面向智能配網的低壓直流電路故障診斷與定位分析

楊玉春

（臨滄鳳慶供電局，云南 臨滄 675900）

引言

當前，分布式能源并網規模與容量的不斷提升，電力電子設備滲透率不斷增加，新型電力系統逐漸進入電力電子化趨勢。直流負荷中心、電動汽車以及終端用戶負荷直流化趨勢的發展直接驅動能源傳輸以及應用方式的變革。在經濟發展過程中，對于電力能源的需求度持續提升。基于此背景，應為社會提供優質電能服務，妥善處理電力企業面臨的難題。智能電網建設發展不僅應管理和維護電力系統，還需要合理應用低壓直流電路故障診斷與定位中，全面提升電力企業供電效率與質量。注重研究智能電網、電力工程技術，有助于加強系統功能，為社會輸送高質量電能，實現可持續發展。

一、智能配電網概念

智能配電網主要是將之前的人工系統全部采用自動化技術代替，并且在應用的過程中，加入了先進的通人技術、計算機技術等，利用各種電子設備，在通信網絡技術的支持下，連接電網和電力用戶。為了讓整個運行過程都可以得到監督，在進行運行的過程中，利用了可視化軟件，整個技術都是為了可以給用戶一個更加安全、優質的用電環境。智能配電網的主要結構包括主站系統、子站系統、配電終端以及通信終端等。利用上述所說的技術將其全部進行連接，對配電網的所有環節都進行管理，當出現故障之后，可以在第一時間對故障進行定位和修復，這樣可以將問題降到很低。對于智能配電網來說，搶修管理主要包括兩個方面：1.搶修信息智能化；2.搶修配件模式化。在目前的科學技術水平下，配電網所運用的科學技術都是高科技，并且對設備的要求也越來越高，在日常的運行中，維護管理就變得非常重要。而且用電企業已經越來越多，所以配電網的任務也越來越重，確保整個智能化配電網的穩定運行，遇到問題從根源解決，已經成為智能化配電網的主要工作之一。在以前，當出現問題之后檢修人員才會進行搶修，現在需要將事后的搶修變成事前的預防。對于智能配電網而言其和傳統配電網之間的區別主要如下所示：智能配網系統配用電自動化系統由主站、通信系統、自動化監控終端設備三大部分構成，形成一個完整的信息傳輸與處理系統，實現對配電網運行的遠程管理。傳統配電網是由大型發電廠生產的電力，流經輸電網（高壓），通過配電網送到用戶，因此中低壓（LV）配電網即為電力系統的“被動”負荷，因此配電網可以稱之為被動配電網（PDN）。智能化配電網的系統比較復雜，而且所使用的設備都屬于高精端設備，所以很多電子器件成本都比較高，而且并不能隨意進行更換，所以一旦出現問題之后，可能會讓整個配電系統受到影響。為了可以降低這樣的風險，需要從根本上解決問題，不僅需要了解技術，更需要在運行的時候多加注意。

二、智能配電網的主要技術

（一）分布式發電

智能配電網技術應用中，分布式技術比較常見，可在客戶端的支持下實現對電網的優化。經過對需要設計的配電區域的設施優化之后，可借助多余的電量來實現發電，使電力輸出更加穩定，充分發揮出分布式處理的作用。運用該技術的時候，應結合其他能源如風能等的情況來分析。在實際應用中通過同步電機及感應電機等的接入處理來優化電網。采用分布式的形式具有顯著的優勢，不會對周圍環境造成影響，還可滿足節能環保的需求，符合當前的發展特點。另一方面，該技術在應用中存在一定的缺陷，受到自身特點的影響，為了實現技術的改善，需要進行創新。應對分布式技術合理應用，根據實際需求來設計發電系統，使技術的應用優勢體現出來。在技術升級過程中，可將社會效益作為發展目標，按照國家的要求，結合當前電網的建設情況來開展管理，使分布式發電納入城市的電網規劃方案中，電網的改造產生更好的效果。

（二）能源轉換技術

應用智能電網時應當全面提升經濟效益，減少碳排放。通過應用智能電網，可以利用新技術實現低排放、低消耗效果。電網系統存在電能轉換效率較低的問題，應當采用科學措施予以處理，應用新能源發電技術如風能、太陽能等，必須研發高轉換效率的能源轉換器，為智能電網提供充足電力能源，從根本上促進社會進步發展。

（三）高壓直流輸電技術

建設智能電網時，需要應用直流輸電技術，現階段交流電是電能的常用方式，電網系統傳輸電能時，需要采用直流電方式傳輸。為了確保換流操作的有效性，必須應用高壓直流輸電技術，維護技術應用過程。在直流電傳輸期間，高壓直流輸電技術不受傳輸距離的影響，在偏遠地區也可以進行傳輸。根據我國發展現狀可知，高壓直流輸電技術會被應用到長距離、大容量電網系統中，需要加大高壓直流輸電技術研究力度。

三、低壓直流電路故障

極間短路故障可分為三個階段：電容放電階段、二極管依次導通階段、交流側饋入階段，其各階段的暫態特性如圖1 所示。

正常運行時換流站出口電容電壓略高于交流電源側額定電壓，故第一階段僅換流站的出口電容放電，且其放電回路如圖2(a)所示。出口電容電壓隨放電深度增加而降低，當其電壓達到380V，與交流側電壓幅值相等時，極間短路故障發展到第二階段，交流電源開始向故障點放電，其放電回路如圖2(b)所示。當直流側電壓持續降低，最終到達過零振蕩區間，所有二極管均正向導通，交流電源直接饋入故障點。此時對于交流側來說，可等效視為三相短路，對電網系統危害較大。且第三階段交流側與直流側的等效電路如圖2(c)所示。圖中，R 和L 為直流線路電阻和電感，Rs和Ls 交流線路電阻和電感。

由圖1 可知，電容放電階段的故障回路能夠等效為二階電路，換流站出口電容的放電電壓可表示為

其中，U0 和0I 為直流電壓、電流的初值，j 為出口電容放電初相位，Uc 為換流站出口放電電容電壓，衰減系數α=R/(2L)，且ω=，直流側故障電流可表示為

其中，φ-θ 為故障電流的初相位，A 為中間變量。可以看出，直流側故障壓降的大小決定了故障電流的幅值，通過控制故障壓降能夠實現故障電流的抑制。因篇幅限制，第二、三階段的輸出暫態特性將不再贅述。

四、面向智能配網的低壓直流電路故障診斷與定位分析

（一）故障檢測與定位

為了計算故障期間極對極和極對地的故障電流，相應的參數如下：

1.極對地故障

R=Rf+Rg+pRc

L=Lr+pLc

2.極對極故障

R=Rf+2pRc

L=2Lr+2pLc

一旦檢測到故障，VC(0)和IL(0)的值就確定了。但是另兩個變量的值還未知。這兩個變量的值可以依據N-R 迭代算法確定。

具體步驟如下：

(1)設定初值，p 介于0-1pu，Rf 介于0-25Ω；

(2)在tk=kTs|k=1,2,…,NW 時，計算繼電保護的故障

電流。tk 為故障采樣時間，Nw 為窗口長度，Ts 為采樣周期。

(3)確定△iR(tk)的值：

△iR(tk)=iRcal(tk)-iRM(tk)

其中，iRm(tk)為保護安裝處量測電流。

(4)根據△iR(tk)確定初始值的裕度。

(5)利用N-R 算法計算p 和Rf 的改變量：

其中，△iR(tk)表示采樣值k 下的偏移；△p 和△Rf 為修正量；J11 為雅克比矩陣元素。(6)迭代更新p 和Rf。(7)判斷p 和Rf 的收斂性。

（二）算例分析

1.極對極故障。考慮F1 點發生極對極故障，考查P 節點的特性，得到仿真結果是；故障發生后，正極和負極電壓開始下降，在4ms 后p 點的極對極電壓降為0。正極和負極的串電感電壓在故障發生后均超過了38V，。正極和負極均可以檢測出故障，繼電保護動作。

2.極對地故障考慮F1點發生極對地故障，此時假設距離P點為300m，得到結果是；可以看出，故障發生后，正極的DC 鏈路電壓開始下降，6ms 后降為0，但是負極對地的電壓相比較正極對地下降的緩慢，因此能夠檢測出正極對地的故障。另外，在時間方面，極對地故障相比較極對極故障變化緩慢，故障清除時間也會長一些。

結束語

總而言之，比較直流配電系統與交流配電系統，直流配電系統對電壓穩定性要求更高，然而，由于某些負載輸出功率的自身變化性特點，采用傳統的直流電壓斜率控制策略的多端柔性直流配電系統會造成直流電壓發生變化，直流電壓與額定值存在偏差。在惡劣的運行工況下，可能出現偏差較大的情況，影響系統的正常運行，甚至造成停運的情形。、提出一種基于傳統下垂控制的改進控制方式，通過功率與電壓間的關系進行調節，以減少傳統方式穩態時存在的電壓偏差為目標。經過仿真驗證結果得出，提出的改進直流電壓下垂控制方法可有效改進有功功率和電壓參考值間的制約關系，實現自動調節，保證系統輸出功率在恒定運行狀態下，該改進控制策略能夠有效減少直流母線電壓偏差值；同時，當系統出現暫態功率突變時，保證系統直流母線電壓運行在設定的較小且穩定的范圍內，實現系統的安全穩定運行。