多分支低壓電網(wǎng)的故障區(qū)段自動定位技術(shù)研究

孫榮智， 王承力， 王子馳， 高樹同， 雷炳銀

(平高集團(tuán)有限公司， 河南,平頂山 467001)

0 引言

在電力系統(tǒng)中低壓電網(wǎng)屬于主要介質(zhì)之一，通過低壓電網(wǎng)可將電流的消耗數(shù)值降至最低，為用戶提供持續(xù)供電。交通電流在應(yīng)用過程中所需電壓等級不同，因此，針對電壓線路具有一定要求，距離用戶最近的低壓電網(wǎng)具有一定特點(diǎn)，可將線路的半徑控制在最小范圍內(nèi)，并且所需線路的長度最短。針對電壓進(jìn)行輸送需借助主電網(wǎng)的作用，隨著為我國用戶對于電力需求的增長，我國電力技術(shù)的發(fā)展越來越成熟。為了保證電網(wǎng)的使用安全，本文將針對電網(wǎng)提出一種故障檢測方法，這項(xiàng)工作具有重要意義。

1 多分支低壓電網(wǎng)的故障區(qū)段自動定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 低壓電網(wǎng)環(huán)境下準(zhǔn)確故障定位

為保證在低壓環(huán)境下，電網(wǎng)可擺脫以往拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分支復(fù)雜和易受脈沖噪聲干擾等問題的影響，實(shí)現(xiàn)故障下的精準(zhǔn)定位，本文將通過自動定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)多分支低壓電網(wǎng)在故障下仍可完成相關(guān)工作。當(dāng)前行波法在配電網(wǎng)領(lǐng)域中較為常見，主要應(yīng)用于中高壓配電網(wǎng)中，行波法的應(yīng)用可將不同維度的故障信息充分融合，從而形成故障區(qū)段的定位。通過研究發(fā)現(xiàn)，中高壓配電網(wǎng)在模擬線路中，其線路的長度通常以千米為單位，而低壓配電網(wǎng)在模擬線路中通常以米為單位，針對中高壓配電網(wǎng)的故障定位，行波法通常采取雙端行波法作為故障定位的基礎(chǔ)，該方法可通過時間上的同步保證故障定位的精度。而用于低壓定位時會在時間同步上存在一定問題，因此，低壓配電網(wǎng)需要改變以往故障定位方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，低壓配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時利用時域反射法具有較強(qiáng)效果，但該方法易受外界因素干擾[1]。

1.2 國內(nèi)外自動定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為了改善低壓電網(wǎng)易受外界因素影響而造成故障問題，本文基于相關(guān)計(jì)算的反射測量法針對脈沖信號的干擾問題進(jìn)行研究。目前采用的方法主要由時域反射法演變而來，通過向電纜中發(fā)送干擾信號進(jìn)行測試，但通過相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)該方法無法針對故障區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)定位，造成位置模糊。針對該問題，我國有學(xué)者提出利用學(xué)習(xí)型算法針對電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行反推的觀點(diǎn)，但通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，該方法存在一定缺陷，將其應(yīng)用于低壓電網(wǎng)中較難實(shí)行。隨著混沌反射法的提出，為多分支低壓電網(wǎng)的故障定位提供一定依據(jù)。國外學(xué)者針對多分支低壓電網(wǎng)的故障定位提出相關(guān)熵的概念，為低壓電網(wǎng)的后續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，其他學(xué)者針對熵進(jìn)行不斷研究，最終證明最大相關(guān)熵和最小分散系數(shù)在準(zhǔn)則上存在等價(jià)性，除此之外，相關(guān)熵具有多種優(yōu)勢，將成為信號處理領(lǐng)域中重點(diǎn)觀察內(nèi)容。

2 電纜故障信號的時域反射分析法工作原理及測距方法

2.1 STDR/SSTDR工作原理

本文針對低壓電網(wǎng)故障區(qū)段進(jìn)行研究，最終應(yīng)用電纜故障信號的時域反射分析法對故障進(jìn)行處理。該方法主要基于時域反射法，由于低壓電網(wǎng)是人類的日常使用線路，該線路較短，易出現(xiàn)故障問題，除此之外，在運(yùn)作過程中易受外界因素的干擾，因此，通過時域反射分析法向低壓電網(wǎng)中發(fā)射脈沖信號，以此改善噪聲等因素對低壓電網(wǎng)造成的干擾，該方法更適用于針對低壓電纜故障進(jìn)行線上的檢測以及定位。檢測過程中將STDR/SSTDR方法向低壓電網(wǎng)中發(fā)送的序列信號PN設(shè)為x(t)，此時時域反射分析法檢測到的信號為

y(t)=∑kakx(t-τ)+n(t)

(1)

式中,τ代表傳輸延遲信號；n(t)代表低壓電網(wǎng)故障區(qū)段所遭受的噪聲信號[2]。

2.2 SSTDR測距方法

在多分支低壓電網(wǎng)進(jìn)行信號傳輸過程中易出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，而SSTDR測距方法主要利用相關(guān)運(yùn)算峰值對傳輸時間進(jìn)行測量，測量過程中可將電纜中的信號傳輸延遲通過時延估計(jì)值τ替代，時延估計(jì)值τ為相關(guān)運(yùn)算峰值所對應(yīng)的時間點(diǎn)。通過SSTDR測距方法對低壓電網(wǎng)進(jìn)行距離測量時，應(yīng)針對故障的范圍進(jìn)行定位，此時若信號在特定傳輸介質(zhì)中的傳播速度c為固定數(shù)值，故障點(diǎn)到測距原點(diǎn)的往返時間為t，應(yīng)通過式(2)進(jìn)行故障范圍的確定，用式(3)估計(jì)故障位置：

(2)

(3)

式中,TS表示一個PN碼片可在故障距離中測量的持續(xù)時間；N表示偽隨機(jī)序列的長度[3]。

低壓電網(wǎng)區(qū)段的故障鑒別能力通過最小測量距離表示:

(4)

通過分析驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對距離的測量存在一定限度，因此最大測量距離公式為

(5)

針對上述公式，將波速設(shè)為恒定狀態(tài)，此時測量指標(biāo)是測量精度Δd(測量分辨率)如式(6)：

(6)

本文針對設(shè)計(jì)要求將設(shè)計(jì)指標(biāo)中的最大故障定位距離設(shè)為8 km，定位盲區(qū)設(shè)為2 m，此時，通過式(2)、式(5)進(jìn)行計(jì)算，最終求得PN碼片可持續(xù)1/200 MHz，而序列長度應(yīng)大于1 000。

3 基于GIS的多分支低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 多分支低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多分支低壓配電網(wǎng)可為用戶提供用電網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)現(xiàn)方式主要將變電站作為配電網(wǎng)的核心結(jié)構(gòu)，通過變電站將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪籂顟B(tài)，最終由低壓網(wǎng)絡(luò)供給用戶使用，配電網(wǎng)在一定意義上屬于電力系統(tǒng)的眾多環(huán)節(jié)中最后的面向用戶供電的環(huán)節(jié)。低壓配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上由饋線、變電設(shè)備、開關(guān)等設(shè)備共同組成，眾多設(shè)備之間具有協(xié)同作用，內(nèi)部任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，整個低壓配電網(wǎng)的某個專屬區(qū)段將出現(xiàn)故障，最終造成停電事故，直接影響到用戶的正常生活。多分支低壓配電網(wǎng)在線路走向上具有一定的地理特征，電壓等級為最低，通常狀態(tài)下多分支低壓配電網(wǎng)的電壓等級處于10 kV以下，該等級下的配電網(wǎng)具有較強(qiáng)優(yōu)勢，但多分支低壓配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上存在一定的復(fù)雜性，因此多分支低壓配電網(wǎng)應(yīng)融入地理信息系統(tǒng)，使其在地理環(huán)境下存在一定特征[4]。

3.2 多分支低壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

通過研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)多分支低壓配電網(wǎng)在運(yùn)行方面大致分為三種結(jié)構(gòu)，分別是輻射狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及樹狀結(jié)構(gòu)。為了對多分支低壓配電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治觯ㄟ^建立網(wǎng)絡(luò)模型的方式，并利用SuperMap Deskpro實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ停谠撃Ｐ椭锌赏ㄟ^設(shè)置相應(yīng)規(guī)則，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行限制。若該電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)線段存在相交現(xiàn)象，應(yīng)將違規(guī)現(xiàn)象進(jìn)行記錄，并通過用戶端針對該現(xiàn)象進(jìn)行維護(hù)，從而形成正確的拓?fù)潢P(guān)系。該模型中存在多個數(shù)據(jù)集，主要包含點(diǎn)、線、面等類型，而基于GIS系統(tǒng)進(jìn)行配電網(wǎng)模型構(gòu)建時，在結(jié)構(gòu)組成方面應(yīng)通過層疊形式進(jìn)行呈現(xiàn)，同層級結(jié)構(gòu)中應(yīng)包含不同類型的設(shè)備，或每層中具有同一類型的設(shè)備對象，通過GIS系統(tǒng)與配電網(wǎng)充分融合，有利于操作者針對配電網(wǎng)進(jìn)行操作時更加便利。基于GIS的多分支低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型如圖1所示[5]。

圖1 基于GIS的多分支低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型

3.3 基于GIS的多分支低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析

通過上述分析可知，GIS系統(tǒng)為低壓配電網(wǎng)的發(fā)展提供有力依據(jù)，基于GIS系統(tǒng)構(gòu)建的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型在地理分布上具有一定特征，可增強(qiáng)系統(tǒng)的直觀程度。該數(shù)據(jù)模型在結(jié)構(gòu)上將自身分為兩部分，分別是空間數(shù)據(jù)模型和屬性數(shù)據(jù)模型，并通過關(guān)聯(lián)主鍵GISID將二者連接在一起。二者之間功能具有較大差異，空間數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)獲取配電設(shè)備的地理位置，而屬性數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)管理設(shè)備的狀態(tài)信息。為了實(shí)現(xiàn)基于GIS系統(tǒng)的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將針對模型進(jìn)行元素化發(fā)展，利用GIS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對多分支低壓電網(wǎng)的故障區(qū)段進(jìn)行自動定位。在此基礎(chǔ)上，將GIS作為配電網(wǎng)的背景，通過拓?fù)浞治稣页鲈撓到y(tǒng)的供電電源，使其具有完整的連通線路。多分支低壓配電網(wǎng)電源點(diǎn)分析流程如圖2所示。

圖2 多分支低壓配電網(wǎng)電源點(diǎn)分析流程

4 基于GIS的多分支低壓電網(wǎng)的故障區(qū)段自動定位方法

4.1 主動型低壓多分支電網(wǎng)區(qū)段故障定位

為了降低低壓電網(wǎng)在使用過程中發(fā)生故障的頻率，采用主動型區(qū)段定位方法。該定位方法主要采用擴(kuò)展頻譜時域反射波發(fā)生器與被動式濾波器之間進(jìn)行相互配合，形成完善的定位體系，并在站室智能配電終端協(xié)調(diào)管理的基礎(chǔ)上對故障區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)定位，該方法可有效降低多分支低壓電網(wǎng)建設(shè)過程中的成本問題，適用于多種接線故障。通過該定位方法可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的自動定位，大量降低資源的使用[6]。

4.2 區(qū)段故障定位方法

針對低壓電網(wǎng)中部分線路出現(xiàn)問題時，可通過站室終端獲取該故障線路存在的狀態(tài)信息，分析數(shù)據(jù)信息以及故障區(qū)段的電流變化，該系統(tǒng)可區(qū)分線路中造成故障的主要原因。通過分析可知，造成電路出現(xiàn)故障的主要原因可能為開關(guān)出現(xiàn)閉合狀態(tài)或者線路自身出現(xiàn)故障。當(dāng)電壓的有效值出現(xiàn)快速跌落現(xiàn)象，或者支路斷路器的位置信號處于閉合狀態(tài)時，系統(tǒng)電流降至為零，此時系統(tǒng)的站室終端將啟動SSTDR的相應(yīng)裝置，針對故障線路進(jìn)行距離測量，并將故障線路的類型及位置信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳至站室終端，由檢修人員針對該故障信息進(jìn)行處理[7]。

4.3 低壓配電網(wǎng)GIS故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證該系統(tǒng)可精準(zhǔn)定位故障區(qū)段，在區(qū)段故障定位方法的基礎(chǔ)上結(jié)合GIS系統(tǒng)。通過GIS系統(tǒng)對故障數(shù)據(jù)的地理位置進(jìn)行自動查找，可保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止次生故障現(xiàn)象的發(fā)生，影響用戶正常生活。故障定位系統(tǒng)在實(shí)施過程中可針對事故狀態(tài)進(jìn)行自動監(jiān)測，實(shí)施流程應(yīng)通過SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，形成完善的故障解決體系。為保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行，在該系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)庫，用來存儲故障數(shù)據(jù)信息以及電能量采集系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在故障定位過程中易遭受外來信息的干擾，為防止誤判現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)提升該系統(tǒng)的故障定位正確性。由于線路區(qū)段出現(xiàn)故障將造成部分區(qū)域出現(xiàn)停電現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶無法正常用電，因此，本文將針對該現(xiàn)象設(shè)置客服系統(tǒng)。客服業(yè)務(wù)流程為用戶通過撥打熱線電話進(jìn)行投訴，客服將根據(jù)投訴內(nèi)容進(jìn)行故障判斷，并以短信的方式通知維修人員進(jìn)行檢修。

故障定位的流程為故障定位主要來源于自動檢測以及用戶投訴，通過該數(shù)據(jù)的上傳，系統(tǒng)可根據(jù)不同方面的信息進(jìn)行初步判斷。通過系統(tǒng)分析得出結(jié)論為確定故障時，系統(tǒng)將利用GIS功能進(jìn)行自動定位，將得出的位置信息通過特殊顏色進(jìn)行標(biāo)記，并將故障范圍通過報(bào)警的方式進(jìn)行提示，同時發(fā)送至檢修人員的設(shè)備中。其中貝葉斯故障分析方法有利于提升系統(tǒng)定位的精準(zhǔn)度，同時，系統(tǒng)將故障信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并將此次故障范圍通過特殊顏色體現(xiàn)在系統(tǒng)界面。多分支低壓電網(wǎng)的故障自動定位流程如圖3所示[8]。

圖3 多分支低壓電網(wǎng)的故障自動定位流程

5 總結(jié)

本文主要針對低壓電網(wǎng)進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，低壓電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上十分復(fù)雜，易出現(xiàn)故障問題，因此，將利用電纜故障信號的時域反射分析法針對故障進(jìn)行處理。該方法的原理主要是時域反射法，雖然低壓電網(wǎng)最接近于用戶的日常使用線路，但該線路較短，易遭受外界因素的干擾，而GIS系統(tǒng)具有較強(qiáng)優(yōu)勢，可利用GIS針對低壓電網(wǎng)進(jìn)行故障定位，該方法有利于提高我國電網(wǎng)的整體線路水平，使故障線路得到有效維護(hù)，在未來發(fā)展中，將針對該系統(tǒng)理念進(jìn)行革新，通過GIS技術(shù)的有力支撐，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)向科學(xué)技術(shù)的方向轉(zhuǎn)變。