電纜配電環網故障定位方法研究

毛禹龍

（遵義余慶供電局，貴州遵義 564400）

0 引言

配電網設備眾多、故障成因復雜，在實際故障搶修中由于不能對故障準確定位致使停電時間延長，增加用戶投訴率[1]。尤其是近幾年敏感電子設備逐漸增多，若出現短時停電，可能會導致設備運行異常，造成設備損壞、數據丟失等嚴重事故。根據數據資料顯示，配電網故障占據停電因素的80%，因此，要想提升供電可靠性，其配電網是主要因素[2]。傳統配電網主要采用開環運行模式，操作方便，配置簡單，缺陷在于出現故障時需要進行停電轉供[3]。如果采取閉環運行，則能夠對非故障區域采取隔離措施，但缺陷在于環網內短路電流雙向流動，原有保護控制方式將不能適應。由此，針對于配電網閉環運行模式下的保護控制方法進行研究。

1 配電環網故障定位方法

如圖1 所示，配電支路通過環網柜（Ring Main Unit，RMU），也就是環網柜與配電線路環網相互連接，環網柜中裝有智能終端（Smart Terminal Unit，STU），同時智能終端支持點對點通信與分布式智能控制功能。

1.1 故障分析

如圖1 所示，若故障發生在f1-f4處，規定環路正方向從M側母線指向N 側母線。在此之中，正序電壓故障分量采用U1表示，正序電流故障分量為I1-i，M與I1-i，N表示，電流的參考方向以母線流向線路為正方向，正序電流故障分量相位差為ΔφiM-iN。一旦出現電路異常故障后，STUi采取正序電流故障分量相位，同時和附近的智能終端交換數據，獲取正序故障分量的電流相位差，以及從STUi兩邊經過的ΔφiM-iN與ΔφiN-（i+1）M。

圖1 電纜配電環網結構和保護配置

在現實運行過程中，短路時系統及線路阻抗容易對ΔφiM-iN產生影響。相位比較的閉鎖角應該根據90°整定，故障點所處的線路兩段相位差應在-90°＜Δφ＜90°，其他相近斷路器相位差應在90°＜Δφ＜270°，按照相位差值特征則能夠確定故障區間。

1.2 統一的故障處理規則

統一的故障處理規則主要目的是方便配電自動化（Distribution Automation，DA）系統更好地實現故障定位及隔離[4]。假若環路中有k 個RMU，終端STU0 和STU（k+1）為特殊RMU。當STUi相連路和內部母線并未出現異常時，設定STUi狀態則為Y0；當RMUi上游線路出現故障時，設定RMUi狀態為Y1；當RMUi下游線路出現故障時，設定RMUi狀態為Y2；當STUi內部母線出現故障時，則將RMUi狀態設為Y3。

為了讓故障得到有效隔離，需要對發送信號規則進行設定，如處于Y0狀態將在保持時間到達后自動返回；若為Y1狀態將向QFiM發送跳閘信號；若為Y2狀態則將向QFiN發送跳閘信號；若為Y3狀態則向QFiM和QFiN發送跳閘信號。

1.3 智能終端啟動方法

可靠因數為Krel，低壓母線最大三相負載的有功功率為Pmax，低壓母線額定電壓為UN，低壓負荷功率因數為cosφ，環網柜降壓變壓器變比為KT，將電流突變量作為智能終端的啟動元件，其定值公式如下：

1.4 故障定位與保護動作邏輯

當處于閉環運行狀態時，智能終端則可以接收上下游信號，另外，通過快速計算來決定是否需要采取行動。當處于開環運行狀態時，系統則表現為輻射狀線路，例如當上游段線路出現故障時，其下游全部智能終端馬上處于停電狀態，相鄰智能終端則不能接受相關數據信息。處于故障點上游同時和不相鄰RMU 正常接收相應信息，處于Y0狀態；如果故障點發生在線路，上游相近RMUi的M、N 處斷路器均存在電流，此時狀態應該為Y2，如果不能對下游RMU 信息進行接受，則不能判斷其具體狀態，此時應該設置φ（i+1）M=φiN；如果故障出現在RMUi內部母線，N 側斷路器無電流，此時狀態應該為Y1，不過由于缺失下游環網柜信息，不能給予狀態評判，應該設置φ（i+1）M=φiN-180°。

2 仿真模型分析

2.1 仿真模型參數

為了對本文所提出的故障定位與隔離方法進行檢驗，采取PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，電力系統計算機輔助設計）軟件進行電磁建模仿真分析[5]。將電源電壓數值設為ES1=ES2=10.5 kV（∠10°），電源內阻抗參數數值為ZS1=ZS2=0.4+j0.4 Ω，電纜線路長度設為li-i+1=0.8 km，ltotal=4 km，單位阻抗設為z1=0.3+j0.08 Ω/km，環網柜所帶負荷數值為S=2 MV·A，cosφ=0.85。設置RMU 出線單臺最大功率為0.3 MW，得出STU啟動電流為0.117 kA。

2.2 閉環運行動作特性

假定T 為4 s，結果表明，f3出現三相短路故障，流過各斷路器的電流突變量均超過4.5 kA，全部STU 均能夠啟動；相位差1在-90°～90°，STU0 則為Y2狀態，根據設定好的規則STU1 跳開QF1M，其他環網柜狀態為Y0，因此，并不會出現相關信號。由此可見，在閉環運行狀態的前提下，此方法能夠實現準確故障定位及隔離。

2.3 開環運行動作特性

假定斷路器QF3M為開位，T 為4s，f3出現三相短路故障，結果表明，故障后唯有STU0 具有電流突變量且處于Y2狀態，終端啟動發送跳閘信號。由此可見，在開環運行下，其故障定位及保護方式是適用的。

3 結論

傳統配電網普遍采用“閉環設計、開環運行”模式，保護控制方式簡單，負荷轉供過程中會導致短時停電。本文基于供電可靠性為前提，提出了一種新的配電環網短路故障定位隔離方法，當出現短路故障時，智能終端將根據接收信號自動對時實現同步，相鄰RMU 根據統一的相位差來進行故障點定位，從而按照設定狀態采取隔離措施。通過模擬仿真結果表明，該方式可以同時適用于配電網閉環運行和開環運行，可行性較強。