有关配电系统故障定位技术的研究

    摘要：本文针对当前配电网的需求，对国内外在配电系统故障定位诊断方面已有的研究做出了深入的分析，构造出具有高容错性、快速性、准确性的配电网故障定位技术。

    关键词：配电网  故障定位

    0 引言

    要提高供电可靠性，首先必须有合理的配电网，即每一个电力用户至少有两个电源点给其供电，一旦一个电源点或传输线出现故障，此时通过控制可以由另一个电源点给其供电，从而减少停电时间，提高供电可靠性；其次就必须在配电网发生故障时，迅速确定故障区段，并将故障区段隔离、恢复非故障区的供电，从而减少停电面积。因此实施配电自动化的故障定位功能将可以减少停电时间、缩小停电面积，提高供电的可靠性。

    1 配电网的故障定位和隔离

    实现故障定位和隔离是配电自动化的关键技术之一，也是目前国内外的研究热点。在配电网中，由于存在开关的误动和拒动，因此不能直接根据开关的动作来判断故障区段。实现配电网的故障定位主要有三种方式：一、基于重合器、分段器的故障定位；二、基于电话报修的故障定位；三、基于FTU的故障定位。

    1.1 基于重合器、分段器的故障定位 利用重合器和分段器的动作特性，通过设置重合器和分段器的动作次数、时间来实现故障定位的方法称为基于重合器和分段器的故障定位。
    重合器是一种自具控制及保护功能的开关设备，它能按预定的开断和重合顺序自动进行开断和重合操作，并在其后自动复位或闭锁。

    分段器是一种与电源侧前级开关配合，在失压或无电流的情况下自动分闸的开关设备。当发生永久性故障时，分段器在预定次数的分合操作后闭锁于分闸状态，从而达到隔离故障线路区段的目的。若分段器未完成预定次数的分合操作，故障就被其他设备切除了，则其保持在合闸状态，并经一段延时后恢复到预先的整定状态，为下一次故障作好准备。
    基于重合器和分段器的馈线自动化，如图1所示，通过设置重合器和分段器的动作次数、时间，结合重合器和分段器的特性，可以确定故障区段并隔离，恢复非故障区域供电；这种方式进行故障定位的过程当线路故障时，分段开关并不立即分断，而是要依靠重合器的保护跳闸，导致馈线失压后，各分段开关才能分断。因此这种方式的故障定位模式存在以下缺陷：切断故障的时间较长；由于必须分断重合器，因此实际扩大了事故范围；在进行恢复供电时无法实现全局最优网络重构。

    1.2 基于电话报修的故障定位 基于故障投诉电话进行配电网故障定位的基本原理是较初期的原理，它是根据用户电话号码或用户代码搜索到与终端配电变压器连接的资料，大致确定故障的位置，这种方法简单经济。目前在我国城市中，家庭电话拥有率逐步升高，另外，供电公司的营业管理系统中保存有用户的有关信息，如电话号码、用户代码与终端配变连接的资料，从而得到故障的信息。但如仅接到一个用户投诉电话仅能确定该用户的自身设备发生故障，接到多个投诉电话则可确定关联配电设备发生故障，但实际上电话的更改、投诉电话的打或不打都可形成不确定。所以该方法简单，但定位结果不精确。我国电话的普及率与国外有一定的差距，且电力用户参与意识不太强，故在我国可作为故障定位诊断的辅助参考部分。

    1.3 基于FTU的故障定位 馈线自动化的首要条件是一次系统应该是环网结构、开环运行，实现网络重够的一次系统的硬件是变电站的出线断路器和负荷开关，而要较好地实现网络自动重构则要安装具有远方通信能力的现场监测和控制装置（FTU）。FTU安装在柱上开关处，如图2所示。各FTU分别采集相应柱上开关的运行情况，并将采集的信息通过通讯网发送到远方的配电自动化控制中心。各FTU还可接受配电自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各FTU记录下故障前及故障时的重要信息，上传到控制中心，经计算机系统分析后确定故障区段和最优恢复供电方案，最终以遥控方式隔离故障区段，恢复健全区段供电。

    利用FTU上传的参数，经过运算实现故障定位的方法称为基于FTU的故障定位。由于辐射状网、树状网和处于开环运行的环网，判断故障区段只需根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以了。假设馈线上出现故障，显然故障区段位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段。因此利用FTU上传的各开关运行状态通过计算即可确定故障区段。

    现在主要流行以下几种比较典型的基于FTU的故障定位方法。
    文献[1]首先根据网络中开关的连接关系和假定的方向建立一个网络描述矩阵D。从FTU得到有关故障电流及FTU的信息，并加入到D中对角线元素上，就可以得到故障判别矩阵Dp。依据Dp中的相关元素的值就可以快速而有效地判别出故障区域。该算法无需进行矩阵相乘的繁琐运算，适用于单电源树状网或多电源复杂配电网，但仅限于单一故障下的故障定位，但当上传信息中有畸变时FSD的准确率较差。

    文献将配电网的馈线看作弧，将开关看作顶点，则馈线供出的负荷可以看作弧的负荷，开关流过的电流可以看作是顶点的负荷。定义归一化负荷为弧负荷与额定负荷之比再乘以100，则故障区段显然是归一化负荷远大于100的那些弧，这些弧称为过热弧。于是问题被归为过热弧搜寻问题。文献将配电网络的描述矩阵分解成只含耦合点矩阵和不含耦合点矩阵的方法，方便了过热弧的搜索方法，便于计算机实现，但没有考虑树状分支末端情况。

  文献提出了一种新的统一矩阵算法。算法需构造网络描述矩阵D，故障信息向量G及源点分布向量M，并根据D和G间相应元素的运算构造向量Q，同过分析P、Q定位故障区段。该算法适用于放射状网络、双电源及多电源并列供电系统，对网络中任何区段的故障都能做出判断，但原矩阵算法FSD准确率较低的不足仍存在。

    现有的方法在故障判断过程中存在有盲目搜索，当网络拓扑结构复杂时会使搜索时间过长，不能适应快速性的要求；并且容易误判、漏判、扩大判，使故障定位的容错性差，直接影响了供电可靠性指标，如何在任何情况下都能确保故障定位的准确性，是有待深入研究的关键性问题。

    2 基于FTU的故障定位原理[4,5]

    本文故障定位算法的具体步骤:

①根据系统静态数据和SCADA实时数据完成网络拓扑；

②根据网络拓扑结构建立网络模型；

③实时地从SCADA系统中读取有关故障警报和遥信信息，进行矩阵运算，判断出故障位置；

④根据遥测信息、故障录波进行辅助分析，判断解出的结果是否正确。

    故障检测的原理比较简单，主要根据配电网一般为辐射状，故障电流从电源点（或馈线首端结点）开始沿树状支路构成的连通路径单一方向地流向故障区。因此，对故障馈线上的任一区段，如果故障电流不流入该区段的任何端点，或从该区段的一个端点流入并从另一个端点流出，该区段是非故障区段；如果故障电流只流入区段而不流出该区段，则该区段是故障区段。

    随着FTU越来越广泛的被应用到配电网的在线监测中，我们只需要对馈线上的每一个节点建立网络模型，将FTU上传的每一个开关是否有故障电流流过的信息作为判断的依据。图3a为电缆环网结构的FTU方案，进线和出线采用的均是负荷开关，进线开关为S1和S2，出线开关为S3和S4，都由FTU进行监控。为了便于建立模型，将该环网柜进行简化，如图3b所示。只有采集到足够的样本进行参考学习，才能形成可以诊断用的网络模型，开关S1、S2、S3和S4均由FTU监控。

    前面提出的判别原理，根据每一个开关处流过的电流状态，我们可以推断出下面故障样本集：

①如果只有S1处检测到故障电流，则故障在开关S1和S2汇合部分区段；

②如果只有S1和S2处检测到故障电流，则故障在开关S2右侧；

③如果只有S1和S3处检测到故障电流，则故障在开关S3外侧；

④如果只有S1和S4处检测到故障电流，则故障在开关S4外侧。

    3 结束语

    论文在目前国内外配电网故障定位诊断方法研究现状的基础上，进行了归纳分类和概述，对基于FTU的故障定位技术进行了较为深入的分析。配电自动化虽然对FTU的要求较高，但由于巨大的市场潜力，已经吸引了国内的许多知名电力自动化设备厂家如南京电力自动化研究院、烟台东方电子股份有限公司、许昌继电器股份有限公司、北京哈德威四方股份有限公司等，他们正在大力研制适合中国国情的配电自动化设备FTU；同时也在不断地改进和完善配电自动化的应用软件功能。