含分布式电源的配网故障定位新方案

2016-03-15唐金凤陈志峰

中国高新技术企业 2016年9期

唐金凤　陈志峰

摘要：分布式电源接入配电网后，改变了配电网的单一辐射式网络结构，使得传统的故障定位方法不再适用。文章在分析了常用故障定位方法优缺点的基础上，针对常用故障指示器无法定位含分布式电源的配电线路故障区域提出了一种基于配电网自动化故障指示器的故障定位新方案。该方案原理简单、判断快速、准确可靠，并且在已有的配电网上易于实现。

关键词：DG；配网故障定位；故障指示器；频率解列；重合闸；分布式电源文献标识码：A

中图分类号：TM77 文章编号：1009-2374（2016）09-0026-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.012

分布式电源（Distributed Generation，DG）是指利用可再生能源发电的新型独立小电源，其发电容量小（一般小于50MVA）、分散方式布置在用户附近、供电灵活、与环境兼容，因此DG作为一种新能源得到了广泛应用，成为国内外解决能源和环境问题的研究热点。但是，DG的大量接入配电网改变了配电网原来单一电源、辐射型的结构，并使得系统的潮流重新分布，尤其当发生短路故障时，故障电流的大小和流向都会发生很大变化，这给配电网的继电保护带来了很大影响，难以用原有的方法进行故障定位，严重影响了配网的供电可靠性。

韶关电网水资源丰富，大量变电站都有小水电上网，约1500个小水电站通过10kV线路上网。韶关电网的部分配网线路已安装了故障指示器，当有短路电流流过时故障指示器就能翻牌动作，通过检查故障指示器的动作情况来判断故障区间；而对于接入小水电等分布电源的线路，发生故障时因为首端、末端均有电源提供短路电流，所有故障指示器都动作，无法判断故障区间。因此，针对这个问题本文提出一种基于配网自动化故障指示器的故障定位新方案，能够解决分布式电源对配网线路故障定位的影响，达到快速、准确地判断故障地点，从而达到提高供电可靠性和保障用户安全的供电目的。

1 常见的故障定位方法及其优缺点

配电系统的网络错综复杂、分布广泛且负荷变化大、故障频率高，据统计，用户平均停电时间（扣除缺电因素）有90%是由配电网故障引起的，因此为了保证配网的安全可靠运行，必须对故障线路进行定位和隔离。目前，配网的故障定位方法主要分为测距类和定位类。

1.1 测距类方法

测距类的故障定位方法主要有阻抗法、行波法、S信号注入法。阻抗法是指利用故障回路等值阻抗来故障定位，该方法简单，但结果容易受线路阻抗参数、电源参数和故障时的负荷电流影响，且当配电线路分支较多结构复杂时，该方法不能排除伪故障点。而DG的接入使得配电线路更加复杂，且会对故障点产生注入电流，从而使故障定位更加困难。行波法测距是通过采集故障时的暂态行波，利用行波在故障点和线路之间往返一趟或者到达线路两端的时间差来估算故障距离。而DG的接入会使得双端行波法不再适应，也会影响单端行波法的反射波形的采集，因此需要更深入地研究来解决问题。S信号注入法是指通过母线PT和接地线向接地相注入基波频率为工频n～n+1次谐波之间的信号电流，再利用专用的信号电流探测器来查找故障线路和故障点。该方法不仅能进行故障测距，还能解决小电流接地故障选线问题，但是当故障为高阻故障时，会受PT容量的限制和非故障线路的分布电容的影响，如果接地点还存在间歇性电弧时，注入信号也会受到破坏。

1.2 定位类方法

定位类方法通常是指将短路电流幅值与正常运行时电流的特征进行分析和比较得到过电流信息，再进一步获取系统各节点的故障特征，从而区分出故障区段。定位类方法主要有两种：一种是矩阵算法；另一种是人工智能算法。

矩阵算法是利用网络拓扑矩阵和故障信息矩阵得到故障判断矩阵，通过矩阵运算和元素筛选得到故障区段定位信息。此算法目前在国内外均有较多的研究，并且针对DG接入配网改变了网络拓扑结构的研究也有不少。矩阵算法必须进行复杂的矩阵相乘、异或运算，还要归一化处理防止误判，使得计算量较大，处理时间过长，尤其当网络复杂时处理更加繁琐，并且对DG的接入处理也存在局限性。

人工智能算法的故障定位方法主要有基于神经网络、蚁群算法及GA等方面进行研究。基于神经网络算法虽然具有较强的适应性，但是需要较为完备的样本库，并且其网络结构和参数的归一化处理都依赖经验，目前该方法还处于实验阶段。蚁群算法是一种能求解多目标组合优化问题的通用启发式算法，但蚁群算法容易陷入局部搜索，忽略全局的最优解，并且由于蚁群的个体运动方向比较随机，这就需要花费很长时间来搜索出一条较好的路径。GA算法对种群中的个体进行评价和计算，得到个体适应度值，再利用遗传算法的选择算账、交叉算子和变异算子来进行全局最优化求解，从而实现故障定位，其缺点是在实际中，由于配网结构复杂，而GA也受评价函数的限制，容易导致早熟而陷入局部最优。

1.3 故障指示器

以上介绍的方法有的不能适应结构太复杂的配网，有的算法过于复杂，有的存在现在无法克服的困难，需要更深一步的研究。就目前的配网状况来说，急需一种简单实用的方法来解决配网的故障定位问题。韶关电网的部分配电网现在采用故障指示器来进行故障定位，故障指示器是由故障传感器和读数仪表用电缆或光缆连接构成的简单装置，当故障传感器检测到故障电流的存在时，就会发报警信号，使得读数仪表上的LED灯亮来指示故障。配电线路每隔一段距离安装一个故障指示器，当单侧电源的线路上发生故障时，故障点至电源之间的故障指示器均能翻牌动作，通过检查故障指示器的动作情况来正确判断故障区间。该方法简单有效、经济实用，能够快速锁定故障区域，从而隔离故障，恢复非故障区域的供电。

2 DG并网对故障定位的影响

但是，目前配网安装的故障指示器只适合于单电源供电线路，当DG接入配网以后，使得配网变成了双端电源供电，改变了系统的潮流，当发生故障时，系统电源和DG也会同时向故障点提供故障电流，从而导致故障指示器无法判断故障区域。

下文详细分析讨论DG并网对故障指示器的故障定位的影响。

如图1所示是不含DG的简单配电网结构模型，配电线路每隔一段距离都安装有故障指示器，当f处发生短路故障指示器时，故障指示器1和2均有短路电流流过，因此故障指示器1和2均会翻牌动作，而故障指示器3和4因没有故障电流不会动作，从而可判断故障点发生在故障指示器一个动作和一个不动作的2和3之间的线路上。

图1 不含DG的简单配网结构模型

而当DG接入配网后（如图2所示），当f处发生短路故障时，系统电源和DG都向f处提供短路电流，不仅故障指示器1和2会动作翻牌，当DG容量足够大时，故障指示器3和4也会动作翻牌，导致无法确定故障区域。

图2 DG接入的简单配网结构模型

3 含DG的故障定位新方案

针对传统的故障指示器不能适应于含DG的配电网的故障定位问题，本文提出故障定位新方案。该方案立足于韶关电网的富含小水电的配网自动化方式优化科技项目，在配网线路故障时通过及时解列小水电和线路侧投入检无压重合闸，通过故障指示器对重合于故障时的反应来对配网线路进行正确定位。该方案中需要依托韶关电网科技项目中的两个技术研究做支撑：一个是新型频率解列装置的研制；另一个是新型的小型线路电压互感器的开发。

3.1 新型解列装置的投入

传统的解列装置只采用单一的电压判据，系统在系统电压波动或特殊运行方式下，电压会远远高于正常值，过电压保护将会误动。如果大幅提高过电压保护的动作值，在系统发生孤网运行产生过电压时，其保护又可能因灵敏度不足而拒动，因此水电厂对过电压保护安装、投入不积极。而新型频率解列装置采用电压结合频率的判据，将取代目前水电机组的过电压保护，当线路跳闸后，小水电侧必将出现高频或低频的工况，此时迅速将水电厂进线开关切开，而正常运行时，即使出现电压偏高的现象，由于系统频率稳定，不会误切小水电。新型频率解列装置既保障了机组安全，又满足了系统需要，且避免了系统电压波动造成的误动作，水电厂将乐于接受。

3.2 检无压重合闸的投入

常规的电压互感器体积大，不能装进开关柜，因此目前的10kV配电线路都没有装设电压互感器，使得重合闸模式只能选择既不检线路无压，又不检同期的普通重合闸，而这种重合闸并不适合没有装设过电压保护而并网的小水电线路，从而导致韶关电网中有小水电的线路均不投入重合闸。而研发的新型小线路电压互感器体积小，能够装入10kV开关柜，测量配网线路电压二次值，用于重合闸装置获得可靠且稳定的无压检定判据，避免了非同期合闸的发生，使韶关电网小水电上网线路投入检无压重合闸成为可能。此外，它采用的是电阻分压原理，不会产生铁磁谐振，二次短路时互感器不会烧毁，并且功耗极低、体积小、精度高和安全性高。

3.3 故障定位的方式

在以上两个技术研究的支撑下，基于配网自动化的故障指示器适用于含DG的配网故障定位的方案为：当含小水电的配网线路的短路（暂不考虑接地）故障时，变电站及小水电都向故障点提供短路电流，全线的故障指示器都动作翻牌，无法进行故障定位。该线全部小水电通过新型频率解列装置解列后，变电站侧检无压重合闸动作，若重合于永久性故障，变电站至故障点之间的故障指示器再次动作，此时因小水电已解列，故障点至小水电之间的故障指示器不再动作，可实现正确定位。为配合此方案实施，需对常规故障指示器进行改进，增加快速复归功能，使其具备两次动作功能，并将每次动作信息及时发送至主站，以便进行故障区域的识别。

其改进的主要判断逻辑动作说明如下：（1）线路正常通电（负荷电流大于10A）超过30s，开始故障逻辑检测；（2）检测到线路瞬时跳变电流大于100A或者跳变峰值电流大于500A，且持续时间大于25ms，小于2.5s，后线路停电（线路负荷为0），判断为线路发生短路故障。变电站和小水电两侧的故障指示器动作翻牌，同时通过通讯机上传主站对应线路一次短路故障，并且故障指示器在3s内快速复归；（3）发生一次故障后，小水电快速解列，而变电站侧投入一次重合闸，若重合于永久性故障，则在第一次短路故障发生后1～30s内，会再发生短路故障，判断条件如（2）则判断为二次故障，变电站侧故障指示器再次动作翻牌，同时通讯机上传主站对应线路二次短路故障。

图3 故障指示器的逻辑波形图

以上图2为例，首先，当f点处发生永久性故障时，因系统S和小水电DG1、DG2都向故障点提供短路电流，故障指示器1、2、3、4均动作翻牌，无法进行故障定位；然后，此线路的断路器跳闸，小水电处的新型频率解列装置检查到高频高压判据而动作解列小水电DG1、DG2，系统S处的检无压重合闸动作重合于故障，系统S至故障点f之间的故障指示器1、2再次动作翻牌，而故障指示器3、4不动作，实现正确定位。

因此，该方案利用小水电的新型解列技术和新型小电压互感器实现线路的第二次故障跳闸和故障指示器第二次翻牌的动作信息来进行故障定位，准确可靠，能够大大缩小故障查线区域，提高查线效率，快速恢复用户供电。

4 结语

针对含有分布式电源的配网线路难以用传统方法进行故障定位的问题，本文提出的基于配网自动化故障指示器的故障定位新方案，依托韶关电网富含小水电的配网自动化方式优化研究科技项目中的两个重要技术研究，当发生故障时变电站和小水电两侧断路器都跳闸，故障指示器均动作并快速复归，再利用科研项目中新研制的能够装设于10kV开关柜中的小型线路电压互感器检无压使变电站投入一次重合闸，而小水电通过科研项目中的新型频率解列装置解列不投入，故障指示器将在识别第二次故障时进行定位，达到快速、准确地判断故障区域，大大减小故障查线范围，保证供电的可靠性。

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