智能配电网故障定位与隔离方法研究

林荣秋

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524000）

1 分布式电源的智能配电网的故障定位方法分析

1.1 概 述

一般情况下，智能配电网分布式电源采取开环运行的方式。在整个配电网中，变电站只是一个电源点（根节点）。根据根节点类型，可以将其分成父节点和子节点。当处于正常运行状态时，变电站（属于根节点）的父节点是流入功率节点，而子节点是变电站提供功率的节点。基于这一原则进行配电关系网的划分和构建，从分段母线中接入分布式电源。若分布式电源发生短路故障，则故障节点处的短路电流源于变电站和分布式电源。定位故障点前，需要分析故障点可能存在的位置。一般而言，故障点存在于FTU设备、FTU设备之间或者不同设备之间。本实验中的FTU设备主要指上下级相邻两个节点间的FTU类设备，而节点主要是指分布式电源的分支节点。通常而言，父节点主要是指上级节点，子节点主要是指下级节点[1]。

1.2 故障定位方法

1.2.1 不同FTU间的故障判断方法分析

此类方法的正方向是指从变电站到线路末端，变电站侧属于上游，线路末端属于下游，也是下游正方向故障的电流流向。研究将这一方向设为1，反向故障电流流向设为-1。按照节点电流定律分析，进入母线中的故障电流与从母线中流出的故障电流相等，由此得出其判断示意图，如图1所示。

图1 不同FTU间的故障判断示意图

从图1可以看出，当故障在1号和2号FTU之间时，此时故障电流I2和IS均为流入节点，I1和I3均为流出节点，I4和I5均为流入节点。因此，I1和IS均为正方向1，I3和I5均为负方向-1。若在FTU装置中存在故障点，那么故障点的范围就在父子节点之间的电流方是1和-1的FTU装置间，从而判断故障在父子节点间最后的电流方向为1的FTU装置与下一个FTU装置之间。

1.2.2 不同节点间的故障判断方法分析

为了更好地在不同节点之间确保故障判断的精准性，可以按照图2的内容进行判断。从图2可以看出，当故障点位于节点1与节点4之间时，I2、IS、I3属于流入节点，I1为流出节点，得出I1=I2+IS+I3。IS方向为1，其他为-1。若故障电流流入故障发生地时故障点在两个不同节点间，此节点、父节点以及子节点间的故障电流方向都是-1，进而得出故障点在上游最后一个电流方向为1的FTU装置线路的端节点与兄弟节点的中间。

图2 不同节点间的故障判断示意图

1.3 故障定位方法的验证

1.3.1 网络描述矩阵分析

在网络结构中，两个不同的FTU装置分别在上下游。上游的装置设为i，下游的装置设为j，i＜j。通过网络描述矩阵中的元素，若两个装置中间存在馈线，得出dij=1，dii=0，dji=0。从图3可以看出，在分布式电源中，故障点位于F1，其网络描述矩阵D为：

图3 网络描述矩阵

1.3.2 故障信息矩阵分析

故障信息矩阵G中，元素gi的定义如下：若流向FTU装置i的故障电流方向与假设正方向相同时，gi=1；若流向FTU装置i的故障电流方向与假设正方向不同时，gi=-1；若无故障电流和无法明确电流方向时，那么gi=0。因此，从图3分析来看，故障信息矩阵G为：

1.3.3 故障判断矩阵分析

从原理来看，FTU设备之间故障的定位，主要是从父节点和子节点间最后的一个电流方向是1的FTU设备和下个FTU设备间进行定位。在这样的条件下，若gi=1，那么dij=1具有唯一性，同时gj=-1，从而更好地判断FTU设备之间的故障。而节点间故障的定位，主要通过上游最后一个电流方向是1的FTU设备的馈线末端节点与兄弟节点间进行定位。在这样的条件下，若gi=1，而dij=1不具有唯一性，那么所有的gj=-1，从而更好地判断节点之间的故障。若这两种情况至少有一种满足时，那么pi=1（pi为故障判断矩阵的元素）；若一种都不能满足时，那么pi=0。此时，按照图3的网络描述矩阵与故障信息矩阵时，若gj=1，而dij=1存在不唯一的情况时，那么d12和d15均等于1，同时g2和g5均等于-1，最终得到故障判断矩阵P为：

1.4 故障定位方法分析与注意事项

1.4.1 故障定位思路

在故障定位前，要明确故障定位思路。一般从故障判断矩阵中找出元素是1的pi，其中i就是对应的FTU设备序号。按照上述两种情况判定故障类型，判定其属于FTU设备间的故障还是属于节点之间的故障。从图3可以看出，它属于节点之间的故障，那么故障点处于1号FTU线路尾部，或者是在节点5与周边节点之间[2]。

1.4.2 注意事项

在分布式电源配电网中，储能装置是故障定位的主要方法。这种方法实施中需要综合考虑的问题较多，具有多分支、多故障、末梢故障以及环网运行等特点。因此，发生故障后需要紧密结合描述矩阵与故障信息矩阵的确定方法，采用上述方法判断故障矩阵，再结合故障判定矩阵确定值为1的元素在整个拓扑图中所处的位置，进而快速定位故障点所在位置。

1.4.3 故障定位方法流程

分布式电源智能配电网故障定位时的定位流程如下。若网络描述矩阵和故障信息矩阵已知，生成故障判断矩阵。按照得到的判定原理与判定条件，可以按照图4的流程定位故障。图4中，需先判断dij和gj的值，再对ki与yi计数，判断是否满足相关的条件，然后输出故障判定矩阵元素pi与ki值。若pi=1，那么表示在第i号的设备周边区域中存在故障。最后，结合ki值判断故障的具体区域。

图4 故障定位流程示意图

2 基于分段开关配置的智能配电网故障隔离方法分析

在对故障进行定位的同时，还要做好故障隔离。本实验采用分段开关配置的方式隔离智能配电网的故障。

2.1 优化智能配电网的分段开关的配置

智能配电网故障隔离的关键主要在于分段开关的配置。为了优化分段开关配置，需要紧密结合智能配电网的电路特点和出线与线路特点，明确和优化分段开关的结构配置。本文采用电压时间型的自动分段器，主要是考虑到其能在配电网失压后能够进行自动分合闸，且有两种不同的运行模式。一种是配电网发生故障时，智能变电站的出线端中的重合器会开闸。利用这种自动分段器能检测配电网失压的情况，并实施无延时跳闸。另一种是配电网中智能变电站的出线端重合器会延时重合。此类自动分段器会根据预定的时延参数，从最近的自动分段器进行自动合闸。如果分段器合闸在配电网的故障区域，重合器能检测配电网故障电流进行再次分闸。在故障区段的上游，相邻的分段器会由于合闸后存在一定的时间，从而检测失压跳闸和闭锁来达到隔离故障的目的。当配电网中变电站的出线和分支线开关中应用重合器时，其他配电网中的线路与用户的分界开关应用分段器。分段器开关实施负荷开关模式，并对其实施两级极差保护，使得重合器和分段器的跳闸延时时间为0 s。因此，在变电站出线端重合器进行开合闸保护时，需要增加一定的时延。采取这样的方式进行分段开关的配置，不仅能有效降低成本，不依赖相关的通信技术，而且在配电网中有着良好的故障隔离效果，便于操作。但是，它需要多次进行分段开关动作，所以必须要通过科学算法对其进行强化控制，从而进一步加强配电网故障的隔离效果。

2.2 切实做好智能配电网故障区域的判定

智能配电网故障区域判定是在分段开关合理配置的基础上进行的，因此需要在做好上述配置的基础上，紧密结合电网传输和监控方面的数据信息，把分段开关保护动作信息作为故障时间信息。当某段电路出现故障时，重合器和分段器会启动开关进行保护。智能配电网中的故障检测装置可以检测遥测信号数据，同时自动将数据信号上传到重合器。重合器采取二进制方式将配电网的故障特点输入到分段开关。分段开关收到故障信息后会自动保存数据，并初步判断故障描述特征，再利用分段开关中的重合器下达隔离的指令，同时控制对应电路中的分段器进行开闸。但是，实际判断中若分段开关信息中存在错误，会在初次判断的基础上再次进行故障判断，分段开关中的重合器就会给分段开关下达选点的命令，使得分段开关处于待工作状态，直到再次判断得出故障区域所在。

2.3 利用返送校对法隔离配电网故障

在做好上述判定的情况下，需要采取返送校对法对分段开关提出双命令隔离请求。经过配电网故障区域后，变电站向分段开关节点发送相应的遥控指令，待分段开关节点信息返回后，需做好对其的校对。若与原始信息相同，那么激活每个分段开关节点的开合闸指令。智能变电站运行过程中会定期扫描分段开关所处的状态，并将扫描数据信息传输到分段开关的重合器。重合器分析配电网中的相关故障信息，并给故障区域发送隔离指令，通过周而复始的扫描，确保能够利用分段开关配置来隔离配电网的故障，从而确保配电网运行的稳定性[3]。

2.4 隔离方法可行性的验证

2.4.1 实验准备

为了验证实验提出的故障隔离方法，将其与传统的验证方法进行了对比。对比过程中，某智能变电站的配电网中干线与子馈线长度为16 km。从变电站出口开始，每隔4 km配置一部故障检测装置，且将其安装在FTU设备中，同时安装相应的重合器与分段器。每1 km的干线中配置了12个开关，通过人为方式设置了50处故障，然后分别采用两种方法对其实施故障隔离操作。实验共持续12 h。

2.4.2 实验结果分析

通过确定的故障隔离方法，在精心做好实验准备的基础上开展对比试验，并记录两组数据，结果如表1所示。从统计结果来看，采用所提方法比传统的故障隔离方法效率更高，传统的平均隔离效率只有54.5%，而所提方法的平均隔离效率为84.8%，比传统方法高出约30%，证明了所提故障隔离方法具有快速隔离故障的作用。

表1 故障隔离数据统计

3 结 论

在分布式电源下的智能配电网中开展故障定位与隔离工作，以保证配电网运行稳定性和安全性为前提，借助联络开关与线路中的自动开关，有效断开故障区域内的开关，闭合其他线路的环网开关，从而确保无故障线路段能及时恢复正常运行而达到快速恢复供电的目的。因此，为提升配网自动化水平，需要加强对智能配电网故障定位和隔离方法的研究，以保障智能配电网运行的安全性和高效性。