基于坐标原理的配电网故障定位

季小淞,黄彦全,沈金锁

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

基于坐标原理的配电网故障定位

季小淞,黄彦全,沈金锁

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

随着配电网络日益复杂，其可靠性对企业生产和人们生活带来的影响也日渐重要，从而对配电网络自动化提出了更高的要求。故障定位是配电自动化系统的关键功能，其目的是配电网发生故障后迅速对故障区域定位、隔离，为尽快恢复对非故障区域的供电提供技术保障。提出一种用坐标原理的快速故障定位方法。当网络发生故障时，通过测量故障电流和电压，建立故障匹配，以故障点的数据库为依据，为故障的快速和准确定位提供技术依据。

配电自动化;关系;匹配;故障定位

1 引言

电力系统由发电、输电、变电、供电、配电等相关环节组成的统一系统。其中，配电网作为连结用户和供电部门之间的纽带，将高压输电线路和低压用户之间连接起来，配电网重要的任务就是向用户提供高质量、高可靠性的电能。

目前，配电网故障定位方式有两种：一种是利用继电保护装置、SCADA系统监控信息实现故障定位，这种故障定位方式通常定位效率较高，但需要配置的设备多、成本较高，且对系统运行环境有一定要求。另一种是通过人工排查的方式完成故障定位，这种方式的投资少，但人工巡线排查故障区段，定位故障点，耗时较长，不利于提高供电可靠性。

因此本文提出基于坐标原理通过建模仿真测量模拟故障的数据，建立数据库的快速故障定位方式。

2 坐标理论介绍

坐标，数学上坐标的实质是有序数对。平面概念用来表示某个点的绝对位置。地理学上定义的坐标是确定位置关系的数据值集合。本文中采用电流和电压的有序数对来确定故障位置。

当配电网发生故障时，各个线路上的电流和电压都会有一个固定的数列组，以图1为例。

当节点2与节点4之间发生故障时，在各个节点的电压电流值为：

[u11,…,u19,i11,…,i19]

而当节点7与8之间发生故障时，在各个节点的电流电压值为：

[u21,…,u29,i21,…,i29]

⋮

[un1,…,un9,in1,…,in9]

以此可以确定出各个位置发生故障时在各个节点处的电流电压值。本文的主要目的就是建立一个n维坐标系，使用PSCAD仿真计算出一个简单的配电网系统中发生故障时各个测量点的电流电压的值，处理数据后建立故障电流电压数据库。通过建立的数据库来确定故障点的位置。

坐标平移，坐标轴的方向和长度都不变，只改变原点的位置，这种坐标系的变换叫做坐标轴的平移。

x′=x-h

y′=y-k

(x,y)点为在原坐标系中的坐标

(x′,y′)点为在新坐标系中的坐标

(h,k)为新坐标系的原点

在配电网中，当线路发生故障时，如果已建立的数据库中没有收录该次故障时的电流电压信息，可以通过坐标平移的方法确定故障与已收录的故障的位置关系，进而确定故障的位置。

3 PSCAD仿真

3.1 PSCAD简介

PSCAD软件包的主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律，具有丰富的元件库，主要包括：

*集中参数电阻R，电感L，电容C；

*电压源，电流源，多相谐波源；

*单相或三相(耦合或理想)变压器(双绕组和三绕组)；

*多相(换位)分布参数线路模型和电缆模型；

*多相PI型等值线路；

*单相和多相逻辑控制断路器，用来模拟网络连接的改变及各种类型的短路故障；

*旋转电机，不但可以模拟三相同步电动机#三相感应电动机，而且模拟汽轮机，水轮机的调速器及交=直流励磁器的动态特性；

*测量元件库，包括单相电压表、电流表、三相电压表(RMS)、瞬时有功功率/无功功率表、频率表及相位(差)表；等等。

借助PSCAD图形界面，用户可以利用上面的元件库的元件构造要仿真的电气连接图，输入各个元件的参数值，运行时PSCAD通过FORTRAN编译器进行编译、连接、运行的结果可以实时生成曲线。以检验运算结果是否合理，也可以输出到磁盘文件，供进一步的分析使用。此外，PSCAD还具有强大的自定义功能及支持子网嵌套的功能用户可以根据自己需要创建具有特定功能的电路模块。

3.2 数据测量点的选择

由图1原理图分析电压电流关系如下：

A为电压源，箭头表示规定的电流正方向。由电路分析KCL和欧姆定律知识得：

iA-iB=(u2-u3)G23

(uA-u2)G92=iA

方程整理为

u2=uA-iA/G92

u3=uA-(1/G92+1/G23)iA+iB/G23

由公式得到，在其他节点的电流电压都与在电源端的电流和电压是相关的，故可把测量点选取在电压源的端口，在故障时测量电源的电流和电压的变化。为增加可靠性，可以根据配电网的拓扑结构适当增加测量点。本文仿真选择C1、C2、C3三个测量点。

3.3 PSCAD建模及仿真

以IEEE34为例进行仿真。仿真原理图如图2。

图2 IEEE34原理图

原理图说明：

0节点：一个24.9kV的电源；

C1、C2、C3：所选择的三个测量点；

通过原理图进行仿真，仿真模型中的测量点C1附近的电路见图3。

图3 测量点C1附近仿真模型

选取不同的故障点，在测量点测出的故障电流和故障电压。

4 仿真数据处理

由仿真图形可得，故障时，测量点所监测到的电流和电压都发生改变，对于不同的故障类型各自的变化有所不同。记录不同故障位置和故障类型时所测到的电压和电流有效值，建立故障定位数据库。

设置故障位置及故障类型，仿真0.2s发生故障。节点11发生AB相短路故障。测量点C2所测到的图形如图3所示。

由仿真可见在故障时在测量点的电流电压都发生了变化，有故障时在测量点测到的电压和电流有效值得到坐标

的值为：

以此值可以确定故障的具体位置和类型为11节点发生AB相短路故障。通过此方法仿真其它故障类型，得到相应的故障定位坐标。

对模型仿真数据分析，在不同位置发生不同类型的故障时，在测量点的电流电压的数据都能形成一个特定的故障坐标。对数据进行裕度分析，计算出误差Δ。建立数据库。数据库数据如下式：

图4 11节点发生AB相短路故障时测量点C2测到的波形变化

u-Δ≤ux≤u+Δ

i-Δ≤ix≤i+Δ

分析误差的原因时当配电网有一些小干扰时发生故障或数据收集不全的情况时，也可是以有的数据能在数据库中找到，以防止漏电判断。

5 故障定位流程

对已有的配电网进行建模仿真，通过模拟各个故障进行建模仿真，收集处理数据，建立数据库，将此数据库应用的实际中，流程图如图4所示。

图5 故障定位流程图

基本处理步骤如下：

(1) 监测测量点的电压电流信号。

(2) 当电压电流信号发生畸变，将所测电压电流信号注入故障定位数据库软件。

(3) 通过数据库软件自动搜索查找确定故障位置及故障类型。

6 结论

本文通过PSCAD建立配电网网故障仿真模型，通过模拟故障位置和故障类型，收集故障信息量，分析故障时特征量的特殊性，通过特征量形成多维坐标，而故障便是虚拟空间中坐标所形成的点。

对实际的配电系统，可以通过仿真建模，模拟故障信息，收集故障时特征量，建立故障信息数据库，为实际中快速定位故障起理论依据。

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Fault Location for Distribution Network Based on the Principle of Coordinate

JIXiao-song,HUANGYan-quan,SHENJin-suo

(Institute of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University，Chengdu 610000,China)

With the distribution network becoming more and more complex,and the reliability of enterprise production and people′s life becoming more and more important，people puts forward higher requirements on the power distribution network automation. Fault location is the key function of power distribution automation system,its purpose is to power down quickly,isolation after the fault area location,and as soon as possible to restore power supply provides the technical support of the fault zone. This paper proposes a principle fast fault location method with coordinates. When network failure,by measuring the fault current and voltage,build up the fault match,based on the database of fault point,provide technical basis for fault fast and accurate positioning.

power distribution automation;relation;match;fault location

1004-289X(2015)02-0039-04

TM72

B

2014-03-18