配網(wǎng)故障精確定位分析研究

黃銳

摘 ?要：隨著供電企業(yè)對供電可靠性重視程度的不斷加強(qiáng)，對配電網(wǎng)線路故障的快速定位的需求也在不斷提高。該文在分析了配網(wǎng)的特點及故障特征的基礎(chǔ)上，闡述了適用現(xiàn)場實際的幾種故障區(qū)段定位及故障測距技術(shù)的原理，對其優(yōu)缺點進(jìn)行了說明，總結(jié)了現(xiàn)場應(yīng)用情況。最后，該文展望了配網(wǎng)故障定位技術(shù)的發(fā)展方向，提出應(yīng)重視與新興技術(shù)的結(jié)合、應(yīng)重視配網(wǎng)本身發(fā)展特性的建議。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) ?故障 ?定位 ?分布式電源

中圖分類號：TM71 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（c）-0079-03

Abstract： With the increasing emphasis on power supply reliability by power supply companies， the demand for rapid location of distribution network line faults is also increasing. Based on the analysis of the characteristics of the distribution network and the characteristics of the fault， this paper expounds the principles of several fault section location and fault location technologies， explains their advantages and disadvantages， and summarizes the application on the actual fields. Finally， this paper prospects the development direction of distribution network fault location technology， and puts forward suggestions that should pay attention to the combination with emerging technologies and the development characteristics of the distribution network itself.

Key Words： Distribution network; Fault; Location; Distributed power

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)任一設(shè)備的故障均會導(dǎo)致所在線路不可用，直接影響用戶用電的可靠性。因此，在配電網(wǎng)發(fā)生故障時準(zhǔn)確定位是盡快處理故障、恢復(fù)供電的前提條件。其中，配電線路的故障由于距離長、分布廣，故障發(fā)生率高，其故障的準(zhǔn)確定位尤其值得討論與關(guān)注。

1 ?配電線路故障特征

1.1 配電網(wǎng)特點

配電網(wǎng)的主要特點有：（1）設(shè)備數(shù)量眾多，運行方式多變、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜;（2）設(shè)備密集度高，信號傳輸距離長，信號采集相對困難，且信號容易畸變;（3）部分配電網(wǎng)服役時間長，遺留許多分支線路的無序接入問題，缺少合理的規(guī)劃設(shè)計和完整的圖檔材料以供定位分析。因此，配電網(wǎng)自身的特點為故障定位帶來困難。

1.2 配電網(wǎng)故障特征

在我國電力系統(tǒng)中，配電線路一般為中性點不接地系統(tǒng)，即小電流接地系統(tǒng)。在實際運行中，以單相接地故障最為常見，約占故障總數(shù)的70%。

中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生后，系統(tǒng)一般能繼續(xù)運行2～3h。從時間上看，可將故障分為暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程，其中暫態(tài)過程為故障發(fā)生時刻開始到暫態(tài)信號衰減消失的過程，一般持續(xù)數(shù)十毫秒。穩(wěn)態(tài)過程則是從暫態(tài)過程結(jié)束到故障被切除的過程，但某些間歇性故障如間歇性電弧故障可能無穩(wěn)態(tài)過程。故障特征與兩個過程相對應(yīng)，也可分為暫態(tài)特征與穩(wěn)態(tài)特征。

暫態(tài)特征的發(fā)生是由于配網(wǎng)中大量的感性和容性元件的存在，因此可以使用RLC振蕩與LC串并聯(lián)諧振等方法開展分析，取得在暫態(tài)過程中的基頻信號、衰減信號多阻尼正弦信號等，供故障及定位分析使用。

穩(wěn)態(tài)特征在金屬性接地時最為明顯，此時故障相電壓降低至零，非故障相電壓升高至線電壓，零序電壓升高為相電壓，故障電流為系統(tǒng)電容電流。當(dāng)存在故 障電阻時，隨故障電阻增加，零序電壓逐漸減小，故障相電壓逐漸增大，非故障的兩相相電壓一相先增大再減小，另一相先減小再增大。

由于單相接地故障故障電流太小、不滿足短路計算的條件，無法使用短路計算法或暫降匹配法開展故障定位，對一些依靠故障電流的方法（如故障指示器法和配網(wǎng)自動化定位法）準(zhǔn)確性有所影響。對于相間短路等故障，由于有較明顯的短路電流，相對較容易檢測。

2 ?傳統(tǒng)配網(wǎng)線路故障定位技術(shù)簡述

實現(xiàn)線路故障的精確定位主要在區(qū)段定位及故障測距兩個方面開展研究，下文展開說明。

2.1 區(qū)段定位

區(qū)段定位的作用是在支路眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)中及時準(zhǔn)確找到故障區(qū)段，以便快速對故障進(jìn)行隔離并進(jìn)行處理，保障用戶可靠用電。應(yīng)用于區(qū)段定位的算法主要有S注入法、暫態(tài)電流方向法等。

2.1.1 S注入法

S注入法的原理是：當(dāng)接地故障存在時，接地相CT的副邊被短路，此時若在對應(yīng)相的原邊注入信號，則感應(yīng)出來的電流只會沿著故障線路流動且進(jìn)入接地點。若注入的信號特征明顯，則可探測該信號找到故障段。由此可見，S注入法的優(yōu)點在于與故障電流大小無關(guān)，不受系統(tǒng)運行情況影響、同時不影響系統(tǒng)運行。其缺點主要在于高阻接地時，線路電容對信號分流較大，對尋跡有所干擾;另外，接地點可能存在間歇性電弧，導(dǎo)致信號不連續(xù)，對檢測也有一定影響。

2.1.2 暫態(tài)電流方向法

暫態(tài)電流方向法是根據(jù)故障暫態(tài)電流分布規(guī)律而提出的方法。如圖1所示，當(dāng)線路上有故障時，故障點產(chǎn)生的暫態(tài)電流在前后兩個檢測點的方向不一致，在暫態(tài)電流相似度上也有區(qū)別。

檢測點上安裝的STU（配網(wǎng)智能終端）將對暫態(tài)電流進(jìn)行檢測并上送計算，根據(jù)計算結(jié)果可定位故障區(qū)段在哪個檢測點之間。具體過程如下。

（1）依次計算相鄰兩個STU的暫態(tài)電流相似度。若結(jié)果小于定值，則故障區(qū)段在這兩個STU之間。

（2）若結(jié)果大于定值，校驗這兩個STU暫態(tài)、工頻電流的極性是否一致。若極性不一致，則該區(qū)段為故障段，否則，繼續(xù)下一區(qū)段的兩個STU的計算。

（3）全部STU均計算完畢，則最末STU的終端為故障段。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況，該算法區(qū)段定位準(zhǔn)確率達(dá)80%左右，滿足現(xiàn)場需求。

2.2 故障測距

測距技術(shù)的發(fā)展是提高故障定位精確度的有力支撐，由于配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，在配網(wǎng)實施故障測距較結(jié)構(gòu)清晰的主網(wǎng)要相對更困難。下文介紹S注入法與行波測距法兩種故障測距方法。

2.2.1 S注入法

如前文所述，S注入法在故障區(qū)段的定位上已有應(yīng)用，對該方法加以改造，即可實現(xiàn)測距功能。具體而言，即是在上述尋跡的基礎(chǔ)上通過對注入的電壓、電流的檢測，通過簡單的計算即可得出故障點至參考點的阻抗，通過換算即可得知故障點的距離。這種阻抗法原理簡單，但始終受故障接地電阻的影響，因而精度有限。

目前現(xiàn)場已有基于S注入法的測距裝置應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)簡單、線路參數(shù)詳實的網(wǎng)架可考慮配置。

2.2.2 行波測距法

行波測距的特點是定位精度高，不受系統(tǒng)運行方式、故障過渡電阻等因素制約，只需采集故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號及行波到達(dá)故障線路兩端的精確時間，即可測算距離。在原理上，可分為單端測距、雙端測距、多端測距，在分支較多的配網(wǎng)一般應(yīng)用多端測距。其實現(xiàn)方法具體如下。

（1）將配網(wǎng)的主干線路進(jìn)行區(qū)段分解，分解后的主干線路等同于雙端測距中的母線，分支線路等同于雙端測距中的主干線路。

（2）按第一點的原則對層級較多的線路按逐級替代的原則將線路分解。

（3）逐級應(yīng)用雙端測距法定位故障點位置。

3 ?考慮分布式電源的故障定位方法

傳統(tǒng)的輻射型單電源配電網(wǎng)絡(luò)的特征是電源與負(fù)荷的明顯分離，但隨著分布式電源的接入，這個格局被打破，配網(wǎng)成為一個用戶和電源互聯(lián)的多電源復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的變化帶來了電網(wǎng)潮流的改變，因此，基于電氣量特征的傳統(tǒng)故障定位方法也受到一定的影響。在考慮分布式電源接入的配網(wǎng)故障定位分析時，需要采用各類基于人工智能的方法，在采集到饋線與變電站的開關(guān)狀態(tài)和各類故障檢測設(shè)備所提供的信息后，通過算法分析得出故障定位結(jié)果。常見的方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法等。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法的優(yōu)點是只需檢測各變量的非線性關(guān)系，實現(xiàn)手段簡單，但訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量對結(jié)果精度的影響較大，且模型訓(xùn)練過程收斂較慢。支持向量機(jī)的方法的優(yōu)點在于計算速度快，在大型配電網(wǎng)故障定位時有效率上的優(yōu)勢。缺點是：模型參數(shù)選擇對模型性能有極大影響; 基于遺傳算法的故障定位方法檢測速度快，縮減計算規(guī)模，但在隨著分布式電源投切的不同情況，需要更改適應(yīng)度函數(shù)與開關(guān)函數(shù)，從而降低了算法的穩(wěn)定性及精度。

4 ?配網(wǎng)故障精確定位研究展望

配網(wǎng)故障精確定位首先應(yīng)根據(jù)每個網(wǎng)架的實際情況因地制宜，選擇合適的策略、合適的產(chǎn)品，積極推廣試用有潛力的技術(shù)。同時，應(yīng)建立故障管理分析系統(tǒng)，以便在使用中總結(jié)經(jīng)驗，對比分析各種定位方法、應(yīng)用產(chǎn)品的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步提高定位準(zhǔn)確性。

配網(wǎng)故障定位技術(shù)應(yīng)適應(yīng)配網(wǎng)本身的發(fā)展。分布式電源將是配網(wǎng)發(fā)展的一個大方向，在系統(tǒng)中接入的分布式電源占比達(dá)到一定規(guī)模時，對各類算法的定位判據(jù)會有一定程度的影響，因此，定位策略的改善也勢在必行，各類智能算法需要結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

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