一种针对含分布式电源的配电网相间故障定位方法

王双杰 杨炳元 李晓芹 田翀

（内蒙古工业大学，呼和浩特 010080）

故障定位技术能够快速动作切除故障，最大限度缩短停电时间，大幅度提高系统的可靠性，从而越来越受到重视。故障定位技术主要应用于输电线路上故障的定位,一方面因为输电线路在电力系统中的重要性，另一方面因为检查输电线路所需的时间要比配电网大得多。传统的配电系统是放射状的,对于这样的网络设计保护方案非常简单。配电系统保护设计的主要目的是检测故障位置并使故障部分与系统其他部分隔离。文献[1-5]提出了一些配电系统故障检测方法。而分布式电源的接入使配电网放射状的网络拓扑发生改变，从而引发了一些问题,如导致保护装置失去协调性。由于配电系统的非齐次线性性质、故障电阻和确定性负载的影响，使得故障定位的实现变得非常复杂。但使用测量电压和电流计算故障位置的方法是基本不变的，计算传输系统的阻抗依然使用阻抗器件[4]或者各次谐波[5]。本文介绍了带有 DG的配电网发生相间故障时的故障定位方法。方法中分别分析DG前和DG后两个部分，通过测量主系统和分布式电源变电站处的电压和电流来实现故障的定位。此外,对于DG前部分，简化了故障定位方程，提出了一种新的方法来减少误差。在文章最后给出了仿真结果，验证了方法的可行性。

1 原理

图1所示的是两母线间的三相输电线路。

图1 三相配电线路

阻抗阵可表示为

图1中母线电压和支路电流间的关系式可表示为

文中用上面的三相不平衡模型。

1）故障定位算法

图2所示为带有分布式电源的配电网。分布式电源由母线K接入配电网，区段可划分为DG接入前的部分和 DG接入后的部分。利用这两部分在变电站处测得的电压和电流可计算得到故障的位置。DG后的部分与传统的放射状网络一样，可由传统方法得到故障点位置[6]，下面主要分析DG前的部分发生故障时的情况。

图2 带有分布式电源的配电网

2）DG前部分故障定位方法

DG后的配电网部分是一个放射状网络，与传统的配电网一样，所以故障点的定位可利用传统电路分析方法进行故障定位的方法，但在 DG之前的部分，所测数据为两端电源的联合作用结果，所以在DG以前的部分发生相间故障的的定位方法需要重新考虑。图3显示的是三相配电网在远离变电所处发生相间故障时的示意图。设图3中为a相和b相发生相间故障，则

图3 三相线路中的相间故障

由式（5）和式（6）消去故障电流 If和故障电阻Rf后，得

联立式（8）、（9）、（10）、（11）可求出故障距离 d。

3）估算电压和电流

如果计算出的故障距离大于1或为负数，就说明故障不在这一区段内，而是在下一区段，故障的定位就应该在下一区段进行，利用下一区段母线出口处测得的电压和电流计算。假设电压和电流只能在母线处测得，离本区段要估算的电流值和电压值的节点有一段距离。如图4所示，母线k和k+1之间发生短路，则母线K处的电压可表示为

图4 带分布式电源的配电网发生故障

假设负荷阻抗恒定不变，图4中的电流可表示为

式中，Vk-1是K-1处的母线负荷电流，YLK-1是K-2母线处的负荷导纳矩阵。

根据式（12）至式（15），能够求出来故障定位算法所需的电压和电流，进而获得故障位置。如果计算得到的距离0＜d＜1，表示故障点在本区段，并且到母线出口的距离为d。将此算法应用于各区段就可以求出故障点距离分布式电源或主变电所母线的距离。

2 仿真实例

在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。为了验证新故障定位法的可行性，建立如图5所示的9母线带有单相和三相支路的系统模型。连接到母线5、6和8上的负载是单相负载，其他负载是三相负载，并将支路等效为负载。主要负荷值为：单相=50+j15Ω ，三相 =100+j25Ω 。

图5 带分布式电源的配电网模型

线路阻抗阵和容抗阵可表示为

故障电阻的范围为0.01～50Ω，进行仿真。故障位置的计算误差%Error为

这里dcal是计算得到的故障点距离，dreal故障点真实距离，dtotal线路全长。

由图6可知，最小误差发生在故障电阻为0.01Ω时，最大误差发生在故障电阻为50Ω时。故障定位会随着故障阻抗值的增加而增大。DG之前部分定位误差明显低于DG之后部分。在图5的仿真模型里母线5加入分布式电源，在不同点和不同故障电流下进行仿真。图7所示的是接入分布式电源后发生故障时母线3处算得的故障位置误差情况。

图6 相间短路故障位置的计算误差

图7 接入DG后相间短路故障位置母线3处的计算误差

表1显示了DG前部分和DG后部分发生短路时的最大定位误差对比情况。表中数据表明，用新定位方法计算时，DG前部分相间短路定位的误差明显小于DG后部分发生故障时的定位误差。

表1 DG前后部分的故障位置计算误差比较

3 结论

本文提出了一种新的故障定位算法。该算法避免了传统的故障定位算法的序网络分析过程。由上述分析可知，当故障电阻较小时定位误差最小，误差会随着故障电阻值的增大而增大。DG前部分发生相间短路故障时的计算误差会明显小于DG后部分发生相间短路故障时的定位误差。该方法适用于各种电力系统之中，为了提高算法的实际应用效果，应先确定DG的位置和变化情况。

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