改進矩陣算法的電網(wǎng)安全管控方法設(shè)計及仿真

摘 要：為了進一步提高電網(wǎng)管控精度，設(shè)計了一種基于改進矩陣算法的含DG電網(wǎng)管控方法。分析了FTU遙信信息在數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生的畸變情況，設(shè)計了一種同步相量測試裝置來獲取電流相位參數(shù)并判斷過電流的流動方向。研究構(gòu)建了多個算例來驗證上述方法對于信息畸變以及處理多重故障方面的可靠性。研究結(jié)果表明：去除電源后已經(jīng)無法檢測出過電流，依然能夠判斷故障發(fā)生的位置，采用本方法依然可以實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位。當(dāng)電源側(cè)區(qū)段出現(xiàn)故障并且末端節(jié)點出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸畸變，通過信息修正能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位。本文管控算法和畸變修正方法滿足可靠性要求。該研究有助于提高電網(wǎng)運行效率，具有很好的實際節(jié)能意義。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；分布式電源；矩陣算法；信息畸變

中圖分類號：TP311；TM711""""""""""""""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0181-04

The design and simulation of grid security management

and control method of improved matrix algorithm

ZHOU"Wenting1， LIANG"Gang2， ZHAO"Gang2， YAO"Yongbo2， ZHANG"Haibo3

（1. State"Grid"Xinjiang"Electric"Power"Corporation，Wulumuqi 830092，China；

2. "Information"and"Communication"Company， State"Grid"Xinjiang"Electric"Power"Company，

Wulumuqi 830002，China；3. xinjiang"sgit"information"technology"company，Wulumuqi 830002，China）

Abstract： In order to further improve the precision of power grid management and control， an improved matrix algorithm based on DG network management and control method was designed. The distortion of FTU telemetry information during data transmission was analyzed， and a synchronous phasor measuring device was designed to obtain current phase parameters and judge the flow direction of overcurrent. Several examples were constructed to verify the reliability of the above method for information distortion and handling multiple faults. The results showed that the overcurrent could not be detected after the power supply was removed， and the fault location could still be determined， and the fault location could still be realized by using this method. When the power supply side section failed and the end node had data transmission distortion， accurate location could be realized through information correction. The control algorithm and distortion correction method in this paper met the reliability requirements. This research is helpful to improve the operation efficiency of power grid and has good practical significance of energy saving.

Key words： power grid; distributed power supply; matrix algorithm; information distortion

當(dāng)電網(wǎng)中增加分布式供電源后，電流從最初單向流動形式轉(zhuǎn)變至雙向流動的形式，從而使傳統(tǒng)電網(wǎng)變換為主動電網(wǎng)［1?2］。電網(wǎng)運行過程中出現(xiàn)故障時，由饋線終端FTU將故障信號輸入系統(tǒng)主站，但通過FTU進行數(shù)據(jù)傳輸時較易引起信息畸變的現(xiàn)象，因此采用FTU方法進行管控時還需重新校準(zhǔn)畸變信息［3?4］。

隨著中光伏等新能源的快速發(fā)展，針對此類電網(wǎng)進行管控分析也獲得了越來越多學(xué)者的關(guān)注。如采用多分支分區(qū)和特征網(wǎng)絡(luò)PMU進行分析，針對多路分網(wǎng)和特征網(wǎng)微 PMU的特點，基于多路分網(wǎng)分級和微"PMU配置流程，探究了支路故障在特征網(wǎng)中發(fā)生支路故障時的極值變化規(guī)律，并提出有效的支路故障行波辨識算法［5］。利用矩陣分析方法來實現(xiàn)管控，可以根據(jù)故障數(shù)據(jù)特征與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃噥硗瓿尚畔?shù)據(jù)的矩陣計算得到故障饋線范圍，該算法的求解過程簡單，但受到FTU信息畸變因素的明顯影響，并不能實現(xiàn)理想的容錯效果［6］。設(shè)計了一種對分布式電源區(qū)段實施定位的模型與算法，由此實現(xiàn)DG投切與聯(lián)絡(luò)開關(guān)開斷狀態(tài)控制，實現(xiàn)了優(yōu)異容錯能力［7］；但上述方法只適合對單重故障進行分析，無法有效匹配多重故障的診斷分析。根據(jù)矩陣算法設(shè)計了一種經(jīng)過優(yōu)化處理的區(qū)段定位算法，通過比較FTU獲取的遙信數(shù)據(jù)域遙測參數(shù)來校準(zhǔn)畸變信息，可以獲得較高準(zhǔn)確性與優(yōu)異容錯性能［8］，但該方法的實現(xiàn)原理太復(fù)雜。

根據(jù)以上各類方法所存在的缺陷，本文設(shè)計了一種以矩陣算法實現(xiàn)的優(yōu)化區(qū)段定位算法。分析了FTU遙信信息在數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生的畸變情況，設(shè)計了一種同步相量測試裝置來獲取電流相位參數(shù)并判斷過電流的流動方向。本研究構(gòu)建了多個算例驗證信息畸變和多重故障分析的效果。

1"" 改進矩陣算法管控方法

本研究引入了圖論理論并開發(fā)由分布式電源（DG）構(gòu)成的電網(wǎng)。具體組成結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由斷路器、分段與聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成見圖1。

1.1"" 故障狀態(tài)矩陣的建立

在電網(wǎng)運行期間產(chǎn)生故障時，根據(jù)饋線終端（FTU）確定電流越限值，判斷是否發(fā)生測試值越限的情況［9］，通過遙信模式把測試參數(shù)表示為SOE記錄，再把故障數(shù)據(jù)傳輸至主站或子站。由此構(gòu)建得到一個可以反饋故障電流狀態(tài)的矩陣，該矩陣包含了電網(wǎng)節(jié)點的上傳數(shù)據(jù)，可以獲取節(jié)點是否存在過電流及其流動方向［10］。

將故障過電流方向設(shè)置成跟全網(wǎng)正方向相同的狀態(tài)［11］，分別設(shè)定“-1，0，1”3種模式來反饋電網(wǎng)節(jié)點故障電流，-1表示節(jié)點i處檢測出的過流信息與電流成相反方向；0表示節(jié)點i處未檢測出的過流信息；1表示節(jié)點i處檢測出的過流信息與電流成相同方向。

1.2"" 故障判斷矩陣及判據(jù)

包含DG電網(wǎng)處于正常狀態(tài)下時，不會引起節(jié)點過流的情況［12］，在電網(wǎng)某區(qū)段故障時獲得對角矩陣G。根據(jù)故障判斷矩陣D開展對比再對區(qū)段進行分類。根據(jù)上述判據(jù)確定DG投切狀態(tài)，也可以此分析單段、多段故障，設(shè)置以下判據(jù)［13］：

（1）普通二節(jié)點故障判據(jù)，如果最初的行非零元素轉(zhuǎn)變至[1， 1]，則認(rèn)為此區(qū)段不存在故障；如果轉(zhuǎn)變成[1， 0]、[1， -1]、[0， -1]，則判斷此區(qū)段已經(jīng)出現(xiàn)了故障；

（2）“T”型故障判據(jù)，原先的非零元素轉(zhuǎn)變至[1， 1， 1]、[1， 0， 1]、[1， 1， -1]時，則認(rèn)為此區(qū)段沒有出現(xiàn)故障；當(dāng)轉(zhuǎn)變至[1， 0， 0]、[1， -1， -1]、[1， -1， 0]、[1， 0， -1]、[0， -1， -1]、[0， 0， -1]、[0， -1， 0]時，則認(rèn)為此區(qū)段存在故障；

（3）末端故障判據(jù)，通過圖1方法設(shè)定該區(qū)段下游節(jié)點，在矩陣中對1～8節(jié)點進行數(shù)據(jù)設(shè)置，同時新增了9～11節(jié)點，從而對上游連接末端區(qū)故障判據(jù)提供支持。為了對末端區(qū)段的故障狀態(tài)進行判斷，需綜合考慮此區(qū)段位于判斷矩陣D的節(jié)點參數(shù)與增設(shè)節(jié)點參數(shù)［14］。當(dāng)次區(qū)段的二端數(shù)據(jù)組合形式是[1， 0]、[1， -1]、[0， -1]，則認(rèn)為此末端區(qū)段中存在故障；當(dāng)此區(qū)段二端信息組合結(jié)果是[1， 1]、[-1， -1]、[0，0]，則認(rèn)為此末端區(qū)段沒有出現(xiàn)故障。

2"" 含DG電網(wǎng)安全管控方案

2.1"" DG投切下故障判據(jù)

對主動電網(wǎng)進行管控時，DG投切過程引起的定位結(jié)果變化都可以通過節(jié)點過流信息進行反饋［15］。當(dāng)傳統(tǒng)電網(wǎng)進行管控時，接入DG后將使原先單向流動形式的故障電流轉(zhuǎn)變成了雙向形式，由此確定上述體現(xiàn)電流流向的定位方案。

DG投切后過電流流向方案見圖1所示。對圖1進行分析，當(dāng)含有DG的電網(wǎng)絡(luò)下游分布電源存在短路故障時。當(dāng)發(fā)生短路時，再以上行和與其它配電網(wǎng)絡(luò)的過電流進行試驗，這時已不能再由下游點探測到過電流參數(shù)，可以通過之前設(shè)計的策略并表示為信息矩陣形式。開展兩相短路和三相短路管控仿真，數(shù)據(jù)來源和及實驗環(huán)境參照文獻［16］方法。

2.2"" 含DG電網(wǎng)管控實現(xiàn)

將PMU方法應(yīng)用于電網(wǎng)故障分析過程后，促進了檢測精度的顯著提升。對于包含DG電網(wǎng)進行測試發(fā)現(xiàn)，故障前后的負(fù)荷電流產(chǎn)生了明顯不同的相角。

圖2顯示了由DG構(gòu)成的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中，配電系統(tǒng)采用二級饋電方式供電。I pre為正常狀態(tài)的負(fù)載電流，I f1和I f2分別為F1狀態(tài)下C和A故障點的電流。電力系統(tǒng)正常運行下兩端母線電壓相位和幅度都很接近。由于導(dǎo)線長度不會造成阻抗角度的太大改變，由此判定該線路的各個區(qū)段阻抗角是相同的，將其表示為a，其取值范圍（0°，90°），電網(wǎng)運行中所產(chǎn)生的阻抗角為70°～80°。

當(dāng)配網(wǎng)運行過程中發(fā)生三相短路時，可利用線路暫態(tài)電流相位組成等效線路，如圖3所示的短路等效圖。

其中，B點為檢測點，F(xiàn)1、F2都是故障點，在初期正常狀態(tài)下的載電流通過下述式子進行計算。

[Ipre=Vsa-VBjXb]

在F1點出現(xiàn)短路故障情況下，按照之前設(shè)定的正方向建立如下的短路電流計算式：

[If 1=-VDGjXa2+jXa3+jXa4]

當(dāng)F2點存在短路故障時，構(gòu)建以下的短路電流算式：

[If 2=VsajXa1+jXa2+jXa3]

切除DG后短路等效圖如圖4所示。B點上游F1故障時，短路電流未出現(xiàn)在檢測點。下游F2故障時，其周期分量pi相對I pre存在相位延遲的情況。對單相短路故障進行分析的過程跟三相短路分析方法相近，因此不再對其進行深入探討。

根據(jù)B處檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在F1、F2都出現(xiàn)故障后，故障電流相對前電流出現(xiàn)了超前的現(xiàn)象，產(chǎn)生故障時相對初始相量角形成的變化區(qū)間為（π， π）。以上結(jié)果表明，對于含DG的配電線路出現(xiàn)三相短路故障情況下，當(dāng)某檢測點出現(xiàn)上下游故障點電流時，相對初始負(fù)荷電流存在相位角超前與滯后的狀態(tài)。

3"" 仿真分析

3.1"" 二相短路管控仿真

選擇圖5即由DG構(gòu)成的電網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，S代表系統(tǒng)的主電源，由于分布電源DG1與DG2投切過程也會引起配網(wǎng)定位結(jié)果的變化。本次選擇系統(tǒng)多種形式的短路故障開展仿真分析來驗證本方法可靠性，仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可知，相位差對應(yīng)的數(shù)量代表故障狀態(tài)下的正負(fù)相角與電流相角之差，負(fù)值表示故障發(fā)生后相位發(fā)生了提前的現(xiàn)象，而正值表示故障后相位提前的狀態(tài)。從表1還可看出，當(dāng)（4）、（9）段發(fā)生故障時，并未觀察到點5的過電流，并且可以將點5的故障用“0”進行表達。當(dāng)（4）段為“T”形時，其故障模式因位置的不同而形成了很大的區(qū)別。移除配電系統(tǒng)后，某些探測節(jié)點已不能判斷過電流，但仍可根據(jù)之前設(shè)定的判別準(zhǔn)則進行判斷。

3.2"" 三相短路管控仿真

發(fā)生短路時，正、負(fù)相和負(fù)載電流之間存在差值，代表故障狀態(tài)［12］。表2給出了三相短路多種故障測試數(shù)據(jù)。

表2為不包含DG時測定段（3）下游的相位，當(dāng)節(jié)點沒有過流時將故障表示為“0”，此時還有一些節(jié)點故障已經(jīng)檢測不到，但是按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)還是可以進行判定。

3.3"" 信息畸變影響下的管控仿真

對存在三相與二相短路時并且沒有出現(xiàn)信息畸變的情況進行定位，判斷DG投切引起的定位結(jié)果變化。測試了系統(tǒng)短路狀態(tài)下的故障檢測性能，結(jié)果見表3。

由表3可知，在進行測試期間，當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變后，對其進行修正能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，“-”是在無結(jié)果情況下產(chǎn)生的特殊情況；當(dāng)電源側(cè)區(qū)段出現(xiàn)故障并且末端節(jié)點出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸畸變的情況時，通過信息修正能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位。根據(jù)表1～表3各參數(shù)可以確定，本文設(shè)計的管控算法和畸變修正方法滿足可靠性要求。

4"" 結(jié)語

（1）去除電源后已經(jīng)無法檢測出過電流，依然能夠判斷故障發(fā)生的位置，采用本方法依然可以實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位；

（2）三相短路的定位根據(jù)兩相短路仿真的方式來實現(xiàn)，可以確定故障狀態(tài)；

（3）當(dāng)電源側(cè)區(qū)段出現(xiàn)故障并且末端節(jié)點出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸畸變，通過信息修正能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，本文設(shè)計管控算法滿足可靠性要求。但當(dāng)同一支路上兩區(qū)段同時發(fā)生故障時存在不容易被定位的問題，期待后續(xù)引入深度學(xué)習(xí)方法進行加強。

【參考文獻】

［1］""nbsp; 趙鳳賢，孟鎮(zhèn)，李永勤，等. 基于故障分量的主動電網(wǎng)縱聯(lián)保護原理［J］. 高電壓技術(shù)，2019，45（10）： 3092?3100.

［2］""" 陳行濱，王維蘭，張航，等. 智能電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 粘接，2022，49（11）：174?176.

［3］""" 閆嵩琦.數(shù)據(jù)防泄漏技術(shù)的電網(wǎng)信息化安全控制研究［J］. 粘接，2022，49（7）：137?140.

［4］""" 鄧智廣，譚振鵬. 基于機器學(xué)習(xí)的智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)在線健康度評價研究［J］. 粘接，2021，48（12）：158?161.

［5］""" 柴林杰，蔡亦濃，高銘，等. 基于加權(quán)平均插值和容積卡爾曼濾波的電網(wǎng)預(yù)測輔助狀態(tài)估計［J］. 電力建設(shè)，2021，42（8）： 1?9.

［6］""" 于力，焦在濱，王曉鵬，等. 基于PMU 的中壓電網(wǎng)精確"" 管控方法及關(guān)鍵技術(shù)［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2020，44（18）：30?38.

［7］""" 何瑞江，胡志堅，李燕，等. 含分布式電源電網(wǎng)區(qū)段定位的線性整數(shù)規(guī)劃方法［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2018，42（11）： 3684?3692.

［8］""" 余劍鋒，何云良，吳華華，等. 基于隨機森林算法的電網(wǎng)停電研判方案設(shè)計［J］. 微型電腦應(yīng)用，2022，38（12）： 76?79.

［9］""" 鄭濤，馬龍，李博文. 基于饋線終端裝置信息畸變校正的有源電網(wǎng)區(qū)段定位［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2021，45（10）： 3926?3935.

［10］""" 孫榮智，王承力，王子馳，等. 多分支低壓電網(wǎng)的故障" 區(qū)段自動定位技術(shù)研究［J］. 微型電腦應(yīng)用，2022，38（6）： ""57?59.

［11］""" 李澤文，劉基典，席燕輝，等. 基于暫態(tài)波形相關(guān)性的" 電網(wǎng)管控方法［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2020，44（21）： ""72?79.

［12］""" 梁英達，田書，劉明杭. 基于相量校正的多源電網(wǎng)故" 障區(qū)段定位［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，2023，51（1）： ""33?42.

［13］""" 陳軍，隋佳閩，趙子涵，等. 輸電線路斷線故障保護邏" 輯分析及附加判別方法［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，" 2022，50（3）： 103?111.

［14］""" 黃鑫，汪可友，李國杰，等. 含多并聯(lián)組網(wǎng)DG的微電" 網(wǎng)分層控制體系及其控制策略［J］. 中國電機工程學(xué)" 報，2019，39（13）：3766?3776.

［15］""" 戴潤東，王彬，馬博翔，等. 基于多端口固態(tài)變壓器的" 含DG電網(wǎng)無功電壓控制策略［J］. 湖南科技大學(xué)學(xué)報" （自然科學(xué)版），2018，33（4）：56?61.

［16］""" 崔榮，王國權(quán)，胡凌. 主動配電網(wǎng)典型線路接入DG能" 力分析［J］. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2018，30（3）：" 146?150.