一种10kV配电网故障定位统一矩阵算法

王建鹏, 谭博学， 张　威， 徐　林， 张富伟

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049;

2.国网山东寿光市供电公司， 山东 寿光 262700)



一种10kV配电网故障定位统一矩阵算法

王建鹏1,2, 谭博学1， 张威1， 徐林1， 张富伟1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049;

2.国网山东寿光市供电公司， 山东 寿光 262700)

摘要：复杂的配电网网络结构造成故障准确定位的困难，根据配电网实际情况以及理论分析搭建了较为复杂的配电网模型并在以往配电网故障定位矩阵算法的基础上提出一种适用于10kV配电网故障定位的统一矩阵算法.该算法适用于辐射状、树状以及环网结构等贴近实际配电网的构架，能够准确定位各个区间的故障以及多重故障，在故障判据上得到统一.

关键词：配电网； 故障定位； 矩阵算法

为了快速实现故障定位，文献[1-4]提出了配电网故障定位矩阵算法，这些算法基本原理都是生成网络描述矩阵和故障信息矩阵，二者相乘，在进行规格化处理，形成故障判别矩阵.文献[5-6]在配电网模型上做出了改进，提出了有向图来描述配电网结构，避免了矩阵相乘和规格化处理，减少了计算量.文献[7]提出了综合判断矩阵法适用于多电源的情况，但无法定位馈线末端故障.文献[8]提出了一种基于故障过流度的矩阵算法，能够实现多电源供电、多重故障以及各个区间的故障定位，但却不能准确实现在含有集中式环网柜的配电网的故障定位.综上所提出的各种算法，各有优点，也存在各自的缺点，本文就是在以往矩阵算法的基础上进行改进，搭建接近实际配电网网络的模型，对于配电网的各个区间以及多重故障都能进行准确的故障定位，而且算法简单，运算速度快，判据简单统一.

110kV配电网接线方式

在我国的配电网中10kV这个电压等级所占的比重最大，可以分为城市用电、工厂用电和农村用电.配电网是由架空线路和电缆线路构成，根据对供电可靠性的要求，架空线路和电缆线路都有不同的接线方式.架空线路有辐射形接线、树干式接线以及环网式接线等接线方式；电缆线路有多回路平行线式、普通环式、拉手式、双回路辐射形以及双回路拉手环式等接线方式.

近年来，随着技术的提升，配电网中架空—电缆混合线路的应用越来越广泛，由于架空线路与电缆线之间的差别以及不同接线方式的采用，使得配电网的网络拓扑结构较为复杂，故障定位也较为困难.

根据实际配电网中的拓扑结构以及各种接线方式的适用条件，本文搭建了一个接近实际配电网的网络接线，如图1所示，该模型涵盖了配电网中典型的接线方式，包括辐射形接线方式以及含有环网柜的手拉手式接线方式.该配电网接线贴近实际配电网结构，利用该接线方便地进行故障定位算法的演算.

图1　典型的10kV配电网接线方式

2故障定位基本原理

2.1基本概念

网络描述矩阵D，将馈线上具有FTU的断路器、分段器及联络开关当作节点并编号，除此之外还将没有安装FTU的馈线末端也定义为节点，在网络拓扑中，假定有N个节点，可构造一个N阶方阵D，令

(1)

故障信息矩阵G，当配电网发生故障时，各个节点中会有不同的故障电流信息，如果节点i流过正向的故障电流，则gi=1；其他情况下gi=0.对于没有安装FTU的馈线末端节点，定义其故障信息始终为0.

(2)

2.2故障定位步骤

首先，对配电网的结构进行规范化处理，即将配电网结构进行简化，目的是为了能够使配电网的故障定位算法更加简单，方便实现算法准确进行故障定位.

然后对于配电网网络拓扑进行划分区段，区段分为“十”字型、T型、中间型和末端型，同时要确定每个区段所包含的支路和节点.

(3)

最后定义各个区段的故障过流度，如下：

(4)

Mk为所划分的第k个区段Qk的故障过流度.

根据以上原理，在故障信息矩阵中为1的元素所对应的节点一定是发生故障的路径节点，由(4)计算后，在非故障路径所组成的区段的故障过流度一定为0，而在故障路径所构成的区段的故障过流度一定是一个正值，并且，在故障发生的区域的故障过流度为1.根据以上的的分析过程可以准确且统一的定位故障发生的区段.

综上，配电网发生故障时，故障定位算法的基本流程如下图2所示.

图2　故障定位基本流程

3算例分析

算例采用如图3所示的配电网结构，该结构基于实际配电网搭建而成，是一种典型的架空-电缆混合线路的配电网结构，电缆线路中有环网柜的接入，其中含有实际配电网中常见的典型的接线方式，如辐射形、环网型等.其中图3中的□代表的是分段开关.

首先，将结构图进行规范化处理并且假定该网络的功率正方向，处理后的模型如图4所示.□代表分段开关

图3　10kV配电网线路结构

图4　 规范化处理后配电网模型

该网络正方向如图中虚线所示，由左侧电源作为唯一电源，其他电源都假定为负荷，根据网络描述矩阵定义可得该配电网的网络描述矩阵D为

如图4所示，故障可分为：

①“十”字形分支故障，即节点3、4、13、14之间的区段V，此时故障信息矩阵为，G=[1110000000000000]

②T型分支故障，即节点2、3、7之间的区段II，此时故障信息矩阵为，G=[1100000000000000]

③中间馈线故障，即节点1、2之间的区段I，此时故障信息矩阵为，G=[1000000000000000]

④末端馈线故障，即节点13、9之间的区段IX，此时故障信息矩阵为，G=[1110000000001000]各个区段发生时，计算每个区段内的过流度见表1.

由表1中过流度的计算结果可知，过流度为1的区段即为故障区段，当模型中任何区段发生单一故障或者多重故障时都可以根据表中的结果来判断故障区间，结果与假设的故障区段一一对应，可见该算法运行结果正确，可以准确的进行故障定位.

表1故障时各区段故障过流度

故障过流度故障区段VIIIIXIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXX21.5001000002100000000100020000021.500000010

4结束语

本文根据实际配电网结构以及配电网接线方式理论分析搭建了10kV配电网模型，通过该模型验证了所提出的配电网故障定位矩阵算法，该方法对于多重故障和末端故障等各区间的故障以及单一故障和多重故障都能够准确判断，并且在判据上得到统一性.

参考文献：

[1] 刘健，倪建立，邓永辉. 配电自动化系统[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

[2] 刘健, 倪建立, 杜宇. 配电网故障区段判断和隔离的统一矩阵算法[J]. 电力系统自动化, 1999, 23(1): 31-33.

[3] 朱国发, 孙德胜, 姚玉斌，等. 基于现场监控终端的线路故障定位优化矩阵算法[J].电力系统系动化, 2000, 24(15): 42-44.

[4] 周羽生, 周有庆, 戴正志. 基于FTU的配电网故障区段判断算法[J]. 电力自动化设备, 2000, 20(4): 25-27.

[5] 卫志农, 何桦, 郑玉平. 配电网故障定位的一种新算法[J].电力系统自动化, 2002, 5(14): 48-50.

[6] 吴薛红,郑梅, 唐小波. 配电网故障定位的新型矩阵算法[J]. 南京师范大学学报, 2003, 3(2): 54-57.

[7] 刘耀湘, 乐秀璠, 顾欣欣. 配电网故障定位和隔离的新统一矩阵算法[J]. 电力自动化设备, 2006, 26(3): 38-42.

[8] 王威, 邰能灵，杨霞，等.基于故障过流度的配电网故障区域定位新矩阵算法[J]. 水能源科学,2013(3): 203-205.

(编辑：刘宝江)

An unified matrix algorithm used in 10kV power distribution fault location

WANG Jian-peng1,2，TAN Bo-xue1，ZHANG Wei1,XU Lin1, ZHANG Fu-wei1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;

2.The State Grid Power Supply Company of Shandong Shouguang,Shouguang 262700,China )

Abstract:The complex structure of power distribution network make it difficult to do the fault location of power distribution network accurately. According to actual situation and the analysis of the theory of distribution network, this paper sets up a distribution network model and presents a unified matrix algorithm which based on the previous matrix algorithms and this algorithm can be used in the 10kV power distribution network. This algorithm can not be applicable to the actual distribution network structure covering radial, tree and ring structures, but also can locate each section of the fault and multiple faults and it also can be unified in the fault criterion.

Key words:power distribution network; fault location; matrix algorithm

中图分类号：TM762

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2016)02-0053-03

作者简介：王建鹏，男，673551812@qq.com; 通信作者： 谭博学，男，tanboxue@sdut.edu.cn

收稿日期：2015-03-19