多分支低壓電網的故障區段自動定位技術研究

孫榮智， 王承力， 王子馳， 高樹同， 雷炳銀

(平高集團有限公司， 河南,平頂山 467001)

0 引言

在電力系統中低壓電網屬于主要介質之一，通過低壓電網可將電流的消耗數值降至最低，為用戶提供持續供電。交通電流在應用過程中所需電壓等級不同，因此，針對電壓線路具有一定要求，距離用戶最近的低壓電網具有一定特點，可將線路的半徑控制在最小范圍內，并且所需線路的長度最短。針對電壓進行輸送需借助主電網的作用，隨著為我國用戶對于電力需求的增長，我國電力技術的發展越來越成熟。為了保證電網的使用安全，本文將針對電網提出一種故障檢測方法，這項工作具有重要意義。

1 多分支低壓電網的故障區段自動定位技術發展現狀

1.1 低壓電網環境下準確故障定位

為保證在低壓環境下，電網可擺脫以往拓撲結構的分支復雜和易受脈沖噪聲干擾等問題的影響，實現故障下的精準定位，本文將通過自動定位技術實現多分支低壓電網在故障下仍可完成相關工作。當前行波法在配電網領域中較為常見，主要應用于中高壓配電網中，行波法的應用可將不同維度的故障信息充分融合，從而形成故障區段的定位。通過研究發現，中高壓配電網在模擬線路中，其線路的長度通常以千米為單位，而低壓配電網在模擬線路中通常以米為單位，針對中高壓配電網的故障定位，行波法通常采取雙端行波法作為故障定位的基礎，該方法可通過時間上的同步保證故障定位的精度。而用于低壓定位時會在時間同步上存在一定問題，因此，低壓配電網需要改變以往故障定位方法。通過研究發現，低壓配電網出現故障時利用時域反射法具有較強效果，但該方法易受外界因素干擾[1]。

1.2 國內外自動定位技術發展現狀

為了改善低壓電網易受外界因素影響而造成故障問題，本文基于相關計算的反射測量法針對脈沖信號的干擾問題進行研究。目前采用的方法主要由時域反射法演變而來，通過向電纜中發送干擾信號進行測試，但通過相關測試發現該方法無法針對故障區段進行精準定位，造成位置模糊。針對該問題，我國有學者提出利用學習型算法針對電網網絡拓撲結構進行反推的觀點，但通過驗證實驗，該方法存在一定缺陷，將其應用于低壓電網中較難實行。隨著混沌反射法的提出，為多分支低壓電網的故障定位提供一定依據。國外學者針對多分支低壓電網的故障定位提出相關熵的概念，為低壓電網的后續發展提供理論依據，在此基礎上，其他學者針對熵進行不斷研究，最終證明最大相關熵和最小分散系數在準則上存在等價性，除此之外，相關熵具有多種優勢，將成為信號處理領域中重點觀察內容。

2 電纜故障信號的時域反射分析法工作原理及測距方法

2.1 STDR/SSTDR工作原理

本文針對低壓電網故障區段進行研究，最終應用電纜故障信號的時域反射分析法對故障進行處理。該方法主要基于時域反射法，由于低壓電網是人類的日常使用線路，該線路較短，易出現故障問題，除此之外，在運作過程中易受外界因素的干擾，因此，通過時域反射分析法向低壓電網中發射脈沖信號，以此改善噪聲等因素對低壓電網造成的干擾，該方法更適用于針對低壓電纜故障進行線上的檢測以及定位。檢測過程中將STDR/SSTDR方法向低壓電網中發送的序列信號PN設為x(t)，此時時域反射分析法檢測到的信號為

y(t)=∑kakx(t-τ)+n(t)

(1)

式中,τ代表傳輸延遲信號；n(t)代表低壓電網故障區段所遭受的噪聲信號[2]。

2.2 SSTDR測距方法

在多分支低壓電網進行信號傳輸過程中易出現延遲現象，而SSTDR測距方法主要利用相關運算峰值對傳輸時間進行測量，測量過程中可將電纜中的信號傳輸延遲通過時延估計值τ替代，時延估計值τ為相關運算峰值所對應的時間點。通過SSTDR測距方法對低壓電網進行距離測量時，應針對故障的范圍進行定位，此時若信號在特定傳輸介質中的傳播速度c為固定數值，故障點到測距原點的往返時間為t，應通過式(2)進行故障范圍的確定，用式(3)估計故障位置：

(2)

(3)

式中,TS表示一個PN碼片可在故障距離中測量的持續時間；N表示偽隨機序列的長度[3]。

低壓電網區段的故障鑒別能力通過最小測量距離表示:

(4)

通過分析驗證發現，該系統對距離的測量存在一定限度，因此最大測量距離公式為

(5)

針對上述公式，將波速設為恒定狀態，此時測量指標是測量精度Δd(測量分辨率)如式(6)：

(6)

本文針對設計要求將設計指標中的最大故障定位距離設為8 km，定位盲區設為2 m，此時，通過式(2)、式(5)進行計算，最終求得PN碼片可持續1/200 MHz，而序列長度應大于1 000。

3 基于GIS的多分支低壓配電網拓撲結構

3.1 多分支低壓配電網的結構特點

多分支低壓配電網可為用戶提供用電網絡，其實現方式主要將變電站作為配電網的核心結構，通過變電站將電壓轉變為低壓狀態，最終由低壓網絡供給用戶使用，配電網在一定意義上屬于電力系統的眾多環節中最后的面向用戶供電的環節。低壓配電網在結構上由饋線、變電設備、開關等設備共同組成，眾多設備之間具有協同作用，內部任一環節出現故障，整個低壓配電網的某個專屬區段將出現故障，最終造成停電事故，直接影響到用戶的正常生活。多分支低壓配電網在線路走向上具有一定的地理特征，電壓等級為最低，通常狀態下多分支低壓配電網的電壓等級處于10 kV以下，該等級下的配電網具有較強優勢，但多分支低壓配電網在結構上存在一定的復雜性，因此多分支低壓配電網應融入地理信息系統，使其在地理環境下存在一定特征[4]。

3.2 多分支低壓電網網絡模型構建

通過研究發現，傳統多分支低壓配電網在運行方面大致分為三種結構，分別是輻射狀結構、環狀結構以及樹狀結構。為了對多分支低壓配電網進行拓撲分析，通過建立網絡模型的方式，并利用SuperMap Deskpro實現配電網的拓撲模型，在該模型中可通過設置相應規則，對拓撲結構進行限制。若該電網中的數據線段存在相交現象，應將違規現象進行記錄，并通過用戶端針對該現象進行維護，從而形成正確的拓撲關系。該模型中存在多個數據集，主要包含點、線、面等類型，而基于GIS系統進行配電網模型構建時，在結構組成方面應通過層疊形式進行呈現，同層級結構中應包含不同類型的設備，或每層中具有同一類型的設備對象，通過GIS系統與配電網充分融合，有利于操作者針對配電網進行操作時更加便利。基于GIS的多分支低壓配電網數據模型如圖1所示[5]。

圖1 基于GIS的多分支低壓配電網數據模型

3.3 基于GIS的多分支低壓配電網網絡分析

通過上述分析可知，GIS系統為低壓配電網的發展提供有力依據，基于GIS系統構建的電網網絡模型在地理分布上具有一定特征，可增強系統的直觀程度。該數據模型在結構上將自身分為兩部分，分別是空間數據模型和屬性數據模型，并通過關聯主鍵GISID將二者連接在一起。二者之間功能具有較大差異，空間數據庫主要負責獲取配電設備的地理位置，而屬性數據庫主要負責管理設備的狀態信息。為了實現基于GIS系統的配電網拓撲結構，將針對模型進行元素化發展，利用GIS的拓撲結構實現對多分支低壓電網的故障區段進行自動定位。在此基礎上，將GIS作為配電網的背景，通過拓撲分析找出該系統的供電電源，使其具有完整的連通線路。多分支低壓配電網電源點分析流程如圖2所示。

圖2 多分支低壓配電網電源點分析流程

4 基于GIS的多分支低壓電網的故障區段自動定位方法

4.1 主動型低壓多分支電網區段故障定位

為了降低低壓電網在使用過程中發生故障的頻率，采用主動型區段定位方法。該定位方法主要采用擴展頻譜時域反射波發生器與被動式濾波器之間進行相互配合，形成完善的定位體系，并在站室智能配電終端協調管理的基礎上對故障區段進行精準定位，該方法可有效降低多分支低壓電網建設過程中的成本問題，適用于多種接線故障。通過該定位方法可實現故障點的自動定位，大量降低資源的使用[6]。

4.2 區段故障定位方法

針對低壓電網中部分線路出現問題時，可通過站室終端獲取該故障線路存在的狀態信息，分析數據信息以及故障區段的電流變化，該系統可區分線路中造成故障的主要原因。通過分析可知，造成電路出現故障的主要原因可能為開關出現閉合狀態或者線路自身出現故障。當電壓的有效值出現快速跌落現象，或者支路斷路器的位置信號處于閉合狀態時，系統電流降至為零，此時系統的站室終端將啟動SSTDR的相應裝置，針對故障線路進行距離測量，并將故障線路的類型及位置信息通過網絡上傳至站室終端，由檢修人員針對該故障信息進行處理[7]。

4.3 低壓配電網GIS故障定位系統設計

為了保證該系統可精準定位故障區段，在區段故障定位方法的基礎上結合GIS系統。通過GIS系統對故障數據的地理位置進行自動查找，可保證電網的穩定運行，防止次生故障現象的發生，影響用戶正常生活。故障定位系統在實施過程中可針對事故狀態進行自動監測，實施流程應通過SCADA數據進行實時監測，形成完善的故障解決體系。為保證電網的正常運行，在該系統中建立數據庫，用來存儲故障數據信息以及電能量采集系統中存在的數據。該系統在故障定位過程中易遭受外來信息的干擾，為防止誤判現象的發生，應提升該系統的故障定位正確性。由于線路區段出現故障將造成部分區域出現停電現象，導致用戶無法正常用電，因此，本文將針對該現象設置客服系統。客服業務流程為用戶通過撥打熱線電話進行投訴，客服將根據投訴內容進行故障判斷，并以短信的方式通知維修人員進行檢修。

故障定位的流程為故障定位主要來源于自動檢測以及用戶投訴，通過該數據的上傳，系統可根據不同方面的信息進行初步判斷。通過系統分析得出結論為確定故障時，系統將利用GIS功能進行自動定位，將得出的位置信息通過特殊顏色進行標記，并將故障范圍通過報警的方式進行提示，同時發送至檢修人員的設備中。其中貝葉斯故障分析方法有利于提升系統定位的精準度，同時，系統將故障信息存入系統數據庫中，并將此次故障范圍通過特殊顏色體現在系統界面。多分支低壓電網的故障自動定位流程如圖3所示[8]。

圖3 多分支低壓電網的故障自動定位流程

5 總結

本文主要針對低壓電網進行研究，通過研究發現，低壓電網在結構上十分復雜，易出現故障問題，因此，將利用電纜故障信號的時域反射分析法針對故障進行處理。該方法的原理主要是時域反射法，雖然低壓電網最接近于用戶的日常使用線路，但該線路較短，易遭受外界因素的干擾，而GIS系統具有較強優勢，可利用GIS針對低壓電網進行故障定位，該方法有利于提高我國電網的整體線路水平，使故障線路得到有效維護，在未來發展中，將針對該系統理念進行革新，通過GIS技術的有力支撐，可實現系統向科學技術的方向轉變。