电力配电网中频发性断网故障排除系统研究

苟琼尹

华亭煤业集团有限责任公司设备租赁公司，甘肃 平凉 744100

0 引言

在能源转型的大环境下，电能资源逐渐被绿色环保及可再生能源替代，各类新能源以分布式的形式陆续接入配电网系统，为社会提供优质的电力能源服务[1]。电力输送过程中，配电网的稳定运行与配电自动化和继电保护有直接关系，需要从输电线路中有效排除故障，从而提高输配电的安全性[2]。传统断网故障排除方法是在继电保护的基础上设置重合闸，以减少越级跳闸故障[3]，但在恢复用电时会对配电网等相关装置产生不利影响。配电网出现频发性断网故障主要与电压幅值、频率、相位等因素有关，如何在最短时间内找出故障区域并成功排除故障，成为亟待解决的问题[4]。基于此，文章研究了电力配电网中频发性断网排除系统，为人们提供更加安全、稳定的供配电服务。

1 配电网中频发性断网故障排除系统设计

配电网故障检测一般使用动态阻性负载投入检测方法，频发性断网故障的类型主要集中在单相接地故障和相间短路故障。根据设计需求，配电网频发性断网排除系统主要包括数据采集模块、网络化访问数据库模块、配电网运行状态监控模块及断电故障诊断排除模块。由于配电网断电故障发生的突发性和实时性，需要系统实时监控配电网运行数据，保证断电故障能够及时被发现并排除，降低断电造成的损失。频发性断网排除系统运行方法如下。

1.1 频发性断网故障特征提取

当电力配电网发生频发性断网故障时，配电网会主动进行继电保护与后备保护，两种保护动作同时进行时断网特征更加复杂。

（1）发生频发性断网故障时，判断继电保护装置的状态，如果继电保护启动，则故障不会进一步扩散，此时可以判定为故障原因与电源无关[5]。

（2）对故障区域的电流进行判定，如果电流快速增加或快速减少，可以判定故障类型为电流线路的保护误动。

（3）对配电线路整体电气量进行监测，记录故障开始到继电保护所需时间和电气量的变化情况，如果故障受到继电保护的时间段≥0.072 s，证明此时故障电气量的变化处于零序状态[6]。

1.2 配电网运行数据采集及分析

（1）为实现配电网断电故障诊断排除，需要远程长时间采集配电网运行数据信息。采集的信息主要包括配电网本身运行数据、配电网中计算机运行数据及计算机访问数据等，将采集到的数据传输到数据库中，需要设计配电网的信息存储和利用方式。

（2）对采集到的配电网运行数据进行分类存储，由于采集到的配电网运行数据较多，需要对不同的数据类型进行分类存储，区分配电网正常运行数据和异常数据，分别存储在数据库中，方便配电网故障诊断。

（3）分析配电网中异常数据，断电数据按形成的不同原因分别存储在不同的数据样本中，作为断电故障排除的依据。利用断电故障诊断方法对异常数据进行识别，设计断电故障的客户端信号处理模块，实现断电故障诊断排除。

1.3 配电线路监测点布设

在确定频发性断网故障的类型之后，在配电整体线路上容易出现故障的区域布设监测点。监测点的作用在于当出现频发性故障时，可以及时监测线路中的电流、电压、相位等电气量情况。根据电气量守恒定律，调整配电网的整体电流情况。配电网对于电能资源的依赖较大，在布设监测点的过程中，很可能会出现一定程度上的决策失误，影响故障排除效果。因此，在布设监测点时应从以下方面入手。

（1）在电能调度中心获取大量的故障信息，对故障情况进行综合判定，排除掉明显错误的信息。

（2）对零序电流进行排除，纠正故障初始值，再次排除故障分量，重新形成一个故障初始值，作为监测初始值。

（3）将监测点中各值与初始值对比，如果超过或低于一个定值，均判定为明显故障，这样可以精准把控断网故障的情况。

1.4 配电网故障定位误差修正

基于设计方法对复杂的配电网故障进行定位，根据监测点的故障信号、电流等参数，以定位函数表达故障位置，定位函数表达式如式（1）所示：

式中：D(i)为定位函数表达式；M1、M2、Mn分别为各个监测点的电气量情况；Kz为故障信号运行状态。定位出配电网故障区域之后，为了进一步缩小故障范围，对故障区域进行定位误差修正，修正公式如式（2）所示：

式中：Xw(i)为修正后的故障定位信号；n、j为常数；Dx(i)为定位误差函数表达式。故障区域得到精准定位之后，即可排除故障，缩短故障排除时间。

2 实验论证分析

为验证文章设计方法是否具有实用价值，对上述方法进行对比实验验证。将传统电力配电网中频发性断网故障排除方法与设计的电力配电网中频发性断网故障排除方法进行对比，再对断电故障属性进行编码分类，具体实验过程及实验结果如下。

2.1 实验过程

在实验之前，首先提取配电网的故障特征。在配电网出现断网故障时，变压装置的电压会瞬间处于高压配电状态，电压值达到110 kV，此时，发电机的容量为50.432 MW。为了更加清晰地了解配电网运行状态，文章将配电网电气电阻参数设定为0.45 Ω/km；电气电阻初始参数设定为0.75 Ω/km。此时，配电网的网络线路电感为1.162 mH/km，配电网的网络线路初始电感为3.468 mH/km。由此得出，配电网此时的电容为0.062 μF/km，初始电容为0.036 μF/km。在此条件下，文章对配电网断网故障时的零序电流进行分析，配电网断网故障零序电流变化如图1 所示。

图1 配电网断网故障零序电流示意图

如图1 所示，在0～0.02 s 时间段内，电流始终为0，说明此时配电网仍可以继续使用。在0.02～0.025 s的时间段内，电流波动幅度较大，为0～15 kA 不等，说明此时配电网开始出现故障。0.025～0.10 s 的电流始终处于稳定升高或降低的状态，说明零序电流元件并未发生损害，经过电源断开重启之后，就可以排除配电网断网故障。0.025～0.10 s 的电流始终处于不稳定的状态，零序电流会出现突然增加或突然减少的情况，此种故障为永久性故障，简单的故障排除方法效果不佳。此时，使用文章设计的方法修正配电网故障的定位误差，进一步了解配电网出现故障的位置，再使用相对应的方法排除。为了进一步分析出故障排除效果，文章对故障定位排除精准度指标进行计算，公式如式（3）所示：

式中：Pgjz为故障定位排除精准度指标；Gq为故障区域监测状态数据；Tjc故障监测时间系数；Cpc为故障常态量。计算出故障定位排除精准度指标之后，即可进行下一步实验。

2.2 实验结果

在上述实验条件下，随机选取高压（110 kV、80 kV、50 kV、35 kV）、中压（10 kV、8 kV、6 kV）、低压（0.38 kV、0.30 kV、0.22 kV）配电网。利用式（3）计算出定位精准度指标，在标准故障定位精准度指标一致的条件下，将传统电力配电网中频发性断网故障排除方法的故障定位排除精准度指标，与文章设计的电力配电网中频发性断网故障排除方法的故障定位排除精准度指标进行对比，具体实验结果如表1 所示。

表1 实验结果

如表1 所示，配电网等级不同，标准故障定位排除精准度指标也不同。其中，精准度指标超过0.850为合格标准，故障定位效果存在较多的不确定性因素，影响故障排除效果；精准度指标超过0.900 为良好标准，不确定性因素大幅度下降，故障排除效果较佳；精准度指标超过0.950 为优秀标准，几乎不存在不确定性因素，故障排除效果更佳；精准度指标达到1.000为完美标准，故障定位具有100%的效果，故障排除效果最佳。对配电网中故障定位性能进行分析后，实验结果如图2 所示。

图2 算法故障定位性能

在上述条件下，传统电力配电网中频发性断网故障排除方法的故障定位排除精准度指标与标准指标相差较多，基本可以满足0.850 的合格标准。其中，高压配电网中的110 kV 与80 kV 定位精准度指标低于0.850 的合格标准；中压配电网的10 kV 定位精准度指标高于0.900 的良好标准；低压配电网的0.22 kV 定位精准度指标高于0.950 的优秀标准。总体来看，传统电力配电网中频发性断网故障排除方法故障定位效果不佳，故障排除效果随之下降，需要进一步改善。

文章设计的电力配电网中频发性断网故障排除方法的故障定位排除精准度指标较高，均可以超过标准指标，全部可以满足0.950 的优秀标准。其中，中压配电网中的6 kV 故障定位排除精准度指标甚至达到了1.000 的完美标准。因此，文章设计的电力配电网中频发性断网故障排除方法的故障定位效果较佳，故障排除效果随之上升，符合文章研究目的。

3 结束语

随着电力技术的不断发展，配电网作为电力用户与输电系统之间的桥梁，在电能的输送与使用中起到了非常重要的作用。在输配电过程中，由于受到环境和路线因素的影响，配电网断路或短路故障频发。基于此，文章设计方法通过提取故障特征—布设监测点—修正定位误差的流程，实现对配电网故障的精准排除。结果表明文章设计的故障排除方法的效果更好，可以为配电网的安全稳定运行提供参考。