)段兩端的數(shù)據(jù)需保持嚴(yán)格同步，數(shù)據(jù)失步將造成故障檢測(cè)失準(zhǔn).

2)信息融合法.由于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)難度大，利用單一量測(cè)數(shù)據(jù)難以適應(yīng)配電網(wǎng)復(fù)雜的故障情況.文獻(xiàn)[41]綜合利用電氣量信息、保護(hù)信息和斷路器信息構(gòu)造故障判據(jù)，構(gòu)建多代理故障診斷解析模型，利用人工智能算法求得最優(yōu)解；文獻(xiàn)[42]通過(guò)可疑故障元件庫(kù)和故障診斷模型，采用Petri網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)；文獻(xiàn)[43]構(gòu)造包含正序電流、負(fù)序電流和分相全電流比幅的新型綜合判據(jù)，故障時(shí)可自動(dòng)優(yōu)選靈敏度最高的子判據(jù)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè).然而，由于信息融合法處理的故障信息較多，因此，該方法用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，且仍無(wú)法避免檢測(cè)死區(qū)問(wèn)題.

3.1.3 其它故障檢測(cè)方式

基于故障信息的深度分析，提出新的故障檢測(cè)方式[44-46]，以適應(yīng)高滲透率的含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展.其中，文獻(xiàn)[44]提出了補(bǔ)償阻抗的概念，通過(guò)比較補(bǔ)償阻抗極性的不同來(lái)檢測(cè)故障并實(shí)現(xiàn)故障定位；文獻(xiàn)[45]通過(guò)分析比較正序電流和故障前并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位，由此提出利用相位差的正弦值檢測(cè)正向故障的方法，再依據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)故障定位隔離.

綜上所述，現(xiàn)有的含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)檢測(cè)方式未充分利用故障暫態(tài)特性，而電力電子設(shè)備具有耐受性限制，要求配電網(wǎng)保護(hù)裝置具備較好的快速性，因此，亟待研究新型的故障檢測(cè)技術(shù)，以提升配電網(wǎng)保護(hù)的快速性.

3.2 含分布式電源配電網(wǎng)故障定位研究現(xiàn)狀

故障定位實(shí)現(xiàn)故障后準(zhǔn)確查找故障區(qū)域，隔離故障區(qū)域并實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的快速?gòu)?fù)電，以提高供電可靠性.隨著DG滲透率的不斷提高，含分布式電源配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電源特性等發(fā)生了根本性變化，原有以輻射型為主的電網(wǎng)故障定位算法已無(wú)法適用，沿用原有算法將可能導(dǎo)致誤判，因此，亟待研究新的故障定位算法.

3.2.1 基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位算法的改進(jìn)算法

1) 注入法.在配電網(wǎng)故障后，利用諸如電壓互感器等信號(hào)注入設(shè)備向系統(tǒng)注入某種特殊信號(hào)，通過(guò)查驗(yàn)信號(hào)流過(guò)的路徑來(lái)定位故障的準(zhǔn)確位置[47-48]，主要包含S注入法、單端注入行波法、端口故障診斷法和加傳遞函數(shù)法等[49].

注入法需要額外的信號(hào)注入源和輔助檢測(cè)裝置，經(jīng)濟(jì)性較低，且測(cè)距結(jié)果的可靠性受分布電容、過(guò)渡電阻等影響較大[49]，可與其它方法相結(jié)合以改進(jìn)算法性能，如文獻(xiàn)[50]利用FTU和S注入法配合的方式，消除了線路對(duì)地電容的影響；文獻(xiàn)[51]基于柔性開(kāi)關(guān)設(shè)備(SOP)進(jìn)行功能拓展，將其作為信號(hào)注入源，實(shí)現(xiàn)含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位.

2) 行波法.測(cè)量電壓、電流行波到故障點(diǎn)的傳播時(shí)間以確定故障距離[52-53]，具有不受系統(tǒng)參數(shù)、過(guò)渡電阻及系統(tǒng)運(yùn)行方式等影響的優(yōu)點(diǎn)[54].將行波法與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配網(wǎng)的分支線故障定位[55].

單端行波法利用行波的折反射特性，根據(jù)初始行波波頭與來(lái)自故障點(diǎn)的第1次反射波波頭的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位[56]，單端法在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、多源的配電網(wǎng)中難以適用.雙端行波法根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位，通過(guò)行波信號(hào)差異的分析，可解決含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位問(wèn)題[57]，但由于需要雙端通信，所以每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)都需加裝檢測(cè)裝置，且算法對(duì)時(shí)鐘同步有嚴(yán)格要求，增加了定位成本.

3) 阻抗法.基于故障電壓與故障電流值，計(jì)算故障點(diǎn)到測(cè)距裝置間的線路阻抗，根據(jù)故障回路阻抗與故障距離成正比的關(guān)系求取故障距離.阻抗法相比于其它定位方法，具有原理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的故障定位技術(shù)，但易受過(guò)渡電阻、線路分支等因素影響，出現(xiàn)偽故障點(diǎn)[58]，無(wú)法應(yīng)用于直流輸電線路，但改進(jìn)的阻抗法可應(yīng)用于纜線混合的含分布式電源配電網(wǎng)中[59].

3.2.2 新型含分布式電源配電網(wǎng)故障定位算法

1) 基于PMU的故障定位算法.同步相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit，PMU)的應(yīng)用為故障定位提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源，與傳統(tǒng)的饋線終端相比，其采樣頻率更高、成本更低，幅值和相位誤差僅為0.5%和0.01%[60]，可沿線安裝并通過(guò)無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)、4G、5G、有線等多種通信方式.文獻(xiàn)[61]利用三相電壓/電流同步相量數(shù)據(jù)，提出基于時(shí)空特征矩陣 Frobenius范數(shù)的短路故障區(qū)段定位算法，可自適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、通信中斷等場(chǎng)景；文獻(xiàn)[62]引入微型同步相量測(cè)量裝置，通過(guò)優(yōu)化配置，利用不平衡電流實(shí)現(xiàn)故障定位.

2) 基于零序分量的故障定位算法.我國(guó)配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng)，單相接地故障占故障的80%以上[63].當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，暫態(tài)零序分量的故障特征豐富且突出，可用于接地故障的檢測(cè)與定位.

DG的加入不影響線路的暫態(tài)零序電流分布，文獻(xiàn)[64]采用小波分析提取暫態(tài)零序電流細(xì)節(jié)分量，通過(guò)幅值和相位的比較定位故障，但需每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)配置測(cè)量裝置；文獻(xiàn)[65]通過(guò)分析故障零序電流特征，建立含DG配網(wǎng)零序阻抗模型，僅依靠源端測(cè)量數(shù)據(jù)即可定位故障區(qū)間；文獻(xiàn)[66]無(wú)需配置測(cè)量點(diǎn)，在配電自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，提出基于零序電流衰減周期分量相位差的故障定位方法.

3) 其他故障定位方法.在分析含分布式電源配電網(wǎng)故障時(shí)饋線的各電氣量變化特征基礎(chǔ)上，構(gòu)造基于故障電流、電壓的故障饋線區(qū)段定位方法[67-69].文獻(xiàn)[67-68]在測(cè)量各個(gè)電源在系統(tǒng)故障前后的電壓變化量基礎(chǔ)上，利用電壓變化量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障定位.

綜上所述，傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位改進(jìn)算法無(wú)法滿(mǎn)足高滲透率下的含分布式電源配電網(wǎng)定位精度要求；現(xiàn)有新型故障定位算法，在一定程度上解決了含分布式電源配電網(wǎng)故障定位問(wèn)題，但在配電網(wǎng)故障信號(hào)去噪、特征提取有效性等方面有待加強(qiáng)，以提高新型故障定位算法的適用性.

4 含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究展望

隨著逆變類(lèi)DG大量并網(wǎng)、多類(lèi)型的電力電子設(shè)備規(guī)模化接入，故障時(shí)，一方面，電力電子投退可能導(dǎo)致電壓/頻率失穩(wěn)，危害電網(wǎng)安全；另一方面，電力電子設(shè)備自身對(duì)短路電流的耐受值十分有限.因此，為減小故障對(duì)電力電子裝備交直流兩側(cè)的影響，交流側(cè)故障時(shí)，DG應(yīng)及時(shí)退出，以計(jì)劃性孤島方式運(yùn)行；直流側(cè)故障時(shí)，DG并網(wǎng)保護(hù)通過(guò)快速檢測(cè)識(shí)別故障并分?jǐn)嗖⒕W(wǎng)斷路器，避免直流側(cè)故障擴(kuò)大至交流側(cè)，快速檢測(cè)與定位隔離能夠最大限度地降低電網(wǎng)擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性.因此，亟待研究含分布式電源的配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位，以應(yīng)對(duì)新型電力配電網(wǎng)安全運(yùn)行的系統(tǒng)保護(hù)需求.

4.1 含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)研究展望

對(duì)于故障檢測(cè)而言，現(xiàn)有智能型保護(hù)檢測(cè)裝置大多是利用故障后一個(gè)周波的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)(故障已發(fā)生5～10 ms)，短路電流已達(dá)至較大數(shù)值，此時(shí)隔離故障對(duì)線路、設(shè)備及開(kāi)關(guān)的動(dòng)熱穩(wěn)定性要求很高，因而故障快速檢測(cè)的研究顯得十分必要.含分布式電源配電網(wǎng)的故障快速檢測(cè)能夠避免過(guò)大的短路電流損害開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命，并有效保障含電力電子設(shè)備的配電網(wǎng)穩(wěn)定性，可以從以下三個(gè)方面加以考慮.

1) 故障檢測(cè)速度.配網(wǎng)故障快速檢測(cè)[70-71]關(guān)鍵在于暫態(tài)特征提取，利用故障暫態(tài)特征可實(shí)現(xiàn)故障快速檢測(cè).充分解析故障時(shí)直流側(cè)對(duì)交流測(cè)的影響，研究適用于含分布式電源配電網(wǎng)的故障檢測(cè)新方法，如利用小波變換提取暫態(tài)零序電壓故障跌落特征，以滲透率為33%的含分布式電源配電網(wǎng)為對(duì)象加以實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示零序電壓能夠?qū)崿F(xiàn)全相角范圍下的故障檢測(cè)，檢測(cè)用時(shí)在1 ms以?xún)?nèi).

2) 自適應(yīng)閾值設(shè)置.檢測(cè)算法的關(guān)鍵在于閾值的選取，閾值需兼顧速動(dòng)性與準(zhǔn)確性，過(guò)小的閾值在干擾工況下容易發(fā)生誤判，過(guò)大的閾值將增加故障檢測(cè)的時(shí)間.DG接入迫使傳統(tǒng)的故障模型做出相應(yīng)的調(diào)整，模型需兼顧分布式電源間歇式接入與低電壓穿越期間的故障新特性，使用如孿生計(jì)算等構(gòu)建含分布式電源配電網(wǎng)模型，盡可能地貼合實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行特性，根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式變化，以自適應(yīng)獲得相應(yīng)的故障檢測(cè)閾值.

3) 噪聲干擾.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集過(guò)程中的白噪聲和有色噪聲，將影響故障信息的獲取.通過(guò)濾波技術(shù)可有效保留故障特征，以提高故障檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性.大量電力電子設(shè)備接入，引起含分布式電源配電網(wǎng)諧波頻率特性與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在明顯差異.DG的位置、出力間歇性使配電網(wǎng)絡(luò)等值阻抗發(fā)生變化，從而直接影響系統(tǒng)諧波分布.可利用配電網(wǎng)諧波特性提高小電流接地系統(tǒng)的故障檢測(cè)能力[72-73]，如文獻(xiàn)[73]提出了計(jì)及頻率特征的電流幅值差動(dòng)保護(hù).

4.2 含分布式電源配電網(wǎng)故障定位研究展望

對(duì)于故障定位而言，現(xiàn)有配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng)，諧振接地系統(tǒng)故障特征微弱，故障電壓、電流跌落較小，故障定位難度大.受DG影響，故障長(zhǎng)期未解除將帶來(lái)極大的安全隱患，且可能擴(kuò)大事故范圍.含分布式電源配電網(wǎng)故障電流的雙向性將給故障定位算法帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，可從以下三個(gè)方向加以考慮.

1) 定位速度.隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，量測(cè)裝置部署廣泛，電力大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展迅猛，配電網(wǎng)正逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)全面感知，為故障定位提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源[62,74].由故障快速檢測(cè)為后續(xù)故障定位及保護(hù)實(shí)施爭(zhēng)取時(shí)間空間，定位算法啟動(dòng)確認(rèn)故障發(fā)生區(qū)段，開(kāi)關(guān)快速操作機(jī)構(gòu)配合保護(hù)動(dòng)作，迅速隔離故障區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)含分布式電源配電網(wǎng)的故障快速保護(hù).

2) 定位原理.基于配電網(wǎng)單相接地故障頻發(fā)，計(jì)及不平衡電流的影響，研究利用單相接地故障本身所產(chǎn)生信號(hào)的故障定位原理.節(jié)點(diǎn)注入電流測(cè)量值與計(jì)算值間的差別將產(chǎn)生不平衡電流，通過(guò)研究不平衡電流對(duì)故障定位的影響，分析不平衡電流特征，也可將其作為定位判據(jù)使用[64].傳統(tǒng)故障定位算法，在配網(wǎng)多分支結(jié)構(gòu)下，易產(chǎn)生定位誤差，需剔除偽故障點(diǎn).可研究新型故障定位方法，如利用健全區(qū)段間波形相似度高而故障區(qū)段波形差異大的特性[75]，通過(guò)相似度衡量算法實(shí)現(xiàn)故障定位.

3) 測(cè)距精度.故障測(cè)距是為了定位故障的具體位置以降低人工巡查的時(shí)間成本[49]，以快速恢復(fù)故障區(qū)域的供電，避免長(zhǎng)時(shí)間停電引起的用戶(hù)投訴，對(duì)提高供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義.故障測(cè)距的精確性使得其推廣需要大量的配網(wǎng)布點(diǎn)，需要研究低成本、抗干擾的能適應(yīng)各種場(chǎng)景的實(shí)用化測(cè)距裝置.此外，還可通過(guò)研究故障電壓電流在配電網(wǎng)絡(luò)的分布特性，優(yōu)化測(cè)距裝置的配置，僅依靠源端就能實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的故障測(cè)距方法.

5 結(jié)語(yǔ)

新能源接入和人工智能應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)了配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的被動(dòng)型朝著主動(dòng)、智能型轉(zhuǎn)變，智能配電網(wǎng)的有源特性使其電力電子化特征日益顯著，要求配電網(wǎng)在保障可靠性的同時(shí)還應(yīng)提升快速性.然而，現(xiàn)有的保護(hù)技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足新能源高滲透率及電力電子裝置高比例接入的“雙高”需求，因此，針對(duì)配電網(wǎng)故障快速保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題，本研究綜述故障檢測(cè)與定位研究現(xiàn)狀，提出含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位研究展望，并得出以下結(jié)論.

1) 含分布式電源配電網(wǎng)的多源特性使傳統(tǒng)配電網(wǎng)檢測(cè)與定位方案不再適用，現(xiàn)有的含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)通常采用限制準(zhǔn)入容量的方式，其不利于構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的發(fā)展.

2) 改進(jìn)的含分布式電源配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位方案分為兩大類(lèi).一是針對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，在故障檢測(cè)中體現(xiàn)為閾值的自適應(yīng)整定；二是提出新型故障檢測(cè)與定位方法，在故障檢測(cè)中體現(xiàn)為信號(hào)縱聯(lián)比較與信息融合.隨著逆變類(lèi)DG持續(xù)接入，上述兩類(lèi)方案均未考慮電力電子裝置規(guī)?；暮植际诫娫磁潆娋W(wǎng)故障新特性，因此，應(yīng)針對(duì)現(xiàn)有的含分布式電源配電網(wǎng)開(kāi)展快速性保護(hù)的理論與應(yīng)用研究.

3) 故障快速檢測(cè)與故障定位是實(shí)現(xiàn)保護(hù)快速性的主要途徑，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速檢測(cè)且加以故障辨識(shí)，通過(guò)故障定位算法確定故障位置，在此基礎(chǔ)上，保護(hù)裝置與開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)切除故障，以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域安全快速隔離.