中低壓配電線路的維護(hù)與故障識別技術(shù)研究

陳濤濤

（浙江幸福航天科技有限公司，浙江湖州 313000）

1 中低壓配電線路故障識別方法

1.1 故障起動判定

中低壓配電線路發(fā)生故障時電流信號會產(chǎn)生奇異性特征，利用Hankel 矩陣對中低壓配電線路電流信號進(jìn)行解析，然后比較電信號細(xì)節(jié)分量元素的門檻值與絕對值，可以實現(xiàn)快速定位中低壓配電線路故障的目的。具體故障檢測方法如下：

中低壓配電系統(tǒng)如圖1 所示，首先，采集中低壓配電網(wǎng)運(yùn)行過程中線路兩端位置電流信號，并將采樣數(shù)據(jù)構(gòu)造為Hankel矩陣，對電流信號奇異值進(jìn)行解析；其次提取分量信號P1，尋找中低壓配電網(wǎng)運(yùn)行過程中的電流分量信號P1中絕對值最大值PN，設(shè)定中低壓配電線路故障起判依據(jù)門檻為PT=k′PN，k′為門檻系數(shù)，其滿足k′＞1 的要求。

圖1 中低壓配電系統(tǒng)

在明確門檻值的情況下，中低壓配電線路上保護(hù)設(shè)備可以定時采集線路電流信號，并將最新電流信號轉(zhuǎn)換為Hankel 矩陣，通過對Hankel 矩陣奇異值進(jìn)行解析可獲得分量信號P1，中低壓配電線路故障起動判據(jù)為：

其中，PT為門檻值；｜P1｜max為分量信號P1元素絕對值最大值。當(dāng)式（1）故障起動條件成立時，表明中低壓配電線路存在故障。

1.2 故障方向判別

通過區(qū)分中低壓配電網(wǎng)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，可以實現(xiàn)對線路故障方向的判別。當(dāng)中低壓配電網(wǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，中低壓配電線路兩端保護(hù)裝置故障電流增加，且增加方向一致，而分量信號P1中不同元素突變方向也保持一致；當(dāng)中低壓配電網(wǎng)區(qū)外發(fā)生故障時，中低壓配電線路兩端保護(hù)裝置故障電流增加，但兩臺保護(hù)設(shè)備電流增長方向不一致，此時分量信號P1中不同元素突變方向相反。

因此主要通過對比中低壓配電線路兩端分量信號P1找不同元素符合變化情況來判斷中低壓配電網(wǎng)區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障，實現(xiàn)中低壓配電線路的縱聯(lián)保護(hù)，縱聯(lián)保護(hù)故障識別依據(jù)為：

其中，P2MP為中低壓配電系統(tǒng)M 端負(fù)正極分量信號P1發(fā)生故障時的元素；P2NP為中低壓配電系統(tǒng)N 端正分量信號P1發(fā)生故障時的元素；P2MN為中低壓配電系統(tǒng)M 端負(fù)極分量信號P1發(fā)生故障時的元素；P2NN中低壓配電系統(tǒng)N 端負(fù)極分量信號P1發(fā)生故障時的元素。如果故障乘積大于0 時表示分量信號P1符號相同；如果乘積小于0 則表示分量信號P1符號相反。

2 中低壓配電線路縱聯(lián)維護(hù)方案

2.1 縱聯(lián)維護(hù)方案

在中低壓配電線路縱聯(lián)維護(hù)中，故障判據(jù)的作用是判斷線路故障類型，并明確故障極。提出中低壓配電線路縱聯(lián)維護(hù)方案通過對比中低壓配電線路正極分量P1和負(fù)極分量P1中的元素異同情況來判斷線路故障類型，并明確故障極。

當(dāng)中低壓配電線路出現(xiàn)雙極故障時，中低壓配電線路正極和負(fù)極分量信號P1中各元素符號均相同；當(dāng)中低壓配電線路正極出現(xiàn)接地故障時，正極分量信號P1中各元素符號相同，負(fù)極分量信號P1中各元素符號相反；當(dāng)中壓配電線路負(fù)極出現(xiàn)接地故障時，正極分量信號P1中各元素符號相反，負(fù)極分量信號P1中各元素符號相同。根據(jù)以上特征可以得到中低壓配電線路故障選極判斷依據(jù)如式（3）所示：

根據(jù)中低壓配電線路故障識別判據(jù)、起動判據(jù)和選極判據(jù)，提出中低壓配電線路維護(hù)方案，維護(hù)方案流程如圖2 所示。該保護(hù)方案可以提高中低壓配電系統(tǒng)斷路器起動速度，當(dāng)中低壓配電線路出現(xiàn)故障時，Hankel 矩陣通過解析線路電流奇異值判斷線路是否存在故障，如果線路正負(fù)極電流滿足線路故障判斷依據(jù)，線路斷路器起動，并向終端發(fā)送中低壓配電線路正負(fù)極信號；然后根據(jù)故障判斷依據(jù)辨識線路故障為區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障，如果為區(qū)內(nèi)故障則發(fā)送跳閘信號；如果為區(qū)外故障則不發(fā)送跳閘信號。只有在中低壓配電線路維護(hù)方案故障識別判據(jù)、檢測判據(jù)和選極判據(jù)均符合保護(hù)條件的情況下，保護(hù)裝置才會動作。

圖2 線路維護(hù)方案流程

2.2 仿真驗證

基于圖1 中低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，首先采集N、M 端保護(hù)裝置正負(fù)極電流信號，并將其構(gòu)造為Hankel 矩陣，其次解析線路奇異值獲取分量信號，并根據(jù)線路維護(hù)方案判斷是否存在故障，最后根據(jù)分量信號中各元素符號關(guān)系判斷線路故障為區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障，并確定線路故障極，如果線路故障為區(qū)內(nèi)故障則發(fā)出跳閘信號。

2.2.1 區(qū)內(nèi)故障

（1）雙極短路故障。當(dāng)中低壓配電線路發(fā)生雙極短路故障時，線路M、N 端正負(fù)極電流分量信號和原始信號如圖3 所示。從仿真結(jié)果來看，當(dāng)中低壓配電線路發(fā)生雙極故障時，線路正極電流呈增長趨勢，負(fù)極電流呈減小趨勢，由此可見M、N 兩端線路分量信號符號為“+”，符號一致，滿足P2MP×P2NP＞0 的條件；線路負(fù)極電流P2MP、P2NP符號為“-”，符號一致，滿足P2MP×P2NN＞0 的條件。

圖3 區(qū)內(nèi)線路雙級故障波形

根據(jù)線路縱聯(lián)維護(hù)方案中線路故障判據(jù)和選極公式，上述線路故障情況滿足P2MP×P2NP＞0&PMN×P2NN＞0 條件，由此可以判斷中低壓配電線路為區(qū)內(nèi)故障，且為雙極短路故障，仿真結(jié)果與實際情況一致，線路保護(hù)裝置發(fā)送跳閘信號。

（2）正極接地故障。當(dāng)中低壓配電線路發(fā)生正極接地故障時，線路M、N 端正負(fù)極電流分量信號和原始信號如圖4 所示。從仿真結(jié)果來看，當(dāng)線路發(fā)生故障時，線路正極電流有增大趨勢，而M、N 端正極分量信號中P2MP×P2NP符號為“+”，符號一致，滿足公式P2MP×P2NP＞0；M 端負(fù)極電流有增大趨勢，而且N 端負(fù)極電流則下降，因此P2MP符號為“+”，P2NP符號為“-”，符號不一致，滿足P2MP×P2NP＜0 的條件，根據(jù)線路縱聯(lián)維護(hù)故障判斷依據(jù)，該故障為區(qū)內(nèi)故障，且滿足P2MP×P2NP＞0&P2MN×P2NN＜0 的條件，因此為正極斷路故障。此時正極線路保護(hù)裝置發(fā)出跳閘保護(hù)信號，負(fù)極保護(hù)裝置不執(zhí)行保護(hù)動作。

2.2.2 區(qū)外故障

（1）雙極短路故障。當(dāng)中低壓配電線路區(qū)外發(fā)生雙極接地故障時，線路M、N 端正負(fù)極電流分量信號和原始信號如圖5 所示。從仿真結(jié)果來看，中低壓配電線路發(fā)生故障后，M 端正極電流逐漸減小，N 端正極電流逐漸增大，線路分量信號中P2MP符號為“-”，P2NP符號為“+”，符號不一致；M 端負(fù)極電流逐漸增大，N 端負(fù)極電流逐漸減小，P2MN符號為“+”，P2NN符號為“-”，符號不一致，根據(jù)線路故障判斷依據(jù)，該情況滿足P2MP×P2NP＜0&P2MN×P2NN＜0 條件，由此可以判斷線路故障為區(qū)外故障，此時斷路器不執(zhí)行保護(hù)動作。

圖5 區(qū)外線路雙級故障波形

（2）負(fù)極接地故障。當(dāng)中低壓配電線路區(qū)外發(fā)生負(fù)極接地故障時，線路M、N 端正負(fù)極電流分量信號和原始信號如圖6 所示。從仿真結(jié)果來看，終端低壓配電線路發(fā)生故障后，M 端正極電流逐漸增大，線路分量信號中P2MP符號為“+”；N 端正極電流逐漸減小，線路分量信號中P2NP符號為“-”；M 端負(fù)極電流逐漸減小，線路分量信號中P2MN符號為“-”；N 端負(fù)極電流逐漸增大，P2MN符號為“+”。根據(jù)線路縱聯(lián)維護(hù)方案故障判斷依據(jù)，以上條件滿足P2MP×P2NP＜0&P_P2MN×P2NN＜0，因此可以判斷該故障為區(qū)外故障，此時線路保護(hù)裝置不動作。

圖6 區(qū)外線路負(fù)級故障波形

3 結(jié)束語

為保證中低壓配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，提出適用于中低壓配電線路的故障判斷方案和縱聯(lián)維護(hù)方案，該維護(hù)方案主要根據(jù)線路故障判斷依據(jù)辨識線路故障，然后結(jié)合線路故障選極判據(jù)和識別判據(jù)確定線路故障類型。最后為驗證線路故障判斷和維護(hù)方案的有效性，分別選擇區(qū)內(nèi)外雙極短路和正極或負(fù)極斷路故障進(jìn)行仿真驗證，分析結(jié)果表明，線路故障判斷方案可以準(zhǔn)確判斷線路故障級和故障類型，并且針對區(qū)內(nèi)故障可以實現(xiàn)維護(hù)功能。