改進矩陣算法的電網安全管控方法設計及仿真

摘 要：為了進一步提高電網管控精度，設計了一種基于改進矩陣算法的含DG電網管控方法。分析了FTU遙信信息在數據傳輸過程發生的畸變情況，設計了一種同步相量測試裝置來獲取電流相位參數并判斷過電流的流動方向。研究構建了多個算例來驗證上述方法對于信息畸變以及處理多重故障方面的可靠性。研究結果表明：去除電源后已經無法檢測出過電流，依然能夠判斷故障發生的位置，采用本方法依然可以實現故障的準確定位。當電源側區段出現故障并且末端節點出現數據傳輸畸變，通過信息修正能夠實現準確定位。本文管控算法和畸變修正方法滿足可靠性要求。該研究有助于提高電網運行效率，具有很好的實際節能意義。

關鍵詞：電網；分布式電源；矩陣算法；信息畸變

中圖分類號：TP311；TM711""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0181-04

The design and simulation of grid security management

and control method of improved matrix algorithm

ZHOU"Wenting1， LIANG"Gang2， ZHAO"Gang2， YAO"Yongbo2， ZHANG"Haibo3

（1. State"Grid"Xinjiang"Electric"Power"Corporation，Wulumuqi 830092，China；

2. "Information"and"Communication"Company， State"Grid"Xinjiang"Electric"Power"Company，

Wulumuqi 830002，China；3. xinjiang"sgit"information"technology"company，Wulumuqi 830002，China）

Abstract： In order to further improve the precision of power grid management and control， an improved matrix algorithm based on DG network management and control method was designed. The distortion of FTU telemetry information during data transmission was analyzed， and a synchronous phasor measuring device was designed to obtain current phase parameters and judge the flow direction of overcurrent. Several examples were constructed to verify the reliability of the above method for information distortion and handling multiple faults. The results showed that the overcurrent could not be detected after the power supply was removed， and the fault location could still be determined， and the fault location could still be realized by using this method. When the power supply side section failed and the end node had data transmission distortion， accurate location could be realized through information correction. The control algorithm and distortion correction method in this paper met the reliability requirements. This research is helpful to improve the operation efficiency of power grid and has good practical significance of energy saving.

Key words： power grid; distributed power supply; matrix algorithm; information distortion

當電網中增加分布式供電源后，電流從最初單向流動形式轉變至雙向流動的形式，從而使傳統電網變換為主動電網［1?2］。電網運行過程中出現故障時，由饋線終端FTU將故障信號輸入系統主站，但通過FTU進行數據傳輸時較易引起信息畸變的現象，因此采用FTU方法進行管控時還需重新校準畸變信息［3?4］。

隨著中光伏等新能源的快速發展，針對此類電網進行管控分析也獲得了越來越多學者的關注。如采用多分支分區和特征網絡PMU進行分析，針對多路分網和特征網微 PMU的特點，基于多路分網分級和微"PMU配置流程，探究了支路故障在特征網中發生支路故障時的極值變化規律，并提出有效的支路故障行波辨識算法［5］。利用矩陣分析方法來實現管控，可以根據故障數據特征與網絡拓撲矩陣來完成信息數據的矩陣計算得到故障饋線范圍，該算法的求解過程簡單，但受到FTU信息畸變因素的明顯影響，并不能實現理想的容錯效果［6］。設計了一種對分布式電源區段實施定位的模型與算法，由此實現DG投切與聯絡開關開斷狀態控制，實現了優異容錯能力［7］；但上述方法只適合對單重故障進行分析，無法有效匹配多重故障的診斷分析。根據矩陣算法設計了一種經過優化處理的區段定位算法，通過比較FTU獲取的遙信數據域遙測參數來校準畸變信息，可以獲得較高準確性與優異容錯性能［8］，但該方法的實現原理太復雜。

根據以上各類方法所存在的缺陷，本文設計了一種以矩陣算法實現的優化區段定位算法。分析了FTU遙信信息在數據傳輸過程發生的畸變情況，設計了一種同步相量測試裝置來獲取電流相位參數并判斷過電流的流動方向。本研究構建了多個算例驗證信息畸變和多重故障分析的效果。

1"" 改進矩陣算法管控方法

本研究引入了圖論理論并開發由分布式電源（DG）構成的電網。具體組成結構：網絡節點由斷路器、分段與聯絡開關構成見圖1。

1.1"" 故障狀態矩陣的建立

在電網運行期間產生故障時，根據饋線終端（FTU）確定電流越限值，判斷是否發生測試值越限的情況［9］，通過遙信模式把測試參數表示為SOE記錄，再把故障數據傳輸至主站或子站。由此構建得到一個可以反饋故障電流狀態的矩陣，該矩陣包含了電網節點的上傳數據，可以獲取節點是否存在過電流及其流動方向［10］。

將故障過電流方向設置成跟全網正方向相同的狀態［11］，分別設定“-1，0，1”3種模式來反饋電網節點故障電流，-1表示節點i處檢測出的過流信息與電流成相反方向；0表示節點i處未檢測出的過流信息；1表示節點i處檢測出的過流信息與電流成相同方向。

1.2"" 故障判斷矩陣及判據

包含DG電網處于正常狀態下時，不會引起節點過流的情況［12］，在電網某區段故障時獲得對角矩陣G。根據故障判斷矩陣D開展對比再對區段進行分類。根據上述判據確定DG投切狀態，也可以此分析單段、多段故障，設置以下判據［13］：

（1）普通二節點故障判據，如果最初的行非零元素轉變至[1， 1]，則認為此區段不存在故障；如果轉變成[1， 0]、[1， -1]、[0， -1]，則判斷此區段已經出現了故障；

（2）“T”型故障判據，原先的非零元素轉變至[1， 1， 1]、[1， 0， 1]、[1， 1， -1]時，則認為此區段沒有出現故障；當轉變至[1， 0， 0]、[1， -1， -1]、[1， -1， 0]、[1， 0， -1]、[0， -1， -1]、[0， 0， -1]、[0， -1， 0]時，則認為此區段存在故障；

（3）末端故障判據，通過圖1方法設定該區段下游節點，在矩陣中對1～8節點進行數據設置，同時新增了9～11節點，從而對上游連接末端區故障判據提供支持。為了對末端區段的故障狀態進行判斷，需綜合考慮此區段位于判斷矩陣D的節點參數與增設節點參數［14］。當次區段的二端數據組合形式是[1， 0]、[1， -1]、[0， -1]，則認為此末端區段中存在故障；當此區段二端信息組合結果是[1， 1]、[-1， -1]、[0，0]，則認為此末端區段沒有出現故障。

2"" 含DG電網安全管控方案

2.1"" DG投切下故障判據

對主動電網進行管控時，DG投切過程引起的定位結果變化都可以通過節點過流信息進行反饋［15］。當傳統電網進行管控時，接入DG后將使原先單向流動形式的故障電流轉變成了雙向形式，由此確定上述體現電流流向的定位方案。

DG投切后過電流流向方案見圖1所示。對圖1進行分析，當含有DG的電網絡下游分布電源存在短路故障時。當發生短路時，再以上行和與其它配電網絡的過電流進行試驗，這時已不能再由下游點探測到過電流參數，可以通過之前設計的策略并表示為信息矩陣形式。開展兩相短路和三相短路管控仿真，數據來源和及實驗環境參照文獻［16］方法。

2.2"" 含DG電網管控實現

將PMU方法應用于電網故障分析過程后，促進了檢測精度的顯著提升。對于包含DG電網進行測試發現，故障前后的負荷電流產生了明顯不同的相角。

圖2顯示了由DG構成的電網結構，其中，配電系統采用二級饋電方式供電。I pre為正常狀態的負載電流，I f1和I f2分別為F1狀態下C和A故障點的電流。電力系統正常運行下兩端母線電壓相位和幅度都很接近。由于導線長度不會造成阻抗角度的太大改變，由此判定該線路的各個區段阻抗角是相同的，將其表示為a，其取值范圍（0°，90°），電網運行中所產生的阻抗角為70°～80°。

當配網運行過程中發生三相短路時，可利用線路暫態電流相位組成等效線路，如圖3所示的短路等效圖。

其中，B點為檢測點，F1、F2都是故障點，在初期正常狀態下的載電流通過下述式子進行計算。

[Ipre=Vsa-VBjXb]

在F1點出現短路故障情況下，按照之前設定的正方向建立如下的短路電流計算式：

[If 1=-VDGjXa2+jXa3+jXa4]

當F2點存在短路故障時，構建以下的短路電流算式：

[If 2=VsajXa1+jXa2+jXa3]

切除DG后短路等效圖如圖4所示。B點上游F1故障時，短路電流未出現在檢測點。下游F2故障時，其周期分量pi相對I pre存在相位延遲的情況。對單相短路故障進行分析的過程跟三相短路分析方法相近，因此不再對其進行深入探討。

根據B處檢測結果可以發現，在F1、F2都出現故障后，故障電流相對前電流出現了超前的現象，產生故障時相對初始相量角形成的變化區間為（π， π）。以上結果表明，對于含DG的配電線路出現三相短路故障情況下，當某檢測點出現上下游故障點電流時，相對初始負荷電流存在相位角超前與滯后的狀態。

3"" 仿真分析

3.1"" 二相短路管控仿真

選擇圖5即由DG構成的電網系統進行分析，S代表系統的主電源，由于分布電源DG1與DG2投切過程也會引起配網定位結果的變化。本次選擇系統多種形式的短路故障開展仿真分析來驗證本方法可靠性，仿真結果如表1所示。

由表1可知，相位差對應的數量代表故障狀態下的正負相角與電流相角之差，負值表示故障發生后相位發生了提前的現象，而正值表示故障后相位提前的狀態。從表1還可看出，當（4）、（9）段發生故障時，并未觀察到點5的過電流，并且可以將點5的故障用“0”進行表達。當（4）段為“T”形時，其故障模式因位置的不同而形成了很大的區別。移除配電系統后，某些探測節點已不能判斷過電流，但仍可根據之前設定的判別準則進行判斷。

3.2"" 三相短路管控仿真

發生短路時，正、負相和負載電流之間存在差值，代表故障狀態［12］。表2給出了三相短路多種故障測試數據。

表2為不包含DG時測定段（3）下游的相位，當節點沒有過流時將故障表示為“0”，此時還有一些節點故障已經檢測不到，但是按照設定的標準還是可以進行判定。

3.3"" 信息畸變影響下的管控仿真

對存在三相與二相短路時并且沒有出現信息畸變的情況進行定位，判斷DG投切引起的定位結果變化。測試了系統短路狀態下的故障檢測性能，結果見表3。

由表3可知，在進行測試期間，當節點數據出現畸變后，對其進行修正能夠實現準確定位，“-”是在無結果情況下產生的特殊情況；當電源側區段出現故障并且末端節點出現數據傳輸畸變的情況時，通過信息修正能夠實現準確定位。根據表1～表3各參數可以確定，本文設計的管控算法和畸變修正方法滿足可靠性要求。

4"" 結語

（1）去除電源后已經無法檢測出過電流，依然能夠判斷故障發生的位置，采用本方法依然可以實現故障的準確定位；

（2）三相短路的定位根據兩相短路仿真的方式來實現，可以確定故障狀態；

（3）當電源側區段出現故障并且末端節點出現數據傳輸畸變，通過信息修正能夠實現準確定位，本文設計管控算法滿足可靠性要求。但當同一支路上兩區段同時發生故障時存在不容易被定位的問題，期待后續引入深度學習方法進行加強。

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