分布式发电配电网故障区间定位的自适应矩阵算法

吴乐鹏，黄 纯，曾照新

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

分布式发电配电网故障区间定位的自适应矩阵算法

吴乐鹏，黄 纯，曾照新

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

准确定位分布式发电配电网故障区段是有效利用清洁能源的前提。基于馈线终端单元(FTU）的配电网故障定位矩阵算法，提出一种适合分布式发电配电网故障定位自适应算法。根据流过FTU的过电流及其方向，首先判断分布式电源是否投入运行和母线及分布式电源是否发生故障，初步确定配电网的故障区域;再根据故障区域结构和FTU过电流信息自适应构成故障矩阵，定位故障所在线路;为排除畸变故障信息的干扰，比较故障线路两端检测到的故障电流差值，提出了故障电流差值比较判据。算例验证了算法的准确性、高效性和良好的容错机制。

分布式发电;配电网;FTU;故障定位;自适应算法

1 引言

由于分布式发电(Distributed Generation，DG）能源多样化、环保、节能、高效等多方面的优越性，这种发电技术获得人们越来越多的关注。大量DG直接接入配电网以后，给配电网带来了许多不利影响［1-3］，使得配电系统不是只含系统电源的网络，而是存在大量的分布式电源的复杂电网，传统的故障定位方式已经不能够满足要求。因此，为了经济、快速地实现DG配电网故障定位，有必要对现有的故障定位方法进行改进，为分布式发电的蓬勃发展提供广阔的空间。

在传统配电网中，用于故障定位的方法主要是基于FTU的故障分段定位方法［4］。文献［5］提出了一种适合在多电源供电系统中同一条线路中发生多重故障的定位方法，但方法的不足之处是要对每一个电源都假定一次正方向，同时算法需要矩阵相乘和规格化处理，运算量大，处理时间长。文献［6］通过判断FTU上的故障过电流提出一种配电网故障区段判断和隔离的统一矩阵算法。文献［7］使用链表法对故障进行搜索，确定故障位置，缩短了故障定位时间。然而以上方法均不能够有效地解决含分布式电源的配电网定位故障问题，文献［8-9］基于智能电子装置和广域保护方案，提出分布式发电故障定位新方法，但其对通信要求较高，难于实现。

本文提出了一种分布式发电故障定位自适应算法，在不改变传统配电网FTU故障定位装置的前提下，在分布式电源接入电网处安装FTU，只需要对传统故障定位方法进行软件升级，便可以有效地确定分布式发电配电网故障区域，与传统故障定位 矩阵算法相比，具有良好的容错机制，解决了当DG频繁投切时传统算法存在误判的问题。

2 分布式发电配电网故障定位自适应算法

2.1 分布式发电配电网故障描述矩阵

对每个FTU进行编号，将配电网系统电源指向馈线或DG的方向定义为正方向，判断与系统电源连接的节点，当无故障电流或故障电流方向与正方向相反时，表明该节点所在的支路无故障:反之，该节点所在的支路存在故障。

图1所示为与DG直接相连的三分支节点，先判断与分布式电源直接相连的节点3的过电流方向。如果过电流方向与正方向相同，则为DG故障，如果过电流方向与正方向相反，则为配电网线路故障，此时还应对另外两分支上的节点1和节点2的过电流方向进行如下分析。

图1 与DG相连接的三分支节点Fig.1 Three branches of node connected with DG

(1）节点1和节点2的过电流方向同向且与正方向相同，则故障发生在分布式电源的下游，只需考虑节点2下游的线路;

(2）节点1和节点2的过电流方向同向且与正方向相反，则故障发生在分布式电源的上游，只需考虑节点1上游的线路;

(3）节点1和节点2的过电流方向相反，则表明配电网线路存在多重故障;

(4）如果只有一个节点存在过电流，其过电流一定发生在节点1上，且方向与正方向相反，只需考虑节点1上游的线路。

按上述方式确定故障所在区域，对故障区域内的FTU重新编号，可得到故障描述矩阵 D，D为上三角矩阵，其中

这种故障描述矩阵排除了部分非故障区域节点，简化了矩阵维数，根据故障区域自适应调节矩阵，运算速度更快。

2.2 分布式发电配电网故障信息矩阵

根据故障区域内FTU流过的故障过电流及其方向确定故障信息矩阵G，G为一对角矩阵，G的维数与D相同，其中

2.3 分布式发电配电网故障判断矩阵

当配电网中发生故障后，若节点i存在故障电流且故障电流方向与正方向相同，则将节点i置 1;若节点i存在故障电流且故障电流方向与正方向相反，则节点i置－ 1;若节点 i不存在故障过电流，则节点i置0。将故障描述矩阵D和故障信息矩阵G相加后得到故障判断矩阵P，即

故障判断矩阵P是反应配电网故障所在区域及故障信息的依据。

2.4 故障区段定位原则

对故障判断矩阵P进行分析即可以确定故障区段。P中的元素满足下列条件之一即可确定故障区段:

① 当 pii=1时，若 pij=1(i≠ j）且 pjj≠1，则故障在节点i与节点j之间;

② 当 pii=－1时，若 pji=1(i≠ j）且 pjj=0，则故障在节点i与节点j之间。

注:线路末端i故障时有pii=1

3 分布式发电复杂配电网多重故障定位

图2所示为含分布式发电配电网拓扑结构图，配电网中F1、F2和 F3处同时发生故障时，可根据以下原则定位故障。

图2 分布式发电配电网拓扑结构图Fig.2 Topological structure diagram of certain distribution network with distributed generation

根据故障定位自适应算法可确定故障所在区域内的节点为:节点 7、8、9、10、11、12、13、16、17、21、22、25和 26。按此顺序可得故障描述矩阵见式(4），故障信息矩阵见式(5），可得到故障判断矩阵P见式(6）。

由故障定位判定条件可知p11=1，p12=1且p22≠1，由此判定节点7和节点8之间的线路上发生故障;p44=1，p45=1且p55≠1，由此判定节点10和节点11之间的线路上发生故障;p88=1，p89=1且p99≠1，由此判定节点16和节点17之间的线路上发生故障。而对节点12和节点13故障信息同时为1或－1时均不满足故障发生条件，算例结果不受影响。自适应矩阵算法得出的故障定位结果与配电网中实际故障点F1、F2、F3完全一致。

4 畸变故障信息下的故障定位判据

当系统发生畸变时，单点畸变或者多点畸变均有可能导致对故障区间的误判，因此，针对畸变可能引起的误判，提出了故障电流差值比较判据，对故障进一步处理，排除误判，准确定位故障区间。

当故障发生在节点5、6之间，首先确定节点1的故障电流方向与正方向相同，其次对节点1下游与分布式电源相连的三节点分支进行分析:对于DG1，节点2和3的过电流方向同向且与正方向相同，故障发生在节点3的下游线路;对于 DG2，只有节点6流过过电流且方向与正方向相反，故障发生在节点6的上游线路;可确定故障所在区域内的节点为3、4、5、6。但由于节点4和节点5的故障信息发生畸变，故障信息序列变为G=diag［1 0 0－1］，

对故障FTU所采集到的电流幅值进行比较，排除畸变信息对故障点的影响。分析线路有无故障时FTU所采集的电流差值如下:

(1）正常情况下，线路两端FTU所采集到电流相差不大，所以电流差值近似为 0;

(2）当故障发生时，故障点两端FTU所采集到的电流差值较大。

因此，可以利用基于电流差值比较的方法进一步确定故障区域，排除畸变信号对故障定位可能发生误判的影响。比较故障线路两端的FTU检测到的电流差值为

式中，Ik1为流过节点1的故障电流;Ik2为流过节点2的故障电流。

故障电流差值比较判据为

式中，系数K可根据工程实际情况确定，本文算例分析部分取系数K为0.1。

5 算例分析

算例仿真以SQL Server和VC作为数据库和计算程序开发工具，编制故障定位软件，以图2中分布式发电配电网为例，在不改变DG安装位置和容量时，对完备信息、畸变故障信息，分布式电源故障及投退，进行故障定位算例测试结果如表1所示，测试结果均在20ms内准确定位到正确的故障区段，自适应故障定位测试结果验证了该方法的正确性。

表1 部分故障定位算例测试结果Tab.1 Test results of some fault location example

(1）改变DG容量对算法的容错性进行算例分析。当系统在F1和F2处同时发生三相短路故障时，由第2节分析可知，改变所有DG的容量，所需要考虑到故障信号序列为节点 10、11、12、13、16、17、21、22、25 和 26。测试结果如表 2 所示。

由表2可知，改变DG容量，只对FTU故障信息序列中节点17、21、22的信号产生影响，对算法测试结果无影响，能准确判定故障发生在F1和F2处。

(2）改变DG的安装位置对算法的容错性进行算例分析。当 DG容量均为1MW时，改变 DG1，DG2和DG3的安装位置，系统在 F3处发生三相短路故障时，测试结果如表3所示。

表2 改变DG容量算例测试结果Tab.2 Test results of examples of changing DG capacity

表3 改变DG安装位置算例测试结果Tab.3 Test results of examples of changing DG installation location

由表3可知，改变DG安装位置容量，只对故障点所在区域内FTU所检测到的信号产生影响，对算法测试结果无影响，能准确判定故障发生在F3处。

综上可知，分布式发电配电网中，对于FTU所检测到的完备故障信息、非完备故障信息和畸变故障信息，不同 DG容量、不同 DG安装位置、不同故障类型，自适应矩阵算法均能够准确定位故障区段，并能准确判断DG是否投入运行或发生故障，对系统运行方式改变具有较强的自适应能力。文中方法使用相电流进行分析，适用于不同类型的故障类型，限于篇幅仅对三相短路故障进行了分析。

6 结论

本文分析了传统配电网故障定位方法的局限性，结合DG接入后配电网结构的变化，提出一种能根据DG投入或者退出运行改变系统运行方式，并具有自适应调整能力的DG故障定位自适应矩阵算法。与传统配电网故障定位方法相比，自适应算法能根据DG投切与否自动调整故障判断矩阵，故障判断矩阵排除了无关节点信息，运算速度更快，更适合在线监测故障。

References）:

［1］Li Yongli，Li Shengwei，Liu Sen.Effects of inverterbased distributed generation on distribution feeder protection［A］.The 8th International Power Engineering Conference［C］.Singapore，2007.1386-1390.

［2］Girgis A，Brahma S.Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system［A］.Proceedings of 2001 Large Engineering Systems Conference on Power Engineering ［C］. Halifax， Canada，2002.115-119.

［3］Keane A，Omalley M.Optimal utilization of distribution networks for energy harvesting［J］.IEEE Trans.on Power Systems，2007，22(1）:467-475.

［4］季涛，孙同景，薛永端，等 (Ji Tao，Sun Tongjing，Xue Yongduan，et al.）.配电网故障定位技术现状与展望(Current status and development of fault location technique for distribution network）［J］.继电器 (Relay），2005，33(24）:32-37.

［5］王飞，孙莹 (Wang Fei，Sun Ying）.配电网故障定位的改进矩阵算法 (An improved matrix algorithm for fault location in distribution network of power systems）［J］.电力系统自动化 (Automation of Electric Power Systems），2003，27(24）:45-47.

［6］刘健，倪建立，杜宇 (Liu Jian，Ni Jianli，Du Yu）.配电网故障区段判断和隔离的统一矩阵算法 (A unified matrix algorithm for fault section detection and isolation in distribution system）［J］.电力系统自动化 (Automation of Electric Power Systems），1999，23(1）:31-33.

［7］翁蓝天，刘开培，刘晓莉，等 (Weng Lantian，Liu Kai-pei，Liu Xiaoli，et al.）.复杂配电网故障定位的链表法(Chain table algorithm for fault location of complicated distribution network）［J］.电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society），2009，24(5）:190-196.

［8］林霞，陆于平，王联合 (Lin Xia，Lu Yuping，Wang Lianhe）.分布式发电条件下的多电源故障区域定位新方法(New fault region location scheme in distribution system with DGs）［J］.电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society），2008，23(11）:1-8.

［9］唐斐，陆于平(Tang Fui，Lu Yuping）.分布式发电系统故障定位新算法 (A new fault location algorithm for distributed generation system）［J］.电力系统保护与控制(Power System Protection and Control），2010，38(25）:62-68.

A practical fault locating adaptive algorithm for distribution network with distributed generation

WU Le-peng，HUANG Chun，ZEN Zhao-xin
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

The premise of effective use of clean energy is to correctly determine the malfunction zone of distribution network with distributed generation.Based on the matrix algorithm in the location of feeder terminal unit(FTU）to the malfunction of distribution network，an adaptive algorithm for the fault location in distribution network is proposed.According to the overcurrent flowing through the FTU and its direction，firstly the algorithm judges whether distributed power is put into operation，and whether the fault happens at bus and network.Then it preliminarily locates the malfunction zone in the distribution network.Secondly，on the basis of malfunction zone structure and overcurrent information of FTU，the fault matrix is adaptively formed and the fault zone is confirmed.Lastly，according to the defected fault current difference at both ends of fault circuit to form the fault criteria，the proposed criteria are formed by comparing the difference between fault current.The numerical example verifies accuracy and efficiency of the algorithm，and good mechanism of fault tolerance.

distributed generation;distribution network;FTU;fault location;adaptive algorithm

TM 726;TP183

A

1003-3076(2012）04-0052-06

2011-09-14

湖南省自然科学基金资助项目(10JJ5055）

吴乐鹏 (1987-），男，江西籍，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护;

黄 纯 (1966-），男，湖南籍，教授，博士，研究方向为电力系统及其自动化、继电保护、电能质量分析与控制。