基于有源配電網故障診斷與定位方法的研究與分析

于瀟琦 韓堯 董小順 袁霞 穆斯塔法·努爾 高藝超

摘 要：不同于輸電網絡，配電網分支多、弱環網和輻射結構并存;設備數量眾多且通常所處環境惡劣;故障率高，且70%～80%為單相接地故障。在這種復雜的配電網結構、設備環境、運行工況背景下，快速、準確的故障診斷與定位可以為運維人員提供有效指導，大大縮短故障處理和供電恢復時間，提高供電可靠性與安全性。因此研究精確、快速的配電網故障診斷與定位技術具有十分重要的意義。

關鍵詞：故障診斷;故障定位;有源配電網;分布式電源

引言

配電網直接向廣大用戶提供電能，其安全可靠運行是人們生產生活的重要保障。故障發生后，故障位置的快速精準定位，能夠實現故障線路的快速切除，極大提高故障處理效率和電網運行可靠性，具有重要的社會意義和經濟效益。隨著大規模分布式電源接入配電網，電力系統出現了潮流雙向流動、配電網拓撲結構改變等一系列問題，傳統的故障定位方法可能失效。

1有源配電網故障診斷與定位技術面臨的挑戰

故障電流水平是指故障對電流或功率的影響。通常，配電網中的短路電流大小為10～15倍的額定電流。當配電網中存在DG時，會對故障電流水平產生影響，影響的大小取決于DG與故障的距離、DG的發電容量和DG的類型等因素。例如，當DG安裝在變電站和故障點之間時，會使得主站檢測到的故障電流變小。當配電網中安裝的DG容量較小（5kW～5MW）時，其對短路電流的影響很小;當配電網中安裝的DG容量較大，如多個小機組或幾個大機組（50MW至200MW），它們可能改變故障等級，并影響斷路器失靈。此外，短路電流還受到DG類型的影響。在并網點發生短路時，同步發電機輸出的起始短路電流可達額定電流的7倍左右;異步感應發電機提供的起始短路電流約為額定電流的5～6倍，此后經過約3～10個周期逐漸衰減到零;雙饋異步感應發電機會產生8～10倍于額定電流的起始短路電流，然后逐漸衰減。而逆變器類DG的故障電流特性取決于逆變器的控制與保護策略，在并網點發生短路時，逆變器類DG向短路點提供的短路電流一般可以控制在設定的允許過電流范圍（一般為1.2～1.5倍額定電流）之內。

2現有故障診斷與定位方法

2.1信號/擾動注入的方法

在故障診斷方面，可以根據注入信號的頻率，分為基于工頻信號注入的故障診斷方法，如曾祥君等人提出了一種利用注入基波電流并測量被檢線路零序電流變化量的原理進行故障診斷的方法。針對配電網高阻接地尤其是弧光高阻接地故障檢測準確率低的問題，還提出了一種基于中性點注入電流增強故障特征的診斷方法。以及基于非工頻信號注入的故障診斷方法，如注入脈沖信號、高頻測試信號等。在故障定位方面，利用一次設備向系統中注入特定頻率信號，故障線路經過故障點形成信號回路，通過線路上安裝的故障指示器檢測該信號流經的路徑即可進行區段定位。

2.2不利用接地故障特征分量的選線方法

（1）一般操作系統人員一般無需再自行添置任何一次其他機械設備，不會對正常設備運行的其他機械設備運行造成任何不良影響;（2）信號注入式式的信號輸出是否泛指它們具有與操作系統中任何一種固有接地信號相同的物理特征，對它們的接地檢測操作方式一般不受操作系統正常設備運行工作狀態等不良情況的直接影響;（3）信號輸出的電流注入式式信號中的電流常數只能在系統接地檢測線路的規定接地期和相中期內進行一次流通，不會直接造成影響操作系統其他機械部件。但是該設計方法必須達到要求在注入線路所有的信號分段和各個線路分支之間都必須裝設一個注入信號上的電流電壓檢測器，導致線路投資控制力度的不斷增大，且在實際的線路系統設計操作中，注入線路信號的電流數量和振動強度也在很大一定程度上已經因為受到了信號電壓電流傳感器的注入容量很大限制。當接地線路信號發生接地故障判斷是否為采用高阻線路接地時，線路上的分布式接地電容將可能會直接引起對被輸出線路注入接地信號的短路過濾，從而也將可能會給您所選擇的接地線路信號帶來一定的線路電磁干擾;如果在多個接地點同時出現了線路間歇性的線路電弧抖動現象，還將直接影響導致被輸出注入的線路信號在連接線路過程中將同時發生不連續，從而直接損害被輸出注入的線路信號的電特性，影響信號檢測值的準確率。

2.3多端行波時差的配電網故障

基于多端行波時差的配電網故障定位方法。對于結構復雜、分支眾多的配電網，根據配電網自身拓撲結構特征定義節點矩陣和無效節點。通過分析故障行波的傳輸特性，提出一種配電網故障狀態表達式，根據多端行波時差和雙端行波原理計算的故障距離理論值，將理論值代入故障狀態表達式，建立故障搜索矩陣和輔助矩陣，通過分析故障搜索矩陣和輔助矩陣的元素狀態，提出故障線路判定原理，提取節點矩陣中的故障節點，進而有效判定故障線路。根據三端行波法計算實際故障距離，可消除行波波速不確定性造成的測距誤差，實現故障點的精準定位。仿真結果表明，本文所提定位方法原理簡單、可靠性好，不受故障類型和過渡電阻的影響，與現有配電網故障行波定位方法相比，通過節點矩陣的配合，有效降低了故障搜索矩陣和輔助矩陣的維度，減少了計算量，提高了配電網行波定位方法的可靠性和實用性。

結束語

配電網故障定位對電力系統的運行具有重要意義。快速準確地找出故障位置能大幅縮短故障恢復時間，提高電網供電質量和可靠性，提升用戶滿意度，同時也能降低運營商的運營成本。配電網相較輸電網結構更為復雜，支路眾多，這給配電網的故障定位帶來極大的挑戰。隨著通信技術和廣域測量技術的不斷發展，同步相量測量單元PMU（PhasorMeasurementUnit）的應用愈加廣。PMU能獲取配電網中高精度、同步的電氣相量數據，其幅值和相角誤差分別僅為0.5%和0.01°，這為配電網故障的準確定位提供了條件。近年來，國內外學者對基于PMU的配電網故障定位方法進行了廣泛、深入的研究。

參考文獻

[1]張家田，段亞清.基于微擾法的低壓有源配電網故障定位方法研究[J].電工材料，2020（02）：34-36+41.

[2]周力.有源配電網自愈技術研究[D].東南大學，2017.

[3]劉獻，張潤明，廖奉怡，陳雄常.有源配電網故障檢測與恢復技術[J].電工文摘，2016（03）：16-17+25.