配電網低電壓預警及故障定位技術分析

劉卓婭 李磊 李知雨 陳松根 楊璐璇

（國網河南省電力公司寶豐縣供電公司，河南平頂山 467400）

0.引言

配電系統與用戶的供電可靠性直接相關，實現配電網低電壓預警及故障定位功能具有較強的必要性。隨著斷路器技術的發展，在配電網中采用的斷路器應能對線路及用電設備的接地故障、過電流、短路、缺相及過壓、欠壓等進行保護，同時也應防止出現電氣線路或電氣設備接地故障引起的電氣火災和電氣設備損壞事故。在配電網運行方面，本文詳細分析了配電網的故障定位技術和低電壓預警原理，在實際的配電網運行中可以加以應用。

1.配電網的故障分析

配電網的規模較大，網架結構相對主網而言也較為薄弱，容易出現接地等故障。當配電線路出現接地時，其跨步電壓分布如圖1所示。

圖1 跨步電壓分布示意圖

從圖1可知，離故障點越近的地方，其電壓越高，容易造成人身傷害，故對配電線路的接地問題應加以重視。近年來斷路器技術水平得到了明顯的提高，可以在配電系統中采用集剩余電流繼電器、接觸器、塑殼斷路器、故障定位系統、無線通訊、物聯網等技術于一體的斷路器。當斷路器檢測到配電網出現故障時，可以使斷路器動作跳閘，這種斷路器可以應用在三相四線供電系統中。當檢測到配電網出現了低電壓時，應能發出相應的預警信息，并將告警信息和斷路器的位置發送到配電網運維人員的手機終端，這也是提高電網企業優質服務水平的重要手段和措施。

2.配電網低電壓預警

2.1 配電網低電壓現狀

在配電網中，線路過長、負荷較重、無功補償不足、負荷分配不合理、配變三相不平衡、導線截面偏小、配變嚴重偏離負荷中心、配變供電半徑過大等都會使電壓偏低，電流增大，有可能發生線路過載。在配電網實際運行中，當配電線路負荷增加或超負荷運行時，線路電壓降逐漸增大，超出正常允許范圍，若線路無功補償不足，線路負荷持續增加，導致電壓降長時間持續增大，則會導致線路末端發生低電壓風險。配電網出現低電壓，將極大影響日常生產和生活，線路低電壓的發生將導致幾點后果：一是增加線路損耗，降低效率。二是電動類電器啟動困難，溫升過高。三是降低白熾燈亮度，導致熒光燈無法啟動。四是影響熒屏電器的圖像質量。五是影響電熱類電器的正常發熱。目前，配電網低電壓現象的治理，通常采用配變增容、無功補償、重負荷線路分流等措施，但這些措施具有一定的滯后性，往往出現了低電壓現象才去進行處理。

2.2 配電網低電壓預警方法

對于配電網低電壓風險在線預警方法，包括根據配電網實時監測數據和負荷預測數據，計算配電網中預設的線路的負荷矩；根據負荷矩計算結果，對預設的線路上的預設負荷點的電壓進行計算，并根據預設的低電壓越限預警判斷規則判斷在預設的未來時間段內，配電網是否存在低電壓越限風險。這種方法可為合理改善配電網供電質量提供決策依據，可準確預警配電網低電壓風險，具有實用性好、計算簡單和易操作的優點。其中配電網中預設的線路的負荷矩如下式：

其中M為一個時間節點上一條線路的負荷矩，P表示獲取的線路上時間節點的預設負荷點的負荷預測數據，L表示從配電網實時監測數據中獲取的線路上負荷點到電源的電氣距離；∑表示對所述線路上所述時間節點的預設的負荷點進行求和；N為系統中的總節點數。再按照負荷矩從大到小的順序，依次計算預設的線路在預設的未來時間段內的時間節點上預設負荷點的電壓值，當有負荷點電壓低于預設的電壓下限值，判斷線路在負荷矩對應的時間節點存在預測低電壓越限，直到負荷矩對應的時間節點不存在預測低電壓越限。根據配電網的預設的負荷點在預設的未來時間段內各時間節點對應時刻的歷史電壓數據，判斷預設的負荷點在預設的未來時間段內各時間節點對應時刻是否存在歷史低電壓越限[1]。當時間節點不存在預測低電壓越限和歷史低電壓越限時，給出預警結果為正常，否則給出預警結果為存在低電壓越限風險。

此外，當配電網的拓撲發生變化時，根據最新負荷預測數據重新進行低電壓風險預警，如果預警結果為正常，則取消預警信息，結束預警流程，等待下次預警啟動；否則，則發布預警信息，并追蹤預警結果。當配電網的拓撲不發生變化時，負荷如果發生變化，則根據最新的負荷預測啟動預警流程，如果預警結果為正常，則取消預警信息，結束預警流程，等待下次啟動；否則，則發布預警信息，并追蹤預警結果[2]。當配電網的拓撲和負荷均未發生變化時，則等待，直到運行到預警存在低電壓越限的時刻，如果未發生低電壓越限，則取消預警信息；否則得到發生低電壓越限的時刻和電壓幅值，取消預警信息。

3.配電網的故障定位技術

3.1 故障定位的技術原理

目前在實際配電網故障定位算法中，采用了多種不同類型的算法，本文以矩陣法為例進行分析，某配電網的運行方式如圖2所示。

圖2 配電網的運行結構圖

在矩陣法中，需要根據配電網的運行情況描述出相應的網絡矩陣D，在該矩陣中的對角線元素規定如下：

按照上述方式，網絡描述矩陣和故障信息矩陣分別如下式所示：

將矩陣D和矩陣G相乘，就可以作為故障判斷矩陣：

在該故障判斷矩陣匯總，如第三行第四列的元素為1，表明配電網中3、4之間的某條線路出線了相應的故障，從而實現了對配電網故障的定位。此時可以將配電系統中的斷路器位置信息坐標發送到配電網運維人員的手機終端，使得運維人員能夠實時掌握配電網的運行信息[3]，并且提高對配網的檢修效率，盡可能縮短故障停電時間。一般而言，配電網故障定位算法在實際應用中的基本原理如圖3所示。

圖3 配電網故障判斷結構圖

從圖3可知，在配電網故障定位模型中，需要采集電流信號和電壓信號，根據相應的故障定位算法，得出相應的故障判斷結果，并將結果以信號指示的方式加以顯示。

3.2 算例分析

本文以某地區配電網中的三電源供電結構圖進行案例分析，其配電系統的故障如圖4所示。

圖4 三電源供電的配電系統

根據本文所述的故障定位算法，分析得出的網絡描述矩陣和故障信息矩陣如下式所示：

同理將上述兩個矩陣相乘，得出的故障定位矩陣如下式所示：

根據上述矩陣中的元素，就可以判斷出系統中哪些節點之間出現了故障，從而準確可靠地實現了對配電網故障的定位。當配電網的運維人員收到了配電網的具體故障位置之后就可以及時安排檢修人員快速檢修，縮短用戶的平均停電時間，提高電網企業的概念收益[4]。同時，如果在配電系統中加入負荷自動轉供功能，則可以先恢復供區內用戶供電，再安排檢修人員進行檢修，可進一步縮短停電時間。

4.結論

配電系統受到外界的干擾因素較多，應加強對配電網低電壓的風險預警和故障定位，保證配電系統的安全穩定運行。隨著配電技術的發展還可以在配電系統中實現負荷自動轉供和主動服務等功能，進一步提高配電網的智能化水平和配電網的供電可靠性。