基于传感网络的智能电网电压暂降故障精细定位方法

南东亮，谭金龙，张 路，王 畅

（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；2.新疆大学 电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

0 引言

智能电网中影响电能质量的主要原因之一是电压暂降，不同电网故障，均会引起电压暂降[1]，精准定位电压暂降故障，可以确定引起电压暂降的责任方[2～4]，避免不必要的纠纷，还可减少故障维修时间。胡安平等人通过小波能量 采集电网突变信号，获取与电压暂降源最近的节点，完成电压暂降故障定位，该方法可有效定位电压暂降故障[5]；但该方法具有与伪故障点问题，且对突变信号采集要求较高，易受电网线路对地电容影响，推广难度较高。陈汝斯等人通过序功率增量方向原理分析电压暂降原因，获取电压暂降区域，以故障位置与过渡电阻为变量，故障电流、电压误差为目标，构造故障定位模型，通过智能优化算法求解该模型，获取电压暂降故障定位结果，该方法可有效定位电压暂降故障，具有一定的优越性[6]；但其需对不同过渡电阻与故障位置进行运算，离线计算量过多，会出现不匹配情况，影响电压暂降定位效果。传感网络具备灵活性高、定位精度高、能耗低等优势，在智能电网中应用传感网络，依据其灵活的网络结构、快速的定位速度，可提升故障定位效果[7]。为此研究基于传感网络的智能电网电压暂降故障精细定位方法，提升故障精细定位效果，为智能电网故障维修提供更好的帮助，确保智能电网供电可靠性。

1 智能电网电压暂降故障精细定位方法

1.1 智能电网电压暂降故障产生原因

智能电网电压暂降形成的原因有两种，分别是自然与非自然原因，前者的占比较高，包含雷击与台风等特殊天气导致的线路短路故障，或者动物、树木等接触线路导致的线路故障[8]，造成故障位置周围电流提升，电压下降，出现电压暂降故障。

故障前的智能电网线路阻抗是R1；短路阻抗是R2；负载阻抗是R3；线路未短路情况下，负载电压如下：

其中，示波器系数是E。

在线路短路后，负载电压如下：

因为智能电网线路短路情况下，R2较小，所以U较低，导致电压不稳，出现电压暂降故障，各类型短路故障形成的电压暂降种类不尽相同。

非自然原因多为负荷波动，例如电机与变压器等投切影响负载电压，令其出现大幅度改变，电机开启时，经过一段时间后，其转速达到指定值，这个过程电机会不断形成大电流[9]，导致电机接入处电压下降，且下降幅度较大，出现电压暂降故障。

受电压暂降故障影响较大的是工业，电压暂降故障危害主要包括三方面，第一方面是延长工期，电压暂降故障会导致生产线停止，再次启动时，不仅会浪费时间，还会增加电能消耗量；第二方面是产品损失，生产线停止，造成产品原料遭到破坏，同时再次开启设备，会影响产品质量，提升经济损失[10，11]；第三方面是设备损失，生产线突然停止，对设备使用寿命存在影响。电压暂降故障时常见设备的承受能力如表1所示。

表1 电压暂降故障时常见设备的承受能力

1.2 智能电网电压暂降故障节点初步定位

1.2.1 智能电网电压暂降故障节点距离分布函数

令智能电网各条故障线路l的首尾节点是p、q，令虚拟故障点是r，求解r的自阻抗Rrr，公式如下：

令监测点是m，则m至r的自阻抗Rmr如式(4)所示。

1.2.2 智能电网电压暂降故障监测点电压序分量比值

1.2.3 基于电压序分量比值的电压暂降故障初步定位

按照监测点电压序分量比值gm-cal，和实际电压序分量比值gm间的误差，初步定位智能电网电压暂降故障。gm-cal与gm间误差eg计算公式如式(9)所示：

其中，权重是w；可调节因子是λ；监测点数量是M。

在各监测点相位不同情况下，可以各监测点三相电压最低相的幅值为w；降低对小范围智能电网电压暂降故障初步定位的影响[13]；当智能电网电压暂降故障范围较大时，变更式(9)获取：

遍历全部电压暂降故障线路后，可获取故障点序列s(l)，依据eg的值，从小至大排列可能故障点，排名越靠前，故障点可能性越大[14]，最小eg相应的l与d，即最可能的智能电网电压暂降故障线路与故障距离[15]，完成智能电网电压暂降故障初定定位，初步定位结果是S。

1.3 基于传感网络的电压暂降故障节点精细定位优化

依据初步定位结果，可确定故障区域，求解该区域中故障节点电压实部与虚部数据，获取其距离差异度，利用传感网络中的传感器节点，优化初步定位结果，实现故障精细定位。令智能电网内随机两个区域是a′-b′，初步定位故障节点电压实部与虚部是Uv、Uk，故障电阻是；故障节点数量是M′，x=1，2...M′，选择故障区域，公式如式(11)所示。

确定智能电网电压暂降故障区域后，在距离分布函数内，添加故障节点的电压与电流，求解该节点电压实部与虚部的距离d′，d′超出区间(0，1)时，说明该故障区域是伪区域，通过搜索法确定故障区域电阻间的过渡电阻值R′可令Uv与Uk差异度总和降至最低，通过R′优化智能电网电压暂降故障节点初步定位结果，实现电压暂降故障节点精细定位，通过距离分布函数，确定故障节点电压实部与虚部的故障距离d′，公式如式(12)所示：

其中，m的j相实部、虚部故障距离是j=1，2，3，代表三相，在m为实际节点情况下，那么与的差异度如式(13)所示：

其中，修正系数是θ。

两相智能电网电压暂降故障情况下的差异度如式(15)所示：

其中，智能电网电压暂降故障节点相是α。

在一相智能电网电压暂降故障情况下，μ2=0；对初步定位的电压暂降故障进行精细定位，公式如式(16)所示：

当智能电网线路中，出现电压暂降故障时，传感网络内传感器节点会被故障节点发出的故障信号触发，立刻处于工作状态，采集故障节点的相关数据，优化智能电网电压暂降故障的精细定位结果。智能电网内线路传感网络中传感器节点集合如式(17)所示：

其中，精细定位智能电网电压暂降故障的传感器节点是OA、OB、OC；利用OA、OB、OC优化S′，公式如式(18)所示。

通过式(18)完成智能电网电压暂降故障精细定位优化。

2 实验分析

以某区域500kV智能电网实验对象，该区域智能电网共包含12个节点，基准容量100MVA，电压暂降器故障前节点电压是1pu，该区域智能电网的结构如图1所示。

图1 智能电网结构图

该区域智能电网中共包含14条线路l1，l2，...l14，在2号与4号节点中间位置安装监测点1，在8号节点与11号节点中间位置安装监测点2，为提升该区域智能电网节点电压暂降故障精细定位精度，因此选择两个监测点对整个智能电网电压暂降故障进行精细定位。通过监测点1监测线路l1、l2、l3、l4、l5、l6、l14，通过监测点2监测线路l7、l8、l9、l10、l11、l12、l13。

对于该区域智能电网共设置三种故障，分别是A相接地故障、BC两相故障、BC两相接地故障，记作故障1、故障2、故障3，因线路l12与l2出现故障，导致电压暂降故障的线路为l13、l7、l8、l9、l10、l11的故障距离是0.6pu，故障线路为l1、l6、l5、l3、l4、l14的故障距离是0.5pu，分别利用监测点2与监测点1进行监测，获取智能电网电压暂降故障初步定位结果，利用本文方法初步定位不同故障类型时智能电网电压暂降故障，初步定位结果如表2所示，以故障距离为例。

根据表2可知，在不同智能电网故障类型时，本文方法均可有效初步定位电压暂降故障，获取各故障类型时，各线路的故障距离；同时还可有效定位故障线路，与实际故障线路相同，为提升电压暂降故障定位精度，继续利用本文方法对初步定位结果进行优化，获取电压暂降故障精细定位结果，根据表2可知，精细定位后的故障距离与实际故障距离更为接近，可明显缩短初步定位故障距离与实际距离间的差距。实验证明：本文方法可有效精细定位电压暂降故障距离与故障线路，且精细定位故障距离与实际故障距离非常接近，定位的故障线路与实际故障线路完全一致，表面本文方法的精细定位效果更优。

表2 智能电网电压暂降故障初步定位结果

通过可调节电网情况的权重系数，分析本文方法精细定位智能电网电压暂降故障的定位速度，权重系数在[2.0，3.0]之间，说明故障精细定位速度最快，分析本文方法在精细定位不同故障线路时的定位速度，如图2所示。

图2 本文方法定位速度分析结果

根据图2可知，在精细定位不同智能电网电压暂降故障线路时，权重系数基本维持在2.0至3.0之间，说明本文方法精细定位智能电网电压暂降故障的定位速度较快。

分析不同接入负荷与故障电阻时，本文方法精细定位智能电网电压暂降故障距离与故障电阻的效果，分析结果如图3、图4所示。

图3 不同接入负荷时电压暂降故障距离精细定位结果

图4 不同接入负荷时电压暂降故障电阻精细定位结果

综合分析图3与图4可知，在不同接入负荷，不同故障类型时，本文方法均可精细定位智能电网电压暂降故障距离；在不同故障类型时，本文方法精细定位的电压暂降故障距离与实际故障距离差距均较小；在不同故障电阻，不同故障类型时，本文方法也均可精细定位智能电网电压暂降故障距离，且本文方法精细定位的电压暂降故障距离与实际故障距离差距较小。实验证明：在不同接入负荷与不同故障电阻时，本文方法依旧能够精准精细定位智能电网电压暂降故障距离与故障电阻。

3 结语

智能电网对经济发展存在直接影响，智能电网线路出现不同故障时，均会导致电压暂降故障，影响供电稳定性。本文通过电压暂降故障节点距离分布函数，初步定位电压暂降故障。初步定位故障结果，确定故障区域后，通过距离分布函数确定该区域内故障节点实部与虚部故障距离，并求解该距离的差异度。依据差异度与电压序分量比值误差，精细定位电压暂降故障。二次定位技术为维修人员提供具体故障信息，加快其维修效率，保证智能电网供电稳定性。