配電網電源系統中的故障診斷與智能恢復策略研究

王玉龍

（日照港集裝箱發展有限公司動力分公司，山東 日照 276800）

0 引 言

隨著電力需求的不斷增長和電力系統規模的擴大，配電網電源系統在現代電力網絡中扮演的角色越來越重要。然而，配電網電源系統會因外部環境、設備老化等因素的影響而產生各種故障問題，威脅著電力供應的可靠性和穩定性。因此，深入研究故障診斷技術和智能恢復策略成為保障電力系統可靠運行的關鍵。

1 配電網電源系統基礎

1.1 系統構成與工作原理

配電網電源系統主要由配變電系統、備用電源系統和不間斷電源系統組成，具體結構如圖1 所示。

配變電系統是整個電力供應鏈的關鍵組成部分，由10 ～20 kV 配電柜、變壓器、0.4 kV 配電柜等要素組成，綜合考慮了電能傳輸和分配的高電壓部分、最終供給終端設備的低電壓部分。變壓器的選用和配置須根據具體需求和負載情況進行科學規劃。

備用電源系統由10 kV 和0.4 kV 的柴油發電機組及其對應的并機柜組成。設計該系統的目的是在主電源發生故障或中斷時，能夠迅速切換至備用電源，以確保數據中心的持續穩定運行。同時，通過合理配置并機柜，備用電源能夠實現高效協同工作，從而提高整體的可靠性。

不間斷電源系統由交流和直流不間斷電源、輸入配電柜、輸出配電柜以及蓄電池組組成[1]。在電力供應發生中斷時，該系統能夠無縫切換至蓄電池供電模式，確保數據中心設備不受電源波動的影響。輸入和輸出配電柜的設計旨在實現電源輸入和輸出的穩定分配，確保供電的平穩性。

1.2 常見故障類型及原因

在配電網電源系統中，常見的故障類型主要包括電力系統中斷、電壓波動、電流過載以及短路等。第一，電力系統中斷可能是由主電源故障、備用電源切換故障或配電柜故障引起的。這些設備故障的原因可能是設備老化、外部電力故障或操作失誤等。第二，電壓波動通常由電網電壓不穩定、電源電壓波動或電氣設備誤動引起，其原因可能涉及電源質量、設備工作狀態等。第三，電流過載可能是由負載過大、設備故障或過電流保護失效引起的，因此需合理規劃負載和設備的容量。第四，短路則可能由設備內部故障、外部短路引起，原因包括設備缺陷、絕緣擊穿等。

2 配電網電源系統的故障診斷技術

2.1 故障檢測方法

基于電流信號的故障檢測是一種常用的配電網電源系統的故障檢測方法，通過分析電流信號的特征，可以準確識別系統中的故障。另一種常見的故障檢測方法是利用電流信號的頻譜分析，即將電流信號轉換到頻域，以提取出不同頻率成分的信息，從而識別系統中的異常。通過使用傅里葉變換或小波變換，將電流信號分解成不同頻率的分量[2]。當系統發生故障時，電流信號的頻譜會發生變化，出現額外的諧波或頻率成分，用公式表示為

式中：X(f) 表示頻域信號；x(t)表示原始電流信號；f表示頻率。

通過監測電流信號的頻譜，可以檢測到常見的故障問題，如短路、過載等。例如，當系統中存在短路時，電流信號中會出現高頻諧波成分。基于電流信號的故障檢測方法具有實時性和高精度的優勢，為及時采取措施解決故障提供了有力的支持。

2.2 故障識別技術

在配電網電源系統的故障診斷技術中，可以采取基于模式識別的故障識別技術。該技術依賴于訓練系統在正常運行和各種故障條件下的模式，通過對比實時數據與預定義模式的方式，識別系統中的故障。常用的故障識別技術是支持向量機（Support Vector Machine，SVM），其基本思想是找到一個最優的超平面，并將不同類別的數據分隔開。在故障識別中，將不同類型的故障分為不同的類別，并訓練SVM 模型，以學習正常和異常狀態的特征，用公式表示為

式中：w表示超平面的法向量；b表示位移；ξ表示松弛變量；C表示懲罰因子。

通過使用SVM 模型，可以對電源系統的運行狀態進行監測和診斷。在輸入實時數據后，SVM 模型將判斷當前狀態是否符合訓練過的正常工作模式。

2.3 故障定位技術

在配電網電源系統的故障診斷技術中，故障定位至關重要。常用的高精度故障定位技術是時域反射技術（Time Domain Reflectometry，TDR），即通過測量電纜或導線上的信號反射來精確定位故障點的位置。TDR 技術利用電磁波在傳輸線上傳播速度的差異進行故障定位，當信號遇到電纜或導線上的故障點時會發生反射[3]。因此，通過測量反射信號的時延和幅度，可以精確確定故障點的距離和性質，用公式表示為

式中：L表示故障點距離；v表示電磁波在傳輸線上的傳播速度；t表示信號的反射時延。

在配電網電源系統中使用TDR 技術，可以準確定位故障發生位置，以迅速響應并解決故障問題，從而提高系統的可靠性和可維護性。

3 智能恢復策略研究

3.1 分布式電源的協調控制

在智能恢復策略研究中，分布式電源的協調控制是關鍵環節。分布式電源系統由多個分布式發電單元組成，協調控制旨在優化系統運行狀態，提高供電可靠性。通過實施協調算法，可以實現各個分布式電源單元的協同工作，以迅速解決配電網電源系統可能發生的故障。

協調控制的核心是分布式電源單元之間的信息交互和智能決策。通過實時監測電網狀態和故障信息，分布式電源單元能夠迅速響應并進行電能調度，確保系統能夠穩定供電。協調控制的關鍵技術之一是分布式電源的能量管理，即通過動態調整各個電源單元的輸出功率，實現對電網負荷的靈活調節，提高供電系統的適應性。協調控制還涉及對電能質量的有效維護，即通過協同作業，分布式電源單元可以共同應對電壓波動、諧波等問題，提高系統的電能質量[4]。

3.2 故障隔離與系統重構

智能恢復策略的關鍵組成部分之一是故障隔離與系統重構。配電網電源系統發生故障時，迅速且準確地隔離故障區域，并進行系統重構是確保電能供應可靠性的重要步驟。故障隔離與系統重構的技術性較強，質量高的策略可以有效縮短故障恢復時間，降低對用戶的影響。

在故障隔離方面，通過引入先進的故障定位技術，如時序分析、電流電壓特征識別等，可以實時監測電網參數，迅速定位故障點。基于這些信息，系統能夠精確地確定受影響的區域，并通過快速開關等設備隔離故障區，防止故障擴散。系統重構則是對隔離區域內的電力設備重新進行配置，以最小化對用戶的影響，確保電力系統的平衡性和穩定性。例如，采用拓撲重構算法，系統可以迅速調整電源供應路徑，重新分配受影響區域的電能[5]。這一過程的實現需要考慮多個因素，如電網拓撲結構、電源容量、電能質量等。

4 案例分析

4.1 配電網電源系統故障案例

某配電網電源系統發生了高電流短路故障，導致供電中斷。該故障發生在一個工業區域的10 kV 配電柜中，初步診斷可能是由于設備老化或外部因素引起的故障。首先，在故障檢測階段，利用智能故障診斷裝置實時監測電流和電壓參數，及時發現了異常的電流波形和電壓降低等情況。其次，借助SVM 等機器學習算法，成功識別出故障為高電流短路故障，并及時向運維人員報警。再次，系統啟動了故障隔離策略，根據定位結果切斷了受影響的配電區域。最后，在系統重構過程中，利用拓撲重構算法重新分配電源路徑，確保其他區域能夠正常供電，并及時更換配電柜的損壞設備，定期檢查和維護老化設備。

4.2 應用效果評估

通過綜合評價配電網電源系統故障案例，可知優化后的智能恢復策略在多個方面取得了顯著的應用效果，具體內容如表1 所示。

表1 應用效果

在故障診斷準確性方面，優化后的系統故障檢測和識別準確性從80%提升到了95%，提高了系統對各類故障的準確定位能力，為電源系統的穩定運行提供了有力保障；優化后的故障恢復時間大幅降低，從故障發生到系統完全恢復的時間由原先的120 min縮短至60 min，這意味著系統能夠更迅速、高效地應對故障，以降低停電對業務和用戶的影響，提高供電可靠性；在系統穩定性方面，通過監測系統在故障發生后的表現可知，優化后的系統更為穩定，在應對故障時能夠更好地維持正常運行，從而有效減少因系統不穩定帶來的潛在風險，提升了整個電源系統的穩健性；在故障處理成本方面，通過統計維護和修復成本發現，優化后的智能恢復策略比初始狀態的成本降低了20%。這是因為系統能夠實現更精準的故障定位和較短的故障恢復時間，有效減少了因故障造成的停工損失和維護費用，有助于電源系統的長期運行。

5 結 論

在配電網電源系統的研究中，主要研究電源系統的故障診斷技術，包括故障檢測、識別和定位等內容，因此文章提出了一系列有效的故障診斷方法與智能恢復策略。采用文章所提的優化策略后，電源系統在故障識別準確性、恢復時間、系統穩定性以及成本控制等方面均取得了顯著的改善，為提升電源系統的可靠性、降低維護成本提供了有力的支持。文章研究成果能夠為未來電力系統的可靠性和智能化發展提供有益的借鑒與參考。