含分布式電源的配電網故障區間定位算法

王迪,張健,秦鵬

(1.東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012；2.吉林省長春供電公司，吉林 長春 130000；3.吉林省松原供電公司，吉林 松原 138000)

含分布式電源的配電網故障區間定位算法

王迪1,張健2,秦鵬3

(1.東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012；2.吉林省長春供電公司，吉林 長春 130000；3.吉林省松原供電公司，吉林 松原 138000)

隨著大規模分布式電源(DG)的接入，配電網結構變得日益復雜，潮流方向及大小無法確定，傳統故障定位方法不足以完全滿足含分布式電源的配電網系統。故本文根據含DG的配電網系統，建立合理數學模型，通過FTU監測點所監測到各個多分支母線上的電流信息，應用監測的信息提出一種新型故障區間定位方法。通過判斷故障電流的大小、方向、幅值等，實施定位。該算法能定位故障發生的具體區域，且原理清晰、計算速度快、定位準確，在配電網故障定位中具有一定的實際意義。

分布式電源；配電網；故障定位；矩陣算法

1 引言

在21世紀電網發生了翻天覆地的變化，隨著新型能源的大力發展，分布式電源(Distributed Generation，DG)已經得到人們的重視，它受到人們的廣泛應用。由于煤炭、石油等資源的缺乏，開發新型的分布式電源，主要是具有可持續發展且環保的優勢。故含DG配電網得到廣泛的應用和大力的開發及研究。目前，大多數分布式電源均為環保型電源，主要是光伏發電、水力發電、風力發電、生物發電等，這種環保型的分布式電源一般會根據地區的特點，各地根據自身豐富資源建立分布式電源站，故可能受到地理位置的影響，分布的比較分散不易集中且電源容量都比較小，故DG設施一般中間接入系統或者直接接入在配電網末端。將大量分布式電源接入到配電網系統中，為了滿足供電需要且接入配電網中的分布式電源穩定運行，配電網由單一的輻射網絡變為復雜的多電源含分布式電源的復合網絡，故電力系統中的潮流方向不能夠準確確定，單電源輻射網絡所常用的矩陣算法不能滿足當前的情況及實驗要求，故對矩陣算法進行改進和提升，因為傳統的矩陣算法并不適用于多電源的復雜模型，不能正常的進行故障辨別和定位[1-5]。

目前解決故障定位問題的方法和算法很多，但是這些算法都有一定局限性和需要完善的環節。如圖1所示，為配電網故障定位常規算法示意圖。

圖1 配電網故障定位常規算法示意圖

簡單快捷的方法即矩陣算法(直接算法)，優點是計算速度較快，能夠處理一些故障信息精度較高的問題。而常見的人工魚群算法、和聲算法、遺傳算法、粒子群算法、神經網絡算法等雖然具有較好的容錯性，但是故障定位過程繁瑣，需要處理大量的信息及數據，無法將故障定位問題快速地處理。上述為常規配電網故障定位幾種方法，但是由于含分布式電源的接入配電網中，電力系統結構變得越來越復雜，把有些定位方法直接的應用到配電網，可能會導致故障定位十分繁瑣并且還不能夠達到預期的要求。還有一些算法僅僅只是停留在理論基礎上，并不具有適用性[6-9]。在21世紀初期我國著重發展配電網自動化工程，配電網自動化水平取得了進一步提高，將饋線終端裝置(Feeder Terminal Unit，FTU)添加到配電網中，對配電網進行實時監控。將FTU監測所得到的故障信息情況反饋到配電網控制中心(SCADA)，在SCADA進行分析，對所監測到的信息情況進行診斷。應用相關的矩陣算法能夠快速準確的監測故障區域并對其隔離，且供電恢復速度快。應用相關的矩陣算法對故障區間分析具有直觀、簡單、計算便捷的優點。本文應用的矩陣算法在配電網故障定位中具有一定的現實意義和適用性[10-12]。本文基于傳統的矩陣算法，對其進行改進使其滿足大量含分布式電源接入的配電網故障定位情況。該算法能夠將故障位置準備定位在同一母線上兩個監測點之間的區域，再通過FTU所反饋的過電流信息診斷、分析得到詳細的故障位置。應用該矩陣算法原理清晰明朗、計算量較小且速度快，且故障定位區間準確。該矩陣算法應用配電網各個母線節點上需要添加電流互感器(Current Transformer，CT)，用來監測各個母線節點上的電流分量，由于配電網加裝設備的價格比較經濟，所以該算法的討論和探索具有一定工程價值[13-14]。

2 DG接入對配電網的影響

目前配電網故障定位通常采用具有拓撲結構的矩陣算法。因為配電網正常情況下為開環運行，且一般為輻射狀，將整個配電網類似為樹狀分支模型，由一條主干線路和N條支路組成。同樹狀分支模型類似，故障區間的判定是從電源到末端方向第一未經歷電流的節點到最后一個未經歷的節點之間。隨著DG的大量添加到配電網中，配電網由系統S單電源供電模式轉變為多電源供電模式，這樣導致上述定位區間算法不能滿足定位的需要。如圖1所示，S為配電網系統，K1、K2……K11為FTU饋線終端監測點，DG1和DG2為外加的分布式電源，f1為發生故障的位置(故障點)。當配電點網某一位置f1處發生故障，K1、K2均會監測出故障電流信息，故通過傳統常規的故障定位診斷方法不能準確的定位出故障位置。

圖2 含分布式電源配電網結構示意圖

根據文獻[4]所述及配電網閉環設計開環運行特點，對含多電源的配電網故障區域定位情況進行研究。因為加入了分布式電源，含有多電源的電流流向問題無法確定，假定一個電流流向作為給定方向，首先建立適應的矩陣方程，矩陣的正方向規定為電源功率流出方向，在出現故障時，根據實際功率及過電流信息方向修正網絡描述矩陣形成故障判據矩陣在通過判斷理論依據就可以鑒別出故障區域的位置。

當配電網中某處發生故障時，如圖2所示，L2饋線對發生故障，若通過傳統的算法鑒別含多電源的故障區域，則在饋線L1中FTU監測點K1、K2、K3都會出現故障電流，且故障電流流過方向與規定方向不同，由于監測到過電流監測點較多不能夠準確的進行故障定位。在分布式接入配電網后，首先需要考慮DG1容量(因為分布式電源容量一般較小)或故障點發生在饋線末端即f2點處時，FTU監測點所監測的過電流效果不夠明顯，配電網的潮流方向不能確定，導致含有多個分布式電源配電網故障定位不能實現。

3 故障區域的判斷

3.1 含DG的配電網系統結構

根據美國電力系統保護和自動化標準1547條約規定，當配電網某處突然發生故障時，第一步應立即斷開分布式電源，目的是為了保證繼電保護裝置能夠準確動作。但是將分布式電源的斷開卻很大程度上限制了分布式電源的正常運行，減小了分布式電源可靠性的優勢。故我們應盡最大可能，在故障發生時不切除分布式電源，并且故障點所在的區域大部分饋線能夠正常的運行。本文為解決上述問題，如圖2所示，在各個分段母線的中間或者末端接入處添加裝設有分段斷路器。

3.2 分支及母線節點的研究

構造含多個DG的配電網結構示意圖，如圖3所示，根據母線上分支數量的不同可以將母線節點分為無分支和多分支。本文定義配電網電流流過FTU監測點的電流方向且有母線指向監測點定義為正方向。對于多分支母線中的FTU監測點與流電流正方向可以有一個也可能有多個。由于指向故障點的監測點流過電流必定與正方向相同。因此，若母線上只有一個節點正方向與監測點相關時，則可以判斷故障定一定發生在該方向所指的線路上。

為了解決含分布式電源的配電網故障定位問題，本文通過母線各個節點與相關聯的監測點過電流及電流方向進行判斷來進行故障定位。如圖3所示，假設f1點處發生故障，此故障點出現在多分支母線節點B2與B4之間，且與B2、B4都相連，與B2母線節點相關的有三個監測點，分別為K2、K3、K4,其中監測點K2方向與規定方向不同，監測點K3與規定方向相同，監測點K4由于分支饋線上連接分布式電源DG4的容量較小，所以不能判斷出K4的方向。由于K4方向的不能確定，也從側面證明了DG4也給故障點提供了一定的電流，且與母線節點B2相連的只有一個正方向，即為K3。故可以判斷故障點發生的位置在K3監測點所指向的饋線上；當監測點K4的方向相同，即為正。則說明在監測點K4流過的電流為負，因為負荷阻抗在故障點所在的線路中要遠遠小于負荷阻抗在監測點K4所出的線路中。因為主系統S電源將產生電流傳輸到監測點K3，所以電流的方向應指向監測點K3，故得出I3>I4。當f1處出現故障時，首先應考慮故障位置與多分支母線節點B2之間的距離，由此能夠看出故障點與分支母線節點距離較遠，故I3、I4的值不夠明顯。目前配電電網故障類型分為單相短路故障、兩相故障、三相故障，出現頻率較高的為單相短路故障。

圖3 含分布式電源的配電網系統

為了更好的提高不對稱短路電流的靈敏度，可以通過故障電流的正序、負序及零序分量的絕對值之和當做故障電流的綜合幅值來對電流幅值進行判斷。

綜上所述，根據配電網母線節點上這一特點，系統內各個母線節點均會出現類似的結論。本文應用矩陣算法進行配電網區間定位時，通過多分支母線節點附近的FTU監測點所監測到的故障電流信息進行判斷和分析。當在故障附近所有監測點中僅有一個監測點的方向為正時，則可以判斷該故障點在此正向監測點所指向的線路上。但若故障點附近監測點多個同時都為正方向時，則必須通過各個正向監測點的電流幅值綜合信息來判斷，其綜合幅值最大的監測點可以證明故障點在該監測點所指的線路上。

3.3 選擇故障相關節點

當配電網某處出現故障時，建立合適的多母線節點矩陣(B1，B2，B3，B4，B5，B6)，該矩陣的N階故障信息描述矩陣為B=diag[B1B2B3B4B5B6]，根據矩陣中對角線元素可以確定多分支母線節點上故障點的方向。當該矩陣對角線上所有元素均為1時，說明可以通過電流方向及故障電流綜合幅值來判斷故障位置。反之若對角線上元素為0，則不能判斷。當Bii=1時，通過CT分析及診斷可以準確確定多分支母線Bi節點附近所有FTU監測點中故障電流信息幅值最大點。其中B為監測點指向多分支母線的節點，j則是確定Bjj的值為1或0。若Bjj的值為0，其置矩陣B中的元素Bi(j+1)=1。反之若Bjj的值為1，其置矩陣B中的元素Bij=1；用節點B(j+1)(j+1≠i)表示與Bj相鄰的多分支母線節點。若不存在與節點B(j+1)(j+1≠i)與Bj相鄰，則可以推到出Bii所在矩陣中行項不會變。為得到故障關聯節點判斷矩陣P，需對信息描述矩陣進行修改。將上文得到的判斷矩陣P中的Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算。若Pij&Pji=1時，可以判斷故障點位置在母線節點i與j之間。若Pii=1時，Pii所在矩陣中所有其他行元素為0，可以判斷故障點位置在母線節點i的下游線路上。如圖2所示，當在f2點處出現故障時，多分支母線B4不能正常工作，無法判斷出故障電流的方向。若除多分支母線B4外其他多分支母線都能正常工作，可以將信息描述矩陣為B=diag[1 1 0 1 1]。分析各個多分支母線節點附近監測點所得到故障電流信息的方向及故障電流最大綜合值，再根據故障電流的指向情況修改信息描述矩陣，整理修改后的信息描述矩陣得到故障關聯節點判據矩陣P為

在該P矩陣中，將所有的Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算，得出只有P25&P52及P26&P62的值為1，可以判斷故障點可能會發生在監測點K2到監測點K5或監測點K2到監測點K6之間的線段。若在配電網所有多分支母線及監測點一切正常時，故障位置會鎖定在多分支母線2個監測點之間，但若出現異常情況，會導致故障定位區域增加，影響故障定位效果。

3.4 判斷故障區域

在配電網中僅有系統S主電源供電時，規定其流出功率的方向為正方向，并建立適應的故障關聯節點矩陣D,在規定的正方向上，監測點i到監測點j之間存在一條線路使Dij=1，反之為0。在出現故障時，FTU將監測到的電流信息傳輸給SCADA控制中心，得到修正后的網絡描述矩陣D。若監測點i流過電流為正，則Dii=1，反之Dii=0。最后得到修正后的故障判據矩陣G。若主對角線元素Dii=1，矩陣其他節點j(j≠i)均為0時，能夠判斷故障點發生在監測點i所在的饋線末端。若Dij=1且主對角線元素Djj=0(j≠i)時，能夠判斷故障點發生監測i和監測j之間。

4 算例分析

如圖2所示，當f3處出現故障，能夠判斷出各個多分支母線中故障電流綜合幅值最大的分支，所以將故障信息描述矩陣為B= diag[1 1 1 1 1 1]。在發生故障時，通過判斷全部多分支母線節點的故障電流綜合幅值的最大值分支指向情況，通過修正信息描述矩陣后，得出故障關聯節點判據矩陣P為

對該矩陣中的每一個Pij元素和Pji元素進行邏輯與運算，得到Pij&Pji=0且P33=1，得到所有P3j所有元素均為0。因此，能夠判斷故障發生在多母線節點B3下游所處的監測點(16 17 23 24 29)的網絡描述矩陣D為

該故障所發生的位置在該饋線末端。在B3次級分支線路上監測各個節點所流過的電流與該網絡規定的正方向相同修正網絡描述矩陣D得到故障判斷矩陣G為

其中，G55=1且所有的G5j中元素均為0。故判斷出故障點位置在監測K29所在的饋線末端，證明實際結果與本文假設情形相符，結果準確。

5 結論

目前，解決含分布式電源配電網故障定位算法的問題，并不夠完善，還有許多方面需要發展和研究。本文基于矩陣算法通過配電網母線節點上FTU監測點對節點相關的電流情況(過電流信息、故障電流綜合最大幅值)進行監測，通過對配電網母線上各個節點上電流信息的監測，將故障位置縮小到母線上相鄰兩個節點之間，再通過監測點電流幅值來確定故障位置。本文基于矩陣算法快速準確的監測故障區域并對其隔離，且供電恢復速度快。應用相關的矩陣算法對故障區間分析具有直觀、簡潔、計算便捷的優點。本文通過算例分析，驗證了該算法的準確性，證明了矩陣算法在配電網故障定位中具有一定的現實意義和適用性。

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Fault Region Location Algorithm for Distribution Network Containing Distributed Generation

WANG Di1，ZHANG Jian2，QIN Peng3

(1.Northeast Dianli Unniversity,Institute of Electrical Engineering,Jilin 132012，China;2.Jilin Changchun Power Supply Company,Changchun 130000,China；3.Jilin Songyuan Power Supply Company,Songyuan 138000，China)

As large-scale distributed power(DG)access to distribution network structure is becoming increasingly complex,current direction and the size can not be sure,the traditional fault location method is not enough to fully satisfy the distribution network with distributed power system.Reason according to the distribution network with DG system,establish a reasonable mathematical model,by FTU the monitoring to the various branches more current information on the bus,the application of monitoring information of a new type of fault interval locating method is put forward.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.By judging the size of the fault current,direction and amplitude,implement localization.The proposed algorithm can locate failure of specific areas,and clear principles,computing speed is fast,accurate positioning,in the fault location in distribution network has a certain practical significance.

distributed generation；power distribution network；fault location；matrix algorithms

1004-289X(2017)01-0052-05

TM711

B

2016-01-04