基于饋線終端設備的電網故障定位算法?

范靜雅 陳 亞 趙 志 劉曉芹

基于饋線終端設備的電網故障定位算法?

范靜雅 陳 亞 趙 志 劉曉芹

（國網冀北電力有限公司技能培訓中心 保定 071000）

考慮到饋線終端設備（FTU）在饋線自動化系統中的廣泛應用，提出了一種基于FTU的配電網故障定位方法。首先根據FTU上報的故障遙信形成FTU狀態(tài)向量，結合反映配電網網絡拓撲的關聯矩陣，運算得到故障區(qū)段的模擬故障電流向量，從而確定故障區(qū)段；然后將FTU測得的故障區(qū)段兩端的電壓相量，代入阻抗法推導的故障測距方程中計算故障點距故障區(qū)段始端的距離，實現故障點定位。算法通過FTU遙信和遙測信息的綜合利用，先后完成故障區(qū)段定位和故障測距，不僅可以實現故障區(qū)段的快速隔離并恢復非故障區(qū)域供電，而且在此基礎上進行故障測距，直接確定故障位置，能夠避免傳統測距方法出現的偽故障點問題。最后對實際配網故障的多種情況進行分析仿真，驗證了方法的有效性。

配電網；饋線終端設備；故障定位算法；饋線自動化

AbstractConsidering the wide application of feeder terminal equipment（FTU）in feeder automation system，a fault location method of distribution network based on FTU is proposed.Firstly，the FTU state vector is formed according to the fault telegram re?ported by FTU，and the simulated fault current vector is calculated by combining the correlation matrix which reflects the network to?pology of the distribution network.Then，the fault section The voltage phasor at both ends is substituted into the fault location equa?tion derived from the impedance method to calculate the distance from the beginning of the fault point to the fault point.The algo?rithm completes the fault segment location and fault location by FTU remote telemetry and telemetry information.It not only can quickly isolate the faulty segment and restore the power supply in the non-fault area，but also on the basis of fault location，Fault lo?cation，to avoid the traditional ranging method of false fault point problem.Finally，the simulation and simulation of the actual situa?tion of the distribution network are carried out to verify the effectiveness of the method.

Key Wordsdistribution network，feeder terminal equipment，fault location algorithm，feeder automation

Class NumberTN773

1 引言

合理高效的故障定位技術一直是配電網的研究焦點［1～3］。隨著配網自動化的發(fā)展，故障定位方法的有效性及實用性也得到不斷提高。配網接線形式多變，系統運行方式多樣，故障類型復雜，每種故障定位方法都有其自身優(yōu)點，也有其適用范圍［4］。阻抗法原理簡單，所需量測量少，易于實現，但誤差較大，常作為輔助測距算法，與其他算法結合確定故障距離［5］。文獻［6］介紹了阻抗法測距的原理。其中，文獻［7］提出行波法與阻抗法結合的單端故障測距方法，利用行波法進行單端故障測距，得到多個測距結果，再利用單端阻抗法進行篩選，選擇最接近的結果作為最終測距結果。運算過程全部采用電氣量，且存在不可避免的偽分支和偽故障點，篩選過程復雜。

隨著大量饋線終端設備（FTU）在配網自動化系統中的安裝使用。簡明直觀，計算量小的矩陣算法顯示了其突出優(yōu)勢［8］。文獻［9］提出了配網故障定位的矩陣算法的基本思路，根據故障后FTU的開關量信息，結合網絡拓補，確定故障區(qū)段。但其運算過程包含矩陣求逆及規(guī)格化處理，運算量大；且單純的矩陣法只能定位故障區(qū)段，無法精確測距。文獻［10］在其傳統阻抗法基本原理介紹的部分中，提出了利用阻抗法對某一確定區(qū)段進行故障測距的方法，易于實現，精確度高。本文提出了基于矩陣法和阻抗法的故障定位方法，首先利用故障后FTU上傳至主站的開關量信息，結合網絡拓撲，通過矩陣運算定位故障區(qū)段，再根據FTU測得的電氣量故障信息，利用阻抗法進行故障精確測距。算法不僅有效避免了傳統測距方法出現偽故障點的問題；而且綜合利用了FTU的開關量和電氣量信息，加快了故障定位速度。最后，對實際配網故障的多種情況（單點故障，多重同時故障，分布式電源影響等）進行分析，驗證了方法的有效性。

2 算法基本原理

配電網常見的故障測距方法，如行波法［11］，阻抗法［12］等，受算法特性的影響，所得測距結果往往對應多個可能的故障位置，從而面臨“偽故障點”的判別問題［13］。偽故障點的篩選排除過程耗時較長，很大程度地增加了算法的復雜性和實現難度［14］，影響最終定位結果的準確性。因此，在確定故障點位置之前，首先確定故障區(qū)段，不僅可以快速隔離故障并恢復非故障區(qū)域供電，且在此基礎上進行故障測距，能夠有效避免傳統測距方法出現的偽故障點問題。

算法原理的實現主要分為兩部分：基于FTU的故障區(qū)段定位，將故障電流等效為故障區(qū)段的注入電流，利用故障后FTU的開關量信息，結合網絡拓撲信息，通過矩陣運算找到有等效模擬故障電流注入的區(qū)段，從而確定故障區(qū)段；在故障區(qū)段確定的基礎上，以配網最常發(fā)生單相接地故障為例，推導故障點距故障區(qū)段始端的測距方程，然后結合FTU測得的故障區(qū)段電壓電流等電氣量信息，確定故障點位置。

3 故障區(qū)段定位

從母線開始將網絡中的FTU進行順序標號；相鄰兩個FTU間的區(qū)段記為擬故障區(qū)段PL；規(guī)定系統正常運行時的潮流方向為正方向，對PL順序編號，如圖1所示。

圖1 有故障的簡單配電網模型

3.1 關聯矩陣的形成

在圖論的基礎上，根據網絡拓撲信息，形成關聯矩陣［15］。假設網絡中有N個FTU，可以構造一個N階關聯矩陣[N]。A陣對角元素Aii=1，表示FTUi位置；其下游相鄰FTUj對應元素Aij=-1；其余元素為0，即

3.2 狀態(tài)向量的形成

系統正常運行時，線路中所有FTU處于未觸發(fā)狀態(tài)，[FTU]=[0]；故障發(fā)生時，流過電流超過其整定值的FTU會被觸發(fā)，對應FTUi=1；流過電流未超過其整定值的FTU不會被觸發(fā)，對應FTUi=0。即

假設圖1網絡中PL3和PL7同時發(fā)生故障，對應狀態(tài)向量[FTU]為

3.3 模擬故障電流向量的形成

結合關聯矩陣[A]和FTU狀態(tài)向量[FTU]，形成流經FTU的模擬故障電流向量[IFTU]。當多處分支發(fā)生故障時，規(guī)定各分支平分故障電流，由母線流向各故障分支。

3.4 區(qū)段故障電流向量的形成

區(qū)段發(fā)生故障時，將產生的故障電流等效為該區(qū)段的注入電流 IPL，形成區(qū)段故障電流向量[IPL]，由式（1）可得。矩陣中正數元素表示有故障電流注入，對應區(qū)段即為故障區(qū)段。

代入得

根據[IPL]矩陣中正數元素可以判定，對應故障區(qū)段PL3和PL7。

4 故障測距

以配網最常發(fā)生的單相接地故障為例，假設故障區(qū)段發(fā)生A相接地故障［16］，如圖2所示。

圖2 已知故障區(qū)段的故障定位示意圖

則故障區(qū)段首端電壓方程為

其中，包含兩個未知量，故障距離x和過渡電阻RFa，將方程中所有向量進行實部虛部分解（分別用下標r和i表示）并分別相等，消去未知量RFa，可得故障距離x為

其中：

對于式中UM(a，b，c)為區(qū)段首端相電壓；IM(a，b，c)為區(qū)段首端相電流；x故障點距故障區(qū)段首端的距離；IF(a，b，c)為故障相電流；RF(a，b，c)為過渡電阻；Z(a，b，c)為三相線路單位阻抗矩陣。式中仍含有一個未知量IF，可根據FTU測得故障區(qū)段首尾電壓計算得到。

以圖1所示網絡中的故障點兩處發(fā)生故障為例。此時，故障區(qū)段為PL3，對應M 點電流、電壓可由FTU3測得，N點電流為FTU4和FTU5所測電流之和。

5 算例分析與仿真

為驗證算法有效性，在IEEE配電系統34節(jié)點測試模型中，對多種常見情況進行分析。為方便分析，將網絡進行簡化，只保留節(jié)點，加入斷路器、開關和FTU，進行標號和分段，如圖3所示。

圖3 IEEE34節(jié)點測試系統

首先，形成圖3所示網絡的關聯矩陣[A]，然后，對應不同情況形成向量[FTU]、[IFTU]和[IPL]，對算法進行測試。

5.1 單點故障下區(qū)段定位算例分析

以區(qū)段PL9發(fā)生故障（如圖4所示）為例，對系統單點故障時的情況進行區(qū)段定位測試。

圖4 PL9故障時FTU狀態(tài)示意圖

對應FTU狀態(tài)向量為：[FTU]=[1，0，1，1，0，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

流經FTU的模擬故障電流向量為：[IFTU]=[1，0，1，1，0，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

區(qū)段故障電流向量為：[IPL]=[0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

可知區(qū)段故障電流向量[IPL]中第九個元素為正，對應PL9為故障區(qū)段，定位結果準確。

5.2 多重故障下區(qū)段定位算例分析

系統實際運行中，有可能同時發(fā)生兩處或兩處以上的多重故障。因此，以PL2和PL5兩處同時發(fā)生故障（如圖5所示）為例，進行多重故障下的區(qū)段定位測試。

圖5 PL2和PL5故障時FTU狀態(tài)示意圖

對應FTU狀態(tài)向量為：[FTU]=[1，1，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

流經FTU的模擬故障電流向量為：[IFTU]=[1，0.5，0.5，0.5，0.5，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

區(qū)段故障電流向量為：[IPL]=[0，0.5，0，0，0.5，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

可知，區(qū)段故障電流向量[IPL]中第二和第五個元素為正，對應PL2和PL5為故障區(qū)段，定位結果準確。

5.3 故障區(qū)段定位算例分析

利用PSCAD對IEEE配電系統34節(jié)點測試模型進行仿真。在BUS816-BUS824區(qū)段（PL6）設置A相接地故障。改變過渡電阻和故障點距故障區(qū)段首端的距離，計算故障測距的誤差。仿真結果如表1和表2所示。

表1 過渡電阻對故障測距的影響

表1設置故障點位于故障區(qū)段中點，改變過渡電阻，計算故障距離實際值與測量值的誤差。表2設置過渡電阻為10ohm，改變故障點到故障區(qū)段首端的距離，計算故障距離實際值與測量值的誤差。其中，X為故障距離測量(ft)；X0為故障距離實際值(ft)；L為故障區(qū)段長度(ft)。仿真結果表明，發(fā)生單相接地故障時，測距結果精確，基本不受過渡阻抗的影響。

表2 不同故障位置的故障測距誤差比較

6 結語

本文提出了一種基于饋線終端設備的配電網故障定位方法。并以單相接地故障為例，結合兩類方法特有的優(yōu)勢，實現了開關量和電氣量的綜合利用，先后完成故障區(qū)段定位和故障測距，不僅實現了故障區(qū)段的快速隔離及非故障區(qū)域供電恢復，而且在此基礎上確定故障位置，也避免了傳統測距方法出現的偽故障點問題。算法原理簡單，運算快速，定位準確，適用于各種故障類型。算例分析及仿真表明，算法不僅可應用于單點故障的定位，對多重故障定位，分布式電源接入等實際配網故障的復雜情況也適用。仿真結果證明，算法測距結果準確，不受過渡電阻的影響。

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Fault Location A lgorithm Based on Feeder Term inal Equipment

FAN Jingya CHEN Ya ZHAO Zhi LIU Xiaoqin
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

TN773

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.005

2017年4月4日，

2017年5月17日

國家自然科學基金項目（編號：51607042）資助。

范靜雅，女，碩士，講師，研究方向：電力系統分析，電力系統繼電保護。陳亞，女，碩士，講師，研究方向：電力系統分析，電力系統繼電保護。趙志，男，碩士，講師，研究方向：電力系統分析，電力系統繼電保護。劉曉芹，女，碩士，講師，研究方向：電力系統分析，電力系統繼電保護。