基于配电自动化终端的故障定位优化算法

张圣埼 张赟宁 陈堂贤

(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌 443002；2.国网武汉供电公司,武汉 430000；3.三峡大学智慧能源技术湖北省工程研究中心,湖北 宜昌 443002)

随着配电自动化建设普及率不断提升,配电自动化终端数量、种类以及馈线自动化策略(FA)也在不断完善与更新.除馈线终端FTU 外,站所终端DTU作为实现城市电网自动化功能的主要终端设备正被广泛地建设与应用.充分考虑电网面临的信息安全风险压力,将过去使用的可能存在信息安全风险的无线公网GPRS终端通信模式转变为光纤通信势在必行.终端采集的数据将直接进入调度自动化主站生产大区,不仅减少了信息安全面临的种种困难,更确保了终端通讯的可靠性.随之改变的馈线自动化策略也逐步由原始的重合器式转变为更为可靠的集中式或智能分布式[1].大面积光纤接入带来的通信网外破及老旧导致的终端掉线问题也越来越突出,这将直接影响调度自动化主站馈线自动化策略的准确性.外加频发的配电网故障,实现故障的准确定位成为了进一步提升配电网供电可靠性的必然要求[2].

为了进一步提升故障定位的准确性,提出一种更为简化的矩阵通用算法,它能够帮助更快地找到故障点准确位置.文献[3]提出考虑多电源电路电流实际流向形成网络描述矩阵,利用FTU 监控故障电流方向形成判断矩阵,最终在根据判据得到故障区间的基础上提出一种十字链表的方法,将以往判据改为利用十字链表进行判断,该过程较为复杂.文献[4-8]分别对矩阵算法中网络描述矩阵的定义、故障信息矩阵定义及判据、含DG 电源的网络结构进行改进,在演算流程上得到进一步明确与简化,但未分析FTU 终端掉线时该算法研判的准确性.文献[9]提出对矩阵算法进行改进,能够得出故障区间,但未对FTU 终端掉线情况进行分析.文献[10]通过网络重构,对FTU终端上报信息不完备的情况进行了分析,利用矩阵算法论证了FTU 终端掉线将导致研判的故障区域增加,但未对站所终端DTU 及其实际运行情况进行系统性分析,不具有普遍性.文献[11]提出新的较为简化的矩阵算法,但其网络描述矩阵定义为所有可能发生短路故障区段和开关电流方向的关系,其故障信息向量仅针对开关流过电流方向进行定义,在逻辑上不存在通用性.

针对上述矩阵算法存在的问题,结合电网发展实际情况,提出一种适用于馈线终端FTU 及站所终端DTU 的改进矩阵通用算法,通过对多电源网络中终端点位及线路分段情况进行网络重构,确定故障区间,同时根据终端掉线的实际情况,分析该算法在终端掉线上存在的不足.

1 多故障点定位的改进算法原理

配电网大多数故障为短路故障,现有配电自动化终端能够测量流经终端故障电流的大小及方向[12].线路每一区段都能对应线路两个开关,将区段编号与开关编号结合生成网络描述矩阵D,再通过流经开关的故障电流方向与参考正方向进行比较,确定告警状态矩阵,根据其乘积结果直接可找到故障区间.

1.1 多电源下的网络描述矩阵

图1为双电源环网柜拉手单环配电线路,环网柜内均内置站所终端DTU 实现馈线自动化策略.

根据电网实际建设要求,环网柜出线均采用就地速断、过流保护实现故障隔离功能.就地保护跳闸信号可传达至主站,所以仅对环网进出线串入主环中不投保护的负荷开关进行算法验证.按图1将开关分为1～10不同序号,开关将线路分为如图L1,L2,…L9共9段.假定i为开关节点编号,j为区段编号,定义如下：

图1 单环双电源配电网络

该方法与文献[2-7]的区别在于网络描述矩阵对参量的描述上.文献[2-7]中,i为开关节点编号,与本文一致,而j为另一开关节点,dij描述的是i开关节点相对于j开关节点的关系,而非本文描述的开关节点与故障区段间的关系.

根据以上条件,可以得到该配电网的网络描述矩阵为9×10维矩阵：

从式(2)可以看出,该网络描述矩阵每列反映出在某一区段与其连接开关编号的关系；每行反映的是某一开关与相连区段之间的关系.

1.2 告警状态向量

当配电网不同位置发生短路故障时,短路电流方向可以经配电自动化终端传送至调度主站.规定如图1所示.从A 变电站至B变电站为电源参考正方向,假定线路在L6处发生一处短路故障,配电自动化终端仅需要向主站报送流经其故障电流方向的告警信息即可.设定流经开关的故障电流与电源参考正方向一致,告警状态记为1；流经开关的故障电流与电源参考正方向相反时记为-1,其他情况记为2.其他情况主要针对支路没有故障电流情况.表示如下：

当配电网不同位置发生短路故障时,短路电流方向可以经配电自动化终端上送至主站.记短路故障发生时,流经开关电流的状态告警向量为F,针对图1所示情况,则有：

在此配电网图中没有支路或其他情况,所以告警状态矩阵中没有元素2.

1.3 故障定位判据

对于多电源配电网某一区域发生一处短路故障,在确定唯一电源参考正方向后,流经故障区段前后两个开关的故障电流方向相反,由此可推断这两个开关的故障电流信号对应的告警状态和值应为0.

定义故障判断向量P为网络描述矩阵D与告警状态向量F的乘积,记为：

根据故障定位的判据可以知道,故障定位向量中0值对应的编号即为故障区段编号.

2 不同情况下的算例分析

2.1 单环网线路

根据上述算法原理,假定L6 处发生一短路故障,可以得出故障定位向量P为：

从式(6)可以明显看出故障判断向量第6个元素为0,其余元素均不为0,根据故障定位判据判断,故障发生在第6区段,与假设一致.

2.2 含分支的多联络线路

根据以上算法原理可以得到该配电网网络描述矩阵为：

图2 含分支多联络配电网

当线路L3处发生短路故障时,该配电网告警状态向量为：

当线路L3处发生短路故障时,支路2号及6号开关均没有短路电流流过,故按照其他情况标记为2.则该配电网故障定位向量为：

根据故障定位判据判断故障区间为L3,与假设一致.

2.3 终端掉线

目前,在国内配电自动化建设中,对于城市电网纯电缆线路而言,除了高压开关站外,一般采用2进4出(进线负荷开关出线断路器)的一二次融合户外环网箱作为主环连接设备,其终端称为站所终端DTU.不同于馈线终端FTU,DTU 是将环网柜6个间隔的通信信号集成在一个终端上,而FTU 则是仅仅对应1台柱上断路器信号.所以在考虑站所终端DTU 掉线导致信号报送缺失的问题上,应该分为两类.一类是某个间隔二次回路故障或断线导致的单个间隔信息报送缺失；另一类是站所终端DTU 本身通信线路故障或断线导致的所有间隔报送信号的缺失.

2.3.1 某一间隔二次回路故障断线

在图1单环双电源配电网络中,假设左侧第一台环网对应1号开关至站所终端DTU 二次回路线异常导致该开关故障电流信号无法报送至调度主站时,在网络描述矩阵中将该开关连接的区段置0,并将该区段连接至下一开关值置1,则其网络描述矩阵变为：

告警状态向量定义为区段故障时流经开关故障电流方向情况,因1号开关终端无法报送故障电流,根据告警状态表示说明,将此开关告警状态表示为“*”,则该状况下的开关告警状态向量为：

根据故障定位判据可以得到其故障定位向量为：

从式(12)可以看出故障定位向量中第5、第6元素均为0,其余元素均不为0,根据判据可以得到故障区间位于第5、第6两个区段之间,假设区间位于其中.

相对于馈线终端FTU 而言,站所终端DTU 在某一间隔二次回路发生故障或短路时的情况与FTU通信掉线的情况匹配.

2.3.2 终端通信断线

对于站所终端DTU 因通信网断线导致的DTU所有间隔的故障电流信号无法报送至主站的情况,以图1为例.假设从左往右第3个环网通信网发生断线无法向主站报送短路电流信号.按照上述处理方法得到其网络描述矩阵为：

其告警状态矩阵为：

根据故障定位判据可以得到其故障定位向量：

从式(15)可以看出,第5、6、7元素均为0,其余元素均不为0,根据判据可以得到故障区间位于第5、6、7区段之间,假设故障区间位于其中.假设从左往右第2个环网通信网发生故障导致终端无法向主站报送故障电流信息时,其网络描述矩阵、告警状态矩阵及故障定位向量分别为：

从式(18)可以看出,仅第6元素为0,其余元素不为0,故障区间位于第6区段,与原假设一致.

3 结 语

针对多电源的配电网故障定位问题,提出了一种优化矩阵算法,减少了判据,根据结果能直观地看出故障区段,且本算法对于多电源多联络配电网线路依然适用.利用优化算法进一步对配电自动化终端掉线影响故障区间研判问题加以推论发现,对于馈线终端FTU 及站所终端DTU 某一间隔二次回路断线导致的通信异常掉线情况,虽然研判故障区间扩大,但能够实现故障定位；对于站所终端DTU 通信网断线导致所有间隔通信异常无法向调度主站报送故障电流信息的情况分两种：一是对于故障点发生在环网内部或故障点相邻环网终端发生通信异常时,故障研判区间将扩大,但能实现故障定位；二是对于故障点相邻环网终端通信发生故障异常时,能够准确定位故障区间.经过以上算例验证分析,该算法满足故障区间的定位功能.