一種面向低壓配電網(wǎng)的非侵入故障定位識別方法

范 華 任 俊 曹衛(wèi)國

（1.張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.南京五采智電電力科技有限公司，南京 211106）

近年來我國加快了智能電網(wǎng)建設(shè)，在智能小區(qū)/樓宇示范工程的建設(shè)中部署家庭能源管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)、高級計量表計、智能用電設(shè)備以及覆蓋到戶的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了家庭用電可視化。在智能園區(qū)示范工程建設(shè)中部署園區(qū)能源管理系統(tǒng)，通過高級計量表計采集園區(qū)企業(yè)內(nèi)部用能信息，實現(xiàn)了能耗監(jiān)測與統(tǒng)計、能效分析與診斷，指導(dǎo)處于園區(qū)范圍內(nèi)的工廠、企業(yè)合理有效用能，減少峰值負荷，提高能源使用效率。但是在建設(shè)上述能源管理系統(tǒng)時都需要部署大量具有通信功能的智能電能表，而且這些電能表目前大多只能單純用于電能計量和能效分析，系統(tǒng)的建設(shè)成本較高，難以推廣。

而另一方面，隨著用戶對低壓供配電網(wǎng)（尤其是400V 配電網(wǎng)）的供電質(zhì)量要求不斷提高，低壓供配電系統(tǒng)要求對用戶實現(xiàn)高安全高可靠供電，但由于各種原因低壓供配電系統(tǒng)難免出現(xiàn)故障，其中最常見的故障是短路，但目前對短路故障的處理大多僅限于快速隔離，對于故障類型的自動判別和區(qū)域的定位還存在比較大的困難，需要耗費大量的人力成本去排查。智能電網(wǎng)的發(fā)展對用戶安全用電的自動化水平提出了更高的要求，其中，用戶低壓配電網(wǎng)（400V 低壓電網(wǎng)）的故障自動偵測及定位是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)，用來在短路等事故保護動作之后，通過監(jiān)測系統(tǒng)自動（可配合少量人工巡查工作）給出故障類型辨識和故障定位。

當(dāng)前市場上已見一些帶有通信功能的斷路器，它們可以通過與其配套的通信模塊連接至上位機，實現(xiàn)遙信、遙測、遙調(diào)、遙控“四遙功能”。不僅可以查詢斷路器的當(dāng)前狀態(tài)（合閘、分閘或者脫扣），而且可以查詢最近一次故障記錄，包括故障相極、故障類型、故障時各相電流、保護整定值、故障相電流及分?jǐn)鄷r間等。但帶通信功能的斷路器價格昂貴，多用于中高壓配電網(wǎng)中，低壓低壓配電網(wǎng)中的斷路器一般不帶有錄波和通信功能，因此，目前低壓配電網(wǎng)中還不能采用和斷路器進行通信的方式來實現(xiàn)故障定位。

另一方面，如果將大量的智能斷路器部署于低壓配電網(wǎng)，顯然無論從可靠性上和經(jīng)濟性上都不可行，大量智能斷路器的安裝需要投入大量的改造成本、安裝成本，影響用戶用電設(shè)備的正常運行，因此如果能夠采用一種非侵入低壓配電網(wǎng)絡(luò)的故障識別方法，將有效克服上述缺點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于上述考慮，本文基于非侵入式負荷監(jiān)測原理，提出了一種基于非侵入式的低壓配電網(wǎng)短路故障定位方法，構(gòu)建了低壓配電網(wǎng)非侵入式短路故障識別系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的粗略定位，如果在有條件的情況下再結(jié)合智能電能表，將可以實現(xiàn)故障的精確定位。

1 基于非侵入式負荷監(jiān)測的故障識別原理

電力負荷監(jiān)測方法大致可以分為侵入式和非侵入式兩類。侵入式負荷監(jiān)測方法需要在負荷內(nèi)部每一個用電設(shè)備上都安裝一個傳感器用以得到不同用電設(shè)備實時的功率消耗比例。這種方法優(yōu)點是測量較為準(zhǔn)確；缺點是投入較大，安裝工作需要進入負荷內(nèi)部，影響電力用戶正常的生產(chǎn)和生活，尤其對于已建負荷的改造非常困難，不適宜全面推廣。

非侵入式方法是相對于侵入式方法提出的，其基本思想是：無需進入負荷內(nèi)部，僅通過對電力負荷入口處的電壓、電流及功率信息進行測量、分析，基于負荷內(nèi)部的用電特性，采用電力負荷優(yōu)化分解方法，便可得到負荷內(nèi)部不同用電設(shè)備的投切情況以及實時的功率消耗比例，從而實現(xiàn)電力負荷分解。

圖1 典型負荷用電特性統(tǒng)計示意圖

圖1可以看出各種用電設(shè)備的穩(wěn)態(tài)功率具有較 好的統(tǒng)計特性，可作為重要特征參數(shù)，用于負荷分解。通過捕捉負荷功率變化可以有效辨別某一用電設(shè)備的投入或退出，進而得到負荷內(nèi)部各個用電設(shè)備的功率消耗比例。

常見的電力負荷分解算法有基于穩(wěn)態(tài)電壓、電流信息的負荷分解算法[2-3]，如最小二乘法，遺傳算法、模擬退火算法及粒子群優(yōu)化算法，也有基于暫態(tài)電壓、電流信息的負荷分解算法[1]，這些算法在實驗室中都取得了良好的效果，負荷功率分解準(zhǔn)確度小于10%，負荷投切準(zhǔn)確度接近100%。

對于低壓配電網(wǎng)（380V），基于非侵入負荷監(jiān)測可以實時獲取負荷的投切情況和用電負荷的功率消耗情況，實時生成低壓配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。

當(dāng)確定了低壓配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)后，就可以計算出低壓配電網(wǎng)的暫態(tài)元件參數(shù)，一旦低壓配電網(wǎng)某節(jié)點發(fā)生短路故障或用電設(shè)備本身發(fā)生故障時，流過電力負荷入口處的電流波形將發(fā)生顯著變化，剔除非故障回路用電設(shè)備的正常負荷電流波形，即可以得到故障回路故障電流波形，如果再結(jié)合故障回路的用電設(shè)備負荷特性，即可定位故障類型和故障區(qū)域。

在低壓配電網(wǎng)短路故障發(fā)生時，同時還要考慮斷路器的燃動作，斷弧過程及電弧電阻使得系統(tǒng)的暫態(tài)特性發(fā)生了巨大的變化，很難對系統(tǒng)進行精確建模，實際短路電流難以準(zhǔn)確計算。試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過斷路器限流后的實際短路電流幅值將降低到穩(wěn)態(tài)短路電流值的0.25 左右，實際短路電流的直流諧波分量將大于25%，短路電流的作用時間不大于10ms，這些可以成為低壓配電網(wǎng)短路故障判據(jù)的試驗依據(jù)。

2 低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識別系統(tǒng)

實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識別，需要構(gòu)建故障識別系統(tǒng)，圖2是低壓配電網(wǎng)非侵入故障識別系統(tǒng)示意圖，在部分內(nèi)部回路增加計量用電能表，一方面為了實現(xiàn)對部分重要回路的能效計量，另一方面對非侵入故障識別系統(tǒng)定位的故障進行校核，提高故障定位的準(zhǔn)確性。

圖2 低壓配電網(wǎng)非侵入故障識別系統(tǒng)示意圖

由圖2可知，該系統(tǒng)主要具有如下部件和配置：

1）具有電流錄波和分析功能的監(jiān)測主機

監(jiān)測主機設(shè)置在變壓器低壓總出線處（即電力負荷入口處），具體包括以下功能：三相電流錄波功能、電流突變量提取及其幅值和諧波分析功能、短路故障判定及定位功能等。具體實施時監(jiān)測主機可由工控機、大量程鉗口式電流變送器、數(shù)據(jù)采集卡等通用模塊集成開發(fā)。

2）低壓配電網(wǎng)短路故障測試環(huán)境

為了更好地測試低壓配電網(wǎng)非侵入故障識別能力，擬對兩種典型配置的監(jiān)測線路分別設(shè)置短路故障點1 和短路故障點2 路，其中：

（1）短路點1 所連線路上配置有電能表和斷路器，短路發(fā)生后，一方面，負荷總?cè)肟谔幍谋O(jiān)測主機捕捉到短路電流波形，通過優(yōu)化算法可以大致定位故障線路和故障類型。另一方面，由于繼電器發(fā)生跳閘保護動作，電能表測量的線路電流將發(fā)生突變。通過電能表與監(jiān)測主機的通信，可以精確定位故障的類型和范圍。

（2）短路點2 所連線路上只配置有斷路器，即該線路的電能不需要單獨計量，監(jiān)測主機無法獲取該線路的電流信息。當(dāng)發(fā)生短路故障時，監(jiān)測主機形成可疑短路故障位置列表，用于下一步的人工排查。

3）監(jiān)測主機和電流表能夠?qū)崿F(xiàn)通信

為實現(xiàn)故障定位功能，需要建立監(jiān)測主機和智能電能表的通信，具體實施時可以采用RS-485 等通信方式。

3 低壓配電網(wǎng)非侵入式故障識別方法

下面以低壓配電網(wǎng)單相對地短路故障為例[5-10]，詳細描述低壓配電網(wǎng)短路故障識別方法，以下給出了短路故障識別的步驟，如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)短路故障識別步驟

步驟1），整定低壓配電網(wǎng)的單相對地短路故障判據(jù)。

步驟1.1），計算特定短路點的單相穩(wěn)態(tài)短路電流，具體計算公式為

步驟1.2），依據(jù)步驟1.1 計算低壓配電網(wǎng)中所有可能短路點的穩(wěn)態(tài)短路電流，確定最小穩(wěn)態(tài)短路 電流I最小。

步驟1.3），依據(jù)步驟1.2 的計算結(jié)果，整定低壓配電網(wǎng)單相對地短路故障判據(jù)如下：電流突變量 的幅值大于0.25I最小，并且突變量的直流諧波比例大于25%。

步驟2），基于用電設(shè)備負荷特性，采用最優(yōu)求解算法，計算低壓配電網(wǎng)用電負荷的投切情況以及負荷比例，進而得到低壓配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，基于典型參數(shù)值計算低壓配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

步驟3），低壓配電網(wǎng)的單相對地短路故障的實時監(jiān)測。安裝于變壓器低壓總出線處的監(jiān)測主機實時錄取電流波形，并對錄取波形的幅值和直流諧波情況進行實時分析，當(dāng)電流突變量的幅值和直流諧波比例滿足步驟1.3 所述判據(jù)時，確定低壓配電網(wǎng)中有單相對地短路故障發(fā)生。

步驟4），當(dāng)發(fā)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中發(fā)生單相對地短路故障時，監(jiān)測主機報警，并啟動故障定位功能模塊，初步定為故障類型和故障區(qū)域。

步驟5），與各條配電線路上安裝的智能電能表進行通信，如果發(fā)生短路的配電線路上同時安裝有低壓保護繼電器和用于電能計量的智能電能表，則進入步驟6），如果發(fā)生短路的配電線路上只安裝了低壓保護繼電器，沒有安裝智能電能表，則進入步驟7。

步驟6），短路發(fā)生后，由于繼電器發(fā)生跳閘保護動作，電能表測量的線路電流將改.變發(fā)生變化，監(jiān)測主機根據(jù)記錄下該電能表的內(nèi)部編號，進一步精確定位故障類型和故障區(qū)域。

步驟7），短路發(fā)生后，監(jiān)測主機無法直接獲取該故障線路的電流信息，只能將該線路添加到可疑短路故障位置列表。工作人員現(xiàn)場確認故障位置。根據(jù)監(jiān)測主機發(fā)出的短路故障報警信息，工作人員將根據(jù)系統(tǒng)提供的可疑短路故障位置列表進行現(xiàn)場確認。

4 結(jié)論

論文提出的方法應(yīng)用于具有電流錄波和分析功能的低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可對低壓配電網(wǎng)中發(fā)生的短路故障進行實時報警，而且通過復(fù)用用戶能源管理系統(tǒng)所安裝的電能表進行短路故障定位，最終可以統(tǒng)計出低壓配電網(wǎng)短路故障的頻率、發(fā)生時間、短路位置。

該方法基于非侵入負荷量測原理，實現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)絡(luò)故障類型的判別和故障區(qū)域定位，可以適用于各類用戶用電現(xiàn)場，對于安全隱患排查、事故動作分析等具有重要意義，該方法具有良好的推廣前景。

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