配電線路干線斷線故障同步時(shí)序信息檢測(cè)方法

吳 寒

（三峽大學(xué)，湖北宜昌 443000）

引言

隨著新一代建筑的出現(xiàn)，其內(nèi)部配線的復(fù)雜性和供電要求日益提高，對(duì)配電線路中干線安全要求也提高，對(duì)建筑低壓配電線路也越來越重視。在工民用建筑中，低壓配電系統(tǒng)采用三相四線制干線。對(duì)于向三相負(fù)載供電不平衡的線路，干線斷開會(huì)導(dǎo)致整線出現(xiàn)不同等級(jí)的過壓情況，可能造成設(shè)備損壞或火災(zāi)。特別是在住宅區(qū)，更容易發(fā)生用電設(shè)備燒毀的情況，可見斷線對(duì)居民的危害是巨大的[1]。故障檢測(cè)的方法主要有基于FP-Growth算法的配電網(wǎng)主干斷線故障檢測(cè)方法。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，利用電氣特征建立故障診斷特征庫，并挖掘相關(guān)規(guī)則，由此判斷干線有無接地故障，判斷故障位置。另一種為基于改進(jìn)AdaBoost算法的配電網(wǎng)主干斷線故障檢測(cè)方法，采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行特征篩選，實(shí)時(shí)檢測(cè)故障。兩者均可在較短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出故障，但受負(fù)載電路的諧波突變量影響，配線中的主干斷線故障信息檢測(cè)精度較低。因此，本研究提出了一種配電網(wǎng)中主干線故障同步時(shí)序信息檢測(cè)方法。

1 配電線路干線斷線故障同步時(shí)序信息檢測(cè)

在輻射型配電網(wǎng)中，線路故障通常會(huì)引起線路電流大于電流保護(hù)的整定值，考慮到線路長度短的特點(diǎn)，為保證繼電保護(hù)裝置的可靠性，在每段線路上都設(shè)置三段電流保護(hù)。

1.1 三段式電流保護(hù)

為了避免配電線路干線斷線故障影響整個(gè)配電線路，出現(xiàn)無法使用故障錄波器檢測(cè)故障電流波形的問題，采用了三段式電流保護(hù)方法，為同步時(shí)序關(guān)系模型構(gòu)建起到保護(hù)作用[2]。

三段式電流保護(hù)中的瞬時(shí)、限時(shí)和定時(shí)電流速斷保護(hù)在保護(hù)周期上起到相互配合作用，只要達(dá)到了電流值，保護(hù)裝置就應(yīng)立即停止保護(hù)[3]。瞬時(shí)電流速斷保護(hù)模式主要發(fā)生在電流I段，限時(shí)電流速斷保護(hù)模式主要發(fā)生在電流II段，定時(shí)電流速斷保護(hù)模式主要發(fā)生在電流Ⅲ段；Ti,I,Ti,II,Ti,Ⅲ分別表示第i條干線斷線故障電流三段上的保護(hù)延時(shí)[4]。

三段式電流保護(hù)行為所耗費(fèi)的時(shí)間與電流整定值關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，假設(shè)故障發(fā)生在E點(diǎn)、F點(diǎn)和G點(diǎn)，這三點(diǎn)三段式電流保護(hù)動(dòng)作如下：當(dāng)故障發(fā)生在E點(diǎn)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)B干線處的I、II、Ⅲ段保護(hù)電流及A干線處的II、Ⅲ段保護(hù)電流。對(duì)于B干線處的保護(hù)機(jī)制，存在T3,I＜T3,II＜T3,Ⅲ時(shí)間關(guān)系，同時(shí)T3,I＜T4,II，此時(shí)B干線處的I段保護(hù)電流突然消失，說明采用了跳閘動(dòng)作[5]。

圖1 三段式電流保護(hù)的時(shí)限特性

當(dāng)故障發(fā)生在F點(diǎn)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)B干線處的I、II、Ⅲ段保護(hù)電流及A干線處的Ⅲ段保護(hù)電流。對(duì)于B干線處的保護(hù)機(jī)制，與故障E點(diǎn)的保護(hù)機(jī)制一致，都是B干線處的I段出現(xiàn)跳閘[6,7]。

當(dāng)故障發(fā)生在G點(diǎn)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)B干線處的II、Ⅲ段保護(hù)電流及A干線處的Ⅲ段保護(hù)電流。對(duì)于B干線處的保護(hù)機(jī)制，存在T3,II＜T3,Ⅲ時(shí)間關(guān)系，同時(shí)T3,I＜T4,II，此時(shí)B干線處的II段保護(hù)電流突然消失，說明采用了跳閘動(dòng)作[8-10]。

1.2 同步時(shí)序關(guān)系模型構(gòu)建

配電線路干線中出現(xiàn)斷線故障后，首先啟動(dòng)三段式電流保護(hù)模式，在相應(yīng)的保護(hù)延時(shí)后，按照一個(gè)保護(hù)動(dòng)作按配合關(guān)系啟動(dòng)斷路器。通過一定的時(shí)間間隔后，斷路器跳閘，跳閘后的故障波呈現(xiàn)為故障錄波器[11]。因此，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的故障演化過程，建立如下無時(shí)間誤差的同步時(shí)序關(guān)系模型：

式（1）中，tBRK表示故障錄波器記錄的跳閘信息時(shí)間；ts表示三段式電流保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間；ΔTRP表示三段式電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)延；ΔTBRK表示跳閘動(dòng)作時(shí)延[12]。

忽略配電線路干線斷線故障到啟動(dòng)跳閘保護(hù)這一過程，通過公式（1）可得到故障時(shí)間，公式為：

結(jié)合公式（2），可確定具體故障時(shí)間。

1.3 配電線路干線斷線故障位置判定規(guī)則

三段式電流保護(hù)的時(shí)間特性說明斷路器和保護(hù)動(dòng)作都正確，電流的起動(dòng)狀態(tài)與故障發(fā)生位置相關(guān)，準(zhǔn)確地反映了故障錄波信息[13]。根據(jù)保護(hù)配合可以初步確定故障位置，見表1。由表1可知，本干線保護(hù)I段起動(dòng)可初步確定故障發(fā)生的位置：若I段啟動(dòng)，則故障發(fā)生在本干線電流I段保護(hù)范圍內(nèi)；否則，它不屬于本干線I段保護(hù)范圍。如果本干線I段啟動(dòng)，上一干線II級(jí)啟動(dòng)情況下，可進(jìn)一步縮小故障定位范圍[14]。如上一干線II段啟動(dòng)，則表明故障發(fā)生在本干線上II段后備保護(hù)范圍內(nèi)；否則，在上一干線II段后備保護(hù)范圍外及本干線I段保護(hù)范圍內(nèi)。

表1 故障位置初步判定規(guī)則

為了避免在故障信息檢測(cè)過程中出現(xiàn)信息丟失的問題，設(shè)計(jì)了如下保護(hù)步驟：假設(shè)配電線路干線斷線故障后產(chǎn)生了故障電流，該電流通過干線后沒有出現(xiàn)預(yù)警的概率為pM；該電流沒有通過干線后出現(xiàn)預(yù)警的概率為pE[15]?；诖?，充分考慮拒動(dòng)、誤動(dòng)的判別行為，改進(jìn)故障位置判定規(guī)則，如表2所示。

表2 故障位置最終判定規(guī)則

1.4 基于同步時(shí)序信息的斷線故障檢測(cè)流程

結(jié)合故障位置初步判定規(guī)則和故障位置最終判定規(guī)則，簡(jiǎn)化決策數(shù)據(jù)，消除由于斷路器開斷而出現(xiàn)的誤動(dòng)行為，同時(shí)也簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的保護(hù)條約。該條約能夠有效解決復(fù)雜配電環(huán)境下的條約混亂問題，擴(kuò)展性較強(qiáng)[16]。

根據(jù)保護(hù)同步時(shí)序信息的特點(diǎn)，提出了故障檢測(cè)流程的具體步驟，步驟一：配電網(wǎng)中每條線路均配置三段電流保護(hù)；步驟二：采集配電網(wǎng)故障信息樣本，按線路關(guān)系對(duì)各故障信息進(jìn)行簡(jiǎn)化；步驟三：這一決策表是以斷路器在處理后的故障信息、保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)為條件屬性，以相應(yīng)的故障單元、故障時(shí)刻和故障位置為指標(biāo)建立決策表；步驟四：約簡(jiǎn)步驟三中的決策表時(shí)，應(yīng)根據(jù)粗糙集定義，確定配電線路干線所對(duì)應(yīng)的故障因素集。由于配電環(huán)境復(fù)雜，決策過程也極為復(fù)雜，由此產(chǎn)生了條約組合式爆炸問題。為了解決該問題，結(jié)合決策信息，分析不同配電線路干線斷線之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

改進(jìn)的決策表約簡(jiǎn)步驟如下。

（1）假設(shè)故障發(fā)生在斷路器，斷路器所在的干線出現(xiàn)斷線問題，其所對(duì)應(yīng)的P1(n)、PⅡ(n)、PⅢ(n)為線路的三段保護(hù)模式；而其余線路對(duì)應(yīng)的三段保護(hù)模式分別為上級(jí)、本級(jí)和下級(jí)保護(hù)模式。

（2）在決策屬性方面，除了斷路器所在的干線出現(xiàn)斷線問題，其余線路可分為三個(gè)部分，分別是上級(jí)線路L(n-1)，本級(jí)線路L(n)，下級(jí)線路L(n+1)，這三個(gè)部分所對(duì)應(yīng)的故障，分別為T1(n)、TⅡ(n)、TⅢ(n)。將其帶進(jìn)保護(hù)線路I、II、III中，并通過動(dòng)作時(shí)間間隔區(qū)分故障時(shí)刻，由此進(jìn)行時(shí)間推算。

（3）利用簡(jiǎn)化樣本決策表的屬性約簡(jiǎn)和值約簡(jiǎn)得到診斷決策表。

（4）當(dāng)配電線路干線斷線出現(xiàn)故障問題時(shí)，可在故障位置附近線路上，采取三段電流保護(hù)模式，及時(shí)檢測(cè)電流突變量，并在同步時(shí)序信息下確定跳閘原因，避免因斷路器跳閘而出現(xiàn)整個(gè)配電線路無法穩(wěn)定工作的問題。同時(shí)，記錄跳閘時(shí)刻。

（5）找出斷路器所在線路為本干線路。

（6）對(duì)記錄保護(hù)的起動(dòng)情況按一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，分為上級(jí)保護(hù)、本級(jí)保護(hù)和下級(jí)保護(hù)。

（7）確定上級(jí)保護(hù)、本級(jí)保護(hù)和下級(jí)保護(hù)所對(duì)應(yīng)的決策表屬性信息，由此確定故障位置。

2 負(fù)載電路諧波突變量檢測(cè)

根據(jù)時(shí)序同步信息可知，如果線路沒有發(fā)生斷線故障，線路阻抗小于負(fù)載阻抗因子，使非線性裝置的三次諧波電流經(jīng)主干線流向系統(tǒng)側(cè)；當(dāng)線路發(fā)生斷線故障時(shí)，諧波電流將在斷線后向負(fù)載阻抗方向傳遞，且不返回饋線起始位置。在這一時(shí)刻，線路起始位置產(chǎn)生的三次諧波電流是斷線處前三次諧波電流。因此，在環(huán)形電路的起始位置，可得到主干線上的三次諧波突變量。

因?yàn)榫€路路徑未發(fā)生改變，所以所有的環(huán)路波電流都能在前端檢測(cè)到，并根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化情況而發(fā)生改變。三次諧波電流的突變量ΔI3被界定成如下公式：

式（3）中，k代表采樣數(shù)據(jù)；ΔI3是前后數(shù)據(jù)采集值之差。因此，三次諧波電流突變率為：

在不平衡狀態(tài)下出現(xiàn)干線斷線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三次諧波電流和基波電流，該電流在線路起始位置處產(chǎn)生了非均勻負(fù)載。在出現(xiàn)故障點(diǎn)后，出現(xiàn)負(fù)載不平衡現(xiàn)象時(shí)，干線的起始端可以檢測(cè)到突變諧波電流。但主干電勢(shì)在此時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏離情況，而偏離程度則取決于負(fù)載的不均。當(dāng)主干電位偏離較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致低壓配電線路電壓過高；當(dāng)重相電壓接近零時(shí)，低壓配電線路無法正常工作。

按照電流、電壓大小，將負(fù)載分為三種類型，分別是恒定功率負(fù)載、恒定電流負(fù)載和恒定阻抗負(fù)載，在一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)中，負(fù)載是由上述三種特性組合而成的。在低壓配電網(wǎng)中，大部分線性負(fù)載會(huì)以恒定阻抗形式展示出來，小部分線性負(fù)載會(huì)以恒定功率形式展示出來。

當(dāng)主干電位發(fā)生偏離時(shí)，基波電流將產(chǎn)生不同程度的突變。由電位偏移干線引起的突變性基波電流ΔI1可以用以下公式獲取：

式（5）中，I1表示故障后負(fù)載；Vad表示非平衡干線電壓；Vr表示額定電壓。

在配電線路干線斷線故障發(fā)生時(shí)，在環(huán)形電路起始位置三次諧波發(fā)生突變，甚至產(chǎn)生基波電流突變。發(fā)生故障前后的基波和諧波基本特征，是造成線路起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)斷線現(xiàn)象的主要原因。如果三相負(fù)載平衡出現(xiàn)故障時(shí)，線路中的線路沒有明顯的干線電位偏差。在檢測(cè)方法設(shè)定數(shù)值時(shí)，誤判率較低，能更精確地檢測(cè)出主干線斷線故障。

3 試驗(yàn)

以圖2所示的某地區(qū)220 kV配電線路為例，驗(yàn)證配電線路干線斷線故障同步時(shí)序信息檢測(cè)方法研究合理性。由圖2可知，線路2180出現(xiàn)A相接地問題，主保護(hù)動(dòng)作為A相跳開，說明重合成功；線路2297出現(xiàn)BC相接地問題，主保護(hù)動(dòng)作為拒動(dòng)，說明后備保護(hù)是三相跳開動(dòng)作。故障發(fā)生后，位于W1、W2、W3以及相鄰廠區(qū)的故障錄波器都開始錄波。

圖2 某地區(qū)220 kV配電線路

3.1 數(shù)據(jù)分析

以W1、W3故障錄波為例，分析干線路電流波形，如圖3所示。由圖3(a)可知，A相電流在時(shí)間0.0～0.5 ms范圍內(nèi)，電流在[-0.80 A～0.80 A]范圍內(nèi)波動(dòng)；B相電流波動(dòng)范圍為[-0.40 A～0.40 A]；C相電流波動(dòng)范圍為[-0.50 A～0.20 A]。由圖3（b）可知，A相電流在時(shí)間0.0 ms～0.3 ms、0.7 ms～1.0 ms、1.3 ms～1.5 ms范圍內(nèi)，電流在[-0.90 A～0.80 A]范圍內(nèi)波動(dòng)；B相電流在時(shí)間0.0 ms～0.6 ms范圍內(nèi)，電流在[-0.10 A～0.10 A]范圍內(nèi)波動(dòng)。在時(shí)間0.6 ms～2.0 ms范圍內(nèi)，電流在[-0.60 A～0.60 A]范圍內(nèi)波動(dòng)；C相電流波動(dòng)范圍為[-0.25 A～0.20 A]。

圖3 W1、W3位置干線路電流波形

3.2 結(jié)果與分析

分別使用FP-Growth算法、AdaBoost算法和同步時(shí)序信息檢測(cè)方法檢測(cè)配電線路干線斷線故障電流，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知，使用FP-Growth算法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.65 A～0.45 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.20 A～0.55 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.30 A～0.30 A]；使用AdaBoost算法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.50 A～0.55 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.05 A～0.15 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.60 A～0.50 A]；使用同步時(shí)序信息檢測(cè)方法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.80 A～0.85 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.35 A～0.40 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.50 A～0.25 A]。

圖4 三種方法配電線路干線斷線故障電流對(duì)比分析

由圖4(b)可知，使用FP-Growth算法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.25 A～0.25 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.60 A～0.50 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.05 A～0.01 A]；使用AdaBoost算法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.90 A～0.90 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.10 A～0.45 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.45 A～0.30 A]；使用同步時(shí)序信息檢測(cè)方法檢測(cè)到的A相電流波動(dòng)范圍為[-0.85 A～0.80 A]，B相電流波動(dòng)范圍為[-0.60 A～0.60 A]，C相電流波動(dòng)范圍為[-0.25 A～0.20 A]。

通過上述分析結(jié)果可知，本方法配電線路干線斷線故障電流與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差為0.05 A，由此可知，該方法故障信息檢測(cè)誤差小。

4 結(jié)論

本研究方法能有效提高檢測(cè)率和檢測(cè)精度，具有一定的理論和實(shí)際意義。為了進(jìn)一步深入研究干線斷線所帶來的危害，結(jié)合故障檢測(cè)算法，將通信規(guī)約轉(zhuǎn)換工作量達(dá)到最小，使故障判斷時(shí)間更加充裕，保證檢測(cè)結(jié)果更加可靠。使用同步時(shí)序信息檢測(cè)方法，除了檢測(cè)配電線路干線斷線故障外，還可以對(duì)海量故障數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，并由此構(gòu)建故障信息挖掘系統(tǒng)，及時(shí)判斷斷線出現(xiàn)的誤動(dòng)和拒動(dòng)問題。