配电网电源系统中的故障诊断与智能恢复策略研究

王玉龙

（日照港集装箱发展有限公司动力分公司，山东 日照 276800）

0 引 言

随着电力需求的不断增长和电力系统规模的扩大，配电网电源系统在现代电力网络中扮演的角色越来越重要。然而，配电网电源系统会因外部环境、设备老化等因素的影响而产生各种故障问题，威胁着电力供应的可靠性和稳定性。因此，深入研究故障诊断技术和智能恢复策略成为保障电力系统可靠运行的关键。

1 配电网电源系统基础

1.1 系统构成与工作原理

配电网电源系统主要由配变电系统、备用电源系统和不间断电源系统组成，具体结构如图1 所示。

配变电系统是整个电力供应链的关键组成部分，由10 ～20 kV 配电柜、变压器、0.4 kV 配电柜等要素组成，综合考虑了电能传输和分配的高电压部分、最终供给终端设备的低电压部分。变压器的选用和配置须根据具体需求和负载情况进行科学规划。

备用电源系统由10 kV 和0.4 kV 的柴油发电机组及其对应的并机柜组成。设计该系统的目的是在主电源发生故障或中断时，能够迅速切换至备用电源，以确保数据中心的持续稳定运行。同时，通过合理配置并机柜，备用电源能够实现高效协同工作，从而提高整体的可靠性。

不间断电源系统由交流和直流不间断电源、输入配电柜、输出配电柜以及蓄电池组组成[1]。在电力供应发生中断时，该系统能够无缝切换至蓄电池供电模式，确保数据中心设备不受电源波动的影响。输入和输出配电柜的设计旨在实现电源输入和输出的稳定分配，确保供电的平稳性。

1.2 常见故障类型及原因

在配电网电源系统中，常见的故障类型主要包括电力系统中断、电压波动、电流过载以及短路等。第一，电力系统中断可能是由主电源故障、备用电源切换故障或配电柜故障引起的。这些设备故障的原因可能是设备老化、外部电力故障或操作失误等。第二，电压波动通常由电网电压不稳定、电源电压波动或电气设备误动引起，其原因可能涉及电源质量、设备工作状态等。第三，电流过载可能是由负载过大、设备故障或过电流保护失效引起的，因此需合理规划负载和设备的容量。第四，短路则可能由设备内部故障、外部短路引起，原因包括设备缺陷、绝缘击穿等。

2 配电网电源系统的故障诊断技术

2.1 故障检测方法

基于电流信号的故障检测是一种常用的配电网电源系统的故障检测方法，通过分析电流信号的特征，可以准确识别系统中的故障。另一种常见的故障检测方法是利用电流信号的频谱分析，即将电流信号转换到频域，以提取出不同频率成分的信息，从而识别系统中的异常。通过使用傅里叶变换或小波变换，将电流信号分解成不同频率的分量[2]。当系统发生故障时，电流信号的频谱会发生变化，出现额外的谐波或频率成分，用公式表示为

式中：X(f) 表示频域信号；x(t)表示原始电流信号；f表示频率。

通过监测电流信号的频谱，可以检测到常见的故障问题，如短路、过载等。例如，当系统中存在短路时，电流信号中会出现高频谐波成分。基于电流信号的故障检测方法具有实时性和高精度的优势，为及时采取措施解决故障提供了有力的支持。

2.2 故障识别技术

在配电网电源系统的故障诊断技术中，可以采取基于模式识别的故障识别技术。该技术依赖于训练系统在正常运行和各种故障条件下的模式，通过对比实时数据与预定义模式的方式，识别系统中的故障。常用的故障识别技术是支持向量机（Support Vector Machine，SVM），其基本思想是找到一个最优的超平面，并将不同类别的数据分隔开。在故障识别中，将不同类型的故障分为不同的类别，并训练SVM 模型，以学习正常和异常状态的特征，用公式表示为

式中：w表示超平面的法向量；b表示位移；ξ表示松弛变量；C表示惩罚因子。

通过使用SVM 模型，可以对电源系统的运行状态进行监测和诊断。在输入实时数据后，SVM 模型将判断当前状态是否符合训练过的正常工作模式。

2.3 故障定位技术

在配电网电源系统的故障诊断技术中，故障定位至关重要。常用的高精度故障定位技术是时域反射技术（Time Domain Reflectometry，TDR），即通过测量电缆或导线上的信号反射来精确定位故障点的位置。TDR 技术利用电磁波在传输线上传播速度的差异进行故障定位，当信号遇到电缆或导线上的故障点时会发生反射[3]。因此，通过测量反射信号的时延和幅度，可以精确确定故障点的距离和性质，用公式表示为

式中：L表示故障点距离；v表示电磁波在传输线上的传播速度；t表示信号的反射时延。

在配电网电源系统中使用TDR 技术，可以准确定位故障发生位置，以迅速响应并解决故障问题，从而提高系统的可靠性和可维护性。

3 智能恢复策略研究

3.1 分布式电源的协调控制

在智能恢复策略研究中，分布式电源的协调控制是关键环节。分布式电源系统由多个分布式发电单元组成，协调控制旨在优化系统运行状态，提高供电可靠性。通过实施协调算法，可以实现各个分布式电源单元的协同工作，以迅速解决配电网电源系统可能发生的故障。

协调控制的核心是分布式电源单元之间的信息交互和智能决策。通过实时监测电网状态和故障信息，分布式电源单元能够迅速响应并进行电能调度，确保系统能够稳定供电。协调控制的关键技术之一是分布式电源的能量管理，即通过动态调整各个电源单元的输出功率，实现对电网负荷的灵活调节，提高供电系统的适应性。协调控制还涉及对电能质量的有效维护，即通过协同作业，分布式电源单元可以共同应对电压波动、谐波等问题，提高系统的电能质量[4]。

3.2 故障隔离与系统重构

智能恢复策略的关键组成部分之一是故障隔离与系统重构。配电网电源系统发生故障时，迅速且准确地隔离故障区域，并进行系统重构是确保电能供应可靠性的重要步骤。故障隔离与系统重构的技术性较强，质量高的策略可以有效缩短故障恢复时间，降低对用户的影响。

在故障隔离方面，通过引入先进的故障定位技术，如时序分析、电流电压特征识别等，可以实时监测电网参数，迅速定位故障点。基于这些信息，系统能够精确地确定受影响的区域，并通过快速开关等设备隔离故障区，防止故障扩散。系统重构则是对隔离区域内的电力设备重新进行配置，以最小化对用户的影响，确保电力系统的平衡性和稳定性。例如，采用拓扑重构算法，系统可以迅速调整电源供应路径，重新分配受影响区域的电能[5]。这一过程的实现需要考虑多个因素，如电网拓扑结构、电源容量、电能质量等。

4 案例分析

4.1 配电网电源系统故障案例

某配电网电源系统发生了高电流短路故障，导致供电中断。该故障发生在一个工业区域的10 kV 配电柜中，初步诊断可能是由于设备老化或外部因素引起的故障。首先，在故障检测阶段，利用智能故障诊断装置实时监测电流和电压参数，及时发现了异常的电流波形和电压降低等情况。其次，借助SVM 等机器学习算法，成功识别出故障为高电流短路故障，并及时向运维人员报警。再次，系统启动了故障隔离策略，根据定位结果切断了受影响的配电区域。最后，在系统重构过程中，利用拓扑重构算法重新分配电源路径，确保其他区域能够正常供电，并及时更换配电柜的损坏设备，定期检查和维护老化设备。

4.2 应用效果评估

通过综合评价配电网电源系统故障案例，可知优化后的智能恢复策略在多个方面取得了显著的应用效果，具体内容如表1 所示。

表1 应用效果

在故障诊断准确性方面，优化后的系统故障检测和识别准确性从80%提升到了95%，提高了系统对各类故障的准确定位能力，为电源系统的稳定运行提供了有力保障；优化后的故障恢复时间大幅降低，从故障发生到系统完全恢复的时间由原先的120 min缩短至60 min，这意味着系统能够更迅速、高效地应对故障，以降低停电对业务和用户的影响，提高供电可靠性；在系统稳定性方面，通过监测系统在故障发生后的表现可知，优化后的系统更为稳定，在应对故障时能够更好地维持正常运行，从而有效减少因系统不稳定带来的潜在风险，提升了整个电源系统的稳健性；在故障处理成本方面，通过统计维护和修复成本发现，优化后的智能恢复策略比初始状态的成本降低了20%。这是因为系统能够实现更精准的故障定位和较短的故障恢复时间，有效减少了因故障造成的停工损失和维护费用，有助于电源系统的长期运行。

5 结 论

在配电网电源系统的研究中，主要研究电源系统的故障诊断技术，包括故障检测、识别和定位等内容，因此文章提出了一系列有效的故障诊断方法与智能恢复策略。采用文章所提的优化策略后，电源系统在故障识别准确性、恢复时间、系统稳定性以及成本控制等方面均取得了显著的改善，为提升电源系统的可靠性、降低维护成本提供了有力的支持。文章研究成果能够为未来电力系统的可靠性和智能化发展提供有益的借鉴与参考。