电缆配电环网故障定位方法研究

毛禹龙

（遵义余庆供电局，贵州遵义 564400）

0 引言

配电网设备众多、故障成因复杂，在实际故障抢修中由于不能对故障准确定位致使停电时间延长，增加用户投诉率[1]。尤其是近几年敏感电子设备逐渐增多，若出现短时停电，可能会导致设备运行异常，造成设备损坏、数据丢失等严重事故。根据数据资料显示，配电网故障占据停电因素的80%，因此，要想提升供电可靠性，其配电网是主要因素[2]。传统配电网主要采用开环运行模式，操作方便，配置简单，缺陷在于出现故障时需要进行停电转供[3]。如果采取闭环运行，则能够对非故障区域采取隔离措施，但缺陷在于环网内短路电流双向流动，原有保护控制方式将不能适应。由此，针对于配电网闭环运行模式下的保护控制方法进行研究。

1 配电环网故障定位方法

如图1 所示，配电支路通过环网柜（Ring Main Unit，RMU），也就是环网柜与配电线路环网相互连接，环网柜中装有智能终端（Smart Terminal Unit，STU），同时智能终端支持点对点通信与分布式智能控制功能。

1.1 故障分析

如图1 所示，若故障发生在f1-f4处，规定环路正方向从M侧母线指向N 侧母线。在此之中，正序电压故障分量采用U1表示，正序电流故障分量为I1-i，M与I1-i，N表示，电流的参考方向以母线流向线路为正方向，正序电流故障分量相位差为ΔφiM-iN。一旦出现电路异常故障后，STUi采取正序电流故障分量相位，同时和附近的智能终端交换数据，获取正序故障分量的电流相位差，以及从STUi两边经过的ΔφiM-iN与ΔφiN-（i+1）M。

图1 电缆配电环网结构和保护配置

在现实运行过程中，短路时系统及线路阻抗容易对ΔφiM-iN产生影响。相位比较的闭锁角应该根据90°整定，故障点所处的线路两段相位差应在-90°＜Δφ＜90°，其他相近断路器相位差应在90°＜Δφ＜270°，按照相位差值特征则能够确定故障区间。

1.2 统一的故障处理规则

统一的故障处理规则主要目的是方便配电自动化（Distribution Automation，DA）系统更好地实现故障定位及隔离[4]。假若环路中有k 个RMU，终端STU0 和STU（k+1）为特殊RMU。当STUi相连路和内部母线并未出现异常时，设定STUi状态则为Y0；当RMUi上游线路出现故障时，设定RMUi状态为Y1；当RMUi下游线路出现故障时，设定RMUi状态为Y2；当STUi内部母线出现故障时，则将RMUi状态设为Y3。

为了让故障得到有效隔离，需要对发送信号规则进行设定，如处于Y0状态将在保持时间到达后自动返回；若为Y1状态将向QFiM发送跳闸信号；若为Y2状态则将向QFiN发送跳闸信号；若为Y3状态则向QFiM和QFiN发送跳闸信号。

1.3 智能终端启动方法

可靠因数为Krel，低压母线最大三相负载的有功功率为Pmax，低压母线额定电压为UN，低压负荷功率因数为cosφ，环网柜降压变压器变比为KT，将电流突变量作为智能终端的启动元件，其定值公式如下：

1.4 故障定位与保护动作逻辑

当处于闭环运行状态时，智能终端则可以接收上下游信号，另外，通过快速计算来决定是否需要采取行动。当处于开环运行状态时，系统则表现为辐射状线路，例如当上游段线路出现故障时，其下游全部智能终端马上处于停电状态，相邻智能终端则不能接受相关数据信息。处于故障点上游同时和不相邻RMU 正常接收相应信息，处于Y0状态；如果故障点发生在线路，上游相近RMUi的M、N 处断路器均存在电流，此时状态应该为Y2，如果不能对下游RMU 信息进行接受，则不能判断其具体状态，此时应该设置φ（i+1）M=φiN；如果故障出现在RMUi内部母线，N 侧断路器无电流，此时状态应该为Y1，不过由于缺失下游环网柜信息，不能给予状态评判，应该设置φ（i+1）M=φiN-180°。

2 仿真模型分析

2.1 仿真模型参数

为了对本文所提出的故障定位与隔离方法进行检验，采取PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，电力系统计算机辅助设计）软件进行电磁建模仿真分析[5]。将电源电压数值设为ES1=ES2=10.5 kV（∠10°），电源内阻抗参数数值为ZS1=ZS2=0.4+j0.4 Ω，电缆线路长度设为li-i+1=0.8 km，ltotal=4 km，单位阻抗设为z1=0.3+j0.08 Ω/km，环网柜所带负荷数值为S=2 MV·A，cosφ=0.85。设置RMU 出线单台最大功率为0.3 MW，得出STU启动电流为0.117 kA。

2.2 闭环运行动作特性

假定T 为4 s，结果表明，f3出现三相短路故障，流过各断路器的电流突变量均超过4.5 kA，全部STU 均能够启动；相位差1在-90°～90°，STU0 则为Y2状态，根据设定好的规则STU1 跳开QF1M，其他环网柜状态为Y0，因此，并不会出现相关信号。由此可见，在闭环运行状态的前提下，此方法能够实现准确故障定位及隔离。

2.3 开环运行动作特性

假定断路器QF3M为开位，T 为4s，f3出现三相短路故障，结果表明，故障后唯有STU0 具有电流突变量且处于Y2状态，终端启动发送跳闸信号。由此可见，在开环运行下，其故障定位及保护方式是适用的。

3 结论

传统配电网普遍采用“闭环设计、开环运行”模式，保护控制方式简单，负荷转供过程中会导致短时停电。本文基于供电可靠性为前提，提出了一种新的配电环网短路故障定位隔离方法，当出现短路故障时，智能终端将根据接收信号自动对时实现同步，相邻RMU 根据统一的相位差来进行故障点定位，从而按照设定状态采取隔离措施。通过模拟仿真结果表明，该方式可以同时适用于配电网闭环运行和开环运行，可行性较强。