逆變型分布式電源接入配電網的故障分析方法研究

谷源

國網河南省電力公司舞陽縣供電公司 河南漯河 462400

在電力能源系統內，低電壓配電網扮演著很重要的角色，用戶的電能質量大多由低電壓配電網的運行狀態決定。所以，我們要格外注重低電壓配電網的運行狀態，避免故障的發生，保障人民用電的安全性與質量性。目前，低壓400V系統采用中性點直接接地的運行方式，其特點為：三相和單相負荷都能正常使用，且在三相負荷不平衡的情況下供電電壓基本對稱，保證了供電質量。這種運行方式下短路故障有三相短路、兩相（及對地）短路，單相對地短路。兩相（及對大地）、三相短路因短路時電流是通過電力線路構成回路，電力線路因本身阻抗很小，短路電流大，是變壓器額定電流幾倍或十幾倍，系統的電流型保護正確動作切除故障線路。這兩類短路故障因短路電流大，能量大，能把故障點燒炸開，肉眼巡視基本能明顯看到。但是，單相對地、零線因回路阻抗較大，短路電流小，能量小，造成故障點不明顯。目前配電網單相接地故障定位方法主要有注入信號法、阻抗法和行波法。由于配電網發生單相接地故障時，線路分支多，阻抗小導致故障信號本身非常微弱，難以識別，而且配電網線路分支多，結構復雜,一般多為樹形拓撲結構，給故障測距帶來了很大困難。為克服這一難題，介紹了可采用加裝剩余電流保護或零序電流保護作單相接地故障保護，這樣同時可以滿足電氣火災防護的要求。提出了一種基于非侵入式的低壓配電網短路故障定位方法，構建了低壓配電網非侵入式短路故障識別系統，實現故障的粗略定位。本文在傳統電路保護的基礎上，分析低壓對地故障的原理，研制出一套適合現場查找的故障快速定位裝置，并在實際應用中獲得了成功。

1 目標與優勢

縮短設備維修時間是配電運維一體化管理主要目的，即在設備運行維護的同時，還要提高監管效率，第一時間發現錯誤并在短時間內進行維修，降低設備單項維修的時間損耗，能夠提高設備維修效率，從而加強設備的維修安全性能。配電運維一體化，專業化管理的實施，最重要的體現是在機器設備出現故障時，能夠有效減少維修時長。在經過這一流程時，不單單縮短了修理的時間，將維修的技術人員分工到具體工作中，從而減少了維修人員的檢修工作量，簡化了維修工作日程，通過提升工作人員的工作效率來讓電力企業實現經濟效益最大化[1]。

2 逆變型分布式電源接入配電網的故障分析方法研究

2.1 創建配電數據庫，提高運檢效率

為提高配電線路運行效率，建設配電線路時，需要創建配電系統數據庫，數據庫中涵蓋了關鍵設備的位置和區域內配電線路布局等內容。以信息技術監控線路和設備運行狀態，能夠顯著提高配電運行效率，與此同時，也可在分析大數據的過程中，掌握發生概率較高的線路故障及故障產生的主要原因，加大監控力度。工作人員在運檢工作中應將該設備作為關鍵點，高度重視線路常見的故障以及發生故障的主要原因。在數據全面，功能穩定的數據庫支持下，促進設備安全、平穩運行。再者，高水平的數據庫也可優化區域內的供電配置，為線路平穩運行奠定堅實的基礎。用電高峰期，配電管理系統也可自動開展限流管理活動，調整線路的運行狀態，維護配電線路運行的穩定性。

2.2 故障定位思路

我們可根據電氣特征有針對性地測量和快速查找故障點。經過實踐，我們發現上述第1點的電氣特征量測量比較麻煩，而且測量不準確。第2點的電氣特征量雖然測量方便，但很難判斷是三相負荷不平衡還是對接故障引起的，易誤判斷。第3點的電氣特征量現場用鉗形電流表直接測量就知道故障情況，而且能根據測量電流值大小來判斷故障嚴重程度。綜上所述，遇到供電異常，懷疑可能是對地故障時，到現場后的步驟如下。第一步：確定是否有對地故障。就是測量變壓器接地引上線電流，農村綜合變上做好必要技術措施后退出剩余電流保護后強送，讓故障電流重現。這個電流很小，一般不大于1A；城鎮公用變這個電流較大，一般小于5A。超過此值，應該有對地故障了。第二步：停電做測試準備。斷開故障線路的開關、熔斷器，做好停電措施，解開故障線路的零線，并將零線懸空。第三步：確認故障相別。把故障線路的三相和零線短接（不接地并懸空），從電源側引一相電源（經過燈泡降壓，安全考慮）至已短接的故障線路上，然后用鉗型電流表分別測量A、B、C、N線（暫叫四相）上電流。農村綜合變：這四根線上最大電流那一相為故障相，其他三相為通過負載與接地點形成回路的電流。城鎮公用變：如果N相電流很小，說明此變壓器零線無重復接地。這時就像綜合變線路查故障一樣。如果N相電流很大，說明此變壓器零線有重復接地，先把重復接地查到并斷開（參照第四步方法），然后看A、B、C三相中最大電流那一相為故障相。這樣，故障相就已確認。第四步：確認故障電流流向。在確認的故障相上登桿用鉗形電流表測量電流，電流值與在確認故障相別電流差不多的，說明故障點此桿后段（有支接時每個支接方向都要測量，搭接點為基準點）。用此方法來來不斷換桿登桿測量，最終就能找到故障點[2]。

2.3 拓撲搜索方法

通過廣度優先搜索（breadth-first search，BFS）與深度優先搜索（depth-first search，DFS）對配電網結構進行遍歷。BFS從根節點開始搜索與之相連的節點，并對該層節點編號，以該層節點作為頂點繼續搜索下一層子節點，逐層搜索，直至搜索完所有節點。DFS從根節點開始搜索，若有相鄰邊未搜索到，則沿該路徑搜索。當節點所有邊均搜索完畢，搜索回溯到發現該節點的那條邊的起始點，直至搜索完根節點可達的所有節點。

2.4 加強運維人員的培訓，提高運維人員的水平

配電運維工作者的技術水平，是實現配電運維一體化管理的基礎，因此，電力配電企業需要充分了解運維人員的業務水準，繼而采取相應的方法與措施來提高自身的技術水平，來提高配電運維工作的質量和效率。運維一體化后，每個人的工作內容都不是固定的，所以可能要對設備進行操作、維護和檢查。因此，有必要對全體員工進行相應的知識培訓，并請專業講師講解相應的知識，使全體員工掌握各項工作的重點，對突發情況及時做出應對措施，從而推動運維一體化專業化管理的實施。例如，工業企業可定期對配電運維人員進行培訓和講座，對其理論知識鞏固和學習，提高對配電系統的控制。此外，還可以開展配電運維工作的模擬實踐，以此檢驗和提高運行維護人員的實踐能力。這樣可以有效地提高運行維護人員的水平，并促進配電系統穩定運行[3]。

2.5 故障緊急恢復策略

在故障緊急恢復時，首先充分利用DG的供電能力，形成孤島劃分方案，并與主網協調控制，最終得到故障緊急恢復策略，具體流程如下：。步驟1：讀取配電網數據，包括初始結構、支路阻抗、節點負荷類型等。步驟2：讀取故障信息，斷開故障支路。步驟3：輸入故障時刻，確定相應時刻的優先恢復集Ft，Rload和可控負荷集Cload。步驟4：以含DG的節點為根節點，以該時刻DG出力值為最大搜索半徑，采用BFS確定功率圓所包含的負荷，由此得到功率圓實際半徑。若出現2個或多個孤島交叉，則將其融合為一個孤島。步驟5：判斷Ft，Rload中負荷是否都已恢復，以未恢復的負荷作為根節點，采用DFS將其接入最近的DG節點。若負荷節點無法通過DG進行恢復，則不恢復該負荷。判斷孤島是否滿足功率平衡約束，若滿足，則轉至步驟7，若不滿足，則執行步驟6。步驟6：削減Cload，直至滿足功率平衡約束執行步驟7。若所有Cload都已切除，仍無法滿足功率平衡約束，則根據重要度等級進行切負荷操作，縮小孤島范圍；若滿足功率平衡及其他約束條件，則執行步驟7，否則繼續步驟6的切負荷操作，直至滿足條件。步驟7：形成初步孤島劃分方案。步驟8：對初步孤島內開關重新編碼，更新配電網相關數據，利用主網與DG的協調控制，在保證步驟7方案中已恢復的負荷不斷電的基礎上，對配電網進行綜合恢復，以提高負荷恢復量。步驟9：初始化改進BPSO算法參數。步驟10：種群初始化。步驟11：進行算法迭代尋優，更新粒子速度與位置，執行交叉、變異操作，計算適應度，直至到達最大迭代次數則停止迭代。步驟12：更新開關集合，得到緊急恢復方案。步驟13：按照緊急恢復策略對聯絡和分段開關進行相應開合操作。

2.6 積極應用智能化管理平臺

現如今，信息技術得到完善，其也為配電線路智能化管理提供了強大的技術支持。為了保證配電線路運檢管理效果，應充分利用智能管理平臺，發揮智能管理平臺的積極作用，從而加強配電線路管理有效性，縮短線路維修消耗的時間，顯著提高線路維修的效率。不僅如此，合理利用運檢管理平臺也可為云計算和數據挖掘與無線數據傳輸等多項技術的綜合運用奠定堅實的基礎。其有利于人員第一時間發現故障，增強故障識別的快速性和精準性，以較短的時間處理線路故障，進而提升配電線路運行的穩定性，延長配電線路的壽命。

2.7 加強安全工作宣傳，提高員工風險意識

在配電網系統的實際建設及施工過程中，施工單位和電力公司應加強安全工作的宣傳，使企業和職工真正認識安全的重要性，樹立安全第一的工作意識。同時，工業企業也需要制定有效的方式和措施，如在實際工作中設立安全獎項，可以調動施工單位中工作人員的積極性，充分重視安全的必要性，如果完成度較好可以給予未發生安全事故企業及個人予以獎勵。此外，配電單位及施工公司還可以細化責任分工，明確工作操作標準，確保配電網建設的質量、安全及進度。

2.8 故障搶修策略

在緊急恢復之后，以搶修時間最短和社會經濟損失最少為目標函數，由于故障搶修策略與緊急故障恢復不是同一類優化問題，故障搶修采用十進制編碼方式，利用改進PSO算法得到最優故障搶修策略，調度搶修小隊對配電網故障進行搶修。考慮在實際生產中，搶修小隊對發生多重故障的片區進行分區管理，因此所提策略僅對某一片區的故障搶修進行研究。步驟1：讀取優先恢復集Ft，Rload，若無未恢復負荷，執行步驟2；若存在未恢復負荷，按照Ft，Rload中未恢復負荷順序，優先對相關支路進行搶修，Ft，Rload中所有負荷恢復完畢后執行步驟2。步驟2：更新配電網的網絡數據，包括緊急恢復后的配電網結構、支路阻抗、節點負荷類型等；讀取故障位置、對應所需搶修時間及故障節點間的車程距離。步驟3：初始化改進PSO算法。步驟4：計算粒子適應度值。分別計算故障搶修時間F1和社會經濟損失F2。若當前位置為故障節點，則將搶修小隊的位置更改為當前位置，累計F1和F2；若當前位置非故障節點，則不改變搶修小隊位置，不累計F1和F2。步驟5：根據所計算的粒子適應度值，尋找個體極值和群體極值，對速度和位置進行更新。步驟6：執行交叉和變異操作，判斷是否到達最大迭代次數，若是則執行步驟7，否則轉至步驟4。步驟7：輸出搶修方案，并按此方案對配電網進行搶修。

3 結語

從逆變型分布式電源的并網性質以及不脫網運行要求，結合逆變型分布式電源的控制策略以及逆變器本身的容量屬性，其故障電流特性與傳統同步發電機有很大的不同。在電網對稱與不對稱故障情況下，逆變型分布式電源均只輸出正序電流。（inverter interfaced distributed generation，IIDG）的規模化接入，在配電網故障期間，IIDG因其固有故障屬性，不能等同電源與阻抗串聯的形式,本文提出的含IIDG的配電網故障分析方法，可以提高故障分析的精度，并可以推廣到含多IIDG的配電網故障分析中。