一种基于区域电流模型的配网分布式故障定位与隔离方法

于竞哲

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

一种基于区域电流模型的配网分布式故障定位与隔离方法

于竞哲

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

针对基于区域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的问题，提出一种基于区域电流模型的分布式故障定位与隔离方法，可对发生多重故障的复杂配电网络进行故障定位及隔离。建立了区域电流模型，详细论述了故障处理原理，设计了详细的通信方法。即使出现开关拒动及通信失效，该方法仍能将故障隔离，并且不受系统运行方式及网络结构的限制，具有广泛适用性。

故障定位和隔离；分布式方法；复杂配电网；开关拒动；通信故障

Abstract: To solve the problem that distribution-based fault location based on the region location principle may become invalid in the case of multiple faults, this paper proposes a distribution-based fault location and isolation method based on the region current model, which can complete fault location and isolation for a complex distribution network with multiple faults. A region current model is established. The principle of fault handling is discussed at length, and a detailed communication method is designed. Even if switch malfunction and communication failure occur, this approach can still complete fault isolation. Furthermore it is widely applicable, for it is not confined by system operation mode or network structure.

Keywords: fault location and isolation；distribution-based method；complex distribution network；switch malfunction；communication fault

0 引 言

故障自动定位和隔离能将故障准确定位到相应线路区段中，可提高配电网运行可靠性，是智能配电网的重要环节。目前配电网的自动故障处理大多建立在智能开关的基础上，主要分为集中型和分布型[1-3]，两种方式各有优劣。

集中型故障处理方法主要有统一矩阵算法和智能算法[4-5]。分布式故障处理方法主要包括自动化开关相互配合方法和基于区域定位原理的方法[6-7]。前一种方法主要通过开关的重合闸和延时隔离故障，适用于以架空线路为主的农村配电网；第二种方法通过开关间的相互通信实现故障定位和隔离，适用于以电缆为主的城市配电网。这是因为城市配电网以电缆为主，不宜进行重合闸。而且城市配电网的通信网络比较完善，有利于智能开关间的通信。

随着电网对可靠性要求的不断提高，在最短时间和最小范围内隔离故障就显得更加重要。跟集中式故障处理方式相比，分布式能在更短的时间内隔离故障，并可解决在集中控制模式下主站故障可能造成全系统开关失控的问题[8-9]。而且随着通信技术的发展，通信网络的速度和可靠性不断提高，分布式故障处理模式具有很大的发展潜力[10-11]。

本文针对基于区域定位原理的分布式故障定位方法存在的问题，提出了一种基于区域电流模型的分布式故障定位与隔离方法，并设计了拒动和通信后备保护。

1 区域电流模型

1.1 模型的基本定义

如图1所示的配电网络，其中S1、S2为电源，DG为分布式电源，K1～K10为断路器。如果一条线路上的开关A与B之间没有其他开关, 则A、B互为相邻开关，如图1中K3和K4。由一组相邻开关围成的线路称为一个区域(区域的所有进线或出线上都应有开关)，这些相邻开关称为该区域的端点，该区域为端点的相邻区域。如图1中区域①的端点为K3、K4、K5；K5的相邻区域为区域①和区域②。

图1 配电网结构示意图

如果开关两侧都有相邻区域，则为普通开关，如图1中的K5；若开关与电源相连的一侧线路上无其余开关，则为电源开关，如图1中的K1；若开关一侧所连线路上无其余开关，则称此开关为末梢开关，如图1中的K6。

将一个区域的所有端点定义为一个开关组，一个区域对应一个开关组。对于普通开关，有两个开关组与其相邻；对于电源开关或末梢开关，一般只有一个开关组与其相邻。

1.2 开关状态表的定义

为每个开关定义一个开关状态表，如表1为K5的开关状态表，其中记录了与K5相邻的两个开关组内的所有开关号，分为开关组1和开关组2，分别对应其相邻区域①、②。

表1中的关联方向是通过参考方向定义的。如图1中开关下方的箭头即开关的参考方向。参考方向的选取无要求，但规定电源开关的参考方向始终由电源指向负荷。关联方向的定义如下：开关的参考方向指向某区域则此开关在该区域开关组中的关联方向记为1；背离该区域则记为-1。

表1中的电流状态值的定义为：系统中发生故障后，开关n检测流过自身的电流in，若方向与参考方向相同记为in；相反记为-in；若未检测到电流记为0。以有功潮流方向作为电流方向的判定依据。

表1中的状态值是通过将关联方向和对应的电流状态值相乘得到的，用Sn表示。当Sn=in表示开关检测到故障电流，且方向为流入本区域；Sn= -in表示检测到故障电流，方向为流出本区域；Sn=0表示未检测到故障电流。

表1 开关K5的开关状态表

1.3 开关状态表的设置

开关状态表中的开关组、关联方向由系统结构决定，由工作人员事先录入。当故障发生后，检测到故障电流的开关向其相邻开关发送电流状态值及故障发生信号，定义此类开关为主动开关。对于未检测到故障电流的开关，如果收到相邻开关的故障发生信号，则立即记录并向所有相邻开关发送本开关的电流状态值，定义此类开关为被动开关。各开关通过通信网络获得所有相邻开关的电流状态值。最后，开关计算得到状态值，作为故障定位的依据。

2 故障定位与隔离

2.1 传统分布式配网故障定位原理

传统的基于区域定位的分布式配网的故障定位原理：对于一个配电区域，若其端点检测的故障电流方向都指向该区域内部，则故障发生在该区域；若某一个端点上报的故障电流方向指向该区域外部，则认为该区域没有故障。在大多数情况下此原理是有效的，但在某些情况下其可能失效。

以图1配电网络为例，当同时发生f1、f2两处故障时，区域①的端点K4检测到流出区域①的故障电流。根据传统故障定位原理，区域①检测到了一个流出区域的故障电流(K5的故障电流i5)，判断为该区域内无故障。所以在这种情况下传统分布式配网的故障定位原理失效。

2.2 分布式配网故障定位原理的改进

下面对故障定位原理进行改进。以一个区域为研究对象，根据基尔霍夫电流定律，开关可通过下列原则进行定位。

(1)普通开关：分别将两组状态值相加，两个区域中计算结果不为0的区域为故障区域。两组中只要有一组计算结果不等于0，则开关为故障区域端点。在理想情况下判断值为0，而在实际应用时可以根据具体情况设定判断值。

(2)电源开关：对于有相邻开关的一侧按(1)处理；对于另一侧，当开关检测到故障电流且方向与参考方向相反时，开关为故障区域端点，电源与开关之间是故障区域。

(3)末梢开关：对于有相邻开关的一侧按(1)处理；对于另一侧，当检测到故障电流时，开关为故障区域端点，故障区域为开关无相邻开关的一侧。

2.3 分布式配网故障隔离

把故障区域的端点开关简称为故障区开关。在故障定位完成后，故障区开关中的主动开关立即分闸。

以图1配电网络为例，当图中同时发生f1、f2两处故障时，各开关间进行通信后获得相邻开关的状态值。由表1可知，对于普通开关K5，其开关组1的开关状态值之和为i3+i4-i5，因为f1处有故障电流，所以和不为0，则K5为故障区开关，相邻区域①为故障区域。开关组2的开关状态值和为i5+0+i8，和不为0，则K5为故障区开关，相邻区域②为故障区域。同时，因K5检测到故障电流流过，故其为主动开关，则K5立即分闸。同理，K3、K4和K8经过判断后立即分闸。K3、K4、K5和K8分闸后将故障隔离。

对于末梢开关K6，其开关状态值之和i5+0+i8不为0，故判断自身为故障区开关，相邻区域②为故障区域，但因其为被动开关，故不动作。

对于电源开关K1，其故障电流方向与参考方向相同，故电源侧无故障。而开关状态值之和i1+i2-i3为0，故K1不是故障区开关，相邻区域内无故障，故不动作。

3 拒动后备保护

下面对拒动后备保护进行设计。在故障定位完成后，如果开关n为故障区开关，则向它的非故障开关组的所有相邻开关发送拒动备用信号BRn=1；如果开关n为非故障区开关，则向其所有相邻开关发送拒动备用信号BRn=0。如果开关n与相邻开关m失去联系未收到BRm值，则将BRm置1。

被动开关始终保持不动作；主动开关在收到所有相邻开关的BRn后，通过式(1)进行判断。

Bn=BR1‖BR2‖…‖BRm

(1)

式中Bn为开关n的拒动备用动作值；BRm为开关n的相邻开关m的拒动备用信号(m>0，m≠n)。如果Bn=1且检测到故障电流则开关n进入拒动后备状态；若为0则不进入。进入拒动后备状态的开关动作原则如下：

(1)延时T1分闸，并保证在T1内故障区开关能够完成分闸。

(2)当延时T1时间到，如果开关仍检测到故障电流则分闸；如果未检测到故障电流则不动作。

(3)对于将某个相邻开关的备用信号值置1的开关，此类开关的延时时间为T2，且T2>T1。

按照以上原则判断后，拒动后备为距离拒动开关最近的开关，从而实现将故障在小范围内隔离。同时，在整个后备保护的动作过程中，即使出现通信故障，开关仍能通过延时T2将故障隔离。

4 通信后备保护

4.1 通信备用表

通信后备保护用于在某个开关无法与其他开关进行通信的情况下确保各开关能进行故障定位及隔离。为了通信后备保护，工作人员需要为每个开关建立一个通信备用表。如图2所示的配电网络，其中S1、S2为电源，DG为分布式电源，K1～K10为断路器开关。K4的通信备用表如表2所示。开关组1、2分别对应K5的相邻区域②、③。

图2 配电网的区域划分图

相邻开关组相邻开关备用1备用2开关组1K3K1K2开关组1K5K6K8开关组2K7K8K9

由图2和表2可知，K4有两个开关组，其中开关组1有两个相邻开关K3和K5。K3另一侧的开关组中的相邻开关为K1和K2，则对K4来说，K1和K2即是K3的通信备用。同理，对K4来说，K6和K8为K5的通信备用。

4.2 通信后备保护的动作原则

当开关接收不到某一个相邻开关的数据时，各个开关的具体动作原则如下：

(1)普通开关，对这个相邻开关的所有通信备用开关发送读取请求信号。如果仍不能完全接收到通信备用开关的电流状态值，若为被动开关则不动作；若为主动开关则进入通信后备状态。如果主动开关通过另一区域判断自身为故障区开关或拒动后备开关则解除通信后备状态。

(2)电源开关，如果为主动开关，且其故障电流方向与参考反向相反(即流向电源)则立即动作分闸； 如果故障电流方向与

参考反向相同则按(1)处理。

(3)末梢开关，如果为主动开关则分闸；如果为被动开关则按(1)处理。

(4)进入通信后备状态的开关延时T3时间。在T3内，如果故障电流消失，则开关不动作；如果延时时间到仍检测到故障，则开关立即分闸。需要保证T3>T2，即保证拒动后备开关能够完成分闸。

5 结束语

(1)针对传统的基于区域定位原理的分布式故障定位方法在多重故障下可能失效的问题，本文提出了基于区域电流模型的故障定位方法。该方法能对复杂配网的多重故障进行定位及在最小范围内的隔离，且其不受运行方式及网络结构的限制，并与开关的开合状态无关，具有广泛适用性。

(2)设计了拒动后备保护方案，通过开关间的通信，保证系统在开关出现拒动的情况下仍能将故障隔离。并且在整个拒动保护过程中，即使出现通信故障，后备保护仍能通过延时方法将故障隔离。

(3)设计了通信后备保护方案，通过建立通信备用表并使用区域融合法，保证当少量开关出现故障时也能进行故障定位与隔离。并且通过延时方法保证即使在出现多重通信故障的情况下，系统仍能将故障隔离。

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A Distribution-based Fault Location and Isolation Method for Distribution Networks Based on the Region Current Model

Yu Jingzhe

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.013

TM764.1

A

1000-3886(2017)03-0039-03

定稿日期: 2017-01-17

于竞哲(1991- )，男，河北唐山人，硕士生，研究方向：配电系统故障处理自动化技术。