含分布式電源配電網故障檢測與定位研究綜述

吳璐子，繆希仁，莊勝斌，傅敏毅，趙丹

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

配電網在電網中最靠近用戶，其故障后的快速復電是支撐供電可靠性的主要技術手段，因此，故障快速檢測與精準定位已成為故障區域快速有效隔離的關鍵技術.

隨著可再生能源的發展，從2014年開始，我國每年的風電和太陽能發電量均超過全社會新增用電量.截止2020年年底，我國風力發電累計裝機容量已達281.53 GW，光伏發電累計裝機容量達到252.88 GW.國家能源局“十四五”發展規劃進一步推進可再生能源的發展，傳統配電網將逐步發展為分布式電源高度滲透的新型電力系統.

新型電力系統配電網運行調控與故障特性將發生根本性變化，傳統配電網保護存在技術局限性，亟待研究含分布式電源配電網的新型保護方法.因此，本研究分析傳統配電網和含分布式電源(distributed generation,DG)配電網故障檢測與定位研究現狀，基于含分布式電源配電網故障特性分析，給出含分布式電源配電網故障檢測與定位研究展望，指出故障快速檢測與定位可實現含分布式電源配電網故障快速保護，以保障含分布式電源配電網的安全穩定運行.

1 配電網保護檢測與定位研究現狀

配電網是分配電能的電力網絡，其安全穩定運行直接影響供電可靠性，可靠性很大程度上取決于配電網保護的準確性與靈敏性.傳統配網保護適用于輻射型的網絡結構，然而，目前還沿用傳統配網保護方式，以解決多源多端網絡架構的含分布式電源配電網保護，從而產生了諸多技術問題.因此，亟待開展含分布式電源配電網的新型保護原理研究，尤其是解決關鍵的故障檢測與定位問題.

1.1 配電網繼電保護檢測現狀

我國配電網的接線方式主要為電纜采用單環網或雙環網接線、架空線采用放射式接線或分段聯絡接線[1]，但聯絡開關處于斷開狀態，故而傳統配電網是單側電源供電、輻射狀的拓撲結構，一般采用三段式電流保護[2-3]或反時限電流保護，繼電保護裝置采用過流繼電器以實現故障檢測.

迄今，大多數配電網DG滲透率較低，鑒于傳統繼電保護故障檢測適應性差，采用故障時線路DG強制退出措施，以保留原有傳統保護配置方案的有效性.因此，現階段主要從不同的約束條件入手限制DG準入容量，如基于輸配協同[4]、繼電保護動作[5]、保護可靠性[6]、諧波約束[7-8]和電壓約束[9]等方式，以計算分布式電源在配電網中的最大準入容量.

隨著DG滲透率的不斷提高，限制容量的并網保護檢測方式，在故障發生時可能出現大量DG的投切，將影響配電網的安全穩定運行，從而限制分布式電源的接入容量.因此，現有并網保護檢測方式限制了接入配電網的DG容量，不利于新能源的并網消納，亟待研究DG有效接入配電網的新型保護檢測方式.

1.2 配電網繼電保護定位現狀

配電網故障跳閘后，由配電自動化系統實現故障定位[10-11]，以提升一線運維人員恢復故障區域供電的效率.配電自動化系統通過饋線終端裝置(FTU)將故障信息上傳至配電主站，由主站進行數據處理完成故障定位[12-13].基于FTU信息的定位方法主要分為兩類，根據建模方式的不同可分為矩陣法[14-17]和人工智能法[18-21].

其中，矩陣法基于饋線終端FTU上傳的信息形成故障信息矩陣，與拓撲關聯矩陣運算后形成故障判斷矩陣,該方法對信息準確度要求極高，運算速度快，但容錯性較差.人工智能法基于開關函數建立求解模型，將故障區段作為解空間以獲取最優解,該方法容錯性好、種類多樣且更新速度快，但存在運算速度慢、容易陷入局部最優等缺點,如采用遺傳算法[18]、粗糙集理論[19]、和聲算法[20]、仿電磁學[21]等算法以實現故障定位.

隨著多類型分布式電源與電力電子設備的大量接入，配電網存在故障特性復雜化、模型構建難度大等多重挑戰，因此亟待提升故障定位算法性能.

2 含分布式電源配電網故障特性分析

隨著分布式電源并網，傳統配電網逐步拓展為含分布式電源配電網，DG接入導致其故障特性與傳統配電網存在諸多差異，給系統保護檢測與定位帶來新的技術挑戰.

根據分布式電源并網方式的不同，分布式電源可分為兩類：電機類和逆變類[22].電機類DG一般為直接并網的分布式電源，主要有柴油機發電、小型水力發電等類型.電機類DG提供的最大短路電流可達其額定電流的6～10倍，對配電網短路電流特性的影響較大[23].

逆變類DG一般為逆變器并網的分布式電源，主要有光伏發電、風力發電等類型.受逆變器控制策略及電力電子器件耐受力影響，逆變類DG承受的短路電流一般不超過其額定電流的1.5～2.0倍.不同于電機類DG，逆變類DG需具備低電壓穿越功能[22,24]，故障時優先輸出無功以支撐系統電壓并在規定時間內保持不脫網.

2.1 DG間歇性接入的故障特性分析

計及分布式電源的保護檢測，需滿足不同運行工況下分布式電源間歇式接入的時空特性，如分布式電源不出力時的傳統配電網保護檢測要求，不同分布式電源間歇式出力、分布式電源全部出力等不同工況對含分布式電源配電網保護檢測適應性要求.因此，含分布式電源配電網的復雜并網運行工況，給配電網保護檢測及其可靠性提出了新的技術要求.

分布式電源間歇式接入時，配電網故障特性主要表現以下幾點：

1) 逆變類DG的出力具有間歇性，當分布式電源出力期發生故障，由于逆變類DG故障電流通常不超過其額定電流的1.5～2.0倍，故障電流較小，增加了故障檢測難度.當DG處于歇力期，針對變換器的不同可分為兩種情況：單相變換器電力電子裝置閉鎖，此時DG類似空載特性；采用雙向變換器的分布式電源，在歇力期DG將轉換成負荷充電.此外，光伏與風電間歇特性存在較大差異.DG出力的不穩定性使得故障特性失穩，對保護檢測的自適應性提出了更高的要求.

2) 不同時間段的出力特性、不同拓撲和控制策略的DG在不同并網點下的短路故障響應特性差異化較大，且電力電子高比例應用將形成由半導體電路產生的短路故障新特性，因此，故障電流難以定性分析和建模，且增加了故障檢測算法的不確定性和隨機性，給保護整定及故障方向判斷帶來困難[25-26].

3) 故障期間，逆變類DG呈現電流源特性，與傳統同步發電機的電壓源特性存在較大差異[27]，交流系統非電源側短路故障下，由于逆變類DG的短路故障響應特性不同于傳統交流同步發電機，基于“恒電壓源+恒內阻抗串聯”的傳統交流同步發電機等效模型無法適用；低電壓穿越期間，負序分量的存在對故障穿越的控制策略提出了新的要求[28-29].迄今，DG的不同運行狀態與間歇性出力的時空關聯特性尚未深入探索，現有等值模型難以適用，為保護檢測帶來新的技術挑戰.

由此可見，分布式電源間歇式接入時，不同運行工況下配電網故障特性差異較大，因此，含分布式電源配電網故障保護檢測研究難度大且要求故障檢測方法要具備多工況適應性.

2.2 DG不同接入位置的故障特性分析

傳統配電網故障電流一般從電源側流向故障點，然而，含分布式電源配電網存在多電源點，故障短路電流呈現出多端多向的特性，傳統配電網單一故障電流檢測轉換為多源故障檢測，因此，準確實現故障檢測與故障定位成為含分布式電源配電網保護的關鍵技術.

此外，DG接入位置的不同影響配電網繼電保護檢測性能，可能引起保護裝置的誤動或拒動.

1)DG接入線路首端.如圖1所示，DG位于線路首端，如F1故障發生時，DG和系統電源共同提供短路電流，DG對配網保護的影響較小，只需調整保護整定值即可沿用傳統配網保護.

2)DG接入線路中段.如圖2所示，DG位于線路中段對配電網保護的影響較大，具體影響需視故障點與DG的相對位置來決定.當DG上游線路如F1發生短路故障時，DG向故障點注入的短路電流對K1產生了類似“屏蔽”的效應，K1處保護裝置檢測到的故障電流幅值減小，可能引起K1保護拒動.當DG下游線路如F2發生短路故障時，系統和DG同時向故障點注入短路電流，此時，DG向K2所在區段提供助增短路電流，該助增電流可能提高K2保護的靈敏度或造成K2與相鄰下一段線路的原有保護設置失去有效配合.當DG接入饋線的鄰近線路如F3發生短路故障時，DG提供的反向短路電流將流過非故障線路L1及其保護K1處，可能引起K1保護誤動.

圖1 DG接入線路首端Fig.1 DG is connected to the head of the line

圖2 DG接入線路中段Fig.2 DG is connected to the middle of the line

圖3 DG接入線路末端Fig.3 DG is connected to the end of the line

3) DG接入線路末端.如圖3所示，DG位于線路末端，DG對配網保護的影響僅限于DG接入處饋線.當DG近端F1發生故障時，由于距離較近，DG對故障點的影響相當于系統電源，K3保護動作；由于系統側與故障點距離較遠，L1線路K1處故障特征不明顯，可能引起K1保護拒動，導致系統電源持續向故障點注入短路電流，無法實現故障完全隔離，形成非計劃孤島.當系統近端F2處或非DG接入饋線如F3處發生故障時，K1將檢測到DG提供的反向故障電流，由于故障點F2/F3距離DG較遠，DG提供的故障電流不足以引起K1保護動作；當F3處發生故障時，DG向K2提供的助增電流較小，但在一定程度上提升K2保護的靈敏度.

由此可見，含分布式電源配電網故障檢測不僅從傳統配電網單一故障電流檢測轉換為多源故障檢測，而且DG接入位置不同、故障發生位置不同的情況下，將帶來故障檢測靈敏度問題，給故障檢測可靠性及其故障有效辨識增加了技術難度.

3 含分布式電源配電網故障檢測與定位研究現狀

如上節所述，由于含分布式電源配電網故障特性與傳統配電網存在較大差異，傳統配電網故障檢測與定位方法已無法適用，需針對分布式電源并網后的配電網保護做出相應的調整與改進.目前，針對含分布式電源配電網保護，國內外已開展了大量的研究工作，其現狀按故障檢測與定位概括如下.

3.1 含分布式電源配電網故障檢測研究現狀

故障檢測實現感知及判斷系統發生故障，其準確性可有效降低后續故障定位的誤判率.國內外文獻針對含分布式電源配電網故障檢測研究，可歸納為以下3種.

近年來，靈渠基礎設施及人文環境不斷改善，同時列入世界文化遺產預備名單，相應知名度也在日漸提升，靈渠旅游已逐漸成熟。但筆者在田野調查之后，發現其中仍存在眾多問題。靈渠文化遺產旅游不僅是一種經濟產業，更是是一種文化活動，文化是靈渠旅游的靈魂。文化結構分為三個層面，外層的物質層面，中層的制度層面、內層的精神層面。靈渠旅游發展的一系列問題側面反應了靈渠旅游規劃的基本思想存在一些偏差，致使出現一系列不利于旅游發展的矛盾。筆者在此運用人類學理論對靈渠旅游發展提出幾點建議。

3.1.1 基于閾值的故障檢測方法

基于閾值的故障檢測方法[30]設置動作閾值，若測量值超過閾值，則判定系統發生故障并啟動保護裝置.該方法原理簡單、易于實現，但閾值選取不當，將引起誤判，為此引入了自適應保護，可根據配電系統運行方式和故障狀態變化自動調整檢測閾值，以使含分布式電源配電網的檢測性能處于最佳狀態[31-34].其中，文獻[31]根據支路貢獻因子消除DG對保護的影響，從而得到自適應的整定閾值；文獻[32]通過迭代法求解適用于逆變類DG的自適應閾值.然而，隨著DG滲透率提高，閾值整定難度逐步加大，已無法適用高比例DG接入的配電網.

3.1.2 基于多端信息的故障檢測方法

1)信號比較法.含分布式電源配電網具有多端供電的網絡結構特點，可通過比較故障態下線路兩側的電氣量，以檢測區內故障或區外故障[35-40].配電網故障信息多且廣，可利用電流幅值與相角[35-36]、電流相角突變量方向[37]、故障超前相的能量函數[38]、波形相關性[39-40]等，以實現含分布式電源配電網的故障檢測.但信號比較法對通信的依賴性較高，故障時區段兩端的數據需保持嚴格同步，數據失步將造成故障檢測失準.

2)信息融合法.由于小電流接地系統單相接地故障檢測難度大，利用單一量測數據難以適應配電網復雜的故障情況.文獻[41]綜合利用電氣量信息、保護信息和斷路器信息構造故障判據，構建多代理故障診斷解析模型，利用人工智能算法求得最優解；文獻[42]通過可疑故障元件庫和故障診斷模型，采用Petri網技術進行故障診斷，實現故障檢測；文獻[43]構造包含正序電流、負序電流和分相全電流比幅的新型綜合判據，故障時可自動優選靈敏度最高的子判據實現故障檢測.然而，由于信息融合法處理的故障信息較多，因此，該方法用時相對較長，且仍無法避免檢測死區問題.

3.1.3 其它故障檢測方式

基于故障信息的深度分析，提出新的故障檢測方式[44-46]，以適應高滲透率的含分布式電源配電網保護技術的發展.其中，文獻[44]提出了補償阻抗的概念，通過比較補償阻抗極性的不同來檢測故障并實現故障定位；文獻[45]通過分析比較正序電流和故障前并網點電壓相位，由此提出利用相位差的正弦值檢測正向故障的方法，再依據節點類型實現故障定位隔離.

綜上所述，現有的含分布式電源配電網保護檢測方式未充分利用故障暫態特性，而電力電子設備具有耐受性限制，要求配電網保護裝置具備較好的快速性，因此，亟待研究新型的故障檢測技術，以提升配電網保護的快速性.

3.2 含分布式電源配電網故障定位研究現狀

故障定位實現故障后準確查找故障區域，隔離故障區域并實現非故障區域的快速復電，以提高供電可靠性.隨著DG滲透率的不斷提高，含分布式電源配電網的網絡結構、電源特性等發生了根本性變化，原有以輻射型為主的電網故障定位算法已無法適用，沿用原有算法將可能導致誤判，因此，亟待研究新的故障定位算法.

3.2.1 基于傳統配電網故障定位算法的改進算法

1) 注入法.在配電網故障后，利用諸如電壓互感器等信號注入設備向系統注入某種特殊信號，通過查驗信號流過的路徑來定位故障的準確位置[47-48]，主要包含S注入法、單端注入行波法、端口故障診斷法和加傳遞函數法等[49].

注入法需要額外的信號注入源和輔助檢測裝置，經濟性較低，且測距結果的可靠性受分布電容、過渡電阻等影響較大[49]，可與其它方法相結合以改進算法性能，如文獻[50]利用FTU和S注入法配合的方式，消除了線路對地電容的影響；文獻[51]基于柔性開關設備(SOP)進行功能拓展，將其作為信號注入源，實現含分布式電源配電網的故障定位.

2) 行波法.測量電壓、電流行波到故障點的傳播時間以確定故障距離[52-53]，具有不受系統參數、過渡電阻及系統運行方式等影響的優點[54].將行波法與機器學習方法相結合，可實現復雜配網的分支線故障定位[55].

單端行波法利用行波的折反射特性，根據初始行波波頭與來自故障點的第1次反射波波頭的時間差來實現故障定位[56]，單端法在拓撲結構復雜、多源的配電網中難以適用.雙端行波法根據故障點產生的行波到達線路兩端的時間差來實現故障定位，通過行波信號差異的分析，可解決含分布式電源配電網的故障定位問題[57]，但由于需要雙端通信，所以每個分支節點都需加裝檢測裝置，且算法對時鐘同步有嚴格要求，增加了定位成本.

3) 阻抗法.基于故障電壓與故障電流值，計算故障點到測距裝置間的線路阻抗，根據故障回路阻抗與故障距離成正比的關系求取故障距離.阻抗法相比于其它定位方法，具有原理簡單的優點，是目前應用最為廣泛的故障定位技術，但易受過渡電阻、線路分支等因素影響，出現偽故障點[58]，無法應用于直流輸電線路，但改進的阻抗法可應用于纜線混合的含分布式電源配電網中[59].

3.2.2 新型含分布式電源配電網故障定位算法

1) 基于PMU的故障定位算法.同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)的應用為故障定位提供豐富的數據來源，與傳統的饋線終端相比，其采樣頻率更高、成本更低，幅值和相位誤差僅為0.5%和0.01%[60]，可沿線安裝并通過無線專網、4G、5G、有線等多種通信方式.文獻[61]利用三相電壓/電流同步相量數據，提出基于時空特征矩陣 Frobenius范數的短路故障區段定位算法，可自適應拓撲結構變化、通信中斷等場景；文獻[62]引入微型同步相量測量裝置，通過優化配置，利用不平衡電流實現故障定位.

2) 基于零序分量的故障定位算法.我國配電網多為小電流接地系統，單相接地故障占故障的80%以上[63].當配電網發生單相接地故障，暫態零序分量的故障特征豐富且突出，可用于接地故障的檢測與定位.

DG的加入不影響線路的暫態零序電流分布，文獻[64]采用小波分析提取暫態零序電流細節分量，通過幅值和相位的比較定位故障，但需每個分支節點配置測量裝置；文獻[65]通過分析故障零序電流特征，建立含DG配網零序阻抗模型，僅依靠源端測量數據即可定位故障區間；文獻[66]無需配置測量點，在配電自動化的基礎上，提出基于零序電流衰減周期分量相位差的故障定位方法.

3) 其他故障定位方法.在分析含分布式電源配電網故障時饋線的各電氣量變化特征基礎上，構造基于故障電流、電壓的故障饋線區段定位方法[67-69].文獻[67-68]在測量各個電源在系統故障前后的電壓變化量基礎上，利用電壓變化量對系統進行故障定位.

綜上所述，傳統配電網故障定位改進算法無法滿足高滲透率下的含分布式電源配電網定位精度要求；現有新型故障定位算法，在一定程度上解決了含分布式電源配電網故障定位問題，但在配電網故障信號去噪、特征提取有效性等方面有待加強，以提高新型故障定位算法的適用性.

4 含分布式電源配電網故障檢測與定位研究展望

隨著逆變類DG大量并網、多類型的電力電子設備規模化接入，故障時，一方面，電力電子投退可能導致電壓/頻率失穩，危害電網安全；另一方面，電力電子設備自身對短路電流的耐受值十分有限.因此，為減小故障對電力電子裝備交直流兩側的影響，交流側故障時，DG應及時退出，以計劃性孤島方式運行；直流側故障時，DG并網保護通過快速檢測識別故障并分斷并網斷路器，避免直流側故障擴大至交流側，快速檢測與定位隔離能夠最大限度地降低電網擾動風險，提高系統穩定性與可靠性.因此，亟待研究含分布式電源的配電網故障檢測與定位，以應對新型電力配電網安全運行的系統保護需求.

4.1 含分布式電源配電網故障檢測研究展望

對于故障檢測而言，現有智能型保護檢測裝置大多是利用故障后一個周波的穩態數據(故障已發生5～10 ms)，短路電流已達至較大數值，此時隔離故障對線路、設備及開關的動熱穩定性要求很高，因而故障快速檢測的研究顯得十分必要.含分布式電源配電網的故障快速檢測能夠避免過大的短路電流損害開關設備的使用壽命，并有效保障含電力電子設備的配電網穩定性，可以從以下三個方面加以考慮.

1) 故障檢測速度.配網故障快速檢測[70-71]關鍵在于暫態特征提取，利用故障暫態特征可實現故障快速檢測.充分解析故障時直流側對交流測的影響，研究適用于含分布式電源配電網的故障檢測新方法，如利用小波變換提取暫態零序電壓故障跌落特征，以滲透率為33%的含分布式電源配電網為對象加以實驗，結果顯示零序電壓能夠實現全相角范圍下的故障檢測，檢測用時在1 ms以內.

2) 自適應閾值設置.檢測算法的關鍵在于閾值的選取，閾值需兼顧速動性與準確性，過小的閾值在干擾工況下容易發生誤判，過大的閾值將增加故障檢測的時間.DG接入迫使傳統的故障模型做出相應的調整，模型需兼顧分布式電源間歇式接入與低電壓穿越期間的故障新特性，使用如孿生計算等構建含分布式電源配電網模型，盡可能地貼合實際配電網運行特性，根據配電網拓撲結構及運行方式變化，以自適應獲得相應的故障檢測閾值.

3) 噪聲干擾.現場設備信息采集過程中的白噪聲和有色噪聲，將影響故障信息的獲取.通過濾波技術可有效保留故障特征，以提高故障檢測算法的準確性.大量電力電子設備接入，引起含分布式電源配電網諧波頻率特性與傳統配電網存在明顯差異.DG的位置、出力間歇性使配電網絡等值阻抗發生變化，從而直接影響系統諧波分布.可利用配電網諧波特性提高小電流接地系統的故障檢測能力[72-73]，如文獻[73]提出了計及頻率特征的電流幅值差動保護.

4.2 含分布式電源配電網故障定位研究展望

對于故障定位而言，現有配電網多為小電流接地系統，諧振接地系統故障特征微弱，故障電壓、電流跌落較小，故障定位難度大.受DG影響，故障長期未解除將帶來極大的安全隱患，且可能擴大事故范圍.含分布式電源配電網故障電流的雙向性將給故障定位算法帶來新的挑戰，可從以下三個方向加以考慮.

1) 定位速度.隨著電力系統數字化轉型，量測裝置部署廣泛，電力大數據技術發展迅猛，配電網正逐步實現系統狀態全面感知，為故障定位提供豐富的數據來源[62,74].由故障快速檢測為后續故障定位及保護實施爭取時間空間，定位算法啟動確認故障發生區段，開關快速操作機構配合保護動作，迅速隔離故障區域，以實現含分布式電源配電網的故障快速保護.

2) 定位原理.基于配電網單相接地故障頻發，計及不平衡電流的影響，研究利用單相接地故障本身所產生信號的故障定位原理.節點注入電流測量值與計算值間的差別將產生不平衡電流，通過研究不平衡電流對故障定位的影響，分析不平衡電流特征，也可將其作為定位判據使用[64].傳統故障定位算法，在配網多分支結構下，易產生定位誤差，需剔除偽故障點.可研究新型故障定位方法，如利用健全區段間波形相似度高而故障區段波形差異大的特性[75]，通過相似度衡量算法實現故障定位.

3) 測距精度.故障測距是為了定位故障的具體位置以降低人工巡查的時間成本[49]，以快速恢復故障區域的供電，避免長時間停電引起的用戶投訴，對提高供電質量和經濟運行有著重要意義.故障測距的精確性使得其推廣需要大量的配網布點，需要研究低成本、抗干擾的能適應各種場景的實用化測距裝置.此外，還可通過研究故障電壓電流在配電網絡的分布特性，優化測距裝置的配置，僅依靠源端就能實現全系統的故障測距方法.

5 結語

新能源接入和人工智能應用有機結合，推動了配電網由傳統的被動型朝著主動、智能型轉變，智能配電網的有源特性使其電力電子化特征日益顯著，要求配電網在保障可靠性的同時還應提升快速性.然而，現有的保護技術已無法滿足新能源高滲透率及電力電子裝置高比例接入的“雙高”需求，因此，針對配電網故障快速保護的關鍵問題，本研究綜述故障檢測與定位研究現狀，提出含分布式電源配電網故障檢測與定位研究展望，并得出以下結論.

1) 含分布式電源配電網的多源特性使傳統配電網檢測與定位方案不再適用，現有的含分布式電源配電網保護通常采用限制準入容量的方式，其不利于構建以新能源為主體的新型電力系統的發展.

2) 改進的含分布式電源配電網故障檢測與定位方案分為兩大類.一是針對傳統方法的改進，在故障檢測中體現為閾值的自適應整定；二是提出新型故障檢測與定位方法，在故障檢測中體現為信號縱聯比較與信息融合.隨著逆變類DG持續接入，上述兩類方案均未考慮電力電子裝置規模化的含分布式電源配電網故障新特性，因此，應針對現有的含分布式電源配電網開展快速性保護的理論與應用研究.

3) 故障快速檢測與故障定位是實現保護快速性的主要途徑，在系統發生故障時快速檢測且加以故障辨識，通過故障定位算法確定故障位置，在此基礎上，保護裝置與開關機構聯動切除故障，以實現故障區域安全快速隔離.