一種針對含分布式電源的配電網相間故障定位方法

王雙杰 楊炳元 李曉芹 田翀

（內蒙古工業大學，呼和浩特 010080）

故障定位技術能夠快速動作切除故障，最大限度縮短停電時間，大幅度提高系統的可靠性，從而越來越受到重視。故障定位技術主要應用于輸電線路上故障的定位,一方面因為輸電線路在電力系統中的重要性，另一方面因為檢查輸電線路所需的時間要比配電網大得多。傳統的配電系統是放射狀的,對于這樣的網絡設計保護方案非常簡單。配電系統保護設計的主要目的是檢測故障位置并使故障部分與系統其他部分隔離。文獻[1-5]提出了一些配電系統故障檢測方法。而分布式電源的接入使配電網放射狀的網絡拓撲發生改變，從而引發了一些問題,如導致保護裝置失去協調性。由于配電系統的非齊次線性性質、故障電阻和確定性負載的影響，使得故障定位的實現變得非常復雜。但使用測量電壓和電流計算故障位置的方法是基本不變的，計算傳輸系統的阻抗依然使用阻抗器件[4]或者各次諧波[5]。本文介紹了帶有 DG的配電網發生相間故障時的故障定位方法。方法中分別分析DG前和DG后兩個部分，通過測量主系統和分布式電源變電站處的電壓和電流來實現故障的定位。此外,對于DG前部分，簡化了故障定位方程，提出了一種新的方法來減少誤差。在文章最后給出了仿真結果，驗證了方法的可行性。

1 原理

圖1所示的是兩母線間的三相輸電線路。

圖1 三相配電線路

阻抗陣可表示為

圖1中母線電壓和支路電流間的關系式可表示為

文中用上面的三相不平衡模型。

1）故障定位算法

圖2所示為帶有分布式電源的配電網。分布式電源由母線K接入配電網，區段可劃分為DG接入前的部分和 DG接入后的部分。利用這兩部分在變電站處測得的電壓和電流可計算得到故障的位置。DG后的部分與傳統的放射狀網絡一樣，可由傳統方法得到故障點位置[6]，下面主要分析DG前的部分發生故障時的情況。

圖2 帶有分布式電源的配電網

2）DG前部分故障定位方法

DG后的配電網部分是一個放射狀網絡，與傳統的配電網一樣，所以故障點的定位可利用傳統電路分析方法進行故障定位的方法，但在 DG之前的部分，所測數據為兩端電源的聯合作用結果，所以在DG以前的部分發生相間故障的的定位方法需要重新考慮。圖3顯示的是三相配電網在遠離變電所處發生相間故障時的示意圖。設圖3中為a相和b相發生相間故障，則

圖3 三相線路中的相間故障

由式（5）和式（6）消去故障電流 If和故障電阻Rf后，得

聯立式（8）、（9）、（10）、（11）可求出故障距離 d。

3）估算電壓和電流

如果計算出的故障距離大于1或為負數，就說明故障不在這一區段內，而是在下一區段，故障的定位就應該在下一區段進行，利用下一區段母線出口處測得的電壓和電流計算。假設電壓和電流只能在母線處測得，離本區段要估算的電流值和電壓值的節點有一段距離。如圖4所示，母線k和k+1之間發生短路，則母線K處的電壓可表示為

圖4 帶分布式電源的配電網發生故障

假設負荷阻抗恒定不變，圖4中的電流可表示為

式中，Vk-1是K-1處的母線負荷電流，YLK-1是K-2母線處的負荷導納矩陣。

根據式（12）至式（15），能夠求出來故障定位算法所需的電壓和電流，進而獲得故障位置。如果計算得到的距離0＜d＜1，表示故障點在本區段，并且到母線出口的距離為d。將此算法應用于各區段就可以求出故障點距離分布式電源或主變電所母線的距離。

2 仿真實例

在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。為了驗證新故障定位法的可行性，建立如圖5所示的9母線帶有單相和三相支路的系統模型。連接到母線5、6和8上的負載是單相負載，其他負載是三相負載，并將支路等效為負載。主要負荷值為：單相=50+j15Ω ，三相 =100+j25Ω 。

圖5 帶分布式電源的配電網模型

線路阻抗陣和容抗陣可表示為

故障電阻的范圍為0.01～50Ω，進行仿真。故障位置的計算誤差%Error為

這里dcal是計算得到的故障點距離，dreal故障點真實距離，dtotal線路全長。

由圖6可知，最小誤差發生在故障電阻為0.01Ω時，最大誤差發生在故障電阻為50Ω時。故障定位會隨著故障阻抗值的增加而增大。DG之前部分定位誤差明顯低于DG之后部分。在圖5的仿真模型里母線5加入分布式電源，在不同點和不同故障電流下進行仿真。圖7所示的是接入分布式電源后發生故障時母線3處算得的故障位置誤差情況。

圖6 相間短路故障位置的計算誤差

圖7 接入DG后相間短路故障位置母線3處的計算誤差

表1顯示了DG前部分和DG后部分發生短路時的最大定位誤差對比情況。表中數據表明，用新定位方法計算時，DG前部分相間短路定位的誤差明顯小于DG后部分發生故障時的定位誤差。

表1 DG前后部分的故障位置計算誤差比較

3 結論

本文提出了一種新的故障定位算法。該算法避免了傳統的故障定位算法的序網絡分析過程。由上述分析可知，當故障電阻較小時定位誤差最小，誤差會隨著故障電阻值的增大而增大。DG前部分發生相間短路故障時的計算誤差會明顯小于DG后部分發生相間短路故障時的定位誤差。該方法適用于各種電力系統之中，為了提高算法的實際應用效果，應先確定DG的位置和變化情況。

[1]鄭顧平,張利,姜超,等.中性點不接地系統單相接地故障區段在線定位[J].電力系統自動化. 2013(3).

[2]劉健,張小慶,張志華,等.配電網兩相接地短路故障定位與供電恢復[J].電力系統自動化, 2013, 37(5):105-110.

[3]韓笑,宋麗群,朱冬力.配電網廣域監測及故障定位信息集成方案[J].電力系統自動化,2013,37(2):97-101.

[4]ARCELL G B,PAHALAWATHA N C.Maximum likelihood estimation of fault location on transmission lines using travelling waves[J]. IEEE Trans on power delivery, 1994, 19(2): 680-689.

[5]張海申,何正友,張鈞.諧振接地系統單相接地故障頻譜特征分析[J].電力系統自動化, 2012(6).

[6]Myeon-Song Choi, Seung-jae Lee, Duck-Su Lee et al.A new fault location algorithm using direct circuit analysis for distribution systems[J]. IEEE Trans Power Delivery, 2004, 19(1): 35-41.