基于故障指示器的配網故障精準定位方法研究

王澤洋

摘要：針對傳統配網故障定位方法存在操作復雜度高、配置設備成本投入高和故障定位效果差的問題，文章對基于故障指示器的配網故障定位方法進行了研究，該方法引入電網有向圖思想，利用主站接收到的故障指示器動作信號構造節點與支路關聯矩陣，將關聯矩陣與電網有向圖中的電流向量進行乘法運算得到故障判斷結果，通過結果數據分析可精準定位故障所在區段。通過實際應用仿真，配網故障精準定位方法可準確定位故障發生點，具有廣闊應用前景。

關鍵詞：配網故障定位;故障指示器;電網有向圖

0引言

配電網是電能輸送到用戶的重要通道，與電力用戶的社會經濟生產生活密不可分，因此配電網的穩定性直接關系到用戶的用電質量，配網正成為我國電網建設的核心環節。然而，隨著社會經濟的快速發展，城市和人口規模的不斷擴大，配網正從過去單一的供電側末端網絡發展成為具有的多個分布式電源的復雜供電網絡，導致配電網內的各種保護與控制設備無法做到準確整定，造成了配電網故障時無法精準定位故障發生位置，為故障的切斷與維修帶來難題。

因此，如何精準定位配網故障發生位置成為電網研究的熱門課題，目前在配網自動化建設過程中，主要通過智能饋線終端進行信號遙測來確定配網故障發生位置，但上述方法中不僅智能饋線終端造價昂貴不利于廣泛應用，同時該方法還存在故障定位時間過長和定位精度較低的問題。針對上述問題，本文將利用故障指示器與電網有向圖相結合的方法實現配網故障的精準定位，以期為配網的穩定運行提供技術支持。

1故障指示器概述

故障指示器（FI）研發于二十世紀八十年代的德國，主要用于電力線路中指示故障電流，通過指示的方式，幫助電網工作人員查找故障，減少故障巡線的查找時間。根據配網接線方式可將配網故障指示器類型分為：架空線路故障指示器、架空線路故障指示器和面板型故障指示器。通常情況下，故障指示器由探頭和故障集中器組成，架空線路故障指示器懸掛安裝于架空線路，當有故障發生時，探頭檢測到故障時，通過探頭上的無線發射裝置將故障信號發送到故障集中器中，故障信息通過故障集中器遠程傳輸至主站進行數據處理。電纜線路故障指示器通常安裝于配網開關柜和環網柜，其工作原理及構造與架空線故障指示器類似，將探頭卡在電纜線路上進行電壓、電流的檢測，并直接通過通信接口進行遠程傳輸信號，電纜線路故障指示器通常利用光纖進行信號傳輸。面板型故障指示器與上述兩種故障指示器的組成以及工作方式都不同，通常情況下面板型故障指示器由主機和傳感器兩部分組成，安裝于配網的環網柜、電力分支箱和箱式變壓器上，上述主機具有和故障指示器功能相對應的操作界面，可實現自檢、測試、復位以及故障定位操作。

2 ?基于故障指示器的配網故障精準定位研究

2.1電網有向圖概述

在工程應用中，所有的應用圖都可用點和線組成的集合進行表示，其中點用來表示有形或無形的事物，而線用來表示各事物之間的聯系。在進行應用圖的網絡拓撲結構研究時，用樹表示其中支路和頂點的集合，而有向圖是指帶有方向信息的節點以及支路的集合，即帶有方向信息的樹就是有向圖，每個應用圖的樹并不是只有一種選擇，只要樹包含應用圖中的所有頂點即可，通常情況下若應用圖中包含m個節點，則其樹中包含m-1條支路。

配網電路也可用上述有向圖進行表述，通過節點和支路抽象的表現了與原電網絡具有相同的連接方式的幾何圖形，突出了電路的結構特征。某簡單電路的電路圖如圖1所示。

如圖1所示，某簡單電路中包含4個電路節點和5條電路支路，每條支路上都包含兩端型電力元件，為突出該電路的線路結構，將該電路圖進行有向圖轉換后可去除每條支路中的電力元件得到該電路的應用圖，某簡單電路的應用圖如圖2所示。

如圖2所示，在該應用圖中選取節點2作為有向圖樹的頂點進行有向圖構造，某簡單電路有向圖樹如圖3所示。

上式1中，aij表示節點i與支路j的關聯性，當支路j從節點i流出則aij取值-1;當支路j從節點i流入則aij取值1;當支路j與節點i物管則aij取值0。

2.2基于故障指示器的配網故障定位原理

根據上文可知，每個電路有向圖都有與之相對應的節點-支路關聯矩陣A，該矩陣維數為m×b，其中b表示有向圖中包含的支路數。本文研究中，為使上述關聯矩陣中各行元素相互獨立，將在有向圖中選取參考節點對管理矩陣進行降維處理記為A。某實驗電路有向圖如圖4所示，

若上述實驗電路發生短路故障，故障點將通過電源點與大地形成通路，為在有向圖中描述這種變化，將在各節點與參考節點之間增加短路支路，短路后實驗電路的有向圖如圖5所示。

上式（4）中i表示短路故障發生前各支路電流，ic表示故障支路電流。若故障電流為0，該式即為系統正常運行時的支路電流方程;若系統出現短路故障，該式即為含短路通路的支路電流方程。

2.3配網故障定位容錯機制

分布式電源接入配電網時，電流己不再單一的由樹根電源點單向流往負荷。當發生短路故障時，除了樹根處的電源向故障點提供短路電流外，分布式電源也可能向故障點輸出短路電流，因此從有向圖的角度上看，有向圖中邊的方向己不能確定。但配電網中分布式電源通常為逆變型，所提供的短路電流比較小，可能難以觸發故障指示器動作，為此在研究有分布式電源的配網時，要進行容錯分析，即觸發故障指示器動作的短路電流中必定有很大一部分來自樹根處的電源點，從樹根到故障點的路徑必是唯一的，故可假定故障處的短路電流全部由樹根電源點提供，并以此為電流參考方向。當故障指示器動作，且檢測到的故障電流方向與參考方向一致時，故障指示器判斷后上傳動作信息，并設該線路的電流值為1;當故障指示器動作但檢測到的故障電流方向與參考方向相反或故障指示器不觸發動作時，不上傳動作信息，則設此時該線路的電流值為0。

2.4故障定位流程

根據上文分析可知，基于故障指示器的配網故障精準定位流程步驟為：

1）故障指示器檢測到故障信號觸發指示器動作，故障指示器將動作信息遠程上報給配網調度中心。

2）配網調度中心根據收集的故障指示器動作信息進行基本定位處理，求解計算出故障的基本區段。

3）調度中心的控制程序通過識別基本區段，包括正常運行在內的多種線路運行情況，并對其進行容錯性分析。

4）通過容錯分析，計算出重合度最高的故障電流向量，因而最終確定概率最高的配電網運行倩況。

5）根據結果分析，若線路處于正常運行狀態，則定位程序再次回到休眠狀態，直到下次接收到故障指示器觸發動作信號;若線路有故障情況，將精確故障區段發送給工作人員。

3 ?應用仿真

為驗證上述研究的故障定位方法的可靠性，通過對含有光伏發電的配網系統進行了方法應用仿真。含分布式電源的故障仿真如圖7所示。

上圖所示的配網中包含19個故障指示器，分別安裝于配網各處，在FI15與FI16之間裝有光伏發電裝置，因該裝置發電功率較大，因此在發生配網故障時可觸發故障指示器動作。模擬故障發生在FI10以及FI7后段，配網調度中心根據故障指示器動作信息統計結果如表1所示。

根據表1所示結果，當故障發生過后，編號1-7、9和10號故障指示器發出正向動作信息，編號12、13和15號故障指示器發出反向動作信息，再結合故障電流ic的取值可準確判斷出配電網的FI10以及FI7后段發生故障，準確定位了配網故障發生位置，具有廣闊的應用前景。

4 ?結語

本文提出了基于故障指示器的配網故障精準定位方法，該方法引入了電網有向圖思想，并結合配網故障定位容錯機制能夠有效去除常規故障指示器誤動作信息，實現配網故障的精準定位，有效減少了故障定位時間，避免了配網故障造成重大的財產經濟損失，為電網的智能發展提供了技術支持。

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