多分支低压电网的故障区段自动定位技术研究

孙荣智， 王承力， 王子驰， 高树同， 雷炳银

(平高集团有限公司， 河南,平顶山 467001)

0 引言

在电力系统中低压电网属于主要介质之一，通过低压电网可将电流的消耗数值降至最低，为用户提供持续供电。交通电流在应用过程中所需电压等级不同，因此，针对电压线路具有一定要求，距离用户最近的低压电网具有一定特点，可将线路的半径控制在最小范围内，并且所需线路的长度最短。针对电压进行输送需借助主电网的作用，随着为我国用户对于电力需求的增长，我国电力技术的发展越来越成熟。为了保证电网的使用安全，本文将针对电网提出一种故障检测方法，这项工作具有重要意义。

1 多分支低压电网的故障区段自动定位技术发展现状

1.1 低压电网环境下准确故障定位

为保证在低压环境下，电网可摆脱以往拓扑结构的分支复杂和易受脉冲噪声干扰等问题的影响，实现故障下的精准定位，本文将通过自动定位技术实现多分支低压电网在故障下仍可完成相关工作。当前行波法在配电网领域中较为常见，主要应用于中高压配电网中，行波法的应用可将不同维度的故障信息充分融合，从而形成故障区段的定位。通过研究发现，中高压配电网在模拟线路中，其线路的长度通常以千米为单位，而低压配电网在模拟线路中通常以米为单位，针对中高压配电网的故障定位，行波法通常采取双端行波法作为故障定位的基础，该方法可通过时间上的同步保证故障定位的精度。而用于低压定位时会在时间同步上存在一定问题，因此，低压配电网需要改变以往故障定位方法。通过研究发现，低压配电网出现故障时利用时域反射法具有较强效果，但该方法易受外界因素干扰[1]。

1.2 国内外自动定位技术发展现状

为了改善低压电网易受外界因素影响而造成故障问题，本文基于相关计算的反射测量法针对脉冲信号的干扰问题进行研究。目前采用的方法主要由时域反射法演变而来，通过向电缆中发送干扰信号进行测试，但通过相关测试发现该方法无法针对故障区段进行精准定位，造成位置模糊。针对该问题，我国有学者提出利用学习型算法针对电网网络拓扑结构进行反推的观点，但通过验证实验，该方法存在一定缺陷，将其应用于低压电网中较难实行。随着混沌反射法的提出，为多分支低压电网的故障定位提供一定依据。国外学者针对多分支低压电网的故障定位提出相关熵的概念，为低压电网的后续发展提供理论依据，在此基础上，其他学者针对熵进行不断研究，最终证明最大相关熵和最小分散系数在准则上存在等价性，除此之外，相关熵具有多种优势，将成为信号处理领域中重点观察内容。

2 电缆故障信号的时域反射分析法工作原理及测距方法

2.1 STDR/SSTDR工作原理

本文针对低压电网故障区段进行研究，最终应用电缆故障信号的时域反射分析法对故障进行处理。该方法主要基于时域反射法，由于低压电网是人类的日常使用线路，该线路较短，易出现故障问题，除此之外，在运作过程中易受外界因素的干扰，因此，通过时域反射分析法向低压电网中发射脉冲信号，以此改善噪声等因素对低压电网造成的干扰，该方法更适用于针对低压电缆故障进行线上的检测以及定位。检测过程中将STDR/SSTDR方法向低压电网中发送的序列信号PN设为x(t)，此时时域反射分析法检测到的信号为

y(t)=∑kakx(t-τ)+n(t)

(1)

式中,τ代表传输延迟信号；n(t)代表低压电网故障区段所遭受的噪声信号[2]。

2.2 SSTDR测距方法

在多分支低压电网进行信号传输过程中易出现延迟现象，而SSTDR测距方法主要利用相关运算峰值对传输时间进行测量，测量过程中可将电缆中的信号传输延迟通过时延估计值τ替代，时延估计值τ为相关运算峰值所对应的时间点。通过SSTDR测距方法对低压电网进行距离测量时，应针对故障的范围进行定位，此时若信号在特定传输介质中的传播速度c为固定数值，故障点到测距原点的往返时间为t，应通过式(2)进行故障范围的确定，用式(3)估计故障位置：

(2)

(3)

式中,TS表示一个PN码片可在故障距离中测量的持续时间；N表示伪随机序列的长度[3]。

低压电网区段的故障鉴别能力通过最小测量距离表示:

(4)

通过分析验证发现，该系统对距离的测量存在一定限度，因此最大测量距离公式为

(5)

针对上述公式，将波速设为恒定状态，此时测量指标是测量精度Δd(测量分辨率)如式(6)：

(6)

本文针对设计要求将设计指标中的最大故障定位距离设为8 km，定位盲区设为2 m，此时，通过式(2)、式(5)进行计算，最终求得PN码片可持续1/200 MHz，而序列长度应大于1 000。

3 基于GIS的多分支低压配电网拓扑结构

3.1 多分支低压配电网的结构特点

多分支低压配电网可为用户提供用电网络，其实现方式主要将变电站作为配电网的核心结构，通过变电站将电压转变为低压状态，最终由低压网络供给用户使用，配电网在一定意义上属于电力系统的众多环节中最后的面向用户供电的环节。低压配电网在结构上由馈线、变电设备、开关等设备共同组成，众多设备之间具有协同作用，内部任一环节出现故障，整个低压配电网的某个专属区段将出现故障，最终造成停电事故，直接影响到用户的正常生活。多分支低压配电网在线路走向上具有一定的地理特征，电压等级为最低，通常状态下多分支低压配电网的电压等级处于10 kV以下，该等级下的配电网具有较强优势，但多分支低压配电网在结构上存在一定的复杂性，因此多分支低压配电网应融入地理信息系统，使其在地理环境下存在一定特征[4]。

3.2 多分支低压电网网络模型构建

通过研究发现，传统多分支低压配电网在运行方面大致分为三种结构，分别是辐射状结构、环状结构以及树状结构。为了对多分支低压配电网进行拓扑分析，通过建立网络模型的方式，并利用SuperMap Deskpro实现配电网的拓扑模型，在该模型中可通过设置相应规则，对拓扑结构进行限制。若该电网中的数据线段存在相交现象，应将违规现象进行记录，并通过用户端针对该现象进行维护，从而形成正确的拓扑关系。该模型中存在多个数据集，主要包含点、线、面等类型，而基于GIS系统进行配电网模型构建时，在结构组成方面应通过层叠形式进行呈现，同层级结构中应包含不同类型的设备，或每层中具有同一类型的设备对象，通过GIS系统与配电网充分融合，有利于操作者针对配电网进行操作时更加便利。基于GIS的多分支低压配电网数据模型如图1所示[5]。

图1 基于GIS的多分支低压配电网数据模型

3.3 基于GIS的多分支低压配电网网络分析

通过上述分析可知，GIS系统为低压配电网的发展提供有力依据，基于GIS系统构建的电网网络模型在地理分布上具有一定特征，可增强系统的直观程度。该数据模型在结构上将自身分为两部分，分别是空间数据模型和属性数据模型，并通过关联主键GISID将二者连接在一起。二者之间功能具有较大差异，空间数据库主要负责获取配电设备的地理位置，而属性数据库主要负责管理设备的状态信息。为了实现基于GIS系统的配电网拓扑结构，将针对模型进行元素化发展，利用GIS的拓扑结构实现对多分支低压电网的故障区段进行自动定位。在此基础上，将GIS作为配电网的背景，通过拓扑分析找出该系统的供电电源，使其具有完整的连通线路。多分支低压配电网电源点分析流程如图2所示。

图2 多分支低压配电网电源点分析流程

4 基于GIS的多分支低压电网的故障区段自动定位方法

4.1 主动型低压多分支电网区段故障定位

为了降低低压电网在使用过程中发生故障的频率，采用主动型区段定位方法。该定位方法主要采用扩展频谱时域反射波发生器与被动式滤波器之间进行相互配合，形成完善的定位体系，并在站室智能配电终端协调管理的基础上对故障区段进行精准定位，该方法可有效降低多分支低压电网建设过程中的成本问题，适用于多种接线故障。通过该定位方法可实现故障点的自动定位，大量降低资源的使用[6]。

4.2 区段故障定位方法

针对低压电网中部分线路出现问题时，可通过站室终端获取该故障线路存在的状态信息，分析数据信息以及故障区段的电流变化，该系统可区分线路中造成故障的主要原因。通过分析可知，造成电路出现故障的主要原因可能为开关出现闭合状态或者线路自身出现故障。当电压的有效值出现快速跌落现象，或者支路断路器的位置信号处于闭合状态时，系统电流降至为零，此时系统的站室终端将启动SSTDR的相应装置，针对故障线路进行距离测量，并将故障线路的类型及位置信息通过网络上传至站室终端，由检修人员针对该故障信息进行处理[7]。

4.3 低压配电网GIS故障定位系统设计

为了保证该系统可精准定位故障区段，在区段故障定位方法的基础上结合GIS系统。通过GIS系统对故障数据的地理位置进行自动查找，可保证电网的稳定运行，防止次生故障现象的发生，影响用户正常生活。故障定位系统在实施过程中可针对事故状态进行自动监测，实施流程应通过SCADA数据进行实时监测，形成完善的故障解决体系。为保证电网的正常运行，在该系统中建立数据库，用来存储故障数据信息以及电能量采集系统中存在的数据。该系统在故障定位过程中易遭受外来信息的干扰，为防止误判现象的发生，应提升该系统的故障定位正确性。由于线路区段出现故障将造成部分区域出现停电现象，导致用户无法正常用电，因此，本文将针对该现象设置客服系统。客服业务流程为用户通过拨打热线电话进行投诉，客服将根据投诉内容进行故障判断，并以短信的方式通知维修人员进行检修。

故障定位的流程为故障定位主要来源于自动检测以及用户投诉，通过该数据的上传，系统可根据不同方面的信息进行初步判断。通过系统分析得出结论为确定故障时，系统将利用GIS功能进行自动定位，将得出的位置信息通过特殊颜色进行标记，并将故障范围通过报警的方式进行提示，同时发送至检修人员的设备中。其中贝叶斯故障分析方法有利于提升系统定位的精准度，同时，系统将故障信息存入系统数据库中，并将此次故障范围通过特殊颜色体现在系统界面。多分支低压电网的故障自动定位流程如图3所示[8]。

图3 多分支低压电网的故障自动定位流程

5 总结

本文主要针对低压电网进行研究，通过研究发现，低压电网在结构上十分复杂，易出现故障问题，因此，将利用电缆故障信号的时域反射分析法针对故障进行处理。该方法的原理主要是时域反射法，虽然低压电网最接近于用户的日常使用线路，但该线路较短，易遭受外界因素的干扰，而GIS系统具有较强优势，可利用GIS针对低压电网进行故障定位，该方法有利于提高我国电网的整体线路水平，使故障线路得到有效维护，在未来发展中，将针对该系统理念进行革新，通过GIS技术的有力支撑，可实现系统向科学技术的方向转变。