基于Digsilent软件的含分布式电源配电网故障定位技术的研究

张柳，许傲然，王雪杰

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110036)

1 引言

配电网是电力系统电能发、变、送、配中的最后一个环节，是连接输电系统和电力用户的桥梁，配电网的安全稳定运行直接关系到用户的利益。因此配电网发生故障时定位的快速性和准确性，不仅对配电网供电修复和供电可靠性有着重要意义，对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。目前，国内外关于配电网故障的定位技术的研究已经比较成熟，但是随着世界能源局势和环境问题的紧张，分布式电源(Distributed Generation)作为一项新能源开发的典范逐步得到了广泛应用，分布式电源与常规电力系统并网的趋势越来越明显。而分布式电源接入配电网后，配电网由单电源辐射状网络变成了多电源供电的复杂网络，这使得传统的故障定位方案已经不能满足现代电网对故障定位技术的要求，必须寻求新的故障定位思路和方案。本文此基础上，意图利用功能强大的电力系统仿真软件Digsilent模拟含分布式电源配电网各类故障情况，研究出一种适用于含分布式电源的配电网随时变化的网络拓扑结构特点的故障定位技术。

2 传统配电网故障定位技术的研究方法

传统配电网故障定位的方法主要有直接算法和间接算法。直接算法是根据配电网的拓扑结构，以图论知识结合故障过流或失压分析为基础实现故障定位，主要包括矩阵算法和过热弧搜寻法等。矩阵算法又分为两类:基于网基结构的矩阵算法和基于网形结构的配电网故障定位矩阵算法。其中应用比较广泛的是基于网基结构的矩阵算法，它的基本原理是采用无向图的方式描述网络的拓扑结构，当馈线发生故障时，根据各FTU监测到的故障信息组成故障信息矩阵，然后将网基结构矩阵和故障信息矩阵相乘再规格化处理得到故障判断矩阵，根据故障判断矩阵就可以判断和隔离故障区段。这种算法实现了单电源树形配网或环形配网开环运行的故障定位问题;过热弧搜寻法是利用图论知识，它将配电网的线路看作弧，开关看作顶点，将馈线供出的负荷看作弧的负荷，将开关流过的电流看作顶点的负荷，定义归一化负荷为弧负荷与额定负荷之比再乘以100，很显然故障区段的归一化负荷远远大于100，因此这些弧称为过热弧，故障区段的需找问题就转化为了过热弧搜寻问题。

间接算法是利用人工智能技术来实现故障定位，常用的人工智能技术有人工神经网络、遗传算法、模糊理论等。另外还有基于贝叶斯公式的配电网故障定位方法和基于粗糙集理论与遗传算法相结合的配电网故障定位算法等。

3 Digsilent电力系统仿真软件

分布式电源容量都比较小，建设比较分散，设施通常位于负荷附近，在配电网的末端或者中间接入系统。随着分布式电源的接入，配电网由原来的单电源辐射型网络逐步转变成含有中小型电源的多电源网络，潮流的方向随机变化，同时由于接入电网的分布式电源通常都是太阳能、风能等发电量不稳定的新能源，因此这使得传统的故障定位技术不再使用于含分布式电源配电网，也使得以往所使用MATLAB、PSCAD等电力系统仿真软件也不能很好的模拟含分布式电源配电网的真实运行情况，因此为了研究出符合含分布式电源配电网实际运行情况的故障定位技术，本文选择了Digsilent电力系统仿真软件，该软件仿真功能强大，它不仅包含其他仿真软件都具有的AC/DC潮流计算、故障分析、动态仿真等功能，还具有丰富且实用的电力元件，包括多类型的输电线路、双/三绕组变压器、同/异步电机、负荷和保护装置等，更重要的是它还有具有包含风力发电、太阳能发电等各类新能源发电模型，同时它还允许用户在单一的数据库中创建详尽的符合用户实际需求的电力系统元件模型。这使得它尤其适合用于对具有动态运行特征的含分布式电源配电网的进行仿真分析，因此，本文选择使用Digsilent仿真软件做为含分布式电源配电网故障定位算法研究的分析工具。

图1 Digsilent软件的工作界面

4 基于传统矩阵算法故障定位技术的改进

图2 含分布式电源配电网简化图

改进的矩阵算法为确定故障区段，第一步与传统算一样，首选是要形成一个实时的网络拓扑信息描述矩阵，即网络描述矩阵D。以图1为例，首先要将馈线上的断路器、分段开关和联络开关进行编号，将有N个开关作为节点，则根据各节点的有向连接关系形成一个N维方阵，假如若节点i和节点j之间存在一条馈线且该馈线的正方向是由节点i指向节点j，则对应的网络描述矩阵中的元素dij=1，否则dji=0，形成网络描述矩阵D:

网络描述矩阵D确定后，再根据故障时FTU上报故障信息确定故障信息矩阵G，方法是，先给馈线确定一个正方向，即假设配电网仅由一个电源供电(该电源可任选)，馈线的正方向是由该电源向全网供电的功率方向，假如节点i的流过了超过整定值的故障电流，同时其方向与网络正方向相同，那么故障信息矩阵的第i行第i列的元素就置0，不能同时满足上述两个条件的节点i，故障信息矩阵的第i行第i列元素就置l，其余元素均为0。假设选定正方向如图1箭头所示，故障点是K1、K2，则可得到故障信息矩阵 G:G=［1，1，1，－1，1］。

利用故障信息矩阵G对网络描述矩阵D进行修正后，修正的方法是利用G对D的对角元素进行如下修改:

最终得到故障判断矩阵P:

得到故障判断矩阵P后，使用以下方法对故障判断矩阵P进行分析:(1)故障判断矩阵P中有对角元素满足 Pii=1，同时第 i行中当 j≠i有 Pij≠0，有 Pjj≠1，则表明第i节点到第j节点之间有故障发生;(2)故障判断矩阵P中有对角元素满足Pjj=－1，同时第j列中当i≠j有Pij≠0，且有Pii=0，则表明第j节点至线路末端有故障发生;(3)若判断矩阵P在满足对角元素满足 Pjj= －1，同时第 j列中当 i≠j时，有 Pij≠0，且，当m ≠i且 m ≠j时还满足 Pim≠0，Pmm≠ 1，(其中，j，m∈J，J为配电网络的节点集合)则表明第j节点至第m节点之间的线路末有故障发生。

根据上述判断规则，分析图2，配电网络的故障判断矩阵 P 有:P33=1，同时有 P34≠0，有 P44≠1，可知在节点3之节点4之间的线路有故障发生，故障定位结果与实际情况相符。

5 Digsilent实际算例仿真

本文用digsilent仿真软件搭建了一个简单的含分布式电源配电系统。首先画出该含分布式电源配电系统的简化网络图，并规定了正方向，如图4所示。

图3 Digsilent软件模拟含分布式电源配电网的短路计算图

其次建立该含分布式电源配电系统的8行8列网络描述矩阵D为:

网络描述矩阵D确定后，实际网络要根据发生故障后FTU上报故障信息确定故障信息矩阵G，本文选择用digsilent电力系统仿真软件模拟该含分布式电源配电系统的运行，随意设置几处故障后进行短路计算，根据仿真软件显示的潮流数据，确定该配电系统的故障信息矩阵 G:G=［1，1，0，0，－1，1，1，1］。根据定义规则，利用改进的故障定位矩阵算法得到新的故障判断矩阵P为:

图4 含分布式电源配电网的简化线路结构图

图5 含分布式电源配电网的故障示意图

观察故障判断矩阵P，可知节点2满足P22=1，P23≠0，且有 P33≠1;P26≠0，且有 P66≠1;P28≠0，且有P88≠1;节点5 满足P55= －1，P45≠0，且有P44=0。因此判断本次模拟的故障有两处，分别在节点2、3、6、8之间和节点4之间，如图5所示的K1和K2点。已知图3所示，Digsilent仿真软件模拟的故障发生在母线2和母线3。而母线2和母线3正是在节点2、3、6、8之间和节点4之间，由此可见，本文改进算法故障定位技术故障定位准确。

6 展望

分布式能源发电技术广泛应用之后，配电网的运行特性发生了很大的改变，传统的配电网故障技术很显然已不再适用，研究出一种适合于含分布式电源配电网的故障定位技术的已经也愈加迫切。本文在总结传统配电网故障定位技术的基础上，应用能有效模拟分析实际含分布式电源配电网运行情况的digsilent软件，研究出的这种故障定位新算法，原理简单、速度快、容错性好，并且能同时满足含分布式电源配电网的单故障和复故障的定位要求，有较强的推广实用价值。

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