含分布式電源的配電網(wǎng)故障區(qū)間定位算法

王迪,張健,秦鵬

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012；2.吉林省長春供電公司，吉林 長春 130000；3.吉林省松原供電公司，吉林 松原 138000)

含分布式電源的配電網(wǎng)故障區(qū)間定位算法

王迪1,張健2,秦鵬3

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012；2.吉林省長春供電公司，吉林 長春 130000；3.吉林省松原供電公司，吉林 松原 138000)

隨著大規(guī)模分布式電源(DG)的接入，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得日益復(fù)雜，潮流方向及大小無法確定，傳統(tǒng)故障定位方法不足以完全滿足含分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)。故本文根據(jù)含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)，建立合理數(shù)學(xué)模型，通過FTU監(jiān)測點所監(jiān)測到各個多分支母線上的電流信息，應(yīng)用監(jiān)測的信息提出一種新型故障區(qū)間定位方法。通過判斷故障電流的大小、方向、幅值等，實施定位。該算法能定位故障發(fā)生的具體區(qū)域，且原理清晰、計算速度快、定位準(zhǔn)確，在配電網(wǎng)故障定位中具有一定的實際意義。

分布式電源；配電網(wǎng)；故障定位；矩陣算法

1 引言

在21世紀(jì)電網(wǎng)發(fā)生了翻天覆地的變化，隨著新型能源的大力發(fā)展，分布式電源(Distributed Generation，DG)已經(jīng)得到人們的重視，它受到人們的廣泛應(yīng)用。由于煤炭、石油等資源的缺乏，開發(fā)新型的分布式電源，主要是具有可持續(xù)發(fā)展且環(huán)保的優(yōu)勢。故含DG配電網(wǎng)得到廣泛的應(yīng)用和大力的開發(fā)及研究。目前，大多數(shù)分布式電源均為環(huán)保型電源，主要是光伏發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物發(fā)電等，這種環(huán)保型的分布式電源一般會根據(jù)地區(qū)的特點，各地根據(jù)自身豐富資源建立分布式電源站，故可能受到地理位置的影響，分布的比較分散不易集中且電源容量都比較小，故DG設(shè)施一般中間接入系統(tǒng)或者直接接入在配電網(wǎng)末端。將大量分布式電源接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中，為了滿足供電需要且接入配電網(wǎng)中的分布式電源穩(wěn)定運行，配電網(wǎng)由單一的輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閺?fù)雜的多電源含分布式電源的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，故電力系統(tǒng)中的潮流方向不能夠準(zhǔn)確確定，單電源輻射網(wǎng)絡(luò)所常用的矩陣算法不能滿足當(dāng)前的情況及實驗要求，故對矩陣算法進行改進和提升，因為傳統(tǒng)的矩陣算法并不適用于多電源的復(fù)雜模型，不能正常的進行故障辨別和定位[1-5]。

目前解決故障定位問題的方法和算法很多，但是這些算法都有一定局限性和需要完善的環(huán)節(jié)。如圖1所示，為配電網(wǎng)故障定位常規(guī)算法示意圖。

圖1 配電網(wǎng)故障定位常規(guī)算法示意圖

簡單快捷的方法即矩陣算法(直接算法)，優(yōu)點是計算速度較快，能夠處理一些故障信息精度較高的問題。而常見的人工魚群算法、和聲算法、遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等雖然具有較好的容錯性，但是故障定位過程繁瑣，需要處理大量的信息及數(shù)據(jù)，無法將故障定位問題快速地處理。上述為常規(guī)配電網(wǎng)故障定位幾種方法，但是由于含分布式電源的接入配電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，把有些定位方法直接的應(yīng)用到配電網(wǎng)，可能會導(dǎo)致故障定位十分繁瑣并且還不能夠達(dá)到預(yù)期的要求。還有一些算法僅僅只是停留在理論基礎(chǔ)上，并不具有適用性[6-9]。在21世紀(jì)初期我國著重發(fā)展配電網(wǎng)自動化工程，配電網(wǎng)自動化水平取得了進一步提高，將饋線終端裝置(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)添加到配電網(wǎng)中，對配電網(wǎng)進行實時監(jiān)控。將FTU監(jiān)測所得到的故障信息情況反饋到配電網(wǎng)控制中心(SCADA)，在SCADA進行分析，對所監(jiān)測到的信息情況進行診斷。應(yīng)用相關(guān)的矩陣算法能夠快速準(zhǔn)確的監(jiān)測故障區(qū)域并對其隔離，且供電恢復(fù)速度快。應(yīng)用相關(guān)的矩陣算法對故障區(qū)間分析具有直觀、簡單、計算便捷的優(yōu)點。本文應(yīng)用的矩陣算法在配電網(wǎng)故障定位中具有一定的現(xiàn)實意義和適用性[10-12]。本文基于傳統(tǒng)的矩陣算法，對其進行改進使其滿足大量含分布式電源接入的配電網(wǎng)故障定位情況。該算法能夠?qū)⒐收衔恢脺?zhǔn)備定位在同一母線上兩個監(jiān)測點之間的區(qū)域，再通過FTU所反饋的過電流信息診斷、分析得到詳細(xì)的故障位置。應(yīng)用該矩陣算法原理清晰明朗、計算量較小且速度快，且故障定位區(qū)間準(zhǔn)確。該矩陣算法應(yīng)用配電網(wǎng)各個母線節(jié)點上需要添加電流互感器(Current Transformer，CT)，用來監(jiān)測各個母線節(jié)點上的電流分量，由于配電網(wǎng)加裝設(shè)備的價格比較經(jīng)濟，所以該算法的討論和探索具有一定工程價值[13-14]。

2 DG接入對配電網(wǎng)的影響

目前配電網(wǎng)故障定位通常采用具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣算法。因為配電網(wǎng)正常情況下為開環(huán)運行，且一般為輻射狀，將整個配電網(wǎng)類似為樹狀分支模型，由一條主干線路和N條支路組成。同樹狀分支模型類似，故障區(qū)間的判定是從電源到末端方向第一未經(jīng)歷電流的節(jié)點到最后一個未經(jīng)歷的節(jié)點之間。隨著DG的大量添加到配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)由系統(tǒng)S單電源供電模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇娔Ｊ?，這樣導(dǎo)致上述定位區(qū)間算法不能滿足定位的需要。如圖1所示，S為配電網(wǎng)系統(tǒng)，K1、K2……K11為FTU饋線終端監(jiān)測點，DG1和DG2為外加的分布式電源，f1為發(fā)生故障的位置(故障點)。當(dāng)配電點網(wǎng)某一位置f1處發(fā)生故障，K1、K2均會監(jiān)測出故障電流信息，故通過傳統(tǒng)常規(guī)的故障定位診斷方法不能準(zhǔn)確的定位出故障位置。

圖2 含分布式電源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[4]所述及配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行特點，對含多電源的配電網(wǎng)故障區(qū)域定位情況進行研究。因為加入了分布式電源，含有多電源的電流流向問題無法確定，假定一個電流流向作為給定方向，首先建立適應(yīng)的矩陣方程，矩陣的正方向規(guī)定為電源功率流出方向，在出現(xiàn)故障時，根據(jù)實際功率及過電流信息方向修正網(wǎng)絡(luò)描述矩陣形成故障判據(jù)矩陣在通過判斷理論依據(jù)就可以鑒別出故障區(qū)域的位置。

當(dāng)配電網(wǎng)中某處發(fā)生故障時，如圖2所示，L2饋線對發(fā)生故障，若通過傳統(tǒng)的算法鑒別含多電源的故障區(qū)域，則在饋線L1中FTU監(jiān)測點K1、K2、K3都會出現(xiàn)故障電流，且故障電流流過方向與規(guī)定方向不同，由于監(jiān)測到過電流監(jiān)測點較多不能夠準(zhǔn)確的進行故障定位。在分布式接入配電網(wǎng)后，首先需要考慮DG1容量(因為分布式電源容量一般較小)或故障點發(fā)生在饋線末端即f2點處時，F(xiàn)TU監(jiān)測點所監(jiān)測的過電流效果不夠明顯，配電網(wǎng)的潮流方向不能確定，導(dǎo)致含有多個分布式電源配電網(wǎng)故障定位不能實現(xiàn)。

3 故障區(qū)域的判斷

3.1 含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)美國電力系統(tǒng)保護和自動化標(biāo)準(zhǔn)1547條約規(guī)定，當(dāng)配電網(wǎng)某處突然發(fā)生故障時，第一步應(yīng)立即斷開分布式電源，目的是為了保證繼電保護裝置能夠準(zhǔn)確動作。但是將分布式電源的斷開卻很大程度上限制了分布式電源的正常運行，減小了分布式電源可靠性的優(yōu)勢。故我們應(yīng)盡最大可能，在故障發(fā)生時不切除分布式電源，并且故障點所在的區(qū)域大部分饋線能夠正常的運行。本文為解決上述問題，如圖2所示，在各個分段母線的中間或者末端接入處添加裝設(shè)有分段斷路器。

3.2 分支及母線節(jié)點的研究

構(gòu)造含多個DG的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，根據(jù)母線上分支數(shù)量的不同可以將母線節(jié)點分為無分支和多分支。本文定義配電網(wǎng)電流流過FTU監(jiān)測點的電流方向且有母線指向監(jiān)測點定義為正方向。對于多分支母線中的FTU監(jiān)測點與流電流正方向可以有一個也可能有多個。由于指向故障點的監(jiān)測點流過電流必定與正方向相同。因此，若母線上只有一個節(jié)點正方向與監(jiān)測點相關(guān)時，則可以判斷故障定一定發(fā)生在該方向所指的線路上。

為了解決含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位問題，本文通過母線各個節(jié)點與相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測點過電流及電流方向進行判斷來進行故障定位。如圖3所示，假設(shè)f1點處發(fā)生故障，此故障點出現(xiàn)在多分支母線節(jié)點B2與B4之間，且與B2、B4都相連，與B2母線節(jié)點相關(guān)的有三個監(jiān)測點，分別為K2、K3、K4,其中監(jiān)測點K2方向與規(guī)定方向不同，監(jiān)測點K3與規(guī)定方向相同，監(jiān)測點K4由于分支饋線上連接分布式電源DG4的容量較小，所以不能判斷出K4的方向。由于K4方向的不能確定，也從側(cè)面證明了DG4也給故障點提供了一定的電流，且與母線節(jié)點B2相連的只有一個正方向，即為K3。故可以判斷故障點發(fā)生的位置在K3監(jiān)測點所指向的饋線上；當(dāng)監(jiān)測點K4的方向相同，即為正。則說明在監(jiān)測點K4流過的電流為負(fù)，因為負(fù)荷阻抗在故障點所在的線路中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷阻抗在監(jiān)測點K4所出的線路中。因為主系統(tǒng)S電源將產(chǎn)生電流傳輸?shù)奖O(jiān)測點K3，所以電流的方向應(yīng)指向監(jiān)測點K3，故得出I3>I4。當(dāng)f1處出現(xiàn)故障時，首先應(yīng)考慮故障位置與多分支母線節(jié)點B2之間的距離，由此能夠看出故障點與分支母線節(jié)點距離較遠(yuǎn)，故I3、I4的值不夠明顯。目前配電電網(wǎng)故障類型分為單相短路故障、兩相故障、三相故障，出現(xiàn)頻率較高的為單相短路故障。

圖3 含分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)

為了更好的提高不對稱短路電流的靈敏度，可以通過故障電流的正序、負(fù)序及零序分量的絕對值之和當(dāng)做故障電流的綜合幅值來對電流幅值進行判斷。

綜上所述，根據(jù)配電網(wǎng)母線節(jié)點上這一特點，系統(tǒng)內(nèi)各個母線節(jié)點均會出現(xiàn)類似的結(jié)論。本文應(yīng)用矩陣算法進行配電網(wǎng)區(qū)間定位時，通過多分支母線節(jié)點附近的FTU監(jiān)測點所監(jiān)測到的故障電流信息進行判斷和分析。當(dāng)在故障附近所有監(jiān)測點中僅有一個監(jiān)測點的方向為正時，則可以判斷該故障點在此正向監(jiān)測點所指向的線路上。但若故障點附近監(jiān)測點多個同時都為正方向時，則必須通過各個正向監(jiān)測點的電流幅值綜合信息來判斷，其綜合幅值最大的監(jiān)測點可以證明故障點在該監(jiān)測點所指的線路上。

3.3 選擇故障相關(guān)節(jié)點

當(dāng)配電網(wǎng)某處出現(xiàn)故障時，建立合適的多母線節(jié)點矩陣(B1，B2，B3，B4，B5，B6)，該矩陣的N階故障信息描述矩陣為B=diag[B1B2B3B4B5B6]，根據(jù)矩陣中對角線元素可以確定多分支母線節(jié)點上故障點的方向。當(dāng)該矩陣對角線上所有元素均為1時，說明可以通過電流方向及故障電流綜合幅值來判斷故障位置。反之若對角線上元素為0，則不能判斷。當(dāng)Bii=1時，通過CT分析及診斷可以準(zhǔn)確確定多分支母線Bi節(jié)點附近所有FTU監(jiān)測點中故障電流信息幅值最大點。其中B為監(jiān)測點指向多分支母線的節(jié)點，j則是確定Bjj的值為1或0。若Bjj的值為0，其置矩陣B中的元素Bi(j+1)=1。反之若Bjj的值為1，其置矩陣B中的元素Bij=1；用節(jié)點B(j+1)(j+1≠i)表示與Bj相鄰的多分支母線節(jié)點。若不存在與節(jié)點B(j+1)(j+1≠i)與Bj相鄰，則可以推到出Bii所在矩陣中行項不會變。為得到故障關(guān)聯(lián)節(jié)點判斷矩陣P，需對信息描述矩陣進行修改。將上文得到的判斷矩陣P中的Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算。若Pij&Pji=1時，可以判斷故障點位置在母線節(jié)點i與j之間。若Pii=1時，Pii所在矩陣中所有其他行元素為0，可以判斷故障點位置在母線節(jié)點i的下游線路上。如圖2所示，當(dāng)在f2點處出現(xiàn)故障時，多分支母線B4不能正常工作，無法判斷出故障電流的方向。若除多分支母線B4外其他多分支母線都能正常工作，可以將信息描述矩陣為B=diag[1 1 0 1 1]。分析各個多分支母線節(jié)點附近監(jiān)測點所得到故障電流信息的方向及故障電流最大綜合值，再根據(jù)故障電流的指向情況修改信息描述矩陣，整理修改后的信息描述矩陣得到故障關(guān)聯(lián)節(jié)點判據(jù)矩陣P為

在該P矩陣中，將所有的Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算，得出只有P25&P52及P26&P62的值為1，可以判斷故障點可能會發(fā)生在監(jiān)測點K2到監(jiān)測點K5或監(jiān)測點K2到監(jiān)測點K6之間的線段。若在配電網(wǎng)所有多分支母線及監(jiān)測點一切正常時，故障位置會鎖定在多分支母線2個監(jiān)測點之間，但若出現(xiàn)異常情況，會導(dǎo)致故障定位區(qū)域增加，影響故障定位效果。

3.4 判斷故障區(qū)域

在配電網(wǎng)中僅有系統(tǒng)S主電源供電時，規(guī)定其流出功率的方向為正方向，并建立適應(yīng)的故障關(guān)聯(lián)節(jié)點矩陣D,在規(guī)定的正方向上，監(jiān)測點i到監(jiān)測點j之間存在一條線路使Dij=1，反之為0。在出現(xiàn)故障時，F(xiàn)TU將監(jiān)測到的電流信息傳輸給SCADA控制中心，得到修正后的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。若監(jiān)測點i流過電流為正，則Dii=1，反之Dii=0。最后得到修正后的故障判據(jù)矩陣G。若主對角線元素Dii=1，矩陣其他節(jié)點j(j≠i)均為0時，能夠判斷故障點發(fā)生在監(jiān)測點i所在的饋線末端。若Dij=1且主對角線元素Djj=0(j≠i)時，能夠判斷故障點發(fā)生監(jiān)測i和監(jiān)測j之間。

4 算例分析

如圖2所示，當(dāng)f3處出現(xiàn)故障，能夠判斷出各個多分支母線中故障電流綜合幅值最大的分支，所以將故障信息描述矩陣為B= diag[1 1 1 1 1 1]。在發(fā)生故障時，通過判斷全部多分支母線節(jié)點的故障電流綜合幅值的最大值分支指向情況，通過修正信息描述矩陣后，得出故障關(guān)聯(lián)節(jié)點判據(jù)矩陣P為

對該矩陣中的每一個Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算，得到Pij&Pji=0且P33=1，得到所有P3j所有元素均為0。因此，能夠判斷故障發(fā)生在多母線節(jié)點B3下游所處的監(jiān)測點(16 17 23 24 29)的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D為

該故障所發(fā)生的位置在該饋線末端。在B3次級分支線路上監(jiān)測各個節(jié)點所流過的電流與該網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的正方向相同修正網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D得到故障判斷矩陣G為

其中，G55=1且所有的G5j中元素均為0。故判斷出故障點位置在監(jiān)測K29所在的饋線末端，證明實際結(jié)果與本文假設(shè)情形相符，結(jié)果準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

目前，解決含分布式電源配電網(wǎng)故障定位算法的問題，并不夠完善，還有許多方面需要發(fā)展和研究。本文基于矩陣算法通過配電網(wǎng)母線節(jié)點上FTU監(jiān)測點對節(jié)點相關(guān)的電流情況(過電流信息、故障電流綜合最大幅值)進行監(jiān)測，通過對配電網(wǎng)母線上各個節(jié)點上電流信息的監(jiān)測，將故障位置縮小到母線上相鄰兩個節(jié)點之間，再通過監(jiān)測點電流幅值來確定故障位置。本文基于矩陣算法快速準(zhǔn)確的監(jiān)測故障區(qū)域并對其隔離，且供電恢復(fù)速度快。應(yīng)用相關(guān)的矩陣算法對故障區(qū)間分析具有直觀、簡潔、計算便捷的優(yōu)點。本文通過算例分析，驗證了該算法的準(zhǔn)確性，證明了矩陣算法在配電網(wǎng)故障定位中具有一定的現(xiàn)實意義和適用性。

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Fault Region Location Algorithm for Distribution Network Containing Distributed Generation

WANG Di1，ZHANG Jian2，QIN Peng3

(1.Northeast Dianli Unniversity,Institute of Electrical Engineering,Jilin 132012，China;2.Jilin Changchun Power Supply Company,Changchun 130000,China；3.Jilin Songyuan Power Supply Company,Songyuan 138000，China)

As large-scale distributed power(DG)access to distribution network structure is becoming increasingly complex,current direction and the size can not be sure,the traditional fault location method is not enough to fully satisfy the distribution network with distributed power system.Reason according to the distribution network with DG system,establish a reasonable mathematical model,by FTU the monitoring to the various branches more current information on the bus,the application of monitoring information of a new type of fault interval locating method is put forward.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.The proposed algorithm can locate failure of specific areas,and clear principles,computing speed is fast,accurate positioning,in the fault location in distribution network has a certain practical significance.

distributed generation；power distribution network；fault location；matrix algorithms

1004-289X(2017)01-0052-05

TM711

B

2016-01-04