摘要：本文針對當(dāng)前配電網(wǎng)的需求，對國內(nèi)外在配電系統(tǒng)故障定位診斷方面已有的研究做出了深入的分析，構(gòu)造出具有高容錯性、快速性、準(zhǔn)確性的配電網(wǎng)故障定位技術(shù)。

    關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)  故障定位

    0 引言

    要提高供電可靠性，首先必須有合理的配電網(wǎng)，即每一個電力用戶至少有兩個電源點(diǎn)給其供電，一旦一個電源點(diǎn)或傳輸線出現(xiàn)故障，此時通過控制可以由另一個電源點(diǎn)給其供電，從而減少停電時間，提高供電可靠性；其次就必須在配電網(wǎng)發(fā)生故障時，迅速確定故障區(qū)段，并將故障區(qū)段隔離、恢復(fù)非故障區(qū)的供電，從而減少停電面積。因此實(shí)施配電自動化的故障定位功能將可以減少停電時間、縮小停電面積，提高供電的可靠性。

    1 配電網(wǎng)的故障定位和隔離

    實(shí)現(xiàn)故障定位和隔離是配電自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。在配電網(wǎng)中，由于存在開關(guān)的誤動和拒動，因此不能直接根據(jù)開關(guān)的動作來判斷故障區(qū)段。實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位主要有三種方式：一、基于重合器、分段器的故障定位；二、基于電話報修的故障定位；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動作特性，通過設(shè)置重合器和分段器的動作次數(shù)、時間來實(shí)現(xiàn)故障定位的方法稱為基于重合器和分段器的故障定位。
    重合器是一種自具控制及保護(hù)功能的開關(guān)設(shè)備，它能按預(yù)定的開斷和重合順序自動進(jìn)行開斷和重合操作，并在其后自動復(fù)位或閉鎖。

    分段器是一種與電源側(cè)前級開關(guān)配合，在失壓或無電流的情況下自動分閘的開關(guān)設(shè)備。當(dāng)發(fā)生永久性故障時，分段器在預(yù)定次數(shù)的分合操作后閉鎖于分閘狀態(tài)，從而達(dá)到隔離故障線路區(qū)段的目的。若分段器未完成預(yù)定次數(shù)的分合操作，故障就被其他設(shè)備切除了，則其保持在合閘狀態(tài)，并經(jīng)一段延時后恢復(fù)到預(yù)先的整定狀態(tài)，為下一次故障作好準(zhǔn)備。
    基于重合器和分段器的饋線自動化，如圖1所示，通過設(shè)置重合器和分段器的動作次數(shù)、時間，結(jié)合重合器和分段器的特性，可以確定故障區(qū)段并隔離，恢復(fù)非故障區(qū)域供電；這種方式進(jìn)行故障定位的過程當(dāng)線路故障時，分段開關(guān)并不立即分?jǐn)啵且揽恐睾掀鞯谋Ｗo(hù)跳閘，導(dǎo)致饋線失壓后，各分段開關(guān)才能分?jǐn)?。因此這種方式的故障定位模式存在以下缺陷：切斷故障的時間較長；由于必須分?jǐn)嘀睾掀?，因此?shí)際擴(kuò)大了事故范圍；在進(jìn)行恢復(fù)供電時無法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

    1.2 基于電話報修的故障定位 基于故障投訴電話進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位的基本原理是較初期的原理，它是根據(jù)用戶電話號碼或用戶代碼搜索到與終端配電變壓器連接的資料，大致確定故障的位置，這種方法簡單經(jīng)濟(jì)。目前在我國城市中，家庭電話擁有率逐步升高，另外，供電公司的營業(yè)管理系統(tǒng)中保存有用戶的有關(guān)信息，如電話號碼、用戶代碼與終端配變連接的資料，從而得到故障的信息。但如僅接到一個用戶投訴電話僅能確定該用戶的自身設(shè)備發(fā)生故障，接到多個投訴電話則可確定關(guān)聯(lián)配電設(shè)備發(fā)生故障，但實(shí)際上電話的更改、投訴電話的打或不打都可形成不確定。所以該方法簡單，但定位結(jié)果不精確。我國電話的普及率與國外有一定的差距，且電力用戶參與意識不太強(qiáng)，故在我國可作為故障定位診斷的輔助參考部分。

    1.3 基于FTU的故障定位 饋線自動化的首要條件是一次系統(tǒng)應(yīng)該是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重夠的一次系統(tǒng)的硬件是變電站的出線斷路器和負(fù)荷開關(guān)，而要較好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動重構(gòu)則要安裝具有遠(yuǎn)方通信能力的現(xiàn)場監(jiān)測和控制裝置（FTU）。FTU安裝在柱上開關(guān)處，如圖2所示。各FTU分別采集相應(yīng)柱上開關(guān)的運(yùn)行情況，并將采集的信息通過通訊網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)方的配電自動化控制中心。各FTU還可接受配電自動化控制中心下達(dá)的命令進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)方倒閘操作。在故障發(fā)生時，各FTU記錄下故障前及故障時的重要信息，上傳到控制中心，經(jīng)計算機(jī)系統(tǒng)分析后確定故障區(qū)段和最優(yōu)恢復(fù)供電方案，最終以遙控方式隔離故障區(qū)段，恢復(fù)健全區(qū)段供電。

    利用FTU上傳的參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算實(shí)現(xiàn)故障定位的方法稱為基于FTU的故障定位。由于輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和處于開環(huán)運(yùn)行的環(huán)網(wǎng)，判斷故障區(qū)段只需根據(jù)饋線沿線各開關(guān)是否流過故障電流就可以了。假設(shè)饋線上出現(xiàn)故障，顯然故障區(qū)段位于從電源側(cè)到末梢方向最后一個經(jīng)歷了故障電流的開關(guān)和第一個未經(jīng)歷故障電流的開關(guān)之間的區(qū)段。因此利用FTU上傳的各開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)通過計算即可確定故障區(qū)段。

    現(xiàn)在主要流行以下幾種比較典型的基于FTU的故障定位方法。
    文獻(xiàn)[1]首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)的連接關(guān)系和假定的方向建立一個網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。從FTU得到有關(guān)故障電流及FTU的信息，并加入到D中對角線元素上，就可以得到故障判別矩陣Dp。依據(jù)Dp中的相關(guān)元素的值就可以快速而有效地判別出故障區(qū)域。該算法無需進(jìn)行矩陣相乘的繁瑣運(yùn)算，適用于單電源樹狀網(wǎng)或多電源復(fù)雜配電網(wǎng)，但僅限于單一故障下的故障定位，但當(dāng)上傳信息中有畸變時FSD的準(zhǔn)確率較差。

    文獻(xiàn)將配電網(wǎng)的饋線看作弧，將開關(guān)看作頂點(diǎn)，則饋線供出的負(fù)荷可以看作弧的負(fù)荷，開關(guān)流過的電流可以看作是頂點(diǎn)的負(fù)荷。定義歸一化負(fù)荷為弧負(fù)荷與額定負(fù)荷之比再乘以100，則故障區(qū)段顯然是歸一化負(fù)荷遠(yuǎn)大于100的那些弧，這些弧稱為過熱弧。于是問題被歸為過熱弧搜尋問題。文獻(xiàn)將配電網(wǎng)絡(luò)的描述矩陣分解成只含耦合點(diǎn)矩陣和不含耦合點(diǎn)矩陣的方法，方便了過熱弧的搜索方法，便于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但沒有考慮樹狀分支末端情況。

  文獻(xiàn)提出了一種新的統(tǒng)一矩陣算法。算法需構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D，故障信息向量G及源點(diǎn)分布向量M，并根據(jù)D和G間相應(yīng)元素的運(yùn)算構(gòu)造向量Q，同過分析P、Q定位故障區(qū)段。該算法適用于放射狀網(wǎng)絡(luò)、雙電源及多電源并列供電系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)中任何區(qū)段的故障都能做出判斷，但原矩陣算法FSD準(zhǔn)確率較低的不足仍存在。

    現(xiàn)有的方法在故障判斷過程中存在有盲目搜索，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時會使搜索時間過長，不能適應(yīng)快速性的要求；并且容易誤判、漏判、擴(kuò)大判，使故障定位的容錯性差，直接影響了供電可靠性指標(biāo)，如何在任何情況下都能確保故障定位的準(zhǔn)確性，是有待深入研究的關(guān)鍵性問題。

    2 基于FTU的故障定位原理[4,5]

    本文故障定位算法的具體步驟:

①根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和SCADA實(shí)時數(shù)據(jù)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

②根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立網(wǎng)絡(luò)模型；

③實(shí)時地從SCADA系統(tǒng)中讀取有關(guān)故障警報和遙信信息，進(jìn)行矩陣運(yùn)算，判斷出故障位置；

④根據(jù)遙測信息、故障錄波進(jìn)行輔助分析，判斷解出的結(jié)果是否正確。

    故障檢測的原理比較簡單，主要根據(jù)配電網(wǎng)一般為輻射狀，故障電流從電源點(diǎn)（或饋線首端結(jié)點(diǎn)）開始沿樹狀支路構(gòu)成的連通路徑單一方向地流向故障區(qū)。因此，對故障饋線上的任一區(qū)段，如果故障電流不流入該區(qū)段的任何端點(diǎn)，或從該區(qū)段的一個端點(diǎn)流入并從另一個端點(diǎn)流出，該區(qū)段是非故障區(qū)段；如果故障電流只流入?yún)^(qū)段而不流出該區(qū)段，則該區(qū)段是故障區(qū)段。

    隨著FTU越來越廣泛的被應(yīng)用到配電網(wǎng)的在線監(jiān)測中，我們只需要對饋線上的每一個節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)模型，將FTU上傳的每一個開關(guān)是否有故障電流流過的信息作為判斷的依據(jù)。圖3a為電纜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的FTU方案，進(jìn)線和出線采用的均是負(fù)荷開關(guān)，進(jìn)線開關(guān)為S1和S2，出線開關(guān)為S3和S4，都由FTU進(jìn)行監(jiān)控。為了便于建立模型，將該環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行簡化，如圖3b所示。只有采集到足夠的樣本進(jìn)行參考學(xué)習(xí)，才能形成可以診斷用的網(wǎng)絡(luò)模型，開關(guān)S1、S2、S3和S4均由FTU監(jiān)控。

    前面提出的判別原理，根據(jù)每一個開關(guān)處流過的電流狀態(tài)，我們可以推斷出下面故障樣本集：

①如果只有S1處檢測到故障電流，則故障在開關(guān)S1和S2匯合部分區(qū)段；

②如果只有S1和S2處檢測到故障電流，則故障在開關(guān)S2右側(cè)；

③如果只有S1和S3處檢測到故障電流，則故障在開關(guān)S3外側(cè)；

④如果只有S1和S4處檢測到故障電流，則故障在開關(guān)S4外側(cè)。

    3 結(jié)束語

    論文在目前國內(nèi)外配電網(wǎng)故障定位診斷方法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了歸納分類和概述，對基于FTU的故障定位技術(shù)進(jìn)行了較為深入的分析。配電自動化雖然對FTU的要求較高，但由于巨大的市場潛力，已經(jīng)吸引了國內(nèi)的許多知名電力自動化設(shè)備廠家如南京電力自動化研究院、煙臺東方電子股份有限公司、許昌繼電器股份有限公司、北京哈德威四方股份有限公司等，他們正在大力研制適合中國國情的配電自動化設(shè)備FTU；同時也在不斷地改進(jìn)和完善配電自動化的應(yīng)用軟件功能。