于競哲

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

一種基于區(qū)域電流模型的配網(wǎng)分布式故障定位與隔離方法

于競哲

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

針對基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的問題，提出一種基于區(qū)域電流模型的分布式故障定位與隔離方法，可對發(fā)生多重故障的復雜配電網(wǎng)絡(luò)進行故障定位及隔離。建立了區(qū)域電流模型，詳細論述了故障處理原理，設(shè)計了詳細的通信方法。即使出現(xiàn)開關(guān)拒動及通信失效，該方法仍能將故障隔離，并且不受系統(tǒng)運行方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，具有廣泛適用性。

故障定位和隔離；分布式方法；復雜配電網(wǎng)；開關(guān)拒動；通信故障

Abstract: To solve the problem that distribution-based fault location based on the region location principle may become invalid in the case of multiple faults, this paper proposes a distribution-based fault location and isolation method based on the region current model, which can complete fault location and isolation for a complex distribution network with multiple faults. A region current model is established. The principle of fault handling is discussed at length, and a detailed communication method is designed. Even if switch malfunction and communication failure occur, this approach can still complete fault isolation. Furthermore it is widely applicable, for it is not confined by system operation mode or network structure.

Keywords: fault location and isolation；distribution-based method；complex distribution network；switch malfunction；communication fault

0 引 言

故障自動定位和隔離能將故障準確定位到相應線路區(qū)段中，可提高配電網(wǎng)運行可靠性，是智能配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。目前配電網(wǎng)的自動故障處理大多建立在智能開關(guān)的基礎(chǔ)上，主要分為集中型和分布型[1-3]，兩種方式各有優(yōu)劣。

集中型故障處理方法主要有統(tǒng)一矩陣算法和智能算法[4-5]。分布式故障處理方法主要包括自動化開關(guān)相互配合方法和基于區(qū)域定位原理的方法[6-7]。前一種方法主要通過開關(guān)的重合閘和延時隔離故障，適用于以架空線路為主的農(nóng)村配電網(wǎng)；第二種方法通過開關(guān)間的相互通信實現(xiàn)故障定位和隔離，適用于以電纜為主的城市配電網(wǎng)。這是因為城市配電網(wǎng)以電纜為主，不宜進行重合閘。而且城市配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較完善，有利于智能開關(guān)間的通信。

隨著電網(wǎng)對可靠性要求的不斷提高，在最短時間和最小范圍內(nèi)隔離故障就顯得更加重要。跟集中式故障處理方式相比，分布式能在更短的時間內(nèi)隔離故障，并可解決在集中控制模式下主站故障可能造成全系統(tǒng)開關(guān)失控的問題[8-9]。而且隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的速度和可靠性不斷提高，分布式故障處理模式具有很大的發(fā)展?jié)摿10-11]。

本文針對基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法存在的問題，提出了一種基于區(qū)域電流模型的分布式故障定位與隔離方法，并設(shè)計了拒動和通信后備保護。

1 區(qū)域電流模型

1.1 模型的基本定義

如圖1所示的配電網(wǎng)絡(luò)，其中S1、S2為電源，DG為分布式電源，K1～K10為斷路器。如果一條線路上的開關(guān)A與B之間沒有其他開關(guān), 則A、B互為相鄰開關(guān)，如圖1中K3和K4。由一組相鄰開關(guān)圍成的線路稱為一個區(qū)域(區(qū)域的所有進線或出線上都應有開關(guān))，這些相鄰開關(guān)稱為該區(qū)域的端點，該區(qū)域為端點的相鄰區(qū)域。如圖1中區(qū)域①的端點為K3、K4、K5；K5的相鄰區(qū)域為區(qū)域①和區(qū)域②。

圖1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

如果開關(guān)兩側(cè)都有相鄰區(qū)域，則為普通開關(guān)，如圖1中的K5；若開關(guān)與電源相連的一側(cè)線路上無其余開關(guān)，則為電源開關(guān)，如圖1中的K1；若開關(guān)一側(cè)所連線路上無其余開關(guān)，則稱此開關(guān)為末梢開關(guān)，如圖1中的K6。

將一個區(qū)域的所有端點定義為一個開關(guān)組，一個區(qū)域?qū)粋€開關(guān)組。對于普通開關(guān)，有兩個開關(guān)組與其相鄰；對于電源開關(guān)或末梢開關(guān)，一般只有一個開關(guān)組與其相鄰。

1.2 開關(guān)狀態(tài)表的定義

為每個開關(guān)定義一個開關(guān)狀態(tài)表，如表1為K5的開關(guān)狀態(tài)表，其中記錄了與K5相鄰的兩個開關(guān)組內(nèi)的所有開關(guān)號，分為開關(guān)組1和開關(guān)組2，分別對應其相鄰區(qū)域①、②。

表1中的關(guān)聯(lián)方向是通過參考方向定義的。如圖1中開關(guān)下方的箭頭即開關(guān)的參考方向。參考方向的選取無要求，但規(guī)定電源開關(guān)的參考方向始終由電源指向負荷。關(guān)聯(lián)方向的定義如下：開關(guān)的參考方向指向某區(qū)域則此開關(guān)在該區(qū)域開關(guān)組中的關(guān)聯(lián)方向記為1；背離該區(qū)域則記為-1。

表1中的電流狀態(tài)值的定義為：系統(tǒng)中發(fā)生故障后，開關(guān)n檢測流過自身的電流in，若方向與參考方向相同記為in；相反記為-in；若未檢測到電流記為0。以有功潮流方向作為電流方向的判定依據(jù)。

表1中的狀態(tài)值是通過將關(guān)聯(lián)方向和對應的電流狀態(tài)值相乘得到的，用Sn表示。當Sn=in表示開關(guān)檢測到故障電流，且方向為流入本區(qū)域；Sn= -in表示檢測到故障電流，方向為流出本區(qū)域；Sn=0表示未檢測到故障電流。

表1 開關(guān)K5的開關(guān)狀態(tài)表

1.3 開關(guān)狀態(tài)表的設(shè)置

開關(guān)狀態(tài)表中的開關(guān)組、關(guān)聯(lián)方向由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，由工作人員事先錄入。當故障發(fā)生后，檢測到故障電流的開關(guān)向其相鄰開關(guān)發(fā)送電流狀態(tài)值及故障發(fā)生信號，定義此類開關(guān)為主動開關(guān)。對于未檢測到故障電流的開關(guān)，如果收到相鄰開關(guān)的故障發(fā)生信號，則立即記錄并向所有相鄰開關(guān)發(fā)送本開關(guān)的電流狀態(tài)值，定義此類開關(guān)為被動開關(guān)。各開關(guān)通過通信網(wǎng)絡(luò)獲得所有相鄰開關(guān)的電流狀態(tài)值。最后，開關(guān)計算得到狀態(tài)值，作為故障定位的依據(jù)。

2 故障定位與隔離

2.1 傳統(tǒng)分布式配網(wǎng)故障定位原理

傳統(tǒng)的基于區(qū)域定位的分布式配網(wǎng)的故障定位原理：對于一個配電區(qū)域，若其端點檢測的故障電流方向都指向該區(qū)域內(nèi)部，則故障發(fā)生在該區(qū)域；若某一個端點上報的故障電流方向指向該區(qū)域外部，則認為該區(qū)域沒有故障。在大多數(shù)情況下此原理是有效的，但在某些情況下其可能失效。

以圖1配電網(wǎng)絡(luò)為例，當同時發(fā)生f1、f2兩處故障時，區(qū)域①的端點K4檢測到流出區(qū)域①的故障電流。根據(jù)傳統(tǒng)故障定位原理，區(qū)域①檢測到了一個流出區(qū)域的故障電流(K5的故障電流i5)，判斷為該區(qū)域內(nèi)無故障。所以在這種情況下傳統(tǒng)分布式配網(wǎng)的故障定位原理失效。

2.2 分布式配網(wǎng)故障定位原理的改進

下面對故障定位原理進行改進。以一個區(qū)域為研究對象，根據(jù)基爾霍夫電流定律，開關(guān)可通過下列原則進行定位。

(1)普通開關(guān)：分別將兩組狀態(tài)值相加，兩個區(qū)域中計算結(jié)果不為0的區(qū)域為故障區(qū)域。兩組中只要有一組計算結(jié)果不等于0，則開關(guān)為故障區(qū)域端點。在理想情況下判斷值為0，而在實際應用時可以根據(jù)具體情況設(shè)定判斷值。

(2)電源開關(guān)：對于有相鄰開關(guān)的一側(cè)按(1)處理；對于另一側(cè)，當開關(guān)檢測到故障電流且方向與參考方向相反時，開關(guān)為故障區(qū)域端點，電源與開關(guān)之間是故障區(qū)域。

(3)末梢開關(guān)：對于有相鄰開關(guān)的一側(cè)按(1)處理；對于另一側(cè)，當檢測到故障電流時，開關(guān)為故障區(qū)域端點，故障區(qū)域為開關(guān)無相鄰開關(guān)的一側(cè)。

2.3 分布式配網(wǎng)故障隔離

把故障區(qū)域的端點開關(guān)簡稱為故障區(qū)開關(guān)。在故障定位完成后，故障區(qū)開關(guān)中的主動開關(guān)立即分閘。

以圖1配電網(wǎng)絡(luò)為例，當圖中同時發(fā)生f1、f2兩處故障時，各開關(guān)間進行通信后獲得相鄰開關(guān)的狀態(tài)值。由表1可知，對于普通開關(guān)K5，其開關(guān)組1的開關(guān)狀態(tài)值之和為i3+i4-i5，因為f1處有故障電流，所以和不為0，則K5為故障區(qū)開關(guān)，相鄰區(qū)域①為故障區(qū)域。開關(guān)組2的開關(guān)狀態(tài)值和為i5+0+i8，和不為0，則K5為故障區(qū)開關(guān)，相鄰區(qū)域②為故障區(qū)域。同時，因K5檢測到故障電流流過，故其為主動開關(guān)，則K5立即分閘。同理，K3、K4和K8經(jīng)過判斷后立即分閘。K3、K4、K5和K8分閘后將故障隔離。

對于末梢開關(guān)K6，其開關(guān)狀態(tài)值之和i5+0+i8不為0，故判斷自身為故障區(qū)開關(guān)，相鄰區(qū)域②為故障區(qū)域，但因其為被動開關(guān)，故不動作。

對于電源開關(guān)K1，其故障電流方向與參考方向相同，故電源側(cè)無故障。而開關(guān)狀態(tài)值之和i1+i2-i3為0，故K1不是故障區(qū)開關(guān)，相鄰區(qū)域內(nèi)無故障，故不動作。

3 拒動后備保護

下面對拒動后備保護進行設(shè)計。在故障定位完成后，如果開關(guān)n為故障區(qū)開關(guān)，則向它的非故障開關(guān)組的所有相鄰開關(guān)發(fā)送拒動備用信號BRn=1；如果開關(guān)n為非故障區(qū)開關(guān)，則向其所有相鄰開關(guān)發(fā)送拒動備用信號BRn=0。如果開關(guān)n與相鄰開關(guān)m失去聯(lián)系未收到BRm值，則將BRm置1。

被動開關(guān)始終保持不動作；主動開關(guān)在收到所有相鄰開關(guān)的BRn后，通過式(1)進行判斷。

Bn=BR1‖BR2‖…‖BRm

(1)

式中Bn為開關(guān)n的拒動備用動作值；BRm為開關(guān)n的相鄰開關(guān)m的拒動備用信號(m>0，m≠n)。如果Bn=1且檢測到故障電流則開關(guān)n進入拒動后備狀態(tài)；若為0則不進入。進入拒動后備狀態(tài)的開關(guān)動作原則如下：

(1)延時T1分閘，并保證在T1內(nèi)故障區(qū)開關(guān)能夠完成分閘。

(2)當延時T1時間到，如果開關(guān)仍檢測到故障電流則分閘；如果未檢測到故障電流則不動作。

(3)對于將某個相鄰開關(guān)的備用信號值置1的開關(guān)，此類開關(guān)的延時時間為T2，且T2>T1。

按照以上原則判斷后，拒動后備為距離拒動開關(guān)最近的開關(guān)，從而實現(xiàn)將故障在小范圍內(nèi)隔離。同時，在整個后備保護的動作過程中，即使出現(xiàn)通信故障，開關(guān)仍能通過延時T2將故障隔離。

4 通信后備保護

4.1 通信備用表

通信后備保護用于在某個開關(guān)無法與其他開關(guān)進行通信的情況下確保各開關(guān)能進行故障定位及隔離。為了通信后備保護，工作人員需要為每個開關(guān)建立一個通信備用表。如圖2所示的配電網(wǎng)絡(luò)，其中S1、S2為電源，DG為分布式電源，K1～K10為斷路器開關(guān)。K4的通信備用表如表2所示。開關(guān)組1、2分別對應K5的相鄰區(qū)域②、③。

圖2 配電網(wǎng)的區(qū)域劃分圖

相鄰開關(guān)組相鄰開關(guān)備用1備用2開關(guān)組1K3K1K2開關(guān)組1K5K6K8開關(guān)組2K7K8K9

由圖2和表2可知，K4有兩個開關(guān)組，其中開關(guān)組1有兩個相鄰開關(guān)K3和K5。K3另一側(cè)的開關(guān)組中的相鄰開關(guān)為K1和K2，則對K4來說，K1和K2即是K3的通信備用。同理，對K4來說，K6和K8為K5的通信備用。

4.2 通信后備保護的動作原則

當開關(guān)接收不到某一個相鄰開關(guān)的數(shù)據(jù)時，各個開關(guān)的具體動作原則如下：

(1)普通開關(guān)，對這個相鄰開關(guān)的所有通信備用開關(guān)發(fā)送讀取請求信號。如果仍不能完全接收到通信備用開關(guān)的電流狀態(tài)值，若為被動開關(guān)則不動作；若為主動開關(guān)則進入通信后備狀態(tài)。如果主動開關(guān)通過另一區(qū)域判斷自身為故障區(qū)開關(guān)或拒動后備開關(guān)則解除通信后備狀態(tài)。

(2)電源開關(guān)，如果為主動開關(guān)，且其故障電流方向與參考反向相反(即流向電源)則立即動作分閘； 如果故障電流方向與

參考反向相同則按(1)處理。

(3)末梢開關(guān)，如果為主動開關(guān)則分閘；如果為被動開關(guān)則按(1)處理。

(4)進入通信后備狀態(tài)的開關(guān)延時T3時間。在T3內(nèi)，如果故障電流消失，則開關(guān)不動作；如果延時時間到仍檢測到故障，則開關(guān)立即分閘。需要保證T3>T2，即保證拒動后備開關(guān)能夠完成分閘。

5 結(jié)束語

(1)針對傳統(tǒng)的基于區(qū)域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的問題，本文提出了基于區(qū)域電流模型的故障定位方法。該方法能對復雜配網(wǎng)的多重故障進行定位及在最小范圍內(nèi)的隔離，且其不受運行方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，并與開關(guān)的開合狀態(tài)無關(guān)，具有廣泛適用性。

(2)設(shè)計了拒動后備保護方案，通過開關(guān)間的通信，保證系統(tǒng)在開關(guān)出現(xiàn)拒動的情況下仍能將故障隔離。并且在整個拒動保護過程中，即使出現(xiàn)通信故障，后備保護仍能通過延時方法將故障隔離。

(3)設(shè)計了通信后備保護方案，通過建立通信備用表并使用區(qū)域融合法，保證當少量開關(guān)出現(xiàn)故障時也能進行故障定位與隔離。并且通過延時方法保證即使在出現(xiàn)多重通信故障的情況下，系統(tǒng)仍能將故障隔離。

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A Distribution-based Fault Location and Isolation Method for Distribution Networks Based on the Region Current Model

Yu Jingzhe

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.013

TM764.1

A

1000-3886(2017)03-0039-03

定稿日期: 2017-01-17

于競哲(1991- )，男，河北唐山人，碩士生，研究方向：配電系統(tǒng)故障處理自動化技術(shù)。