電力配電網中頻發性斷網故障排除系統研究

茍瓊尹

華亭煤業集團有限責任公司設備租賃公司，甘肅 平涼 744100

0 引言

在能源轉型的大環境下，電能資源逐漸被綠色環保及可再生能源替代，各類新能源以分布式的形式陸續接入配電網系統，為社會提供優質的電力能源服務[1]。電力輸送過程中，配電網的穩定運行與配電自動化和繼電保護有直接關系，需要從輸電線路中有效排除故障，從而提高輸配電的安全性[2]。傳統斷網故障排除方法是在繼電保護的基礎上設置重合閘，以減少越級跳閘故障[3]，但在恢復用電時會對配電網等相關裝置產生不利影響。配電網出現頻發性斷網故障主要與電壓幅值、頻率、相位等因素有關，如何在最短時間內找出故障區域并成功排除故障，成為亟待解決的問題[4]。基于此，文章研究了電力配電網中頻發性斷網排除系統，為人們提供更加安全、穩定的供配電服務。

1 配電網中頻發性斷網故障排除系統設計

配電網故障檢測一般使用動態阻性負載投入檢測方法，頻發性斷網故障的類型主要集中在單相接地故障和相間短路故障。根據設計需求，配電網頻發性斷網排除系統主要包括數據采集模塊、網絡化訪問數據庫模塊、配電網運行狀態監控模塊及斷電故障診斷排除模塊。由于配電網斷電故障發生的突發性和實時性，需要系統實時監控配電網運行數據，保證斷電故障能夠及時被發現并排除，降低斷電造成的損失。頻發性斷網排除系統運行方法如下。

1.1 頻發性斷網故障特征提取

當電力配電網發生頻發性斷網故障時，配電網會主動進行繼電保護與后備保護，兩種保護動作同時進行時斷網特征更加復雜。

（1）發生頻發性斷網故障時，判斷繼電保護裝置的狀態，如果繼電保護啟動，則故障不會進一步擴散，此時可以判定為故障原因與電源無關[5]。

（2）對故障區域的電流進行判定，如果電流快速增加或快速減少，可以判定故障類型為電流線路的保護誤動。

（3）對配電線路整體電氣量進行監測，記錄故障開始到繼電保護所需時間和電氣量的變化情況，如果故障受到繼電保護的時間段≥0.072 s，證明此時故障電氣量的變化處于零序狀態[6]。

1.2 配電網運行數據采集及分析

（1）為實現配電網斷電故障診斷排除，需要遠程長時間采集配電網運行數據信息。采集的信息主要包括配電網本身運行數據、配電網中計算機運行數據及計算機訪問數據等，將采集到的數據傳輸到數據庫中，需要設計配電網的信息存儲和利用方式。

（2）對采集到的配電網運行數據進行分類存儲，由于采集到的配電網運行數據較多，需要對不同的數據類型進行分類存儲，區分配電網正常運行數據和異常數據，分別存儲在數據庫中，方便配電網故障診斷。

（3）分析配電網中異常數據，斷電數據按形成的不同原因分別存儲在不同的數據樣本中，作為斷電故障排除的依據。利用斷電故障診斷方法對異常數據進行識別，設計斷電故障的客戶端信號處理模塊，實現斷電故障診斷排除。

1.3 配電線路監測點布設

在確定頻發性斷網故障的類型之后，在配電整體線路上容易出現故障的區域布設監測點。監測點的作用在于當出現頻發性故障時，可以及時監測線路中的電流、電壓、相位等電氣量情況。根據電氣量守恒定律，調整配電網的整體電流情況。配電網對于電能資源的依賴較大，在布設監測點的過程中，很可能會出現一定程度上的決策失誤，影響故障排除效果。因此，在布設監測點時應從以下方面入手。

（1）在電能調度中心獲取大量的故障信息，對故障情況進行綜合判定，排除掉明顯錯誤的信息。

（2）對零序電流進行排除，糾正故障初始值，再次排除故障分量，重新形成一個故障初始值，作為監測初始值。

（3）將監測點中各值與初始值對比，如果超過或低于一個定值，均判定為明顯故障，這樣可以精準把控斷網故障的情況。

1.4 配電網故障定位誤差修正

基于設計方法對復雜的配電網故障進行定位，根據監測點的故障信號、電流等參數，以定位函數表達故障位置，定位函數表達式如式（1）所示：

式中：D(i)為定位函數表達式；M1、M2、Mn分別為各個監測點的電氣量情況；Kz為故障信號運行狀態。定位出配電網故障區域之后，為了進一步縮小故障范圍，對故障區域進行定位誤差修正，修正公式如式（2）所示：

式中：Xw(i)為修正后的故障定位信號；n、j為常數；Dx(i)為定位誤差函數表達式。故障區域得到精準定位之后，即可排除故障，縮短故障排除時間。

2 實驗論證分析

為驗證文章設計方法是否具有實用價值，對上述方法進行對比實驗驗證。將傳統電力配電網中頻發性斷網故障排除方法與設計的電力配電網中頻發性斷網故障排除方法進行對比，再對斷電故障屬性進行編碼分類，具體實驗過程及實驗結果如下。

2.1 實驗過程

在實驗之前，首先提取配電網的故障特征。在配電網出現斷網故障時，變壓裝置的電壓會瞬間處于高壓配電狀態，電壓值達到110 kV，此時，發電機的容量為50.432 MW。為了更加清晰地了解配電網運行狀態，文章將配電網電氣電阻參數設定為0.45 Ω/km；電氣電阻初始參數設定為0.75 Ω/km。此時，配電網的網絡線路電感為1.162 mH/km，配電網的網絡線路初始電感為3.468 mH/km。由此得出，配電網此時的電容為0.062 μF/km，初始電容為0.036 μF/km。在此條件下，文章對配電網斷網故障時的零序電流進行分析，配電網斷網故障零序電流變化如圖1 所示。

圖1 配電網斷網故障零序電流示意圖

如圖1 所示，在0～0.02 s 時間段內，電流始終為0，說明此時配電網仍可以繼續使用。在0.02～0.025 s的時間段內，電流波動幅度較大，為0～15 kA 不等，說明此時配電網開始出現故障。0.025～0.10 s 的電流始終處于穩定升高或降低的狀態，說明零序電流元件并未發生損害，經過電源斷開重啟之后，就可以排除配電網斷網故障。0.025～0.10 s 的電流始終處于不穩定的狀態，零序電流會出現突然增加或突然減少的情況，此種故障為永久性故障，簡單的故障排除方法效果不佳。此時，使用文章設計的方法修正配電網故障的定位誤差，進一步了解配電網出現故障的位置，再使用相對應的方法排除。為了進一步分析出故障排除效果，文章對故障定位排除精準度指標進行計算，公式如式（3）所示：

式中：Pgjz為故障定位排除精準度指標；Gq為故障區域監測狀態數據；Tjc故障監測時間系數；Cpc為故障常態量。計算出故障定位排除精準度指標之后，即可進行下一步實驗。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，隨機選取高壓（110 kV、80 kV、50 kV、35 kV）、中壓（10 kV、8 kV、6 kV）、低壓（0.38 kV、0.30 kV、0.22 kV）配電網。利用式（3）計算出定位精準度指標，在標準故障定位精準度指標一致的條件下，將傳統電力配電網中頻發性斷網故障排除方法的故障定位排除精準度指標，與文章設計的電力配電網中頻發性斷網故障排除方法的故障定位排除精準度指標進行對比，具體實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果

如表1 所示，配電網等級不同，標準故障定位排除精準度指標也不同。其中，精準度指標超過0.850為合格標準，故障定位效果存在較多的不確定性因素，影響故障排除效果；精準度指標超過0.900 為良好標準，不確定性因素大幅度下降，故障排除效果較佳；精準度指標超過0.950 為優秀標準，幾乎不存在不確定性因素，故障排除效果更佳；精準度指標達到1.000為完美標準，故障定位具有100%的效果，故障排除效果最佳。對配電網中故障定位性能進行分析后，實驗結果如圖2 所示。

圖2 算法故障定位性能

在上述條件下，傳統電力配電網中頻發性斷網故障排除方法的故障定位排除精準度指標與標準指標相差較多，基本可以滿足0.850 的合格標準。其中，高壓配電網中的110 kV 與80 kV 定位精準度指標低于0.850 的合格標準；中壓配電網的10 kV 定位精準度指標高于0.900 的良好標準；低壓配電網的0.22 kV 定位精準度指標高于0.950 的優秀標準。總體來看，傳統電力配電網中頻發性斷網故障排除方法故障定位效果不佳，故障排除效果隨之下降，需要進一步改善。

文章設計的電力配電網中頻發性斷網故障排除方法的故障定位排除精準度指標較高，均可以超過標準指標，全部可以滿足0.950 的優秀標準。其中，中壓配電網中的6 kV 故障定位排除精準度指標甚至達到了1.000 的完美標準。因此，文章設計的電力配電網中頻發性斷網故障排除方法的故障定位效果較佳，故障排除效果隨之上升，符合文章研究目的。

3 結束語

隨著電力技術的不斷發展，配電網作為電力用戶與輸電系統之間的橋梁，在電能的輸送與使用中起到了非常重要的作用。在輸配電過程中，由于受到環境和路線因素的影響，配電網斷路或短路故障頻發。基于此，文章設計方法通過提取故障特征—布設監測點—修正定位誤差的流程，實現對配電網故障的精準排除。結果表明文章設計的故障排除方法的效果更好，可以為配電網的安全穩定運行提供參考。