基于μPMU的主动配电网故障定位方法研究

周治国，高文焘，刘文亮

（1.北京理工大学信息与电子学院，北京　100081；2．国网厦门供电公司，福建厦门　361000）



基于μPMU的主动配电网故障定位方法研究

周治国1，高文焘1，刘文亮2

（1.北京理工大学信息与电子学院，北京100081；2．国网厦门供电公司，福建厦门361000）

摘要：准确的故障定位有助于提高配电网络的稳定性。随着分布式发电和电动汽车的接入，传统配电网逐渐向主动配电网发展，传统故障和保护装置已无法满足，这对故障定位技术和装置提出了新的要求。文章提出了一种基于微型同步相量测量单元（也叫做μPMU或者微同步相量）的新方法对主动配电网的故障进行定位。该方法运用单端μPMU采集的电压电流信息，查找故障线路，得到候选故障点并计算其故障距离。并根据两端μPMU测量电压和故障电压之间的相位关系，排除伪故障点，确定故障点位置。仿真结果表明，在主动配电网下，该定位方法具有较高的定位精度，仅需在线路的两端配置μPMU即可满足对不同类型故障进行准确地定位。在高渗透率DG和高阻故障的情况下，该定位方法依然可以准确地对故障进行定位。

关键词：主动配电网；故障定位；分布式发电；μPMU

Project Supported by National High-Technology Research and Development Program（“863”Program）of China（2014AA051901）.

准确的故障定位有助于帮助修复故障，加快系统恢复，减少停电时间、运行成本，提高配电网的稳定性。随着分布式发电（distributed generation，DG）接入量不断增大、电动汽车不断增多以及可控负荷的增多，传统配电网出现了诸如电压水平升高、短路电流增大、供电可靠性降低以及电能质量恶化等问题，打破传统配电网潮流单向辐射状供电模式，逐渐从被动模式转变为主动模式的主动配电网（active distribution network，ADN）。在高渗透率DG下配电系统的运行方式、故障特征十分复杂，传统过流继电器等故障和保护装置已无法满足[1-4]，对故障定位的技术和装置提出了新的要求。

同步相量测量单元（phasor measurement unit，PMU）以全球定位系统（global position system，GPS）为时间基准，可提供高精度、高采样率、带时标的电压、电流及频率信号，因其相量特性、时钟同步性及数据上传的实时性，而成为电网动态过程监测的基础手段[5-7]，并被广泛应用于输电网故障定位。文献[8]中利用PMU时钟同步特性进行双端测距，改善了故障定位的结果，有效提高动态同步相量测量的精确性和实时性。文献[9]中提出了基于PMU的多端测距方法，使得测距速度和精度有所提高，并且适用于几乎所有故障类型、距离，增强了其通用性。但是与输电网相比，主动配电网由于其线路短、多分支并受到DG、负荷和开关等引入噪声的影响，PMU无法直接应用于主动配电网中。文献[10]通过同步相量测量单元采集的数据比较各电源处电压变化测量值与计算值之差的最小二乘范数来判断主动配电网故障位置，但是只能判断故障区段，无法精确定位。为此，文献[11]提出了一种应用于主动配电网的高精度同步相量测量单元，称为μPMU或微同步相量，对其在主动配电网中的应用进行了分析与展望，与传统的保护装置相比，能更好地满足故障定位的需求。

基于此，本文提出了一种基于μPMU的定位新方法对主动配电网故障进行定位。首先，基于单端μPMU采集的电压、电流相量信息，运用单端阻抗定位方法，查找故障线路，计算故障距离，得到候选故障点。其次，根据两端μPMU测量电压和故障电压之间的相位关系，排除伪故障点，确定故障点位置。该方法原理简单，仅需少量配置μPMU即可实现主动配电网准确故障定位，具有一定的经济性和实用性。

1　基本原理

以一个13节点配电网为例对定位算法进行阐述。配电网拓扑结构如图1所示，共有13个节点和12条支路，其中节点1为变电站，2～13节点都接有负载，DG在节点3接入，测量装置μPMU分别挂接在节点1和节点5上。假设故障发生在节点3和节点4之间。

算法可分为2个部分：遍历搜索候选故障点和排除伪故障点。首先，基于单端μPMU采集的电压、电流相量信息，遍历搜索线路，计算故障距离，得到候选故障点。其次，根据两端μPMU测量电压和故障电压之间的相位关系，排除伪故障点，确定故障点位置。

1.1遍历搜索候选故障点

为了得到线路所有的候选故障点，首先利用节点1的μPMU测量数据，电压相量V1和电流相量I1从节点1开始对线路进行遍历搜索，V1和I1在不同故障类型下的取值如表1所示。

图1　配电网拓扑结构Fig. 1 Topology of a distribution network

表1　不同故障类型下V1和I1的值Tab. 1 The value of V1and I1under different fault types

其中，A、B、C分别为A相、B相和C相；G为地；系数k=（本文中，上角标数字表示序量，下角标数字表示节点位置）。

假设故障发生在节点1到节点2之间，电路结构如图2所示。图中，L为故障支路线路长度，m为故障点距离，为线路单位长度的正序阻抗。

图2　电路结构示意图Fig. 2 Scheme for structure of circuit

从图2中电压与电流的几何分布特性可得到测量阻抗ZM[12]，如式（1）所示。

在式（1）中，过渡电阻RF是一个实数，假设故障电流IF和电流I1同相，则可得到故障距离m，如式（2）所示[13]。

但故障电流IF和电流I1并不一定同相，故障电流IF可能相位超前或者相位滞后于电流I1。这种情况下，计算得到的故障距离有较大的误差。为了减少遍历搜索时的计算量和计算时间，在遍历电路时采用该计算方法进行判断。而在搜索到候选故障点后，为了得到较高的定位精度，在故障距离的计算上，本文采用了Eriksson定位算法，该算法利用源阻抗消除了故障阻抗、负载和线路不均匀性引起的误差，提高了定位精度。故障距离求解方程如式（3）所示，详细求解过程见文献[14]，这里就不再赘述。其中，k1，k2，k3如式（4）所示。

对式（3）进行求解，即可得到故障距离m，如式（5）所示。

如果m＜L，说明故障点位于该线路上，即可得到一个候选故障点并依上计算其故障距离；如果m＞L，则认为故障没有发生在该搜索线路上，继续遍历搜索下一段线路。对于下一个节点（节点2）来说，节点2的电压V2可以通过节点1到节点2的电压差来计算，如式（6）所示。

在节点2处，线路分成了两条支路，即线路2-6、线路2～3。通过假设一条支路是故障线路，对另一条支路进行戴维南等效，求得其等效电路，即可实现电路的简化。例如，假设故障发生在线路2～3，则线路2～6正常运行。对支路进行戴维南等效，其等效电压为节点的开路电压，等效阻抗即是节点阻抗矩阵的固有阻抗。重复以上的方法对分支线路进行遍历搜索，直到该分支线路出现候选故障点。对如图1所示的电路进行遍历搜索，最终得到了4个候选故障点，即故障点F和伪故障点F1、F2和F3。

1.2排除伪故障点

上述算法不仅得到了故障点F的位置，还存在伪故障点F1、F2、F3。为了排除伪故障点，本文根据μPMU时钟同步和高精度的特点，利用两端μPMU测量电压和故障电压之间的相位关系，排除伪故障点，确定故障点位置。

以故障电压为参考值，节点1的μPMU测量电压的相角φ1可以分解为测量电压和测量电流间的相角与测量电流和故障电压间的相角之和，如式（7）所示。

其中，测量电压和测量电流的相角是已知的，测量电流和故障电压间的相角即为测量电流和故障电流间的相角，如式（8）所示。

由于故障点电流不可测，无法直接计算测量电流和故障电流间的相角，对图2中的电路进行进一步分析，电路发生故障时可以分解为正序、负序和零序网络，其复合序网如图3所示。

图3　故障时复合序网Fig. 3 Sequence network when a fault occurs

可以看出，当系统中发生故障时，故障电流相位与故障序电流相位相同。文献[15]中指出，当系统发生故障时，保护安装处的序电流与故障序电流可近似认为是同相位的，即节点1的μPMU测量序电流与故障序电流同相位。因此，测量电流和故障电压间的相角近似等于节点1的μPMU测量电流与序电流间的相角，如式（9）所示。

其中，C为负序电流分配系数。把式（9）代入式（7）即可得到φ1，如式（10）所示。

同理可得到节点5的μPMU测量电压相对于故障电压的相角φ5。将φ1、φ5和φ5-φ1代入式（11）可求得故障点到节点1的距离S1、故障点到节点5的距离S5和节点1和节点5在故障线路上的距离差S5-1，对候选故障点进行比较分析后即可确定真实故障点位置，排除伪故障点。

2　仿真验证

图1所示的配电网是一个实际存在的农村配电网，其系统基准容量为3 MV·A，基准电压为11 kV，接入DG容量为0.6 MV·A。线路和负载的数据参照文献[16]进行选取，分别如表2、表3所示。

表2　配电网线路数据Tab. 2 Line data of the distribution network

对其进行仿真，验证定位算法的可行性，仿真平台如图4所示。在计算机1实时仿真平台的HOST端使用Matlab/Simulink软件对该配电网进行建模仿真，其中变电站使用一个短路容量为3 MV·A的三相交流源来模拟；分布式发电DG采用一个0.6 MW的异步电机来模拟风力发电厂；故障电路采用三相故障模型，分为接地故障和相间短路故障2种情况。线路和负载参数参照表2、表3进行设置；μPMU机箱主要分成3部分：P50时钟同步模块，通过GPS进行时钟的同步，采用IEEE 1588同步协议；ADC信号采集模块，采用AD公司的AD73360型A／D变换器，对三相交流电压和电流共6路信号的采集；同步相量测量单元，采用Xilinx公司ARM+FPGA架构的ZYNQ 7000板卡[17]。

表3　配电网负载数据Tab. 3 Load data of the distribution network

图4　仿真平台示意图Fig. 4 Schematic of the simulation platform

对于故障时刻的判断，本文采用了突变量检测算法[18]，通过相邻两周期突变量差对故障时刻进行检测。假定所采集的电流为I，当相邻两周期突变量差ΔI的采样值连续3次满足式（12）时，则判定为发生故障，且第1次的前一采样时刻即为故障时刻。

式中：N为每周期的采样点数；kf为突变量定值调节系数（通常kf=1）；Idz为突变量启动定值。

在不同故障类型下，计算机两端使用Matlab软件对上述定位算法进行实现，仿真结果如表4所示。求得故障支路及其故障点距离m后，其定位精度用定位误差Er来表示，如式（13）所示。

式中：m为计算得到的故障距离；mreal为实际故障距离；L为故障支路线路长度。

表4　不同故障类型的仿真结果Tab. 4 Simulation result of different fault types

由表4可知：在接入分布式发电DG（0.6 MW的风力发电场）的主动配电网下，该方法的定位成功率较高，对不同类型故障都有较高的定位精度，其中，相比于单相接地故障，双相故障和三相故障定位精度有所降低，但都在1%以内。由于所使用的实验室自制测量装置μPMU的测量精度存在着限制，测量相量有一定的误差，相比文献[11]中μPMU的测量精度还有所差距（文献[11]中的测量精度为0.05°，而本文为0.15°），其定位成功率和定位精度都可以进一步提高。

对算法的定位精度进一步分析，在单A相接地故障（故障点位于线路3-4）情况下，从DG和过渡电阻两个方面进行仿真。

2.1 DG对定位精度的影响

为了进一步研究主动配电网中DG的存在对定位算法精度的影响，本文从接入DG的数量和容量两方面进行了仿真研究。DG接入数量分为3种情况：无DG接入、节点3接入1个0.6 MW的DG、节点3和节点8分别接入1个0.3 MW的DG，结果如表5（a）所示。DG的接入容量水平用DG的渗透率ρ进行表示，可由式（14）求解得到，其中仅在节点3接入一个0.6 MW的DG，结果如表5（b）所示。

表5　DG对定位误差的影响Tab. 5 Influence of DG to location error

从表5的仿真结果可以看出，随着接入DG数量增加，定位误差也随着增大，但在DG接入容量增大时，定位误差反而随之减小。这是由于接入DG数量的增加，改变了电路结构，增加了误差。而DG接入容量水平的增大，使得配电网中电压、电流升高，提高了测量的精度，进而降低了误差。

2.2过渡电阻对定位精度的影响

在节点3接入一个0.6 MW的DG的情况下，分别对过渡电阻RF为10 Ω、50 Ω和150 Ω时进行仿真，得到仿真结果如表6所示。

表6　过渡电阻对定位精度的影响Tab. 6 Influence of transition resistance to location error

从表6中可以看出，本文的定位算法消除了过渡电阻对定位精度的影响，在不同过渡电阻下，该算法的定位精度保持不变，表明该算法可以很好地适用于发生高阻故障的情况。

3　结语

本文提出了一种基于μPMU的故障定位新方法以应对传统基于电流的过流继电器等故障和保护装置在主动配电网下无法适用的问题。仿真结果表明，该方法具有以下特点。

1）在不同类型故障情况下，该方法都具有较高的定位准确率和定位精度，1%以内。

2）不受过渡电阻的影响，在高阻故障的情况下，依然适用。并且在高渗透率DG的影响下，依然具有较高的定位精度。

3）原理简单、可操作性强，仅需在配电网线路上少量配置μPMU就可以满足对主动配电网中各类故障进行准确定位的要求，具有一定的经济性和实用性。

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周治国（1977—），男，博士，硕士生导师，研究方向为信号处理、嵌入式系统、电力电子实时仿真；

高文焘（1990—），男，硕士研究生，研究方向为配电网故障定位；

刘文亮（1982—），男，副总工程师，研究方向为电力信息化、配电自动化。

（编辑徐花荣）

Research on Fault Location Based on μPMU for Active Distribution Network

ZHOU Zhiguo1，GAO Wentao1，LIU Wenliang2
（1. School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2. State Grid Xiamen Power Supply Company，Xiamen 361000，Fujian，China）

ABSTRACT：Accurate fault location is helpful to improve the stability of power distribution network. With the integration of distributed generations and electric vehicles，the traditional distribution network gradually becomes the active distribution network，and the traditional fault and protection device is unable to satisfy the requirement，thus the need for new technologies and devices. In this paper，a new method based on micro phase measurement unit，termed μPMU or microsynchronal phase，is proposed to locate the fault in the active distribution network. The location method uses the voltage and current information of μPMU on one terminal to search for faults on every line segment，the candidate faults and its fault distance are calculated. To get the actual fault location，the pseudo fault locations are eliminated by voltage phase relationship between fault voltage and measured voltage of μPMUs on two terminals. The simulation results show that the location method has high position accuracy in the active distribution network，satisfying different types of fault with simply installing μPMUs only on the two terminals of the circuit. And the method still has high location accuracy with the influence of high DG penetration and high impedance faults.

KEY WORDS：active distribution network；fault location；distributed generation；μPMU

作者简介：

收稿日期：2013-07-04。

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2014AA051 901）资助。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0072- 06

中图分类号：TM771

文献标志码：A