基于多频带分析的自适应配电网故障选线研究

基于多频带分析的自适应配电网故障选线研究

赵彩霞

国网山西省电力公司检修公司山西太原030032

摘要：配电故障选线是用于修复线路和保障可靠用电的重要措施，对于保证整个电力系统的安全运行具有重要作用。长期以来，国内外学者都在进行小电流故障选线的不懈探索，各种选线装置也广泛应用于电力系统中。然而随着配电网规划设计的不断复杂化，单一选线方法难以满足配电网线路故障精准定位的要求，多种方法融合的选线与定位一体化系统已成为技术上的必然趋势。本文简要分析故障选线和定位方法现状及存在的问题，提出基于小电流选线与故障定位与一体化的改进方案，以期为电力工作中进一步精确定位故障点位置提供一定技术参考。

关键词：多种方法融合；配电网选线；电网定位

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，社会用电需求不断增加，与此同时，人们对用电质量与用电可靠性的要求也越来越高。配电网作为电力系统中用户接受电能的最后一个环节，其运行的稳定性直接影响着居民的可靠用电，因此配电网的故障选线与故障定位检测是电力系统运行当中的重要一环。当配电网系统发生故障时，及时、有效地诊断出故障点，可缩小对非故障区的停电范围，减少国民经济损失[1]。因此，有效的配电选线方式，对于保障电力系统正常运行，保证人们用电安全具有重要意义。

一、配电网故障选线和定位方法现状及问题

1.1配电网故障选线研究现状及问题

随着现代科学技术的跨越式发展，配电网的故障诊断技术也在不断进步，理论研究日益深入，研究学者纷纷提出对该问题的数学表达和解决思路。在当前阶段，我国配电网故障选线主要基于零序电流的功率法、接地残留、小波分析法等原理的选线方法，并将神经网络、专家系统等各种智能技术融入到配电网故障选线中[2]。但随着配电网规划网络的日渐复杂，加上配电网小电流接地系统发生单相故障时过渡电阻具有不稳定性，因此这些现有的已开发出的单一选线装置也很难满足实际多变环境中的需要。

1.2配电网故障定位研究现状及问题

在故障定位技术上，国内外研究学者也对小电流接地系统故障定位，尤其是单相接地故障定位技术进行了相关研究，现有故障定位方法主要有三种：阻抗法、行波法、“S”注入法[3]。①阻抗法：利用线路长度与其电抗或电阻的正比关系，通过判定不同故障类型故障通路的阻抗来计算故障线路长度，以定位故障点的一种故障定位方法。它是在假定线路是理想的均匀线下成立的。用阻抗法进行配电网故障定位，优点是具有较大的灵活性，不受故障距离、故障类型以及过渡电阻等因素的影响，且投资少，缺点是阻抗定位法在实际应用中可能会受到路径阻抗、电源参数和线路负荷等因素的影响，稳定性较差，不适用于结构较复杂的配电网。②行波法：通过测量电力线路上的三项行波相位和幅值信息以判定故障相，然后根据电流和电压行波在母线和故障点之间的流通时间来计算故障线路长度的一种定位方法。该定位法的优点是装置结构简单、可操作性强，缺点是易受高频信号及噪声干扰，影响检测结果的准确定。③“S”注入法：通过测注入故障线路的交流信号，然后根据电流信号在故障支路中的路径及特征以判定故障距离和故障点的一种检测方法，优点在于设备装置简单，适用性加强，缺点在于注入交流电流的能量易受互感器的限制，影响检测效果。

二、多方法融合的配电网选线定位一体化方法探讨

随着配电网设计规划的日渐复杂，传统的单一配电选线方法已不适用于复杂多变的实际作业环境，加上未来配电网新能源电源的接入和国内农网的发展，使配电网网络更趋复杂，开发配电网选线与定位一体化系统已成为技术上的必然趋势。

2.1基于信号特征分析的小电流接地选线方法

输电线路发生故障，会引起电流、电压顺势在以故障在引起叠加，被称为暂态电流、电压。由于暂态电流、电压不受消弧线圈的影响，提出零序电流的暂态分量进行故障选线判别较基于稳态选线更灵敏可靠，因此本课题研究主要以暂态量为基础实现故障选线。

（1）暂态强度计算

本课题研究中对暂态信号强度的定义为：当故障发生时，以TI表示第一个周波内前半个周波的电流值与后半个周波的电流值的比值计算公式为：

I=1Nk-oNik2

上式中，N为计算点数，公式中表示半个周波的采样点数。

（2）谐波含量计算

由于小电流谐波含量不受故障过渡电阻的影响，因此在高阻故障情况下，谐波法可作为暂态量计算法的代替。本次课题研究考虑到消弧线圈对高次谐波的电抗较大，因此采用五次谐波计算方法对其进行设定，假设对基波电压有效值启动值定义为Vset_1，基波电流有效启动值为Iset_1，则五次谐波电压有效值启动值为：

Vset_5=Vset_1×2%

Vset_5=Vset_1×0.02%

五次谐波电流的有效启动值为Iset_5=Iset_1×0.02%

（3）整体工作流程

其基本算法主要按暂态选线算法、群体比幅比相算法、能量法的顺序进行选择。在暂态强度完成公式计算后，若TI>ζ（阈值）时，则可认为暂态量较强可基于该方法完成选线，若满足故障线路电流与健全电流线路电流相反，电压与母线电压相反，且相反幅值较大，则可认为选线正确。若结论相反，则暂态算法失效，采用稳态选线算法计算各通路信号的能量谱，若计算出五次谐波有效值大于整体值，则调用群体比幅比相法进行计算，得到最优可能的故障线路，反之，则采用功率选线方案输出故障线路号及选线概率。

2.2多方法融合的配电网单端故障定位方法

在目前配电网故障定位诊断中，考虑到中低电压等级变电站现场条件限制以及成本限制，因此多采用单端定位，其检测方法主要有阻抗法和单端行波法，但这两者方法都有其各自的弊端，因此本研究提出综合利用工频量/暂态量，频域法/阻抗法以及行波法相结合的配电网综合单端故障定位方法，其步骤主要分为：①对三相电流或电压进行相模变换，提取电压及电流量；②对三项电流进行Clark相模变换，同时结合线路长度进行主频提取；③采用频域法计算初始故障距离，确定初始故障点位置；④利用频域法计算结果结合抗阻法估算过渡电阻，并根据其结果决定时间窗类型；⑤对反射波进行识别，定位单圈行波故障。

三、自适应优化分配策略的流程与步骤

本文提出的自适应优化分配策略有以下几个限定条件：

1）分配给各抢修工作的应急人员能够完成该抢修工作。

2）应急资源能够满足所有抢修工作的需要，即其数量足够大。

3）各抢修工作由负责该区域范围内的应急队伍完成。

4）正在进行抢修工作的应急队伍要完成当前任务后才能去执行新的抢修工作，保证不会出现浪费应急资源的情况。

自适应优化分配策略的流程与步骤如下：

1）确定应急队伍及应急资源数量，划分各应急队伍的区域范围。

2）确定各应急队伍负责的抢修工作，包括其故障对象、故障点的负荷等级、每月发生次数、处理时间、所需的应急资源的种类及数量。

3）给定各抢修工作的负荷等级自适应指标和区域面积自适应指标的值，从而确定内部自适应指标的值。

4）根据公式计算各应急队伍的总的自适应指标值，当其值达到最大的时候就是最优的资源分配策略。

结语

随着配电网规模的扩大、线路复杂度的提升和人们对供电可靠性要求的提高，传统单一故障选线与定位模式已不满足于实际配电网故障诊断需要，在当前形势下，供电企业应积极探索多方法融合的配电网选线定位一体化模式，实现对配电网自动化系统的准确故障定位，起到有效隔离故障线路，提高恢复效率的作用，从更好地保障人们正常用电需求，为社会经济平稳发展提供可靠的能源支持。

参考文献：

[1]王涛.多方法融合的配电网选线定位一体化方法研究[D].华北电力大学（北京），2017.

[2]石峥.配电网故障选线系统与故障定位方法的研发[D].天津大学，2017.

[3]吴孝彬，徐士华，张伟.基于故障指示器多信息融合的简易配电网故障定位方法[J].科技创新与应用，2018（2）：75-76.