基于Digsilent軟件的含分布式電源配電網故障定位技術的研究

張柳，許傲然，王雪杰

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110036)

1 引言

配電網是電力系統電能發、變、送、配中的最后一個環節，是連接輸電系統和電力用戶的橋梁，配電網的安全穩定運行直接關系到用戶的利益。因此配電網發生故障時定位的快速性和準確性，不僅對配電網供電修復和供電可靠性有著重要意義，對保證整個電力系統的安全穩定和經濟運行都有十分重要的作用。目前，國內外關于配電網故障的定位技術的研究已經比較成熟，但是隨著世界能源局勢和環境問題的緊張，分布式電源(Distributed Generation)作為一項新能源開發的典范逐步得到了廣泛應用，分布式電源與常規電力系統并網的趨勢越來越明顯。而分布式電源接入配電網后，配電網由單電源輻射狀網絡變成了多電源供電的復雜網絡，這使得傳統的故障定位方案已經不能滿足現代電網對故障定位技術的要求，必須尋求新的故障定位思路和方案。本文此基礎上，意圖利用功能強大的電力系統仿真軟件Digsilent模擬含分布式電源配電網各類故障情況，研究出一種適用于含分布式電源的配電網隨時變化的網絡拓撲結構特點的故障定位技術。

2 傳統配電網故障定位技術的研究方法

傳統配電網故障定位的方法主要有直接算法和間接算法。直接算法是根據配電網的拓撲結構，以圖論知識結合故障過流或失壓分析為基礎實現故障定位，主要包括矩陣算法和過熱弧搜尋法等。矩陣算法又分為兩類:基于網基結構的矩陣算法和基于網形結構的配電網故障定位矩陣算法。其中應用比較廣泛的是基于網基結構的矩陣算法，它的基本原理是采用無向圖的方式描述網絡的拓撲結構，當饋線發生故障時，根據各FTU監測到的故障信息組成故障信息矩陣，然后將網基結構矩陣和故障信息矩陣相乘再規格化處理得到故障判斷矩陣，根據故障判斷矩陣就可以判斷和隔離故障區段。這種算法實現了單電源樹形配網或環形配網開環運行的故障定位問題;過熱弧搜尋法是利用圖論知識，它將配電網的線路看作弧，開關看作頂點，將饋線供出的負荷看作弧的負荷，將開關流過的電流看作頂點的負荷，定義歸一化負荷為弧負荷與額定負荷之比再乘以100，很顯然故障區段的歸一化負荷遠遠大于100，因此這些弧稱為過熱弧，故障區段的需找問題就轉化為了過熱弧搜尋問題。

間接算法是利用人工智能技術來實現故障定位，常用的人工智能技術有人工神經網絡、遺傳算法、模糊理論等。另外還有基于貝葉斯公式的配電網故障定位方法和基于粗糙集理論與遺傳算法相結合的配電網故障定位算法等。

3 Digsilent電力系統仿真軟件

分布式電源容量都比較小，建設比較分散，設施通常位于負荷附近，在配電網的末端或者中間接入系統。隨著分布式電源的接入，配電網由原來的單電源輻射型網絡逐步轉變成含有中小型電源的多電源網絡，潮流的方向隨機變化，同時由于接入電網的分布式電源通常都是太陽能、風能等發電量不穩定的新能源，因此這使得傳統的故障定位技術不再使用于含分布式電源配電網，也使得以往所使用MATLAB、PSCAD等電力系統仿真軟件也不能很好的模擬含分布式電源配電網的真實運行情況，因此為了研究出符合含分布式電源配電網實際運行情況的故障定位技術，本文選擇了Digsilent電力系統仿真軟件，該軟件仿真功能強大，它不僅包含其他仿真軟件都具有的AC/DC潮流計算、故障分析、動態仿真等功能，還具有豐富且實用的電力元件，包括多類型的輸電線路、雙/三繞組變壓器、同/異步電機、負荷和保護裝置等，更重要的是它還有具有包含風力發電、太陽能發電等各類新能源發電模型，同時它還允許用戶在單一的數據庫中創建詳盡的符合用戶實際需求的電力系統元件模型。這使得它尤其適合用于對具有動態運行特征的含分布式電源配電網的進行仿真分析，因此，本文選擇使用Digsilent仿真軟件做為含分布式電源配電網故障定位算法研究的分析工具。

圖1 Digsilent軟件的工作界面

4 基于傳統矩陣算法故障定位技術的改進

圖2 含分布式電源配電網簡化圖

改進的矩陣算法為確定故障區段，第一步與傳統算一樣，首選是要形成一個實時的網絡拓撲信息描述矩陣，即網絡描述矩陣D。以圖1為例，首先要將饋線上的斷路器、分段開關和聯絡開關進行編號，將有N個開關作為節點，則根據各節點的有向連接關系形成一個N維方陣，假如若節點i和節點j之間存在一條饋線且該饋線的正方向是由節點i指向節點j，則對應的網絡描述矩陣中的元素dij=1，否則dji=0，形成網絡描述矩陣D:

網絡描述矩陣D確定后，再根據故障時FTU上報故障信息確定故障信息矩陣G，方法是，先給饋線確定一個正方向，即假設配電網僅由一個電源供電(該電源可任選)，饋線的正方向是由該電源向全網供電的功率方向，假如節點i的流過了超過整定值的故障電流，同時其方向與網絡正方向相同，那么故障信息矩陣的第i行第i列的元素就置0，不能同時滿足上述兩個條件的節點i，故障信息矩陣的第i行第i列元素就置l，其余元素均為0。假設選定正方向如圖1箭頭所示，故障點是K1、K2，則可得到故障信息矩陣 G:G=［1，1，1，－1，1］。

利用故障信息矩陣G對網絡描述矩陣D進行修正后，修正的方法是利用G對D的對角元素進行如下修改:

最終得到故障判斷矩陣P:

得到故障判斷矩陣P后，使用以下方法對故障判斷矩陣P進行分析:(1)故障判斷矩陣P中有對角元素滿足 Pii=1，同時第 i行中當 j≠i有 Pij≠0，有 Pjj≠1，則表明第i節點到第j節點之間有故障發生;(2)故障判斷矩陣P中有對角元素滿足Pjj=－1，同時第j列中當i≠j有Pij≠0，且有Pii=0，則表明第j節點至線路末端有故障發生;(3)若判斷矩陣P在滿足對角元素滿足 Pjj= －1，同時第 j列中當 i≠j時，有 Pij≠0，且，當m ≠i且 m ≠j時還滿足 Pim≠0，Pmm≠ 1，(其中，j，m∈J，J為配電網絡的節點集合)則表明第j節點至第m節點之間的線路末有故障發生。

根據上述判斷規則，分析圖2，配電網絡的故障判斷矩陣 P 有:P33=1，同時有 P34≠0，有 P44≠1，可知在節點3之節點4之間的線路有故障發生，故障定位結果與實際情況相符。

5 Digsilent實際算例仿真

本文用digsilent仿真軟件搭建了一個簡單的含分布式電源配電系統。首先畫出該含分布式電源配電系統的簡化網絡圖，并規定了正方向，如圖4所示。

圖3 Digsilent軟件模擬含分布式電源配電網的短路計算圖

其次建立該含分布式電源配電系統的8行8列網絡描述矩陣D為:

網絡描述矩陣D確定后，實際網絡要根據發生故障后FTU上報故障信息確定故障信息矩陣G，本文選擇用digsilent電力系統仿真軟件模擬該含分布式電源配電系統的運行，隨意設置幾處故障后進行短路計算，根據仿真軟件顯示的潮流數據，確定該配電系統的故障信息矩陣 G:G=［1，1，0，0，－1，1，1，1］。根據定義規則，利用改進的故障定位矩陣算法得到新的故障判斷矩陣P為:

圖4 含分布式電源配電網的簡化線路結構圖

圖5 含分布式電源配電網的故障示意圖

觀察故障判斷矩陣P，可知節點2滿足P22=1，P23≠0，且有 P33≠1;P26≠0，且有 P66≠1;P28≠0，且有P88≠1;節點5 滿足P55= －1，P45≠0，且有P44=0。因此判斷本次模擬的故障有兩處，分別在節點2、3、6、8之間和節點4之間，如圖5所示的K1和K2點。已知圖3所示，Digsilent仿真軟件模擬的故障發生在母線2和母線3。而母線2和母線3正是在節點2、3、6、8之間和節點4之間，由此可見，本文改進算法故障定位技術故障定位準確。

6 展望

分布式能源發電技術廣泛應用之后，配電網的運行特性發生了很大的改變，傳統的配電網故障技術很顯然已不再適用，研究出一種適合于含分布式電源配電網的故障定位技術的已經也愈加迫切。本文在總結傳統配電網故障定位技術的基礎上，應用能有效模擬分析實際含分布式電源配電網運行情況的digsilent軟件，研究出的這種故障定位新算法，原理簡單、速度快、容錯性好，并且能同時滿足含分布式電源配電網的單故障和復故障的定位要求，有較強的推廣實用價值。

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