基于坐標(biāo)原理的配電網(wǎng)故障定位

季小淞,黃彥全,沈金鎖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于坐標(biāo)原理的配電網(wǎng)故障定位

季小淞,黃彥全,沈金鎖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著配電網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，其可靠性對(duì)企業(yè)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)的影響也日漸重要，從而對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化提出了更高的要求。故障定位是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，其目的是配電網(wǎng)發(fā)生故障后迅速對(duì)故障區(qū)域定位、隔離，為盡快恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電提供技術(shù)保障。提出一種用坐標(biāo)原理的快速故障定位方法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)測(cè)量故障電流和電壓，建立故障匹配，以故障點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，為故障的快速和準(zhǔn)確定位提供技術(shù)依據(jù)。

配電自動(dòng)化;關(guān)系;匹配;故障定位

1 引言

電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、供電、配電等相關(guān)環(huán)節(jié)組成的統(tǒng)一系統(tǒng)。其中，配電網(wǎng)作為連結(jié)用戶(hù)和供電部門(mén)之間的紐帶，將高壓輸電線路和低壓用戶(hù)之間連接起來(lái)，配電網(wǎng)重要的任務(wù)就是向用戶(hù)提供高質(zhì)量、高可靠性的電能。

目前，配電網(wǎng)故障定位方式有兩種：一種是利用繼電保護(hù)裝置、SCADA系統(tǒng)監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)故障定位，這種故障定位方式通常定位效率較高，但需要配置的設(shè)備多、成本較高，且對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境有一定要求。另一種是通過(guò)人工排查的方式完成故障定位，這種方式的投資少，但人工巡線排查故障區(qū)段，定位故障點(diǎn)，耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于提高供電可靠性。

因此本文提出基于坐標(biāo)原理通過(guò)建模仿真測(cè)量模擬故障的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)的快速故障定位方式。

2 坐標(biāo)理論介紹

坐標(biāo)，數(shù)學(xué)上坐標(biāo)的實(shí)質(zhì)是有序數(shù)對(duì)。平面概念用來(lái)表示某個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)位置。地理學(xué)上定義的坐標(biāo)是確定位置關(guān)系的數(shù)據(jù)值集合。本文中采用電流和電壓的有序數(shù)對(duì)來(lái)確定故障位置。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，各個(gè)線路上的電流和電壓都會(huì)有一個(gè)固定的數(shù)列組，以圖1為例。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)4之間發(fā)生故障時(shí)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流值為：

[u11,…,u19,i11,…,i19]

而當(dāng)節(jié)點(diǎn)7與8之間發(fā)生故障時(shí)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流電壓值為：

[u21,…,u29,i21,…,i29]

?

[un1,…,un9,in1,…,in9]

以此可以確定出各個(gè)位置發(fā)生故障時(shí)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電流電壓值。本文的主要目的就是建立一個(gè)n維坐標(biāo)系，使用PSCAD仿真計(jì)算出一個(gè)簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電流電壓的值，處理數(shù)據(jù)后建立故障電流電壓數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)確定故障點(diǎn)的位置。

坐標(biāo)平移，坐標(biāo)軸的方向和長(zhǎng)度都不變，只改變?cè)c(diǎn)的位置，這種坐標(biāo)系的變換叫做坐標(biāo)軸的平移。

x′=x-h

y′=y-k

(x,y)點(diǎn)為在原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

(x′,y′)點(diǎn)為在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

(h,k)為新坐標(biāo)系的原點(diǎn)

在配電網(wǎng)中，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，如果已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有收錄該次故障時(shí)的電流電壓信息，可以通過(guò)坐標(biāo)平移的方法確定故障與已收錄的故障的位置關(guān)系，進(jìn)而確定故障的位置。

3 PSCAD仿真

3.1 PSCAD簡(jiǎn)介

PSCAD軟件包的主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，具有豐富的元件庫(kù)，主要包括：

*集中參數(shù)電阻R，電感L，電容C；

*電壓源，電流源，多相諧波源；

*單相或三相(耦合或理想)變壓器(雙繞組和三繞組)；

*多相(換位)分布參數(shù)線路模型和電纜模型；

*多相PI型等值線路；

*單相和多相邏輯控制斷路器，用來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)連接的改變及各種類(lèi)型的短路故障；

*旋轉(zhuǎn)電機(jī)，不但可以模擬三相同步電動(dòng)機(jī)#三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而且模擬汽輪機(jī)，水輪機(jī)的調(diào)速器及交=直流勵(lì)磁器的動(dòng)態(tài)特性；

*測(cè)量元件庫(kù)，包括單相電壓表、電流表、三相電壓表(RMS)、瞬時(shí)有功功率/無(wú)功功率表、頻率表及相位(差)表；等等。

借助PSCAD圖形界面，用戶(hù)可以利用上面的元件庫(kù)的元件構(gòu)造要仿真的電氣連接圖，輸入各個(gè)元件的參數(shù)值，運(yùn)行時(shí)PSCAD通過(guò)FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接、運(yùn)行的結(jié)果可以實(shí)時(shí)生成曲線。以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理，也可以輸出到磁盤(pán)文件，供進(jìn)一步的分析使用。此外，PSCAD還具有強(qiáng)大的自定義功能及支持子網(wǎng)嵌套的功能用戶(hù)可以根據(jù)自己需要?jiǎng)?chuàng)建具有特定功能的電路模塊。

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)的選擇

由圖1原理圖分析電壓電流關(guān)系如下：

A為電壓源，箭頭表示規(guī)定的電流正方向。由電路分析KCL和歐姆定律知識(shí)得：

iA-iB=(u2-u3)G23

(uA-u2)G92=iA

方程整理為

u2=uA-iA/G92

u3=uA-(1/G92+1/G23)iA+iB/G23

由公式得到，在其他節(jié)點(diǎn)的電流電壓都與在電源端的電流和電壓是相關(guān)的，故可把測(cè)量點(diǎn)選取在電壓源的端口，在故障時(shí)測(cè)量電源的電流和電壓的變化。為增加可靠性，可以根據(jù)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適當(dāng)增加測(cè)量點(diǎn)。本文仿真選擇C1、C2、C3三個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

3.3 PSCAD建模及仿真

以IEEE34為例進(jìn)行仿真。仿真原理圖如圖2。

圖2 IEEE34原理圖

原理圖說(shuō)明：

0節(jié)點(diǎn)：一個(gè)24.9kV的電源；

C1、C2、C3：所選擇的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

通過(guò)原理圖進(jìn)行仿真，仿真模型中的測(cè)量點(diǎn)C1附近的電路見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)量點(diǎn)C1附近仿真模型

選取不同的故障點(diǎn)，在測(cè)量點(diǎn)測(cè)出的故障電流和故障電壓。

4 仿真數(shù)據(jù)處理

由仿真圖形可得，故障時(shí)，測(cè)量點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的電流和電壓都發(fā)生改變，對(duì)于不同的故障類(lèi)型各自的變化有所不同。記錄不同故障位置和故障類(lèi)型時(shí)所測(cè)到的電壓和電流有效值，建立故障定位數(shù)據(jù)庫(kù)。

設(shè)置故障位置及故障類(lèi)型，仿真0.2s發(fā)生故障。節(jié)點(diǎn)11發(fā)生AB相短路故障。測(cè)量點(diǎn)C2所測(cè)到的圖形如圖3所示。

由仿真可見(jiàn)在故障時(shí)在測(cè)量點(diǎn)的電流電壓都發(fā)生了變化，有故障時(shí)在測(cè)量點(diǎn)測(cè)到的電壓和電流有效值得到坐標(biāo)

的值為：

以此值可以確定故障的具體位置和類(lèi)型為11節(jié)點(diǎn)發(fā)生AB相短路故障。通過(guò)此方法仿真其它故障類(lèi)型，得到相應(yīng)的故障定位坐標(biāo)。

對(duì)模型仿真數(shù)據(jù)分析，在不同位置發(fā)生不同類(lèi)型的故障時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)的電流電壓的數(shù)據(jù)都能形成一個(gè)特定的故障坐標(biāo)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裕度分析，計(jì)算出誤差Δ。建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)如下式：

圖4 11節(jié)點(diǎn)發(fā)生AB相短路故障時(shí)測(cè)量點(diǎn)C2測(cè)到的波形變化

u-Δ≤ux≤u+Δ

i-Δ≤ix≤i+Δ

分析誤差的原因時(shí)當(dāng)配電網(wǎng)有一些小干擾時(shí)發(fā)生故障或數(shù)據(jù)收集不全的情況時(shí)，也可是以有的數(shù)據(jù)能在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到，以防止漏電判斷。

5 故障定位流程

對(duì)已有的配電網(wǎng)進(jìn)行建模仿真，通過(guò)模擬各個(gè)故障進(jìn)行建模仿真，收集處理數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將此數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的實(shí)際中，流程圖如圖4所示。

圖5 故障定位流程圖

基本處理步驟如下：

(1) 監(jiān)測(cè)測(cè)量點(diǎn)的電壓電流信號(hào)。

(2) 當(dāng)電壓電流信號(hào)發(fā)生畸變，將所測(cè)電壓電流信號(hào)注入故障定位數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

(3) 通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件自動(dòng)搜索查找確定故障位置及故障類(lèi)型。

6 結(jié)論

本文通過(guò)PSCAD建立配電網(wǎng)網(wǎng)故障仿真模型，通過(guò)模擬故障位置和故障類(lèi)型，收集故障信息量，分析故障時(shí)特征量的特殊性，通過(guò)特征量形成多維坐標(biāo)，而故障便是虛擬空間中坐標(biāo)所形成的點(diǎn)。

對(duì)實(shí)際的配電系統(tǒng)，可以通過(guò)仿真建模，模擬故障信息，收集故障時(shí)特征量，建立故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)際中快速定位故障起理論依據(jù)。

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Fault Location for Distribution Network Based on the Principle of Coordinate

JIXiao-song,HUANGYan-quan,SHENJin-suo

(Institute of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University，Chengdu 610000,China)

With the distribution network becoming more and more complex,and the reliability of enterprise production and people′s life becoming more and more important，people puts forward higher requirements on the power distribution network automation. Fault location is the key function of power distribution automation system,its purpose is to power down quickly,isolation after the fault area location,and as soon as possible to restore power supply provides the technical support of the fault zone. This paper proposes a principle fast fault location method with coordinates. When network failure,by measuring the fault current and voltage,build up the fault match,based on the database of fault point,provide technical basis for fault fast and accurate positioning.

power distribution automation;relation;match;fault location

1004-289X(2015)02-0039-04

TM72

B

2014-03-18