基于方向比較原理的故障定位研究

沈雯暉

(國網龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

基于方向比較原理的故障定位研究

沈雯暉

(國網龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

為了提高電網故障定位的速度，本文提出了基于方向比較原理構成方向信息矩陣的故障定位算法，綜合了變電站中能夠反映站內拓撲信息的方向信息矩陣。利用正常運行和故障發生時方向信息矩陣進行分析比較，對站內變壓器、出線和母線等一次設備發生故障時分別判斷。該算法所需信息量小，簡單易行，流程簡明，克服了傳統后備保護在定值和時間上復雜配合的缺陷，可實現對站內故障元件的快速、準確定位，還具有較高的容錯性和擴展性。

方向比較原理；方向信息矩陣；故障定位

1 引言

隨著互聯大電網的發展，電力網絡結構、智能變電站的網絡結構也日益復雜和龐大，區域間功率交換日益增加，電力系統的運行方式和控制越加靈活多變。傳統的后備保護一般采用零序過電流保護或者階段式距離保護[1]，通過定值和時間的配合來保證選擇性，動作速度慢，使得繼電保護難以同時保證選擇性和靈敏性的要求，無法保證繼電保護始終處于最佳工作狀態。比如：遠后備方式實現較困難，只能以近后備配失靈保護的方式部分代替，各種原理的后備保護均由本地電氣量構成，在復雜電網特別是短線環網中的定值和時間配合關系整定更加困難。對現有的定位原理進行了系統歸納，可將其概括為三類[2]:一類是以在線路端點處測量故障距離為目的的故障測距法;一類是故障發生后通過向系統注入特定信號實現尋跡的信號注入法;還有一類是根據故障點前后故障信息的不同確定故障區段的戶外故障點探測法。

由于上述的三類故障定位方法都不太適合短線環網中，本文綜合了變電站中能夠反映站內拓撲信息的方向信息矩陣，提出了基于方向比較原理構成方向信息矩陣的故障定位算法，通過利用正常運行和故障發生時方向信息矩陣進行分析比較，對站內變壓器、出線和母線等一次設備發生故障時做出故障定位。最后通過算例驗證本文提出的故障定位算法是一種快速、可靠的故障定位方法，為變電站的快速切除故障提供了一種有效的方法。

2 方向元件與變電站一次設備的關聯表示

為了能夠正確地判斷故障元件，在變電站被保護系統的每一個斷路器或者電流互感器處對應安裝一個方向元件，用于指示電流方向變化的情況，并經站內局域網將故障方向信息上傳至站域后備保護裝置中。基于方向比較原理構成方向信息矩陣的故障定位算法只需采集變電站內的各斷路器電流方向信息，且只針對與發電網絡相鄰的線路，因此應用分析說明該算法，可去除主接線與相鄰網絡相連接的電網部分以及連接負荷的線路。簡化后的變電站主接線如圖1所示。

圖1 變電站主接線示意圖

圖中D1～D5是安裝在斷路器處的方向元件，與斷路器一一對應；L1～L5是變電站的引出線路；B1～B2為母線；T為110kV/10kV的雙圈變壓器，K1～K3表示線路、母線、主變壓器出現的故障。

從變電站的主接線示意圖中，由此可以得出表1中方向元件與變電站主要設備的關聯表示。由于所有斷路器和方向元件都已連接到母線，故表1的信息就可以反映出該變電站的拓撲結構。

表1 方向元件與變電站主要設備的關聯

表1中的元素Di反映的是線路之間的方向元件輸出值，方向元件的方向按電流流出母線為正，流入母線為負來定義，于是每個方向元件的輸出值便可表示如下式：

(1)

此時，方向元件與變電站一次設備的關聯就可用便于處理的0，±1來表示，為故障定位奠定了基礎。

3 故障定位算法

在提出基于方向比較原理構成方向信息矩陣的故障定位算法前，必須先來明確下故障定位的三條判斷準則：

準則一：如果故障發生在變壓器，那么母線和變壓器相關聯的方向元件輸出值將會全為“1”；如果變壓器正常，那么對應的輸出值將不會全為“1”。

準則二：如果故障發生在引出線路上，那么請遍歷母線與線路相關聯的元素，以行為遍歷單位，若母線對應行中的關聯元素不完全一樣，那么與該母線相關的線路其一便是故障線路[3]。再跟其它行中的元素作比較，輸出值和其它線路對應輸出值不一樣的那條便是故障線路。如果線路正常，那么每一行與線路有關的輸出值將會全部一樣，不是“1”就是“-1”。

準則三：如果故障發生在母線，請遍歷母線與變壓器相關聯的那一列數據，則列中元素是“-1”的為故障母線。

根據以上三條判斷準則，基于方向比較原理構成方向信息矩陣的故障定位算法[4]通過實時在線監測和采集相關斷路器方向元件的信息，形成方向信息矩陣，依次對變壓器、直接出線、母線做出故障判斷，故障定位的流程如圖2所示。

圖2 基于方向比較原理的故障定位算法流程圖

流程圖中的DBT指的是母線與變壓器相關聯的元素；Di對應母線與線路相關聯的元素；DBi代表以行為單位的母線和線路相關聯的元素。由流程圖可知，該故障定位方法先實時獲取方向信息矩陣，然后根據方向信息矩陣對變壓器和出線進行檢測判斷是否出現故障，最后再判斷母線是否發生故障，從而得到精確故障定位。

4 算例分析

本文選取如圖1所示的變電站，首先，智能變電站在無故障情況下，形成的方向元件和主要設備的關聯關系如表2。

表2 正常情況下的關聯關系

由表2可得無故障情況下，方向元件與一次設備關聯關系所形成的的方向信息矩陣如下式所示：

(2)

只有當檢測出的方向信息矩陣與無故障的信息矩陣N0不一樣時才啟動后備定位故障的程序進行遍歷。為了驗證該算法的正確有效性，下文將在線路、母線、變壓器上分別設置故障K1、K2、K3，利用本文提出的基于方向比較原理的故障定位方法進行故障定位。

4.1 假設故障發生在出線側K1

故障發生時，先生成對應的方向信息矩陣N，如下式所示：

(3)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發現方向元件出現了不一樣，于是進入故障定位的程序遍歷。

(1)判斷故障是否發生在主變

一開始，程序遍歷Ni6=(i=1,2)，發現并不是所有的Ni6=(i=1,2)=1，可知故障沒有出現在變壓器上；

(2)再判斷故障是否發生在出線

程序接著遍歷N11、N12，N23、N24，N25，發現N11=N12=-1，N23=N25=-1，但N24≠N23，且N24=1。根據故障定位的三條判斷準則中的準則二，得出故障發生在線路L4，這與圖中設置的故障K1所在位置一致。故障定位之后程序進入出線跳閘模塊，即開斷出線L4。

4.2 假設故障發生在母線K2

故障發生時，先生成對應的方向信息矩陣N，如下式所示：

(4)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發現方向元件出現了不一樣，于是進入故障定位的程序遍歷。

(1)先判斷故障是否發生在主變

一開始，程序遍歷Ni6(i=1,2)，發現并不是所有的Ni6(i=1,2)=1，可知故障沒有出現在變壓器上。

(2)再判斷故障是否發生在出線

程序接著遍歷N11、N12，N23、N24，N25，發現N11=N12=-1，N23=N24=N25=-1。根據故障定位的三條判斷準則中的準則二，可知故障也沒有發生在出線上。

(3)最后判斷故障是否發生在母線上

繼續遍歷程序，發現Ni6=-1，根據故障定位的判斷準則的準則三，得出故障可能發生在母線B1上，這和圖中所設置的故障K2所在位置一致。故障定位之后程序進入母線跳閘模塊，即開斷母線B1。

4.3 假設故障發生在主變K3

故障發生時，先生成對應的方向信息矩陣N，如下式所示：

(5)

和變電站正常情況下的矩陣N0對比，發現方向元件出現了不一樣，于是進入故障定位的程序遍歷。判斷故障是否發生在主變，一開始程序遍歷Ni6(i=1,2)，發現所有的Ni6(i=1,2)=1，根據故障定位的三條判斷準則的準則一，得出故障發生在變壓器T上。這與圖中所設置的故障K3所在位置一致，因此，故障定位之后程序進入變壓器跳閘模塊，即開斷變壓器線路。

5 算法的優點

(1)優化后備保護動作時間

該算法可起到快速近后備保護作用，實現變電站內部故障定位[5]，可縮短后備保護切除故障的時間。例如算例分析中判斷出線K1故障的情況，在主保護拒動時，一個時間的延時后，通過遍歷方向信息矩陣N，便可快速判斷出故障所在位置，實現快速準備的跳閘動作。

(2)優化斷路器失靈保護

在保護系統中，變壓器和母線互為后備，所以可以通過遍歷方向信息矩陣實現斷路器的失靈保護[6]。比如如果母線B2對應的斷路器3、4、5失靈時，則由變壓器所對應的斷路器7進行跳閘。同理，當對應于變壓器低壓側的斷路器7跳閘拒動時，應該跳開母線B2對應的斷路器3、4、5。另外，當出線L3故障，而斷路器3失靈時，站域后備保護系統遍歷表中對應于L3的第二行，然后掃描定位到同一行中的DBT元素，跳開斷路器7便可實現出線L3上的斷路器失靈保護。

(3)容錯性分析

當變電站內一次設備的某一方向元件信息缺失而反饋為0時，站域后備保護系統將進入冗余運算，修正方向信息矩陣。即，尋找方向信息矩陣對應行中其它一次設備關聯的方向元件輸出值，以此值的負值作為該缺失的方向元件的輸出值，然后再進行故障判斷。例如，線路L4在K1處發生故障，由于某些原因而使得L1上的方向元件D1信號缺失，輸出值為0。根據方向信息矩陣的修正策略，找到了D1對應行中其它一次設備關聯的方向元件D6，此時D6的輸出值為1，所以可將D1值修正為-1。修正后再將正確的方向信息矩陣帶入故障判別算法。但對于方向信息矩陣中出現2個及2個以上為0時，系統將對保護閉鎖，并發出告警信息。

6 結論

本文提出了一種基于方向比較原理的故障定位算法，依據方向信息矩陣，通過對正常運行和故障發生時方向信息矩陣進行分析比較，對站內變壓器、出線和母線等一次設備發生故障時做出故障定位。以此同時，通過算例分析得到本文提出的故障定位方法可以快速定位到變電站內發生故障的線路、母線、變壓器。該故障定位方法對多電源復雜線路上的多重故障具有較好的適應性，在故障定位的速度、準確性、可靠性等方面均有明顯的改進，為實際的工程應用提供了新的思路和方法。

[1] 賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，1994.

[2] 季濤.孫同景，薛永端，等.配電網故障定位技術現狀與展望[J].繼電器，2005，33(24)：32-37.

[3] 梅念,石東源,楊增力,等.一種實用的復雜配電網故障定位的矩陣算法[J].電力系統自動化,2007,31(10):66-70.

[4] 黃瑩,粟小華.西北330～750 kV 主網線路后備保護定值性能分析及整定原則簡化[J].電力系統保護與控制,2009,37(9):39-43.

[5] 陳艷麗,周群.配電網故障定位容錯算法[J].電力系統保護與控制,2011,39(13):91-95.

[6] 蘇譯，彭敏放，朱亮，等.基于信息還原與膜計算的配電網故障定位[J].儀器儀表學報，2014,35(12):2700-2708.

Fault Location Study Based on Direction Comparison Principle

SHENWen-hui

(Longyan Power Supply Corporation Stute Grid,Longyan 364000,China)

In order to improve the speed of power grid fault location，fault location algorithm is proposed directional comparison principle constitutes direction information matrix，a combination of substation topology information to reflect the station direction information matrix.Based on the normal operation and fault occurs direction information matrix analysis comparison,it can judge the device such as the station transformer,bus bar and line respectively when it is fault.The algorithm needs Small amount of information,is easy to process.The process is concise,overcome the traditional backup protection on the fixed value and the time complicated with defects,which can realize fault components inside the station of rapid,accurate positioning,but also has high fault tolerance and extensibility.

direction comparison principle;direction information matrix;fault location

1004-289X(2016)03-0073-04

TM56

B

2015-03-29

沈雯暉(1987-)，女，福建省龍巖市連城人，本科，助理工程師，主要從事供電企業配網用戶側用電檢查工作。