中低壓配電線路的維護與故障識別技術研究

陳濤濤

（浙江幸福航天科技有限公司，浙江湖州 313000）

1 中低壓配電線路故障識別方法

1.1 故障起動判定

中低壓配電線路發生故障時電流信號會產生奇異性特征，利用Hankel 矩陣對中低壓配電線路電流信號進行解析，然后比較電信號細節分量元素的門檻值與絕對值，可以實現快速定位中低壓配電線路故障的目的。具體故障檢測方法如下：

中低壓配電系統如圖1 所示，首先，采集中低壓配電網運行過程中線路兩端位置電流信號，并將采樣數據構造為Hankel矩陣，對電流信號奇異值進行解析；其次提取分量信號P1，尋找中低壓配電網運行過程中的電流分量信號P1中絕對值最大值PN，設定中低壓配電線路故障起判依據門檻為PT=k′PN，k′為門檻系數，其滿足k′＞1 的要求。

圖1 中低壓配電系統

在明確門檻值的情況下，中低壓配電線路上保護設備可以定時采集線路電流信號，并將最新電流信號轉換為Hankel 矩陣，通過對Hankel 矩陣奇異值進行解析可獲得分量信號P1，中低壓配電線路故障起動判據為：

其中，PT為門檻值；｜P1｜max為分量信號P1元素絕對值最大值。當式（1）故障起動條件成立時，表明中低壓配電線路存在故障。

1.2 故障方向判別

通過區分中低壓配電網區內故障和區外故障，可以實現對線路故障方向的判別。當中低壓配電網區內發生故障時，中低壓配電線路兩端保護裝置故障電流增加，且增加方向一致，而分量信號P1中不同元素突變方向也保持一致；當中低壓配電網區外發生故障時，中低壓配電線路兩端保護裝置故障電流增加，但兩臺保護設備電流增長方向不一致，此時分量信號P1中不同元素突變方向相反。

因此主要通過對比中低壓配電線路兩端分量信號P1找不同元素符合變化情況來判斷中低壓配電網區內故障或區外故障，實現中低壓配電線路的縱聯保護，縱聯保護故障識別依據為：

其中，P2MP為中低壓配電系統M 端負正極分量信號P1發生故障時的元素；P2NP為中低壓配電系統N 端正分量信號P1發生故障時的元素；P2MN為中低壓配電系統M 端負極分量信號P1發生故障時的元素；P2NN中低壓配電系統N 端負極分量信號P1發生故障時的元素。如果故障乘積大于0 時表示分量信號P1符號相同；如果乘積小于0 則表示分量信號P1符號相反。

2 中低壓配電線路縱聯維護方案

2.1 縱聯維護方案

在中低壓配電線路縱聯維護中，故障判據的作用是判斷線路故障類型，并明確故障極。提出中低壓配電線路縱聯維護方案通過對比中低壓配電線路正極分量P1和負極分量P1中的元素異同情況來判斷線路故障類型，并明確故障極。

當中低壓配電線路出現雙極故障時，中低壓配電線路正極和負極分量信號P1中各元素符號均相同；當中低壓配電線路正極出現接地故障時，正極分量信號P1中各元素符號相同，負極分量信號P1中各元素符號相反；當中壓配電線路負極出現接地故障時，正極分量信號P1中各元素符號相反，負極分量信號P1中各元素符號相同。根據以上特征可以得到中低壓配電線路故障選極判斷依據如式（3）所示：

根據中低壓配電線路故障識別判據、起動判據和選極判據，提出中低壓配電線路維護方案，維護方案流程如圖2 所示。該保護方案可以提高中低壓配電系統斷路器起動速度，當中低壓配電線路出現故障時，Hankel 矩陣通過解析線路電流奇異值判斷線路是否存在故障，如果線路正負極電流滿足線路故障判斷依據，線路斷路器起動，并向終端發送中低壓配電線路正負極信號；然后根據故障判斷依據辨識線路故障為區內故障或區外故障，如果為區內故障則發送跳閘信號；如果為區外故障則不發送跳閘信號。只有在中低壓配電線路維護方案故障識別判據、檢測判據和選極判據均符合保護條件的情況下，保護裝置才會動作。

圖2 線路維護方案流程

2.2 仿真驗證

基于圖1 中低壓配電系統進行仿真分析，首先采集N、M 端保護裝置正負極電流信號，并將其構造為Hankel 矩陣，其次解析線路奇異值獲取分量信號，并根據線路維護方案判斷是否存在故障，最后根據分量信號中各元素符號關系判斷線路故障為區內故障或區外故障，并確定線路故障極，如果線路故障為區內故障則發出跳閘信號。

2.2.1 區內故障

（1）雙極短路故障。當中低壓配電線路發生雙極短路故障時，線路M、N 端正負極電流分量信號和原始信號如圖3 所示。從仿真結果來看，當中低壓配電線路發生雙極故障時，線路正極電流呈增長趨勢，負極電流呈減小趨勢，由此可見M、N 兩端線路分量信號符號為“+”，符號一致，滿足P2MP×P2NP＞0 的條件；線路負極電流P2MP、P2NP符號為“-”，符號一致，滿足P2MP×P2NN＞0 的條件。

圖3 區內線路雙級故障波形

根據線路縱聯維護方案中線路故障判據和選極公式，上述線路故障情況滿足P2MP×P2NP＞0&PMN×P2NN＞0 條件，由此可以判斷中低壓配電線路為區內故障，且為雙極短路故障，仿真結果與實際情況一致，線路保護裝置發送跳閘信號。

（2）正極接地故障。當中低壓配電線路發生正極接地故障時，線路M、N 端正負極電流分量信號和原始信號如圖4 所示。從仿真結果來看，當線路發生故障時，線路正極電流有增大趨勢，而M、N 端正極分量信號中P2MP×P2NP符號為“+”，符號一致，滿足公式P2MP×P2NP＞0；M 端負極電流有增大趨勢，而且N 端負極電流則下降，因此P2MP符號為“+”，P2NP符號為“-”，符號不一致，滿足P2MP×P2NP＜0 的條件，根據線路縱聯維護故障判斷依據，該故障為區內故障，且滿足P2MP×P2NP＞0&P2MN×P2NN＜0 的條件，因此為正極斷路故障。此時正極線路保護裝置發出跳閘保護信號，負極保護裝置不執行保護動作。

2.2.2 區外故障

（1）雙極短路故障。當中低壓配電線路區外發生雙極接地故障時，線路M、N 端正負極電流分量信號和原始信號如圖5 所示。從仿真結果來看，中低壓配電線路發生故障后，M 端正極電流逐漸減小，N 端正極電流逐漸增大，線路分量信號中P2MP符號為“-”，P2NP符號為“+”，符號不一致；M 端負極電流逐漸增大，N 端負極電流逐漸減小，P2MN符號為“+”，P2NN符號為“-”，符號不一致，根據線路故障判斷依據，該情況滿足P2MP×P2NP＜0&P2MN×P2NN＜0 條件，由此可以判斷線路故障為區外故障，此時斷路器不執行保護動作。

圖5 區外線路雙級故障波形

（2）負極接地故障。當中低壓配電線路區外發生負極接地故障時，線路M、N 端正負極電流分量信號和原始信號如圖6 所示。從仿真結果來看，終端低壓配電線路發生故障后，M 端正極電流逐漸增大，線路分量信號中P2MP符號為“+”；N 端正極電流逐漸減小，線路分量信號中P2NP符號為“-”；M 端負極電流逐漸減小，線路分量信號中P2MN符號為“-”；N 端負極電流逐漸增大，P2MN符號為“+”。根據線路縱聯維護方案故障判斷依據，以上條件滿足P2MP×P2NP＜0&P_P2MN×P2NN＜0，因此可以判斷該故障為區外故障，此時線路保護裝置不動作。

圖6 區外線路負級故障波形

3 結束語

為保證中低壓配電網運行穩定性和安全性，提出適用于中低壓配電線路的故障判斷方案和縱聯維護方案，該維護方案主要根據線路故障判斷依據辨識線路故障，然后結合線路故障選極判據和識別判據確定線路故障類型。最后為驗證線路故障判斷和維護方案的有效性，分別選擇區內外雙極短路和正極或負極斷路故障進行仿真驗證，分析結果表明，線路故障判斷方案可以準確判斷線路故障級和故障類型，并且針對區內故障可以實現維護功能。