分布式發電配電網故障區間定位的自適應矩陣算法

吳樂鵬，黃 純，曾照新

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

分布式發電配電網故障區間定位的自適應矩陣算法

吳樂鵬，黃 純，曾照新

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

準確定位分布式發電配電網故障區段是有效利用清潔能源的前提。基于饋線終端單元(FTU）的配電網故障定位矩陣算法，提出一種適合分布式發電配電網故障定位自適應算法。根據流過FTU的過電流及其方向，首先判斷分布式電源是否投入運行和母線及分布式電源是否發生故障，初步確定配電網的故障區域;再根據故障區域結構和FTU過電流信息自適應構成故障矩陣，定位故障所在線路;為排除畸變故障信息的干擾，比較故障線路兩端檢測到的故障電流差值，提出了故障電流差值比較判據。算例驗證了算法的準確性、高效性和良好的容錯機制。

分布式發電;配電網;FTU;故障定位;自適應算法

1 引言

由于分布式發電(Distributed Generation，DG）能源多樣化、環保、節能、高效等多方面的優越性，這種發電技術獲得人們越來越多的關注。大量DG直接接入配電網以后，給配電網帶來了許多不利影響［1-3］，使得配電系統不是只含系統電源的網絡，而是存在大量的分布式電源的復雜電網，傳統的故障定位方式已經不能夠滿足要求。因此，為了經濟、快速地實現DG配電網故障定位，有必要對現有的故障定位方法進行改進，為分布式發電的蓬勃發展提供廣闊的空間。

在傳統配電網中，用于故障定位的方法主要是基于FTU的故障分段定位方法［4］。文獻［5］提出了一種適合在多電源供電系統中同一條線路中發生多重故障的定位方法，但方法的不足之處是要對每一個電源都假定一次正方向，同時算法需要矩陣相乘和規格化處理，運算量大，處理時間長。文獻［6］通過判斷FTU上的故障過電流提出一種配電網故障區段判斷和隔離的統一矩陣算法。文獻［7］使用鏈表法對故障進行搜索，確定故障位置，縮短了故障定位時間。然而以上方法均不能夠有效地解決含分布式電源的配電網定位故障問題，文獻［8-9］基于智能電子裝置和廣域保護方案，提出分布式發電故障定位新方法，但其對通信要求較高，難于實現。

本文提出了一種分布式發電故障定位自適應算法，在不改變傳統配電網FTU故障定位裝置的前提下，在分布式電源接入電網處安裝FTU，只需要對傳統故障定位方法進行軟件升級，便可以有效地確定分布式發電配電網故障區域，與傳統故障定位 矩陣算法相比，具有良好的容錯機制，解決了當DG頻繁投切時傳統算法存在誤判的問題。

2 分布式發電配電網故障定位自適應算法

2.1 分布式發電配電網故障描述矩陣

對每個FTU進行編號，將配電網系統電源指向饋線或DG的方向定義為正方向，判斷與系統電源連接的節點，當無故障電流或故障電流方向與正方向相反時，表明該節點所在的支路無故障:反之，該節點所在的支路存在故障。

圖1所示為與DG直接相連的三分支節點，先判斷與分布式電源直接相連的節點3的過電流方向。如果過電流方向與正方向相同，則為DG故障，如果過電流方向與正方向相反，則為配電網線路故障，此時還應對另外兩分支上的節點1和節點2的過電流方向進行如下分析。

圖1 與DG相連接的三分支節點Fig.1 Three branches of node connected with DG

(1）節點1和節點2的過電流方向同向且與正方向相同，則故障發生在分布式電源的下游，只需考慮節點2下游的線路;

(2）節點1和節點2的過電流方向同向且與正方向相反，則故障發生在分布式電源的上游，只需考慮節點1上游的線路;

(3）節點1和節點2的過電流方向相反，則表明配電網線路存在多重故障;

(4）如果只有一個節點存在過電流，其過電流一定發生在節點1上，且方向與正方向相反，只需考慮節點1上游的線路。

按上述方式確定故障所在區域，對故障區域內的FTU重新編號，可得到故障描述矩陣 D，D為上三角矩陣，其中

這種故障描述矩陣排除了部分非故障區域節點，簡化了矩陣維數，根據故障區域自適應調節矩陣，運算速度更快。

2.2 分布式發電配電網故障信息矩陣

根據故障區域內FTU流過的故障過電流及其方向確定故障信息矩陣G，G為一對角矩陣，G的維數與D相同，其中

2.3 分布式發電配電網故障判斷矩陣

當配電網中發生故障后，若節點i存在故障電流且故障電流方向與正方向相同，則將節點i置 1;若節點i存在故障電流且故障電流方向與正方向相反，則節點i置－ 1;若節點 i不存在故障過電流，則節點i置0。將故障描述矩陣D和故障信息矩陣G相加后得到故障判斷矩陣P，即

故障判斷矩陣P是反應配電網故障所在區域及故障信息的依據。

2.4 故障區段定位原則

對故障判斷矩陣P進行分析即可以確定故障區段。P中的元素滿足下列條件之一即可確定故障區段:

① 當 pii=1時，若 pij=1(i≠ j）且 pjj≠1，則故障在節點i與節點j之間;

② 當 pii=－1時，若 pji=1(i≠ j）且 pjj=0，則故障在節點i與節點j之間。

注:線路末端i故障時有pii=1

3 分布式發電復雜配電網多重故障定位

圖2所示為含分布式發電配電網拓撲結構圖，配電網中F1、F2和 F3處同時發生故障時，可根據以下原則定位故障。

圖2 分布式發電配電網拓撲結構圖Fig.2 Topological structure diagram of certain distribution network with distributed generation

根據故障定位自適應算法可確定故障所在區域內的節點為:節點 7、8、9、10、11、12、13、16、17、21、22、25和 26。按此順序可得故障描述矩陣見式(4），故障信息矩陣見式(5），可得到故障判斷矩陣P見式(6）。

由故障定位判定條件可知p11=1，p12=1且p22≠1，由此判定節點7和節點8之間的線路上發生故障;p44=1，p45=1且p55≠1，由此判定節點10和節點11之間的線路上發生故障;p88=1，p89=1且p99≠1，由此判定節點16和節點17之間的線路上發生故障。而對節點12和節點13故障信息同時為1或－1時均不滿足故障發生條件，算例結果不受影響。自適應矩陣算法得出的故障定位結果與配電網中實際故障點F1、F2、F3完全一致。

4 畸變故障信息下的故障定位判據

當系統發生畸變時，單點畸變或者多點畸變均有可能導致對故障區間的誤判，因此，針對畸變可能引起的誤判，提出了故障電流差值比較判據，對故障進一步處理，排除誤判，準確定位故障區間。

當故障發生在節點5、6之間，首先確定節點1的故障電流方向與正方向相同，其次對節點1下游與分布式電源相連的三節點分支進行分析:對于DG1，節點2和3的過電流方向同向且與正方向相同，故障發生在節點3的下游線路;對于 DG2，只有節點6流過過電流且方向與正方向相反，故障發生在節點6的上游線路;可確定故障所在區域內的節點為3、4、5、6。但由于節點4和節點5的故障信息發生畸變，故障信息序列變為G=diag［1 0 0－1］，

對故障FTU所采集到的電流幅值進行比較，排除畸變信息對故障點的影響。分析線路有無故障時FTU所采集的電流差值如下:

(1）正常情況下，線路兩端FTU所采集到電流相差不大，所以電流差值近似為 0;

(2）當故障發生時，故障點兩端FTU所采集到的電流差值較大。

因此，可以利用基于電流差值比較的方法進一步確定故障區域，排除畸變信號對故障定位可能發生誤判的影響。比較故障線路兩端的FTU檢測到的電流差值為

式中，Ik1為流過節點1的故障電流;Ik2為流過節點2的故障電流。

故障電流差值比較判據為

式中，系數K可根據工程實際情況確定，本文算例分析部分取系數K為0.1。

5 算例分析

算例仿真以SQL Server和VC作為數據庫和計算程序開發工具，編制故障定位軟件，以圖2中分布式發電配電網為例，在不改變DG安裝位置和容量時，對完備信息、畸變故障信息，分布式電源故障及投退，進行故障定位算例測試結果如表1所示，測試結果均在20ms內準確定位到正確的故障區段，自適應故障定位測試結果驗證了該方法的正確性。

表1 部分故障定位算例測試結果Tab.1 Test results of some fault location example

(1）改變DG容量對算法的容錯性進行算例分析。當系統在F1和F2處同時發生三相短路故障時，由第2節分析可知，改變所有DG的容量，所需要考慮到故障信號序列為節點 10、11、12、13、16、17、21、22、25 和 26。測試結果如表 2 所示。

由表2可知，改變DG容量，只對FTU故障信息序列中節點17、21、22的信號產生影響，對算法測試結果無影響，能準確判定故障發生在F1和F2處。

(2）改變DG的安裝位置對算法的容錯性進行算例分析。當 DG容量均為1MW時，改變 DG1，DG2和DG3的安裝位置，系統在 F3處發生三相短路故障時，測試結果如表3所示。

表2 改變DG容量算例測試結果Tab.2 Test results of examples of changing DG capacity

表3 改變DG安裝位置算例測試結果Tab.3 Test results of examples of changing DG installation location

由表3可知，改變DG安裝位置容量，只對故障點所在區域內FTU所檢測到的信號產生影響，對算法測試結果無影響，能準確判定故障發生在F3處。

綜上可知，分布式發電配電網中，對于FTU所檢測到的完備故障信息、非完備故障信息和畸變故障信息，不同 DG容量、不同 DG安裝位置、不同故障類型，自適應矩陣算法均能夠準確定位故障區段，并能準確判斷DG是否投入運行或發生故障，對系統運行方式改變具有較強的自適應能力。文中方法使用相電流進行分析，適用于不同類型的故障類型，限于篇幅僅對三相短路故障進行了分析。

6 結論

本文分析了傳統配電網故障定位方法的局限性，結合DG接入后配電網結構的變化，提出一種能根據DG投入或者退出運行改變系統運行方式，并具有自適應調整能力的DG故障定位自適應矩陣算法。與傳統配電網故障定位方法相比，自適應算法能根據DG投切與否自動調整故障判斷矩陣，故障判斷矩陣排除了無關節點信息，運算速度更快，更適合在線監測故障。

References）:

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A practical fault locating adaptive algorithm for distribution network with distributed generation

WU Le-peng，HUANG Chun，ZEN Zhao-xin
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

The premise of effective use of clean energy is to correctly determine the malfunction zone of distribution network with distributed generation.Based on the matrix algorithm in the location of feeder terminal unit(FTU）to the malfunction of distribution network，an adaptive algorithm for the fault location in distribution network is proposed.According to the overcurrent flowing through the FTU and its direction，firstly the algorithm judges whether distributed power is put into operation，and whether the fault happens at bus and network.Then it preliminarily locates the malfunction zone in the distribution network.Secondly，on the basis of malfunction zone structure and overcurrent information of FTU，the fault matrix is adaptively formed and the fault zone is confirmed.Lastly，according to the defected fault current difference at both ends of fault circuit to form the fault criteria，the proposed criteria are formed by comparing the difference between fault current.The numerical example verifies accuracy and efficiency of the algorithm，and good mechanism of fault tolerance.

distributed generation;distribution network;FTU;fault location;adaptive algorithm

TM 726;TP183

A

1003-3076(2012）04-0052-06

2011-09-14

湖南省自然科學基金資助項目(10JJ5055）

吳樂鵬 (1987-），男，江西籍，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護;

黃 純 (1966-），男，湖南籍，教授，博士，研究方向為電力系統及其自動化、繼電保護、電能質量分析與控制。