智慧化电缆配电环网故障定位研究

智慧化电缆配电环网故障定位研究

杨引军

国网西安供电公司， 陕西 西安

摘要：衡量电力系统能否完成供电持续性的关键指标为供电可靠性，而配网自动化中，能够实现供电可靠的重要技术为故障的定位、故障隔离、故障恢复等，包括配电网闭环运行。但普通的配网自动化系统——DA(Distribution Automation)系统，只能应用于另一种模式（开环运行模式）中，无法直接的运用在闭环运行环境中。本文研究出一种新的对电缆配电环网故障（短路）定位、隔离的方法。先分析出一次、二次的电缆配电环网的基本构成，再对故障部位所变现出的相位特征，统一制定发送规则后，模拟出PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)环境，构建出新型的故障定位保护模型，进而可在两种模式下（开环模式、闭环模式）对电缆配电网的故障进行快速，精准的定位、隔离。

关键词：配电网络；闭环运行；配网自动化；正序电流故障分量

1引言

由于配电网的设备非常丰富，因此造成电环网故障的原因复杂，继而给实际中的故障维修工作带来了很大的麻烦，导致维修的过程复杂，停电的时间加长，用户的投诉率也会上升^[1]。近些年来，电子设备的使用率逐渐增高，如果发生短路故障，就会导致电子设备运行停止正常工作，甚至设备本身也会发生损坏，使用户的数据异常、严重丢失^[2]。根据相关的参考文献可以看出，繁多的故障种类中，短路故障造成的停电占绝大多数，基于此，配电网即为使供电更为可靠的主要因素^[3]。而开环运行模式在配电网中占主要地位，其次为闭环运行模式。相比于闭环运行模式，开环运行模式的操作更为便捷，开环运行模式的配置相对来说也较为简单。反观闭环运行模式，虽然能够将发生故障的位置，与相邻的位置隔离开来，但闭环运行模式的缺点在于，如果环网内的短路电流发生双向的流动，则原本的保护、控制设备的方法就无法再正常使用。

因此，本文针对于闭环运行模式下的这一状况，对故障的定位、隔离方法展开了研究^[4]。首先提出DA(Distribution Automation)技术，但此方法无法直接应用于闭环运行模式中，这种技术是对故障进行快速的定位、隔离，将停电的故障区域，不断地缩小，同时有效的降低停电的时间。继而提出另一种方式，即配电环网纵联保护三层实现模式。这种模式主要的缺点在于，受通信网络的影响，处理信息的速度可能较慢，如果通信网络出现故障，则也会影响处理故障的速度^[5]。因此，本文提出基于电缆配电环网结构，以及支持分布式能够智能控制的DA技术，能够在测定出不同故障位置时，分析正序故障分量的特征。最后构建出PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)模型提高供电稳定的可靠性，以此来快速解决短路故障带来的停电问题。

2故障处理方法

2.1故障处理规则

为了更为方便的实现配电自动化，即要进行故障处理规则的统一，才能使故障定位、隔离更快速，更精准的实现。针对于可能引起故障的原因，图1展示了快速诊断故障原因的流程图。

图1 诊断故障原因流程图

按照图1所示流程，可以快速的检查以及排除故障。首先排查出电磁换向阀的状态是否已经换向，使阀门快速制动，再次查看电磁换向阀；其次，检查故障的维修工人可以在收揽压力不变的情况下（18.0 MPa）将溢流阀的压强更换为6.5 MPa，以此来证明此压强下的溢流阀仍然可以正常工作；而后，使用电动铲运机车载压力表（A点压力）检查定压单向阀的压力差；与此同时，在B点测量放缆的压力值，使A点的压力值能够低于B点的压力值（保证范围为1.5MPa之内），由此说明单向阀无异常情况的产生；最后，检测电缆马达是否出现异常，有无内泄的情况产生。

2.2 故障定位动作逻辑

在闭环运行的模式中，上、下游的信号均可被智能终端所接收，采用快速计算的方法，就可以判断出是否需要采取行动。而当模拟环境为另一种模式——开环运行模式中，系统所呈现出的线路为辐射状。假设故障部位发生在上游的位置，则下游的位置会即刻停电，尚有发生故障位置的相邻智能终端，也无法接收到有效的数据信息，即整个系统都处于故障状态。

2.3 智能终端启动方法

在PSCAD的环境下，构建出相应的模型，则智能终端的启动电流公式为：

(1)

公式(1)中，智能终端的启动元件为电流突变量； 表示低压母线的有功功率（最大三相负载）； 表示可靠因数； 表示低压负荷功率； 表示低压母线额定电压；K_T表示环网柜降压变压器变比。

3结果

当处于闭环运行的模式下，故障位置、故障类型的不同所引发的正序电流故障分量相位差，以及电流突变量均不同，闭环运行模式下短路故障定位与动作结果如表1所示：

表1 闭环运行模式下短路故障定位与动作结果

由上表可以看出配电环网内部，故障部位不论发生在何处，周围所有的智能终端都会发生故障，同步信号，而相邻的环网柜内部的智能终端，在相位差统一的条件下，由于正序电流故障分量相位产生顺序的交换，因此可以判定故障发生的具体位置。基于此，设置出具有针对性的故障分离的方法。而这种故障定位、隔离的办法，在开环运行模式、闭环运行模式两种情况下同时适用。基于电缆配电网闭环运行的模式下，分布式控制技术所操控的智能终端就可以快速、有效的定位发生短路故障的位置，从而克服传统配电网由于负荷工作而造成的暂时性的停电。这种技术为配电网的短路故障提供了一种落实性强、准确性高的方法。此方法存在的不足之处为：需要依赖于能够正常运行的通信条件。若通信网络也发生故障，则故障将会进一步扩大，造成停电的时间进一步延长。这种问题可以利用同步数字体系下的自愈环网来进行解决，可以使通信网络的故障在较短的时间内进行正常的信息传递，此方法不需要人工干预就可以提高通信网络传递信息的准确可靠性。本文所研究的对故障定位、隔离的办法可以作为后备保护，可通过电流的保护从而获得实现。

4结论

开展本研究的主要目的为：在闭环运行模式的环境下，有效的解决短路故障带来的停电问题，进一步提高供电系统的稳定性，为故障的维修工作带来便捷性，并提高维修故障工作的速度。基于此，研究出了一种分布式的DA电缆配电环，网络故障的定位、隔离技术。传统的配电网普遍只能在开环运行模式下工作，保护、控制设备的方式较为简单，但如果用电负荷过高，则会引起短路故障造成的停电。为了提高供电系统的稳定性，本文所研究的新方式是在闭环运行模式的条件下，当出现短路故障时，智能终端会根据接收到的通信网络的信息，从而实现信息同步化，故障部位相邻的RMU（Ring Main Uint）会通过相位差来一步定位具体的短路故障部位，并且对故障部位进行隔离。通过模拟实验得出的数据可以发现，本文所研究的技术可以在开环、闭环运行模式的条件下，同时适用于配电网，具有很强的可行性。

参考文献：

1. 李志刚, 杨国练. 电力电缆故障原因及检测技术 [J]. 中国科技信息, 2022, (01): 58-59.

2. Shi X D, Liu Y, Xu X Y, ET AL. Online Detection of Aircraft ARINC Bus Cable Fault Based on SSTDR [J]. IEEE Systems Journal, 2020, 15(10): 2482-2491.

3. 王雷, 孔羽姝, 马宏宇, 等. 高速动车组电缆故障检测技术专利分析 [J]. 城市轨道交通研究, 2022, 25(02): 113-115.

4. Murugan N, Jaganathan S. Underground Cable Fault Detector Using lot [J]. Journal of Open Source Developments, 2019, 6(2): 3684-3688(5)

5. 赵洋, 尚英强, 李宁, 等. 基于不充分知识下的电缆故障检测与诊断方法 [J]. 自动化与仪器仪表, 2021, (12): 40-44.