多形態源荷配電網故障特性分析及應對策略研究

李成鋼　劉亞東　吳奎忠　侍哲　于非桐　劉乃毓

［摘 要］多形態源荷配電網作為電力系統的創新形態，集成了分布式能源、智能控制和可持續發展等特點，然而，其復雜性也增加了故障分析的難度。文章詳細探討了不同故障類型在不同形態下的特性，分析了故障的傳播機制和影響。針對故障監測與診斷技術，文章討論了智能傳感器、數據分析和人工智能等新技術的應用。應對策略與恢復機制方面，文章強調了針對不同形態的靈活應對策略和智能化控制技術。最后，展望了未來多形態源荷配電網故障特性研究的方向。

［關鍵詞］多形態源荷配電網；故障特性分析；傳播機制；監測診斷技術；應對策略

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2023.19.048

［中圖分類號］F273 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）19-0160-05

0? ? ?引 言

電力系統作為現代社會的重要基礎設施，對于經濟的繁榮和人民的生活至關重要。隨著能源結構調整和技術創新的推動，多形態源荷配電網作為電力系統的一種新型形式，正在逐漸引起廣泛關注。它以分布式能源為特點，通過整合傳統能源和可再生能源，實現了能源供應的多樣性和靈活性，從而為能源轉型和綠色發展提供了強有力的支持［1］。

然而，多形態源荷配電網的復雜性也為其故障特性分析帶來了全新的挑戰。與傳統的單一能源供應模式不同，多形態源荷配電網中涉及多種能源、多種設備，以及多種形態切換模式。這些因素使得故障傳播路徑和影響更加多樣化，使得故障特性分析更加復雜且具有針對性［2］。

以下本文將詳細探討多形態源荷配電網的故障分類、傳播機制、監測診斷技術和應對策略等方面的內容，以期為保障電力系統的可靠性和穩定性提供全面的理論和實踐指導。

1? ? ?多形態源荷配電網故障分類與特性

在多形態源荷配電網中，故障類型的多樣性是由多元能源供應和多樣性設備所引發的。下面詳細探討多形態源荷配電網中常見的故障類型及其特性。

1.1? ?短路故障

短路故障是多形態源荷配電網中常見的故障類型之一［3］。當電路中存在異常的電氣連接時，電流可以繞過正常路徑而形成短路。在不同形態下，短路故障可能會引發電流突增，導致設備過載，同時影響電壓穩定性。

在圖1中，和為系統電源。ZM和ZN是母線M左側的等效阻抗。ZMN為線路阻抗，和是流經母線M和母線N的電流。x是故障點f1到M側的距離與線路MN總長度。

1.2? ?過載故障

由于多形態源荷配電網中包含各種分布式能源和負荷，過載故障的特性也具有復雜性。在不同形態下，過載故障可能會因為不同能源輸入和設備狀態而呈現出不同的影響［4］。同時，多形態切換也可能引起瞬時過載情況。

1.3? ?設備故障

不同類型的設備（例如，變壓器、逆變器等）在多形態源荷配電網中具有不同的故障特性。設備故障可能導致電流波動、電壓不穩定等問題，對系統穩定性產生影響［5］。

1.4? ?能源供應中斷

多形態源荷配電網中，分布式能源的供應具有多樣性。能源供應中斷可能因為天氣變化、設備損壞等原因引發，導致系統部分或完全失去電力供應［6］。

不同故障類型在不同形態下的表現和影響是多形態源荷配電網故障特性研究的關鍵內容之一。了解和分析這些特性有助于制定更有效的故障監測、預防和應對策略，以確保多形態源荷配電網的可靠性和穩定性。

2? ? ?故障傳播機制與影響分析

多形態源荷配電網的故障傳播機制是一個復雜的問題，受到能源雙向流動、設備多樣性以及形態切換等因素的影響。下面詳細探討不同形態下的故障傳播機制和影響。

2.1? ?能源雙向流動的影響

多形態源荷配電網中，能源雙向流動是一種典型特征。在不同形態切換下，能源雙向流動可能會引發故障傳播路徑的變化［7］。例如，在電力網切換到微網形態時，能源可以從電網向微網流動，從而可能改變了潛在的故障傳播路徑。

2.2? ?形態切換引發的頻率電壓問題

多形態源荷配電網中的形態切換可能引發頻率和電壓的突變。這種突變可能會導致系統頻率的波動和電壓的異常，從而影響系統內各個節點和設備的工作狀態，進而可能引發連鎖性故障［8］。

2.3? ?多元設備的故障傳播

多形態源荷配電網中涉及多種設備，不同類型的設備在故障情況下的傳播機制可能不同。例如，逆變器故障可能導致分布式能源無法正常注入，進而影響系統的供電能力［9］。

2.4? ?連鎖性故障的潛在風險

多形態源荷配電網中的故障傳播可能引發連鎖性故障［9］。一處故障可能在不同形態下影響相鄰節點和設備，從而導致更大范圍的故障蔓延。了解連鎖性故障的風險有助于采取相應的應對策略，以最小化故障的影響。

了解不同形態下的故障傳播機制和影響對于多形態源荷配電網的穩定性和可靠性至關重要。深入分析這些機制有助于預測故障的可能路徑和影響范圍，為故障監測和應對策略的制定提供有力支持［10］。

3? ? ?故障監測與診斷技術

多形態源荷配電網的復雜性要求故障監測與診斷技術具備更高的準確性和實時性。以下是傳統和新興技術在故障監測與診斷方面的應用。

3.1? ?傳統監測與診斷技術

傳統的故障監測與診斷技術，如電流電壓測量、過電流保護等，在多形態源荷配電網中仍具有一定的適用性。然而，這些技術在涉及多能源輸入和多種設備的情況下，可能無法滿足精細的故障定位需求［11］。

3.2? ?智能傳感器技術

智能傳感器技術在多形態源荷配電網的故障監測中具有廣泛應用前景。這些傳感器能夠實時采集電流、電壓等信息，并通過網絡傳輸數據。智能傳感器技術提高了數據采集的效率和準確性，有助于故障的實時監測和診斷［12］。

3.3? ?數據分析和大數據技術

多形態源荷配電網產生大量數據，數據分析和大數據技術能夠從中提取有價值的信息。通過對數據進行模式識別、異常檢測等分析，可以實現故障的早期預警和診斷，有助于避免潛在的故障蔓延［13］。

3.4? ?人工智能與機器學習

人工智能和機器學習技術在故障監測與診斷領域的應用越來越廣泛。這些技術能夠通過學習系統運行數據，建立預測模型，從而實現對故障的自動檢測和定位。通過綜合利用傳統技術和新興技術，可以提高多形態源荷配電網故障監測的準確性和效率，從而更好地保障系統的穩定運行［14］。

4? ? ?繼電保護與配電自動化配合策略

繼電保護和配電自動化技術在多形態源荷配電網的故障應對中具有重要作用。在多形態源荷配電網中，兩者的協同配合策略可以進一步提高系統的可靠性和恢復能力［15］。

4.1? ?繼電保護技術

繼電保護技術是在故障發生時，根據電氣量的變化判斷故障位置和類型，進而切斷故障電路，保護設備和系統免受損壞。在多形態源荷配電網中，不同形態下的電氣參數變化需要考慮多種故障情況，從而制訂相應的保護方案。例如，電源切換過程中的電流、電壓波動可能會引發誤動作，需要針對不同形態優化繼電保護的設置［16］。

4.2? ?配電自動化技術

配電自動化技術通過智能化的控制系統實現電力系統的自動化運行，包括故障隔離、自愈和重構等。在多形態源荷配電網中，自動化系統能夠根據故障檢測結果，快速切換形態，調整能源分配和設備連接，實現系統的自動化恢復。自動化系統的響應速度和準確性對于多形態源荷配電網的故障應對至關重要［17］。

4.3? ?協同配合策略

繼電保護和配電自動化技術的協同配合可以最大程度地提高故障應對的效率和效果。繼電保護技術提供了快速故障檢測和定位的能力，而配電自動化技術能夠根據繼電保護的信號實現自動化的故障恢復。通過協同作用，可以實現更快速、準確的故障隔離和恢復，降低系統損失和影響［18］。

繼電保護和配電自動化技術的協同配合策略在多形態源荷配電網中的應用，能夠更好地保障系統的穩定性和可靠性。未來的研究可以更深入地探索兩者之間的協同機制和智能化控制方法，以適應多樣性能源和復雜性系統的需求。

5? ? ?應對策略與恢復機制

在多形態源荷配電網中，靈活且智能的故障應對策略是確保系統可靠性的關鍵。以下是在不同形態下的應對策略以及智能化控制技術在恢復機制中的應用。

5.1? ?隔離策略

針對多形態源荷配電網中的故障，采取隔離策略是一種常見方法。通過切斷故障部分，可以阻止故障的蔓延，保護系統其他部分的正常運行（參見圖2）。在不同形態下，隔離策略需要考慮能源流動的變化，確保隔離不會引發其他問題。

5.2? ?自愈策略

自愈策略是指系統在發生故障后自動切換到備用路徑或備用設備，以實現系統的自動恢復。在多形態源荷配電網中，自愈策略可以根據故障類型和形態切換情況，實現能源的重新分配和設備的自適應切換，從而最小化故障影響（參見圖3）。

5.3? ?重構策略

重構策略是指在故障發生后，通過改變系統的拓撲結構和能源分配，實現系統的重建。在多形態源荷配電網中，重構策略可以通過智能化控制實現，調整能源輸入、設備連接等，以適應不同形態的要求。

5.4? ?智能化控制技術的應用

智能化控制技術在多形態源荷配電網的故障恢復中具有重要作用。通過實時監測和數據分析，智能化控制系統可以自動切換形態、調整設備運行參數，實現系統的快速恢復和穩定運行。

多形態源荷配電網的故障應對策略需要充分考慮多樣性的能源和設備，以及形態切換帶來的影響。通過合理選擇和組合不同的應對策略，以及智能化控制技術的應用，可以在故障情況下保障系統的可靠性和穩定性。

6? ? ?未來展望與總結

多形態源荷配電網的故障特性研究是一個不斷演化的領域，在未來可能面臨一些新的研究方向和發展趨勢。

未來研究可以更加關注不同形態下精確故障模型的建立，從而提高故障診斷和應對策略的效果。隨著人工智能和機器學習技術的發展，未來的研究可以探索更智能化的故障診斷方法。基于大數據分析和模式識別，可以開發自動化的故障檢測與定位系統，實現更快速、準確的故障診斷。多形態源荷配電網中涉及不同類型的能源，未來的研究可以探索跨能源的故障特性分析。如何在不同能源之間實現平衡、故障傳播路徑的差異等都是值得深入研究的問題。在多形態源荷配電網中，智能化控制策略對于故障恢復的效果至關重要。未來的研究可以探索如何通過智能優化算法，實現不同形態下的最優故障恢復策略；探索如何在故障情況下和保證系統可靠性的前提下，更好地利用分布式能源和可再生能源，實現能源供應的平衡和優化。

本文詳細闡述多形態源荷配電網故障分類與特性、傳播機制與影響、監測診斷技術、應對策略與恢復機制，論述了多形態源荷配電網故障研究的復雜性和重要性。未來，通過繼續深入研究不同形態下多形態源荷配電網的故障特性，結合智能化控制技術的發展，我們有信心能夠更好地理解和應對多形態源荷配電網的故障問題，為電力系統的高質量發展貢獻力量。

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［收稿日期］2023-03-17

［基金項目］國網吉林省電力有限公司科技項目“多形態源荷接入的配電網故障特性分析及保護協同技術研究與應用”（2022JBGS-06）。

［作者簡介］李成鋼（1986— ），男，吉林長春人，高級工程師，碩士，主要研究方向：電力系統繼電保護技術。