一种面向低压配电网的非侵入故障定位识别方法

范 华 任 俊 曹卫国

（1.张家口供电公司，河北 张家口 075000；2.南京五采智电电力科技有限公司，南京 211106）

近年来我国加快了智能电网建设，在智能小区/楼宇示范工程的建设中部署家庭能源管理系统，通过网关、高级计量表计、智能用电设备以及覆盖到户的通信网络实现了家庭用电可视化。在智能园区示范工程建设中部署园区能源管理系统，通过高级计量表计采集园区企业内部用能信息，实现了能耗监测与统计、能效分析与诊断，指导处于园区范围内的工厂、企业合理有效用能，减少峰值负荷，提高能源使用效率。但是在建设上述能源管理系统时都需要部署大量具有通信功能的智能电能表，而且这些电能表目前大多只能单纯用于电能计量和能效分析，系统的建设成本较高，难以推广。

而另一方面，随着用户对低压供配电网（尤其是400V 配电网）的供电质量要求不断提高，低压供配电系统要求对用户实现高安全高可靠供电，但由于各种原因低压供配电系统难免出现故障，其中最常见的故障是短路，但目前对短路故障的处理大多仅限于快速隔离，对于故障类型的自动判别和区域的定位还存在比较大的困难，需要耗费大量的人力成本去排查。智能电网的发展对用户安全用电的自动化水平提出了更高的要求，其中，用户低压配电网（400V 低压电网）的故障自动侦测及定位是其中的一项关键技术，用来在短路等事故保护动作之后，通过监测系统自动（可配合少量人工巡查工作）给出故障类型辨识和故障定位。

当前市场上已见一些带有通信功能的断路器，它们可以通过与其配套的通信模块连接至上位机，实现遥信、遥测、遥调、遥控“四遥功能”。不仅可以查询断路器的当前状态（合闸、分闸或者脱扣），而且可以查询最近一次故障记录，包括故障相极、故障类型、故障时各相电流、保护整定值、故障相电流及分断时间等。但带通信功能的断路器价格昂贵，多用于中高压配电网中，低压低压配电网中的断路器一般不带有录波和通信功能，因此，目前低压配电网中还不能采用和断路器进行通信的方式来实现故障定位。

另一方面，如果将大量的智能断路器部署于低压配电网，显然无论从可靠性上和经济性上都不可行，大量智能断路器的安装需要投入大量的改造成本、安装成本，影响用户用电设备的正常运行，因此如果能够采用一种非侵入低压配电网络的故障识别方法，将有效克服上述缺点，具有广阔的应用前景。

基于上述考虑，本文基于非侵入式负荷监测原理，提出了一种基于非侵入式的低压配电网短路故障定位方法，构建了低压配电网非侵入式短路故障识别系统，实现故障的粗略定位，如果在有条件的情况下再结合智能电能表，将可以实现故障的精确定位。

1 基于非侵入式负荷监测的故障识别原理

电力负荷监测方法大致可以分为侵入式和非侵入式两类。侵入式负荷监测方法需要在负荷内部每一个用电设备上都安装一个传感器用以得到不同用电设备实时的功率消耗比例。这种方法优点是测量较为准确；缺点是投入较大，安装工作需要进入负荷内部，影响电力用户正常的生产和生活，尤其对于已建负荷的改造非常困难，不适宜全面推广。

非侵入式方法是相对于侵入式方法提出的，其基本思想是：无需进入负荷内部，仅通过对电力负荷入口处的电压、电流及功率信息进行测量、分析，基于负荷内部的用电特性，采用电力负荷优化分解方法，便可得到负荷内部不同用电设备的投切情况以及实时的功率消耗比例，从而实现电力负荷分解。

图1 典型负荷用电特性统计示意图

图1可以看出各种用电设备的稳态功率具有较 好的统计特性，可作为重要特征参数，用于负荷分解。通过捕捉负荷功率变化可以有效辨别某一用电设备的投入或退出，进而得到负荷内部各个用电设备的功率消耗比例。

常见的电力负荷分解算法有基于稳态电压、电流信息的负荷分解算法[2-3]，如最小二乘法，遗传算法、模拟退火算法及粒子群优化算法，也有基于暂态电压、电流信息的负荷分解算法[1]，这些算法在实验室中都取得了良好的效果，负荷功率分解准确度小于10%，负荷投切准确度接近100%。

对于低压配电网（380V），基于非侵入负荷监测可以实时获取负荷的投切情况和用电负荷的功率消耗情况，实时生成低压配电网的拓扑结构。

当确定了低压配电网的拓扑结构后，就可以计算出低压配电网的暂态元件参数，一旦低压配电网某节点发生短路故障或用电设备本身发生故障时，流过电力负荷入口处的电流波形将发生显著变化，剔除非故障回路用电设备的正常负荷电流波形，即可以得到故障回路故障电流波形，如果再结合故障回路的用电设备负荷特性，即可定位故障类型和故障区域。

在低压配电网短路故障发生时，同时还要考虑断路器的燃动作，断弧过程及电弧电阻使得系统的暂态特性发生了巨大的变化，很难对系统进行精确建模，实际短路电流难以准确计算。试验结果显示，经过断路器限流后的实际短路电流幅值将降低到稳态短路电流值的0.25 左右，实际短路电流的直流谐波分量将大于25%，短路电流的作用时间不大于10ms，这些可以成为低压配电网短路故障判据的试验依据。

2 低压配电网非侵入式故障识别系统

实现低压配电网非侵入式故障识别，需要构建故障识别系统，图2是低压配电网非侵入故障识别系统示意图，在部分内部回路增加计量用电能表，一方面为了实现对部分重要回路的能效计量，另一方面对非侵入故障识别系统定位的故障进行校核，提高故障定位的准确性。

图2 低压配电网非侵入故障识别系统示意图

由图2可知，该系统主要具有如下部件和配置：

1）具有电流录波和分析功能的监测主机

监测主机设置在变压器低压总出线处（即电力负荷入口处），具体包括以下功能：三相电流录波功能、电流突变量提取及其幅值和谐波分析功能、短路故障判定及定位功能等。具体实施时监测主机可由工控机、大量程钳口式电流变送器、数据采集卡等通用模块集成开发。

2）低压配电网短路故障测试环境

为了更好地测试低压配电网非侵入故障识别能力，拟对两种典型配置的监测线路分别设置短路故障点1 和短路故障点2 路，其中：

（1）短路点1 所连线路上配置有电能表和断路器，短路发生后，一方面，负荷总入口处的监测主机捕捉到短路电流波形，通过优化算法可以大致定位故障线路和故障类型。另一方面，由于继电器发生跳闸保护动作，电能表测量的线路电流将发生突变。通过电能表与监测主机的通信，可以精确定位故障的类型和范围。

（2）短路点2 所连线路上只配置有断路器，即该线路的电能不需要单独计量，监测主机无法获取该线路的电流信息。当发生短路故障时，监测主机形成可疑短路故障位置列表，用于下一步的人工排查。

3）监测主机和电流表能够实现通信

为实现故障定位功能，需要建立监测主机和智能电能表的通信，具体实施时可以采用RS-485 等通信方式。

3 低压配电网非侵入式故障识别方法

下面以低压配电网单相对地短路故障为例[5-10]，详细描述低压配电网短路故障识别方法，以下给出了短路故障识别的步骤，如图3所示。

图3 低压配电网短路故障识别步骤

步骤1），整定低压配电网的单相对地短路故障判据。

步骤1.1），计算特定短路点的单相稳态短路电流，具体计算公式为

步骤1.2），依据步骤1.1 计算低压配电网中所有可能短路点的稳态短路电流，确定最小稳态短路 电流I最小。

步骤1.3），依据步骤1.2 的计算结果，整定低压配电网单相对地短路故障判据如下：电流突变量 的幅值大于0.25I最小，并且突变量的直流谐波比例大于25%。

步骤2），基于用电设备负荷特性，采用最优求解算法，计算低压配电网用电负荷的投切情况以及负荷比例，进而得到低压配电网的拓扑结构图，基于典型参数值计算低压配电网络的阻抗参数。

步骤3），低压配电网的单相对地短路故障的实时监测。安装于变压器低压总出线处的监测主机实时录取电流波形，并对录取波形的幅值和直流谐波情况进行实时分析，当电流突变量的幅值和直流谐波比例满足步骤1.3 所述判据时，确定低压配电网中有单相对地短路故障发生。

步骤4），当发现低压配电网中发生单相对地短路故障时，监测主机报警，并启动故障定位功能模块，初步定为故障类型和故障区域。

步骤5），与各条配电线路上安装的智能电能表进行通信，如果发生短路的配电线路上同时安装有低压保护继电器和用于电能计量的智能电能表，则进入步骤6），如果发生短路的配电线路上只安装了低压保护继电器，没有安装智能电能表，则进入步骤7。

步骤6），短路发生后，由于继电器发生跳闸保护动作，电能表测量的线路电流将改.变发生变化，监测主机根据记录下该电能表的内部编号，进一步精确定位故障类型和故障区域。

步骤7），短路发生后，监测主机无法直接获取该故障线路的电流信息，只能将该线路添加到可疑短路故障位置列表。工作人员现场确认故障位置。根据监测主机发出的短路故障报警信息，工作人员将根据系统提供的可疑短路故障位置列表进行现场确认。

4 结论

论文提出的方法应用于具有电流录波和分析功能的低压配电网监控系统，不仅可对低压配电网中发生的短路故障进行实时报警，而且通过复用用户能源管理系统所安装的电能表进行短路故障定位，最终可以统计出低压配电网短路故障的频率、发生时间、短路位置。

该方法基于非侵入负荷量测原理，实现了低压配电网络故障类型的判别和故障区域定位，可以适用于各类用户用电现场，对于安全隐患排查、事故动作分析等具有重要意义，该方法具有良好的推广前景。

[1] 牛卢璐,贾宏杰.一种适用于非侵入式负荷监测的暂态事件检测算法[J].电力系统自动化,2011,35(9): 30-35.

[2] 余贻鑫,刘博,栾文鹏.非侵入式居民电力负荷监测与分解技术[J].南方电网技术,2013,7(4): 1-5.

[3] 黎鹏,余贻鑫.非侵入式电力负荷在线分解[J].天津大学学报.2009,42(4): 303-308.

[4] 张玲玲.非侵入式电力负荷分解算法综述[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2014,13(1): 21-25.

[5] 陈洪波,付克勤.380V 低压配电网故障分析及其消除措施[J].重庆电力高等专科学校学报,2011,16(3): 81-84.

[6] 郑涛,潘玉美,郭昆亚,等.基于免疫算法的配电网故障定位方法研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(1): 77-83.

[7] 雍静,桂小智,牛亮亮,等.基于自回归参数模型的低压系统串联电弧故障识别[J].电工技术学报,2011,26(8): 213-219.

[8] 唐金锐,尹项根,张哲,等.配电网故障自动定位技术研究综述[J].电力自动化设备,2013,33(5): 7-13.

[9] 贾惠彬,钱翰博,戚宇林.一种配电网单相接地故障行波定位方法[J].电力系统保护与控制,2012,40(23): 93-97.

[10] 郑日红,顾秀芳,韩如月,等.配电网短路故障分析及其识别方法研究[J].工矿自动化,2012(4): 24-29.