含分布式电源的配电网故障区间定位算法

王迪,张健,秦鹏

(1.东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012；2.吉林省长春供电公司，吉林 长春 130000；3.吉林省松原供电公司，吉林 松原 138000)

含分布式电源的配电网故障区间定位算法

王迪1,张健2,秦鹏3

(1.东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012；2.吉林省长春供电公司，吉林 长春 130000；3.吉林省松原供电公司，吉林 松原 138000)

随着大规模分布式电源(DG)的接入，配电网结构变得日益复杂，潮流方向及大小无法确定，传统故障定位方法不足以完全满足含分布式电源的配电网系统。故本文根据含DG的配电网系统，建立合理数学模型，通过FTU监测点所监测到各个多分支母线上的电流信息，应用监测的信息提出一种新型故障区间定位方法。通过判断故障电流的大小、方向、幅值等，实施定位。该算法能定位故障发生的具体区域，且原理清晰、计算速度快、定位准确，在配电网故障定位中具有一定的实际意义。

分布式电源；配电网；故障定位；矩阵算法

1 引言

在21世纪电网发生了翻天覆地的变化，随着新型能源的大力发展，分布式电源(Distributed Generation，DG)已经得到人们的重视，它受到人们的广泛应用。由于煤炭、石油等资源的缺乏，开发新型的分布式电源，主要是具有可持续发展且环保的优势。故含DG配电网得到广泛的应用和大力的开发及研究。目前，大多数分布式电源均为环保型电源，主要是光伏发电、水力发电、风力发电、生物发电等，这种环保型的分布式电源一般会根据地区的特点，各地根据自身丰富资源建立分布式电源站，故可能受到地理位置的影响，分布的比较分散不易集中且电源容量都比较小，故DG设施一般中间接入系统或者直接接入在配电网末端。将大量分布式电源接入到配电网系统中，为了满足供电需要且接入配电网中的分布式电源稳定运行，配电网由单一的辐射网络变为复杂的多电源含分布式电源的复合网络，故电力系统中的潮流方向不能够准确确定，单电源辐射网络所常用的矩阵算法不能满足当前的情况及实验要求，故对矩阵算法进行改进和提升，因为传统的矩阵算法并不适用于多电源的复杂模型，不能正常的进行故障辨别和定位[1-5]。

目前解决故障定位问题的方法和算法很多，但是这些算法都有一定局限性和需要完善的环节。如图1所示，为配电网故障定位常规算法示意图。

图1 配电网故障定位常规算法示意图

简单快捷的方法即矩阵算法(直接算法)，优点是计算速度较快，能够处理一些故障信息精度较高的问题。而常见的人工鱼群算法、和声算法、遗传算法、粒子群算法、神经网络算法等虽然具有较好的容错性，但是故障定位过程繁琐，需要处理大量的信息及数据，无法将故障定位问题快速地处理。上述为常规配电网故障定位几种方法，但是由于含分布式电源的接入配电网中，电力系统结构变得越来越复杂，把有些定位方法直接的应用到配电网，可能会导致故障定位十分繁琐并且还不能够达到预期的要求。还有一些算法仅仅只是停留在理论基础上，并不具有适用性[6-9]。在21世纪初期我国着重发展配电网自动化工程，配电网自动化水平取得了进一步提高，将馈线终端装置(Feeder Terminal Unit，FTU)添加到配电网中，对配电网进行实时监控。将FTU监测所得到的故障信息情况反馈到配电网控制中心(SCADA)，在SCADA进行分析，对所监测到的信息情况进行诊断。应用相关的矩阵算法能够快速准确的监测故障区域并对其隔离，且供电恢复速度快。应用相关的矩阵算法对故障区间分析具有直观、简单、计算便捷的优点。本文应用的矩阵算法在配电网故障定位中具有一定的现实意义和适用性[10-12]。本文基于传统的矩阵算法，对其进行改进使其满足大量含分布式电源接入的配电网故障定位情况。该算法能够将故障位置准备定位在同一母线上两个监测点之间的区域，再通过FTU所反馈的过电流信息诊断、分析得到详细的故障位置。应用该矩阵算法原理清晰明朗、计算量较小且速度快，且故障定位区间准确。该矩阵算法应用配电网各个母线节点上需要添加电流互感器(Current Transformer，CT)，用来监测各个母线节点上的电流分量，由于配电网加装设备的价格比较经济，所以该算法的讨论和探索具有一定工程价值[13-14]。

2 DG接入对配电网的影响

目前配电网故障定位通常采用具有拓扑结构的矩阵算法。因为配电网正常情况下为开环运行，且一般为辐射状，将整个配电网类似为树状分支模型，由一条主干线路和N条支路组成。同树状分支模型类似，故障区间的判定是从电源到末端方向第一未经历电流的节点到最后一个未经历的节点之间。随着DG的大量添加到配电网中，配电网由系统S单电源供电模式转变为多电源供电模式，这样导致上述定位区间算法不能满足定位的需要。如图1所示，S为配电网系统，K1、K2……K11为FTU馈线终端监测点，DG1和DG2为外加的分布式电源，f1为发生故障的位置(故障点)。当配电点网某一位置f1处发生故障，K1、K2均会监测出故障电流信息，故通过传统常规的故障定位诊断方法不能准确的定位出故障位置。

图2 含分布式电源配电网结构示意图

根据文献[4]所述及配电网闭环设计开环运行特点，对含多电源的配电网故障区域定位情况进行研究。因为加入了分布式电源，含有多电源的电流流向问题无法确定，假定一个电流流向作为给定方向，首先建立适应的矩阵方程，矩阵的正方向规定为电源功率流出方向，在出现故障时，根据实际功率及过电流信息方向修正网络描述矩阵形成故障判据矩阵在通过判断理论依据就可以鉴别出故障区域的位置。

当配电网中某处发生故障时，如图2所示，L2馈线对发生故障，若通过传统的算法鉴别含多电源的故障区域，则在馈线L1中FTU监测点K1、K2、K3都会出现故障电流，且故障电流流过方向与规定方向不同，由于监测到过电流监测点较多不能够准确的进行故障定位。在分布式接入配电网后，首先需要考虑DG1容量(因为分布式电源容量一般较小)或故障点发生在馈线末端即f2点处时，FTU监测点所监测的过电流效果不够明显，配电网的潮流方向不能确定，导致含有多个分布式电源配电网故障定位不能实现。

3 故障区域的判断

3.1 含DG的配电网系统结构

根据美国电力系统保护和自动化标准1547条约规定，当配电网某处突然发生故障时，第一步应立即断开分布式电源，目的是为了保证继电保护装置能够准确动作。但是将分布式电源的断开却很大程度上限制了分布式电源的正常运行，减小了分布式电源可靠性的优势。故我们应尽最大可能，在故障发生时不切除分布式电源，并且故障点所在的区域大部分馈线能够正常的运行。本文为解决上述问题，如图2所示，在各个分段母线的中间或者末端接入处添加装设有分段断路器。

3.2 分支及母线节点的研究

构造含多个DG的配电网结构示意图，如图3所示，根据母线上分支数量的不同可以将母线节点分为无分支和多分支。本文定义配电网电流流过FTU监测点的电流方向且有母线指向监测点定义为正方向。对于多分支母线中的FTU监测点与流电流正方向可以有一个也可能有多个。由于指向故障点的监测点流过电流必定与正方向相同。因此，若母线上只有一个节点正方向与监测点相关时，则可以判断故障定一定发生在该方向所指的线路上。

为了解决含分布式电源的配电网故障定位问题，本文通过母线各个节点与相关联的监测点过电流及电流方向进行判断来进行故障定位。如图3所示，假设f1点处发生故障，此故障点出现在多分支母线节点B2与B4之间，且与B2、B4都相连，与B2母线节点相关的有三个监测点，分别为K2、K3、K4,其中监测点K2方向与规定方向不同，监测点K3与规定方向相同，监测点K4由于分支馈线上连接分布式电源DG4的容量较小，所以不能判断出K4的方向。由于K4方向的不能确定，也从侧面证明了DG4也给故障点提供了一定的电流，且与母线节点B2相连的只有一个正方向，即为K3。故可以判断故障点发生的位置在K3监测点所指向的馈线上；当监测点K4的方向相同，即为正。则说明在监测点K4流过的电流为负，因为负荷阻抗在故障点所在的线路中要远远小于负荷阻抗在监测点K4所出的线路中。因为主系统S电源将产生电流传输到监测点K3，所以电流的方向应指向监测点K3，故得出I3>I4。当f1处出现故障时，首先应考虑故障位置与多分支母线节点B2之间的距离，由此能够看出故障点与分支母线节点距离较远，故I3、I4的值不够明显。目前配电电网故障类型分为单相短路故障、两相故障、三相故障，出现频率较高的为单相短路故障。

图3 含分布式电源的配电网系统

为了更好的提高不对称短路电流的灵敏度，可以通过故障电流的正序、负序及零序分量的绝对值之和当做故障电流的综合幅值来对电流幅值进行判断。

综上所述，根据配电网母线节点上这一特点，系统内各个母线节点均会出现类似的结论。本文应用矩阵算法进行配电网区间定位时，通过多分支母线节点附近的FTU监测点所监测到的故障电流信息进行判断和分析。当在故障附近所有监测点中仅有一个监测点的方向为正时，则可以判断该故障点在此正向监测点所指向的线路上。但若故障点附近监测点多个同时都为正方向时，则必须通过各个正向监测点的电流幅值综合信息来判断，其综合幅值最大的监测点可以证明故障点在该监测点所指的线路上。

3.3 选择故障相关节点

当配电网某处出现故障时，建立合适的多母线节点矩阵(B1，B2，B3，B4，B5，B6)，该矩阵的N阶故障信息描述矩阵为B=diag[B1B2B3B4B5B6]，根据矩阵中对角线元素可以确定多分支母线节点上故障点的方向。当该矩阵对角线上所有元素均为1时，说明可以通过电流方向及故障电流综合幅值来判断故障位置。反之若对角线上元素为0，则不能判断。当Bii=1时，通过CT分析及诊断可以准确确定多分支母线Bi节点附近所有FTU监测点中故障电流信息幅值最大点。其中B为监测点指向多分支母线的节点，j则是确定Bjj的值为1或0。若Bjj的值为0，其置矩阵B中的元素Bi(j+1)=1。反之若Bjj的值为1，其置矩阵B中的元素Bij=1；用节点B(j+1)(j+1≠i)表示与Bj相邻的多分支母线节点。若不存在与节点B(j+1)(j+1≠i)与Bj相邻，则可以推到出Bii所在矩阵中行项不会变。为得到故障关联节点判断矩阵P，需对信息描述矩阵进行修改。将上文得到的判断矩阵P中的Pij元素和Pji元素进行逻辑与运算。若Pij&Pji=1时，可以判断故障点位置在母线节点i与j之间。若Pii=1时，Pii所在矩阵中所有其他行元素为0，可以判断故障点位置在母线节点i的下游线路上。如图2所示，当在f2点处出现故障时，多分支母线B4不能正常工作，无法判断出故障电流的方向。若除多分支母线B4外其他多分支母线都能正常工作，可以将信息描述矩阵为B=diag[1 1 0 1 1]。分析各个多分支母线节点附近监测点所得到故障电流信息的方向及故障电流最大综合值，再根据故障电流的指向情况修改信息描述矩阵，整理修改后的信息描述矩阵得到故障关联节点判据矩阵P为

在该P矩阵中，将所有的Pij元素和Pji元素进行逻辑与运算，得出只有P25&P52及P26&P62的值为1，可以判断故障点可能会发生在监测点K2到监测点K5或监测点K2到监测点K6之间的线段。若在配电网所有多分支母线及监测点一切正常时，故障位置会锁定在多分支母线2个监测点之间，但若出现异常情况，会导致故障定位区域增加，影响故障定位效果。

3.4 判断故障区域

在配电网中仅有系统S主电源供电时，规定其流出功率的方向为正方向，并建立适应的故障关联节点矩阵D,在规定的正方向上，监测点i到监测点j之间存在一条线路使Dij=1，反之为0。在出现故障时，FTU将监测到的电流信息传输给SCADA控制中心，得到修正后的网络描述矩阵D。若监测点i流过电流为正，则Dii=1，反之Dii=0。最后得到修正后的故障判据矩阵G。若主对角线元素Dii=1，矩阵其他节点j(j≠i)均为0时，能够判断故障点发生在监测点i所在的馈线末端。若Dij=1且主对角线元素Djj=0(j≠i)时，能够判断故障点发生监测i和监测j之间。

4 算例分析

如图2所示，当f3处出现故障，能够判断出各个多分支母线中故障电流综合幅值最大的分支，所以将故障信息描述矩阵为B= diag[1 1 1 1 1 1]。在发生故障时，通过判断全部多分支母线节点的故障电流综合幅值的最大值分支指向情况，通过修正信息描述矩阵后，得出故障关联节点判据矩阵P为

对该矩阵中的每一个Pij元素和Pji元素进行逻辑与运算，得到Pij&Pji=0且P33=1，得到所有P3j所有元素均为0。因此，能够判断故障发生在多母线节点B3下游所处的监测点(16 17 23 24 29)的网络描述矩阵D为

该故障所发生的位置在该馈线末端。在B3次级分支线路上监测各个节点所流过的电流与该网络规定的正方向相同修正网络描述矩阵D得到故障判断矩阵G为

其中，G55=1且所有的G5j中元素均为0。故判断出故障点位置在监测K29所在的馈线末端，证明实际结果与本文假设情形相符，结果准确。

5 结论

目前，解决含分布式电源配电网故障定位算法的问题，并不够完善，还有许多方面需要发展和研究。本文基于矩阵算法通过配电网母线节点上FTU监测点对节点相关的电流情况(过电流信息、故障电流综合最大幅值)进行监测，通过对配电网母线上各个节点上电流信息的监测，将故障位置缩小到母线上相邻两个节点之间，再通过监测点电流幅值来确定故障位置。本文基于矩阵算法快速准确的监测故障区域并对其隔离，且供电恢复速度快。应用相关的矩阵算法对故障区间分析具有直观、简洁、计算便捷的优点。本文通过算例分析，验证了该算法的准确性，证明了矩阵算法在配电网故障定位中具有一定的现实意义和适用性。

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Fault Region Location Algorithm for Distribution Network Containing Distributed Generation

WANG Di1，ZHANG Jian2，QIN Peng3

(1.Northeast Dianli Unniversity,Institute of Electrical Engineering,Jilin 132012，China;2.Jilin Changchun Power Supply Company,Changchun 130000,China；3.Jilin Songyuan Power Supply Company,Songyuan 138000，China)

As large-scale distributed power(DG)access to distribution network structure is becoming increasingly complex,current direction and the size can not be sure,the traditional fault location method is not enough to fully satisfy the distribution network with distributed power system.Reason according to the distribution network with DG system,establish a reasonable mathematical model,by FTU the monitoring to the various branches more current information on the bus,the application of monitoring information of a new type of fault interval locating method is put forward.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.The proposed algorithm can locate failure of specific areas,and clear principles,computing speed is fast,accurate positioning,in the fault location in distribution network has a certain practical significance.

distributed generation；power distribution network；fault location；matrix algorithms

1004-289X(2017)01-0052-05

TM711

B

2016-01-04