配電網(wǎng)短路故障在線監(jiān)測及綜合診斷研究

劉智敏

摘要：由于如今配電網(wǎng)的規(guī)模以及覆蓋的范圍不斷增大，運(yùn)行復(fù)雜性也隨之變大，運(yùn)行不斷接近最大負(fù)荷，因此，配電網(wǎng)發(fā)生故障頻率和風(fēng)險(xiǎn)也日益上升。配電網(wǎng)內(nèi)的故障主要分成了兩類，分別為簡單故障以及復(fù)雜故障兩大類，其中復(fù)雜故障本質(zhì)為多個(gè)簡單故障組成。配電網(wǎng)內(nèi)的短路故障主要有單相接地短路故障、兩相短路故障、三相短路故障以及兩點(diǎn)接地短路故障四種類型。其線路一旦出現(xiàn)故障，將會直接影響配電網(wǎng)供電的可靠性，因此，對配電線路的故障檢測以及故障診斷技術(shù)展開相關(guān)研究是十分有必要的。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障檢測以及故障診斷技術(shù)已經(jīng)難以迎合現(xiàn)階段配電網(wǎng)的發(fā)展需求，因此，亟需研究一種配電網(wǎng)短路故障在線監(jiān)測及綜合診斷技術(shù)，提高配電網(wǎng)故障的監(jiān)測和判斷能力?；诖?，本篇文章對配電網(wǎng)短路故障在線監(jiān)測及綜合診斷進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);短路故障;在線監(jiān)測;綜合診斷

1配電網(wǎng)設(shè)備可靠性差異化運(yùn)行管理維護(hù)的重要性

傳統(tǒng)設(shè)備可靠性運(yùn)行管理維護(hù)工作的實(shí)施僅依靠人工管理方式，盡管此種方式可實(shí)現(xiàn)對此方面的有序管理，但由于電力設(shè)備更新和電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，導(dǎo)致傳統(tǒng)的運(yùn)維管理措施已難以適用于現(xiàn)代化社會背景下的電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為更好地支撐電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本文提出一種差異化策略，即在實(shí)施配電網(wǎng)設(shè)備可靠性綜合維護(hù)管理過程中，基于精益化層面對其展開分析，定位行為實(shí)施過程中故障的發(fā)生點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)解決設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)的問題，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率，為滿足其綜合穩(wěn)定運(yùn)行需求進(jìn)行組織性指導(dǎo)。針對配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性運(yùn)行，對其提出差異化運(yùn)行管理維護(hù)策略，其核心目的在于解決傳施存在的問題，降低配電站、供電站在運(yùn)行中存在的問題，保障其運(yùn)行的穩(wěn)定性。而通過應(yīng)用差異化運(yùn)行管理維護(hù)措施，不僅可降低傳統(tǒng)人工巡檢工作實(shí)施存在的問題，也可實(shí)現(xiàn)在某種程度上對電網(wǎng)綜合運(yùn)行水平的顯著提升。而差異化策略在此過程中的作用主要為運(yùn)維巡檢人員奠定心理基礎(chǔ)，從而確保其在工作中可有效地解決設(shè)備在配電站中運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)性問題，并綜合不同設(shè)備差異化表達(dá)方式對此方面實(shí)施評估行為。因此，對配電網(wǎng)設(shè)備可靠性運(yùn)行進(jìn)行差異化運(yùn)行管理維護(hù)屬于必要行為，故而是十分有意義的。

2常規(guī)故障計(jì)算方法與問題分析

有源配電網(wǎng)的短路計(jì)算需要首先建立短路計(jì)算模型。按照并網(wǎng)類型的不同，電機(jī)型在有源配電網(wǎng)故障分析中可等效為串聯(lián)電抗的電壓源，而逆變型可將其等效為壓控電流源。常規(guī)的有源配電網(wǎng)短路計(jì)算利用故障分量疊加原理求解故障端口處的故障電流。由于系統(tǒng)故障時(shí)逆變型的輸出電流與并網(wǎng)點(diǎn)電壓非線性耦合，短路數(shù)值計(jì)算需要迭代求解。高滲透率接入時(shí)，采用常規(guī)方法計(jì)算有源配電網(wǎng)短路電流時(shí)存在以下兩個(gè)問題。一是由于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，大量接入時(shí)，節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣維數(shù)較高，常規(guī)方法存在效率不高和計(jì)算時(shí)間偏長的問題。二是配電網(wǎng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，采用常規(guī)方法進(jìn)行故障計(jì)算時(shí)需修改節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣，增加了計(jì)算步驟和計(jì)算時(shí)間。考慮前推回代法不需要生成節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣，數(shù)值穩(wěn)定性好、計(jì)算速度快，本文將其改進(jìn)并用于高滲透率有源配電網(wǎng)的故障計(jì)算。

3仿真分析

在含多個(gè)風(fēng)電場的大電網(wǎng)短路電流分析中，認(rèn)為單個(gè)風(fēng)電場內(nèi)不同機(jī)組遭受的電壓跌落幅度相近且暫態(tài)行為相似，忽略機(jī)組之間相互作用對短路電流結(jié)果的影響。而在配電網(wǎng)中分散式DFIG常為單臺接入，發(fā)生故障時(shí)，不同DFIG的端電壓會呈現(xiàn)較為明顯的差別，因此建模中需對每臺DFIG進(jìn)行單獨(dú)考慮。從工程實(shí)用角度出發(fā)，同時(shí)類比對同步發(fā)電機(jī)的處理方式，對與某一時(shí)刻DFIG的短路電流模型，采用等值電流源的形式進(jìn)行處理，即針對某一時(shí)刻的短路電流計(jì)算，將配電網(wǎng)進(jìn)行線性時(shí)不變的近似處理。將非線性時(shí)變系統(tǒng)近似等效為線性時(shí)不變系統(tǒng)，誤差來源主要包括：①配電網(wǎng)接入點(diǎn)向電網(wǎng)側(cè)看的戴維南等值;②配電網(wǎng)短路電流正序、負(fù)序分量的運(yùn)算曲面近似;③初始計(jì)算時(shí)假設(shè)配電網(wǎng)未接入計(jì)算等值開路電壓的正序和負(fù)序分量。通過仿真測試表明，配電網(wǎng)短路電流采用運(yùn)算曲面近似對誤差貢獻(xiàn)最大，然后是初始計(jì)算時(shí)假設(shè)配電網(wǎng)未接入引入的計(jì)算誤差，戴維南等值對誤差貢獻(xiàn)最小。不對稱故障發(fā)生后，除配電網(wǎng)4撬棒保護(hù)動(dòng)作外，其余3臺配電網(wǎng)均保持不脫網(wǎng)運(yùn)行、撬棒保護(hù)不動(dòng)作，且每臺配電網(wǎng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用以消除電磁功率波動(dòng)為目標(biāo)的控制方式。不論撬棒投切情況，經(jīng)過修正系數(shù)后正、負(fù)短路電流計(jì)算值與仿真值誤差在（-7%，5%），其誤差值均小于原未經(jīng)修正系數(shù)修正時(shí)的誤差。但同時(shí)需要注意的是，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組參數(shù)與仿真模型參數(shù)之間也存在一定差別，該部分誤差具體為各種不確定因素導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)誤差，其絕對值和符號均不可預(yù)測，該部分誤差消除困難。對此可以采用繼電保護(hù)整定中的可靠系數(shù)，通過引入可靠系數(shù)確保短路電流計(jì)算結(jié)果相對保守。

4在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電壓、電流的一體化測量，該裝置分成了兩個(gè)模塊，其左邊為電壓傳感器部分，其右邊為電流傳感器部分。兩邊不同的傳感器利用開放型卡扣的設(shè)計(jì)，將其結(jié)合在一起，形成綜合在線監(jiān)測裝置。通過開放型卡扣，讓該裝置能夠較為便捷地在配電線路上進(jìn)行安裝，并且其中間孔徑的大小能夠依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。電壓、電流一體化傳感器主要存在以下優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單、輕便，有利于現(xiàn)場安裝;2）實(shí)現(xiàn)了電壓信號和電流信號的同步測量;3）因與線路為非接觸形式，具有更好的穩(wěn)定性;4）不存在鐵磁諧振，其測量范圍大;5）數(shù)據(jù)比較容易傳輸。

5配電網(wǎng)故障在線監(jiān)測技術(shù)

1）配電網(wǎng)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成。配電網(wǎng)在線故障監(jiān)測系統(tǒng)主要由主站系統(tǒng)和遠(yuǎn)程故障監(jiān)測控制單元兩部分組成，每部分包括一個(gè)遠(yuǎn)程通信單元和三個(gè)在線監(jiān)測單元。（2）主要職能。故障監(jiān)控遠(yuǎn)程控制單元進(jìn)行在線監(jiān)控，判斷接地故障和短路故障，將獲取的故障信息傳送并記錄到主站數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析、搜索和數(shù)據(jù)查詢;同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲和短信報(bào)警聲，告知調(diào)度人員和電氣操作員故障點(diǎn)信息，從而指導(dǎo)工作人員快速準(zhǔn)確地查找故障點(diǎn)。系統(tǒng)直接顯示故障類型、故障電流路徑、故障點(diǎn)在主站計(jì)算機(jī)線路仿真圖上的位置，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示電流等運(yùn)行參數(shù)，繪制歷史曲線，提供故障后事故分析總結(jié)等功能。為了幫助電工及時(shí)掌握線路的正常運(yùn)行和故障過程。（3）一些理解要點(diǎn)。1）個(gè)別監(jiān)控點(diǎn)受移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定的影響，存在通信離線、數(shù)據(jù)下載不及時(shí)等問題，影響系統(tǒng)整體故障定位效果。建議在現(xiàn)有數(shù)據(jù)收集模型的基礎(chǔ)上研究小型無線中繼技術(shù)的可行性。⑵遠(yuǎn)程控制單元的一部分在出現(xiàn)故障和故障時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測，影響接地故障和短路故障診斷的準(zhǔn)確性，建議今后在資金允許的情況下進(jìn)行維修和改裝。3）系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備點(diǎn)很多，分布廣泛。為提高系統(tǒng)利用率，建議建立相應(yīng)的維護(hù)管理機(jī)制。

結(jié)束語

針對常規(guī)配電網(wǎng)短路計(jì)算方法在高滲透率接入時(shí)存在計(jì)算時(shí)間長和計(jì)算量大的問題，本文從支路角度提出了有源配電網(wǎng)短路計(jì)算的新方法。經(jīng)理論分析和算例驗(yàn)證，可得以下結(jié)論：1）新方法計(jì)算時(shí)間受節(jié)點(diǎn)數(shù)目影響小、計(jì)算時(shí)間短，可用于高滲透率有源配電網(wǎng)的短路計(jì)算;2）現(xiàn)有方法較少討論弱環(huán)有源配電網(wǎng)的短路計(jì)算，本文所提方法可用于輻射網(wǎng)絡(luò)和弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)，具有較好的適應(yīng)性。

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