一种智能分布式馈线自动化故障判定方法

张 伟

（积成电子股份有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

馈线自动化系统（FA）作为配网自动化（DAS）的重要组成部分，具有隔离故障区域并使健全区域快速恢复供电的功能。对减小停电面积、缩短停电时间、提高供电可靠性具有重要意义[1-12]。

分布式馈线自动化系统是一种依靠设备间的相互配合隔离故障及恢复健全区域供电的方法。按照故障隔离的方式可以分为开关配合型馈线自动化和“面保护”型馈线自动化[13-15]。

开关配合型馈线自动化无需通信，只依靠自动化开关之间的相互配合即可隔离故障并恢复健全区域供电。其产品主要有：重合器与电压-时间型分段器配合馈线自动化，重合器与重合器配合馈线自动化，重合器与过流脉冲计数型分段器配合馈线自动化。该类型馈线自动化系统因需依靠自动化开关之间的整定时间差及多次重合闸来隔离故障，故障隔离时间长，系统冲击大，设备使用寿命低。

“面保护”型馈线自动化是一种依靠自动化开关之间的相互通信并经过一定逻辑判断隔离故障及恢复健全区域供电的方法。具有故障隔离速度快，对系统冲击小的优点。文献[8]提出了一种依靠载波通信的馈线自动化方法，但是该方法需要依靠所有开关的状态信息进行故障判断，处理过程复杂。文献[9-10]给出了基于通信的馈线自动化方法，但是皆未给出详细的判断原理、算法和判据，且未考虑分支馈线情况。文献[14-15]给出了一种基于开关间相互通信的馈线自动化新方法，且对电网开环及闭环情况分别进行了描述，并对暂时性故障及开关拒动、保护失灵、通信异常等特殊情况进行了分析。但该方法过多依赖通信，通信异常、开关拒动及保护失灵时将使故障隔离范围扩大。且上述方法在电网运行方式变化时需要重新整定设备参数。

针对上述问题，本文提出一种融合自动化开关相互通信及自动化开关相互配合优点的馈线自动化系统。根据自动化开关之间的连接关系，提出了一种开关分组模型。基于开关分组模型，依靠故障电流及有功功率方向，提出一种不依赖电网运行方式的统一故障判定准则。并将判定准则转化为一系列的逻辑运算，提出了一种开关逻辑值及开关组逻辑值的计算方法，并运用开关组逻辑值计算出各个开关的动作逻辑值。针对暂时性故障引入一种不依赖通信的开关一侧失压重合机制，有效避免了通信异常情况下的故障隔离范围扩大。

1 配电网开关分组模型

将由开关及馈线段组成的封闭集合称为配电区域。如果一个区域的所有端点都是开关并且没有内点或者所有内点都是T接点，则称该区域为最小配电区域。规定每一个最小配电区域中的开关之间都是相邻的[1]。则最小配电区域的每一个开关都是其他开关的相邻开关。同一配电区域中的相邻开关即是一组。规定有相同端点的最小配电区域相邻，则每个开关至多有两个相邻最小配电区域，故此，每个开关至多有两个相邻开关组。

流入最小配电区域的潮流称之为入度流，其流经的开关称之为最小配电区域的入度开关。流出最小配电区域的潮流称之为出度潮流，其流经的开关称之为最小配电区域的出度开关。最小配电区域的出度与入度开关数称之为该最小配电区域的出度与入度。显然，一最小配电区域的出度开关，是其相邻最小配电区域的入度开关。

对于图1所示配电网，S1、S2为变电站出线开关；A、B、C、D、F、G、H为分段开关；E为联络开关；“-”表示相邻开关为末梢点。则可以划分相邻开关组如表1。

建立队列Qx描述开关x的相邻关系为

其中，groupxi（i=1,2）为开关x的第i个相邻开关组，描述为式(2)。

其中，Nxj（j=1,2,…,n）为开关x第i个相邻开关组包含的开关。

则图1开关A的相邻开关组可以表示为

图1 一个典型的开环配电网Fig. 1 A typical open-loop distribution network

表1 图1中各个开关的相邻开关Table 1 Parameters of the switches in Fig. 1

2 智能馈线自动化原理

配电网多为开环运行方式，为确保重要负荷供电，一些馈线采用闭环运行。随着分布式电源的广泛接入，配电网闭环运行范围将进一步扩大。配网闭环与开环运行保护设备定值不同，在运行方式发生变化时需重新对保护定值进行整定与修改，工作复杂繁琐。因此研究一种不受运行方式约束的馈线自动化系统具有现实意义。

2.1 基本原理

当发生两相、两相接地、三相短路故障时，故障馈线部分开关将流过故障电流，单相接地故障时系统可缺相运行1～2 h，且无法用故障电流判断，此处暂不考虑。

对于开环运行配电网，故障点上游各个开关将经历故障电流，而故障点下游各个开关将无故障电流。对于闭环运行配电网，故障点两侧各个开关皆经历故障电流。因故障电流为一周期正弦波，其方向随时间周期变化，同时测量各个开关的电流方向需PMU，非常复杂。故此，用电流方向判断故障区间较为困难。

引入电压为参考向量，电流向量与电压向量之间总有一个夹角，故而，以电流与电压向量的乘积功率为基准，以有功潮流方向作为故障判定的依据。 开关两侧有功潮流大小相等方向相反。

每一个开关安装一自动装置，相邻开关组之间可相互通信，故每一自动装置有A、B两端，对应第1、第2相邻开关组。每一开关采用错相方式采集Uab、Ubc。定义开关安装AB相PT的为A端，安装BC相PT的为B端。且有功潮流从A端流向B端为正，反之为负。故若流过某开关的潮流为正，则潮流流出该开关第1相邻开关组，流入其第2相邻开关组。反之，若流过某开关的潮流为负，则潮流流出该开关第2相邻开关组，流入其第1相邻开关组。

因此，开环与闭环运行情况下，馈线故障区间的判断准则为：若最小配电区域的有功潮流入度不为0，而出度为0，且流经的电流大于某一整定值，则故障发生在该最小配电区域。

规定故障潮流所流经的入度开关逻辑值为 1，出度开关逻辑值为0，则由式（1）、式（2）描述故障发生时开关x的动作情况为

其中：||为逻辑或运算符；Ax为开关x的动作逻辑值，逻辑0为不动作，逻辑1为动作分闸；Vgroupxi（i=1,2）为开关x的第i个相邻开关组的逻辑值，描述为式(4)。

其中：&&为逻辑与运算符；VNxj（j=1,2,…,n）为开关x第i个相邻开关组包含开关的逻辑值；VNx为开关x的逻辑值。

开关的逻辑值由流过该开关的故障有功潮流的方向确定。同一开关，其开关逻辑值在第1相邻开关组与第2相邻开关组中相反。

其中：P为流过开关的有功功率；I为流过开关的电流值；IC为开关的电流整定值。

当开关无故障电流流过时，其开关逻辑值需由其相邻开关的电流值决定：

其中：INx为开关 x的故障电流逻辑值；INxj（j=1,2,…,n）为开关x的相邻开关故障电流逻辑值。其值为

末梢节点流过的电流为0，其处理方式与开关无故障电流情况相同。

在一个最小配电区域中，开关的逻辑值只要有一个为0，其Vgroup组值即为0，表示该最小配电区域无故障；当开关逻辑值全为 1时，其 Vgroup组值为1，表示故障发生在该最小配电区域内；只要有一个Vgroup组值为1，则开关的动作逻辑值A即为1，表示该开关需动作分闸。

2.2 配电网开环运行分析

如图1所示配电网，当系统开环运行时，若开关BD区间发生故障时，开关S1、A、B经历故障电流，开关C、D未经历故障电流。根据表1及式（1）～式（7）有如下分析。

开关 S1流过故障电流，且有功功率方向为从开关流向区域S1A，故VNS1=1，其相邻开关A经历故障电流，有功功率方向为流出区域 S1A故VNS11=0，由式（4）VgroupS11={1&&0}=0，故此AS1=0，开关S1不动作。

开关A流过故障电流，且有功功率方向为从区域S1A流出，流入区域ABC。故对于其第一相邻组，开关A的逻辑值VNA为0，开关S1的逻辑值VNA1为1，则其第一相邻开关组VgroupA1的值为0；对于其第二相邻开关组，开关A的逻辑值VNA为1，开关B的有功功率方向为流出区域ABC，故此其逻辑值VNA1为0，开关C未经历故障电流，其开关逻辑值由开关ABC共同决定，根据式（7），开关A、B的故障电流逻辑值皆为1，开关C的故障电流逻辑值为0，由式（6）开关C的逻辑值为1。故此第二开关组逻辑值VgroupA2为0。综上所述，由式（3）可知开关A的动作逻辑为0，开关A不动作。

开关B流过故障电流，且有功功率方向为从区域ABC流出，流入区域BD。故对于其第一相邻组，开关B的逻辑值为0，开关A的逻辑值VNA为1，开关C未经历故障电流，其开关逻辑值由开关ABC共同决定，由式（6）、式（7），开关C的逻辑值为1，故其第一相邻开关组逻辑值 VgroupB1为 0 ；对于第二相邻开关组，开关B的逻辑值为1，开关D未经历故障电流，其开关逻辑值由BD共同决定。根据式（7）开关B的故障电流逻辑值为1，开关D的故障电流逻辑值为0，由式（6）开关D的开关逻辑值 VNB为 1，故开关 B第二相邻开关组逻辑值VgroupB2为 1，综上所述，由式（3），可知开关 B的动作逻辑值为1，开关B动作分闸。

开关C未经历故障电流，对于第一相邻开关组ABC，开关A的逻辑值为1，开关B的逻辑值为0，开关 C的逻辑值为 1，其第一相邻开关组逻辑值VgroupC1为 0；对于第二相邻开关组，其相邻开关为末梢节点，未经历故障电流，其开关逻辑值由相邻开关C共同决定，由式（6）、式（7），开关C与末梢节点的故障电流逻辑值为0，开关逻辑值皆为0。故其第二相邻开关组逻辑值VgroupC2为0，由式（3），可知开关C的动作逻辑值为0，开关C不动作。

开关D未经历故障电流，对于第一相邻开关组，开关B的逻辑值为1，开关D的逻辑值为1，其第一相邻开关组逻辑值VgroupD1为1；对于第二相邻开关组，开关E为联络开关，未经历故障电流，根据式（6）、式（7），开关DE的故障电流逻辑值为0，开关逻辑值皆为0，故其第二相邻开关组逻辑值VgroupD2为0，由式（3），可知开关D的动作逻辑值为1，开关D动作分闸。

其他开关由于未经历故障电流，根据式（6）、式（7）其故障电流逻辑值皆为0，开关逻辑值皆为0，故相邻开关组值亦皆为0，显然，开关动作逻辑值亦皆为0，开关不动作。

至此，整个故障隔离处理完毕，开关B、D分闸，故障被隔离在该区间，联络开关E延时时间到后启动合闸功能，恢复对健全区段DE的供电。

2.3 配电网闭环运行分析

当系统闭环运行时，对于图1所示配电网，若开关BD区间发生故障，开关S1、A、B、D、E、F、G、H、S2皆经历故障电流，开关C未经历故障电流。其故障有功潮流流向如图2所示。

图2 闭环配电网潮流图Fig. 2 A typical open-loop distribution network

开关S1、A、C的分析与开环运行时完全相同，不再赘述。

开关 B经历故障电流，对其第一相邻开关组ABC，开关A的逻辑值为1，开关B的逻辑值为0，开关C的逻辑值为1，第一相邻组的逻辑值VgroupB1为0；对于第二相邻开关组BD，开关B的逻辑值VNB为1，开关D流过故障电流，且有功功率方向为流入区间BD，故其开关逻辑值VNB1为1，故其第二相邻开关组逻辑值VgroupB2为1，由式（3），可知开关B的动作逻辑值为1，开关B动作分闸。

开关 D经历故障电流，对其第一相邻开关组BD，开关B的逻辑值为1，开关D的逻辑值为1，其第一相邻组的逻辑值VgroupD1为1；对于第二相邻开关组DE，因开关D的有功功率方向为流出区间DE，故其开关逻辑值为0，开关E流过故障电流，且有功功率方向为流入区间 DE，故其开关逻辑值为1，故第二相邻开关组逻辑值VgroupD2为0，由式（3），可知开关D的动作逻辑值为1，开关D动作分闸。

开关E、F、G、H、S2的分析与开环时开关S1、A的分析相似，开关皆不动作，不再赘述。

2.4 暂时性故障处理

若系统为暂时性故障，当故障隔离后，暂时性故障消除，为确保正常区域供电，需增加开关一侧失压重合闸功能。为确保开关重合闸功能的成功，变电站出口断路器应配置延时电流速度保护功能。

若开关重合后再次检测到故障电流，则说明故障为永久性故障，开关将闭锁在分闸状态。

对于图1所示配电网，当BD区域发生暂时性故障时，由2.2节分析，开关BD将分闸，隔离故障，如图3（a）所示。当开关BD分闸后，若故障消除，此时开关B检测到其一侧失压，启动一侧失压重合闸功能，如图3（b）所示。开关B合闸后，区域BD正常供电，此时开关D检测到其一侧失压，启动一侧失压重合闸功能，如图3（c）所示，至此整个健全区域恢复供电。

图3 暂时性故障的处理过程Fig. 3 Process of permanent fault

3 实例

如图4为某一地区配电网，出线为相同变电站母线馈线闭环运行，不同变电站馈线之间开环运行，#1、#2为母线，S1～S4为变电站出口断路器，A～O为分段开关，I为联络开关。

图4 某一配电网Fig. 4 A typical open-loop distribution network

根据第1节，可以划分相邻开关组如表2。

若区域BD与HG同时发生故障，则开关S1、A、B、C、H将经历故障电流，开关D、E、F、O、G未经历故障电流，由式（1）～式（7）生成各开关组逻辑值与开关动作逻辑值如表3。

表2 图4中各个开关的相邻开关Table 2 Parameters of the switches in Fig. 4

表3 图4中各开关动作逻辑值Table 3 Logic values of the switches in Fig. 4

由表3可知，当区域BD与HG同时发生故障时，开关B、D、H、G的动作逻辑值为1，开关动作分闸，切除故障。其他开关的动作逻辑值皆为0，开关不动作。

若是暂时性故障，当故障切除后，因开关B、H一侧失压，将启动一侧失压重合闸功能，当B、H合闸成功后，开关D、G检测到一侧失压，将启动一侧失压重合闸功能，若故障消除，则合闸成功，整条馈线恢复供电。若是永久性故障，则开关B、H合闸后再次检测到故障电流，则闭锁在分闸状态。

经一定延时时间后，联络开关I闭合，恢复对DG区间供电。

4 结论

提出了一种配电网的分组模型，并依靠分组模型给出了一种适合于配网开闭环运行的统一的故障判定准则。

依靠故障电流及有功功率方向，将故障判定准则转化为一系列的逻辑运算。提出了一种计算开关逻辑值及开关组逻辑值的方法，并运用开关组逻辑值计算出各个开关的动作逻辑值。运用该方法，对电网开闭环运行进行了详细分析。

针对电网暂时性故障，提出了一种开关一侧失压重合机制，有效避免了通信异常情况下的故障隔离范围扩大。

[1] 刘健, 倪建立, 邓永辉. 配电自动化系统[M]. 北京：中国水利水电出版社, 1999.LIU Jian, NI Jian-li, DENG Yong-hui. Distribution automation system[M]. Beijing: China Hydraulic and Electric Power Press, 1999.

[2] 齐郑，高玉华，杨以涵. 配电网单相接地故障区段定位矩阵算法的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2010,38(20): 159-163.QI Zheng, GAO Yu-hua, YANG Yi-han. Research on matrix-based algorithm for single-phase-to-earth fault section location in distribution grid[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(20): 159-163.

[3] 马强, 张利民, 刘皓明, 等．配电网故障区间判断的通用矩阵算法[J]．电力系统保护与控制, 2009, 37(5):14-17.MA Qiang, ZHANG Li-min, LIU Hao-ming. General matrix algorithm for fault section detection in distribution system[J]. Power System Protection and Control，2009,37(5): 14-17.

[4] 江道灼, 张峰, 张怡. 基于配电监控终端的配网故障区域判断和隔离[J]. 继电器, 2002, 30(9): 21-24, 57.JIANG Dao-zhuo, ZHANG Feng, ZHANG Yi. Fault sections diction and isolation in distribution system based on FTU[J]. Relay, 2002, 30(9): 21-24, 57.

[5] 罗梅, 杨洪耕. 配电网故障定位的一种改进通用矩阵算法[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(5): 64-68.LUO Mei, YANG Hong-geng. An improved general matrix algorithm for fault locating in distribution system[J]. Power System Protection and Control, 2012,40(5): 64-68.

[6] 刘健, 张伟, 程红丽. 重合器和电压-时间型分段器配合馈线自动化的整定[J]. 电网技术, 2006, 30(16):45-49.LIU Jian, ZHANG Wei, CHENG Hong-li. Setting for recloser and voltage-time type sectionalizers based feeder automation[J]. Power System Technology, 2006, 30(16):45-49.

[7] 王章启, 顾霓鸿. 配电自动化开关设备[M]. 北京：水利电力出版社, 1995.WANG Zhang-qi, GU Ni-hong. The switchgear in distribution automation system[M]. Beijing: Hydraulic and Electric Power Press, 1995.

[8] 章琦. 基于面保护原理的配电网故障处理[J]. 浙江电力, 2002, 21(2): 14-17.ZHANG Qi. Disposing fault of distribution system with the elements based on surfaced-protection[J]. Zhejiang Electric Power, 2002, 21(2): 14-17.

[9] 孙福杰, 王刚军, 李江林．配电网馈线自动化故障处理模式的比较及优化[J]. 继电器, 2001, 29(8)：17-20.SUN Fu-jie, WANG Gang-jun, LI Jiang-lin. Comparison and optimization of fault disposing mode of distribution feeder automation system[J]. Relay, 2001，29(8)：17-20.

[10] 焦振有, 焦邵华, 刘万顺. 配电网馈线系统保护原理及分析[J]. 电网技术, 2002, 26(12): 75-78.JIAO Zhen-you, JIAO Shao-hua, LIU Wan-shun. Theory and analysis of distribution feeder system protection[J].Power System Technology, 2002, 26(12): 75-78.

[11] 朱发国, 孙德胜, 姚玉斌, 等. 基于现场监控终端的线路故障定位优化矩阵算法[J]. 电力系统自动化, 2000,24(15): 42-44.ZHU Fa-guo, SUN De-sheng, YAO Yu-bin, et al.Optimized matrix arithmetic of line fault location based on field terminal unit[J]. Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(15): 42-44.

[12] 张永忠, 青志文, 邱仕义, 等. 湖南汉寿城区配电自动化工程[J]. 电力系统自动化, 2001, 25(8): 65-67.ZHANG Yong-zhong, QING Zhi-wen, QIU Shi-yi, et al.A distribution automation system in Han Shou city[J].Automation of Electric Power Systems, 2001, 25(8):65-67.

[13] 葛朝强, 唐国庆, 王磊．综合智能式的故障恢复专家系统:与故障恢复算法集相结合的自学习模糊专家系统[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(2)：17-21.GE Zhao-qiang, TANG Guo-qing, WANG Lei．Integrated intelligent service restoration system for distribution network: an auto-learning fuzzy expert system combined with service restoration algorithm set[J]．Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(2): 17-21.

[14] 刘健, 贠保记, 崔琪, 等. 一种快速自愈的分布式智能馈线自动化系统[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(10):62-66.LIU Jian, YUN Bao-ji, CUI Qi, et al. A distributed intelligent feeder automation system with fast self-healing performance[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(10): 62-66.

[15] 刘健, 赵树仁, 贠保记, 等. 分布式智能型馈线自动化系统快速自愈技术及可靠性保障措施[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(17): 67-71.LIU Jian, ZHAO Shu-ren, YUN Bao-ji, et al. Fast self-healing technology in distributed intelligent feeder automation systems and its reliability enhancement[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(17):67-71.