配电网低电压预警及故障定位技术分析

2022-05-24刘卓娅李磊李知雨陈松根杨璐璇

中国科技纵横 2022年9期

刘卓娅李磊李知雨陈松根杨璐璇

（国网河南省电力公司宝丰县供电公司，河南平顶山 467400）

0.引言

配电系统与用户的供电可靠性直接相关，实现配电网低电压预警及故障定位功能具有较强的必要性。随着断路器技术的发展，在配电网中采用的断路器应能对线路及用电设备的接地故障、过电流、短路、缺相及过压、欠压等进行保护，同时也应防止出现电气线路或电气设备接地故障引起的电气火灾和电气设备损坏事故。在配电网运行方面，本文详细分析了配电网的故障定位技术和低电压预警原理，在实际的配电网运行中可以加以应用。

1.配电网的故障分析

配电网的规模较大，网架结构相对主网而言也较为薄弱，容易出现接地等故障。当配电线路出现接地时，其跨步电压分布如图1所示。

图1 跨步电压分布示意图

从图1可知，离故障点越近的地方，其电压越高，容易造成人身伤害，故对配电线路的接地问题应加以重视。近年来断路器技术水平得到了明显的提高，可以在配电系统中采用集剩余电流继电器、接触器、塑壳断路器、故障定位系统、无线通讯、物联网等技术于一体的断路器。当断路器检测到配电网出现故障时，可以使断路器动作跳闸，这种断路器可以应用在三相四线供电系统中。当检测到配电网出现了低电压时，应能发出相应的预警信息，并将告警信息和断路器的位置发送到配电网运维人员的手机终端，这也是提高电网企业优质服务水平的重要手段和措施。

2.配电网低电压预警

2.1 配电网低电压现状

在配电网中，线路过长、负荷较重、无功补偿不足、负荷分配不合理、配变三相不平衡、导线截面偏小、配变严重偏离负荷中心、配变供电半径过大等都会使电压偏低，电流增大，有可能发生线路过载。在配电网实际运行中，当配电线路负荷增加或超负荷运行时，线路电压降逐渐增大，超出正常允许范围，若线路无功补偿不足，线路负荷持续增加，导致电压降长时间持续增大，则会导致线路末端发生低电压风险。配电网出现低电压，将极大影响日常生产和生活，线路低电压的发生将导致几点后果：一是增加线路损耗，降低效率。二是电动类电器启动困难，温升过高。三是降低白炽灯亮度，导致荧光灯无法启动。四是影响荧屏电器的图像质量。五是影响电热类电器的正常发热。目前，配电网低电压现象的治理，通常采用配变增容、无功补偿、重负荷线路分流等措施，但这些措施具有一定的滞后性，往往出现了低电压现象才去进行处理。

2.2 配电网低电压预警方法

对于配电网低电压风险在线预警方法，包括根据配电网实时监测数据和负荷预测数据，计算配电网中预设的线路的负荷矩；根据负荷矩计算结果，对预设的线路上的预设负荷点的电压进行计算，并根据预设的低电压越限预警判断规则判断在预设的未来时间段内，配电网是否存在低电压越限风险。这种方法可为合理改善配电网供电质量提供决策依据，可准确预警配电网低电压风险，具有实用性好、计算简单和易操作的优点。其中配电网中预设的线路的负荷矩如下式：

其中M为一个时间节点上一条线路的负荷矩，P表示获取的线路上时间节点的预设负荷点的负荷预测数据，L表示从配电网实时监测数据中获取的线路上负荷点到电源的电气距离；∑表示对所述线路上所述时间节点的预设的负荷点进行求和；N为系统中的总节点数。再按照负荷矩从大到小的顺序，依次计算预设的线路在预设的未来时间段内的时间节点上预设负荷点的电压值，当有负荷点电压低于预设的电压下限值，判断线路在负荷矩对应的时间节点存在预测低电压越限，直到负荷矩对应的时间节点不存在预测低电压越限。根据配电网的预设的负荷点在预设的未来时间段内各时间节点对应时刻的历史电压数据，判断预设的负荷点在预设的未来时间段内各时间节点对应时刻是否存在历史低电压越限[1]。当时间节点不存在预测低电压越限和历史低电压越限时，给出预警结果为正常，否则给出预警结果为存在低电压越限风险。

此外，当配电网的拓扑发生变化时，根据最新负荷预测数据重新进行低电压风险预警，如果预警结果为正常，则取消预警信息，结束预警流程，等待下次预警启动；否则，则发布预警信息，并追踪预警结果。当配电网的拓扑不发生变化时，负荷如果发生变化，则根据最新的负荷预测启动预警流程，如果预警结果为正常，则取消预警信息，结束预警流程，等待下次启动；否则，则发布预警信息，并追踪预警结果[2]。当配电网的拓扑和负荷均未发生变化时，则等待，直到运行到预警存在低电压越限的时刻，如果未发生低电压越限，则取消预警信息；否则得到发生低电压越限的时刻和电压幅值，取消预警信息。

3.配电网的故障定位技术

3.1 故障定位的技术原理

目前在实际配电网故障定位算法中，采用了多种不同类型的算法，本文以矩阵法为例进行分析，某配电网的运行方式如图2所示。

图2 配电网的运行结构图

在矩阵法中，需要根据配电网的运行情况描述出相应的网络矩阵D，在该矩阵中的对角线元素规定如下：

按照上述方式，网络描述矩阵和故障信息矩阵分别如下式所示：

将矩阵D和矩阵G相乘，就可以作为故障判断矩阵：

在该故障判断矩阵汇总，如第三行第四列的元素为1，表明配电网中3、4之间的某条线路出线了相应的故障，从而实现了对配电网故障的定位。此时可以将配电系统中的断路器位置信息坐标发送到配电网运维人员的手机终端，使得运维人员能够实时掌握配电网的运行信息[3]，并且提高对配网的检修效率，尽可能缩短故障停电时间。一般而言，配电网故障定位算法在实际应用中的基本原理如图3所示。

图3 配电网故障判断结构图

从图3可知，在配电网故障定位模型中，需要采集电流信号和电压信号，根据相应的故障定位算法，得出相应的故障判断结果，并将结果以信号指示的方式加以显示。

3.2 算例分析

本文以某地区配电网中的三电源供电结构图进行案例分析，其配电系统的故障如图4所示。

图4 三电源供电的配电系统

根据本文所述的故障定位算法，分析得出的网络描述矩阵和故障信息矩阵如下式所示：

同理将上述两个矩阵相乘，得出的故障定位矩阵如下式所示：

根据上述矩阵中的元素，就可以判断出系统中哪些节点之间出现了故障，从而准确可靠地实现了对配电网故障的定位。当配电网的运维人员收到了配电网的具体故障位置之后就可以及时安排检修人员快速检修，缩短用户的平均停电时间，提高电网企业的概念收益[4]。同时，如果在配电系统中加入负荷自动转供功能，则可以先恢复供区内用户供电，再安排检修人员进行检修，可进一步缩短停电时间。