城市核心区智能配电网馈线自动化检测方法_杨继亮.pdf

2023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）城市核心区智能配电网馈线自动化检测方法Research on Feeder Automation Detection Method of Intelligent Distribution Network in Urban Core Area杨继亮（中铁建设集团有限公司，北京 100043）YANG Jiliang（China Railway Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100043，China）摘要：为提高城市核心区用电安全，解决现有智能配电网馈线自动化检测方法存在的检测性能低下问题，实现馈线自动化检测方法的优化设计。首先，根据馈线的空间结构和组成元素，构建城市核心区智能配电网等效模型；其次，在该模型下，实时采集电压、电流等运行数据，安装定向检测耦合器设备；最后，在硬件设备的支持下，输出智能配电网馈线自动化检测结果。结果表明：本文设计的检测方法，误检率和漏检率均低于 5%，位置检测误差低于0.3 m，具有良好的检测性能。关键词：城市核心区；智能配电网；配电网馈线；馈线自动化检测Abstract：In order to improve the electricity safety in the urban core area，solve the problem of low detection performance of the existing feeder automatic detection methods of the intelligent distribution network，and realize the optimal design of the feeder automatic detection method.According to the spatial structure and components of the feeder，the equivalent model of the intelligent distribution network in the urban core area is constructed.Under this model，operating data such as voltage and current are collected in real time，and directional detection coupler equipment is installed.With the support of the hardware equipment，the automatic feeder detection results of the intelligent distribution network are output through the steps of automatic feeder fault detection，position detection，automatic feeder isolation and power supply recovery.Through the performance test，the false detection rate and missed detection rate are less than 5%，and the position detection error is less than 0.3 m，that is，the design method has good detection performance.Key words：urban core area；smart distribution network；distribution network feeder；feeder automatic detection中图分类号：TM 764 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）03-0043-061前言城市核心区智能配电网是直接面向城市的用电用户的供电网络，与传统配电网不同，智能配电网能够实现配电数据通信、远距离测量等功能，为用电用户提供更高质量的电力，因此在城市核心区域逐渐取代传统配电网，实现智能配电网的全面覆盖1。馈线即电缆线，主要起到电力输送的作用，馈线的质量直接决定了智能配电网的运行质量。为了提高城市核心区智能配电网的供电可靠性，提出了配电网馈线自动化检测方法，利用自动化技术实现配电馈线发生故障时的快速定位，并针对故障区域采取定位与隔离处理，快速恢复同配电网中其他非故障位置的供电，从而为电力用户提供更为优质的电能。当前配电网馈线自动化检测方法虽得到快速发展，但在实际应用中依旧存在诸多问题，主要体现在馈线故障位置检测错误、隔离与恢复供电的速度慢等方面。为解决上述问题，在现有检测方法的基础上，对其进行优化设计，以期能够提高检测方法的检测性能，进一步保证智能配电网安全、稳定地运行。2城市核心区智能配电网馈线自动化检测方法设计2.1构建城市核心区智能配电网馈线等效模型根据城市核心区智能配电网的空间结构和组成元素，构建相应的等效模型如图 1所示。图 1 中：S1和 S2分别为断路器；RMU 为馈线的负荷开关；Aij为馈线分段开关；Bi为各分支线开关。在正常状态下，城市核心区智能配电网馈线的运行满足如下关系式：iL=UnR1+R3+(UR1+R3-UnR1+R3)e()nR1+R3tL（1）43Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control式中：U 为智能配电网的电压值；n为馈线支路的数量；R1、R3分别为馈线线路电阻和配电网上电阻器的电阻值；L、t分别为馈线长度及其连续运行时间。式(1)计算得出的结果为配电网馈线的通过电流值2。为了保证馈线自动化检测精度，需要在构建的等效模型下，对其故障类型以及特征进行具体分析。以馈线接地故障为例，其故障特征如图 2所示。图 2 中，UN为两测端电压；Id1、Id2、I d1、I d2分别为接地馈线的入线电流和出线电流；l为馈线长度；Ig、Rg、If为极址电流、电阻以及故障电流。从图 2 中可以看出，由于故障点 F处没有接地电阻，故障线路电流Id2在故障点进入大地，非故障线路电流Id1不会全部在故障点 F处产生接地电阻。此外，金属性接地使接地极系统的总等值阻抗显著减小，中性线母线电压明显下降。当故障线路阻抗减小时，故障线路电流将显著增加，而非故障线路电流将减小，2 条线路电流差异增大3。另外，当配电网中的馈线出现短路故障时，其电流特征可以表示为i(t)=2Uxns|cos etTs-cos(t+)etTr|（2）式中：xns为短路设备的次暂态电抗；T s、T r分别为短路设备定子、转子次暂态分量的时间常数；为馈线电压的相角。同理可以得出，智能配电网其他类型故障的特征分析结果，并以此作为馈线检测的比对标准。2.2采集智能配电网馈线实时数据为了保证智能配电网馈线在发生故障时至少有一个硬件装置能够检测到其运行参数，构建可观测矩阵，其表达式如下：Ms(i,j)=|ms(1,1)ms(1,2)ms(1,f)ms(2,1)ms(2,2)ms(2,f)ms(i,j)ms(n,1)ms(n,2)ms(n,f)（3）其中，任意一个测点元素ms(i,j)的求解公式为ms(i,j)=|1,Vs(i,j)Vst0,Vs(i,j)Vst（4）式中：Vs(i,j)、Vst分别为故障点 j 发生故障时，反映到节点 i的电压幅值和电压降的阈值；s为不同类型的故障；n为节点数量；f为故障发生的位置。按照上述方案在研究的智能配电网馈线上设置测点，并安装数据采集设备，通过对实时数据的采集、传输与读取统计，完成智能配电网馈线实时数据的采集任务。2.3安装定向检测耦合器定向检测耦合器是三端口网络，无源、可逆。从输入端输入后，分别从输出端输出，利用这一特性对信号进行采样。在理想的条件下，定向装置可以将正向波与反向波完全分离4。所装定向检测耦合器的检测思想是将耦合器以反向形式连接到配电网馈线上，对入射信号和反射信号分别采样，进行检波、比较，并可视化输出。耦合器的基本结构和反接方式如图 3 所示，通过定向检测耦合器的安装，为馈线自动化检测提供硬件支持。图 2馈线接地故障电流流向特征图 1配电网馈线等效电路 442023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）2.4实现城市核心区智能配电网馈线自动化检测智能配电网馈线自动化模式包括集中馈线自动化和就地式馈线自动化。集中馈线自动化模式是指利用光纤通信和 GPRS 无线通信技术，使主站系统与配电网终端 FTU 通信，通过主站系统软件接收终端信号，进行故障的自动诊断与识别，软件会定位故障所在的区段位置。然后主站再通过光纤通信和 GPRS 通信，远程控制实现故障区段的自动隔离和网络优化重构。对于就地馈线自动化，可以采用重合方式和智能分布方式。在重合器就地控制模式下，通过开关的多次重合闸，实现故障区段的快速恢复和非故障区的供电恢复。利用现场设备之间的信息比较和故障区段信号的差异性，现场设备自动跳开负荷开关，对故障区段进行自动隔离，再通过出线断路器、联络开关等其他装置实现非故障区段的恢复供电5-6。根据上述配电网馈线的自动化原理，在定向检测耦合器的支持下，以实时采集的馈线运行数据为基础，实现馈线运行状态和故障的检测，并针对不同的故障类型采取相应的应对措施。2.4.1馈线故障自动化检测通过馈线正极电压上升时间和下降时间的比值来识别故障线路，用时间比的方法扩大线路与非故障线路电压在时间特性上的差异，从而更加可靠地识别双极故障线路。设定故障后第一个行波时间内，线路正极电压下降经历的时间为td，电压上升经历的时间为tr，则电压上升和下降时间之比为kt=trtd（5）因此，利用式(5)计算的结果，结合配电网不同故障类型的特征作为检测故障馈线和非故障馈线的依据，可将检测判据量化为kt kset（6）式中：kset为检测阈值，该变量的具体取值由故障类型运行特征决定。在实际的故障检测过程中，用时间比测定电压的第一次下降和电压上升的时间，考虑到故障检测的快速性要求，可以采用电压差法确定电压下降和上升时间。如果线路与故障线路没有直接联系，双极线故障行波的波头在换流器位置已经被削弱，其电压下降时间将进一步延长，其kt值将变小。所以，每台变频器的单端检测，若直流故障线路的kt值大于阈值，其他非故障线路的kt值都不大于阈值，能够实现单端故障的双极检测。2.4.2馈线故障自动化定位假设故障发生点距电缆左端检测点的长度为x，则电缆左端检测到的馈线故障信号到达其左端和右端电压波形过零点的时间差分别为ta=t1+txtb=t2+tx-t0（7）式中：t1、t2分别为初始故障信号被两端测点检测到的时间；tx、t0分别为馈线首个电压过零点及其两端电压过零点的时间差。故障行波的波头到达左、右两端时差与故障点的关系可以表示为t=|2x-lv|=|t1-t2|（8）当故障点位于智能配电网馈线中心左侧或右侧时间，该点与左端测点之间的距离可以表示为|x=(1-tv)2,xfault xcore（9）式中：xfault、xcore分别为故障点和馈线中心点在 x方向上的坐标；v为信号的传输速度。结合式(7)表示的ta、tb和t1、t2、t0之间的关系，可以直接确定故障点与配电网馈线中心之间的位置关系，并输出最终的故障定位检测结果。2.4.3自动化馈线隔离与供电恢复根据智能配电网馈线故障位置的检测结果，针对不同的故障位置，采取相应的自动化隔离程序。当馈线的电源开关位置发生故障，则控制电源开关及其所有相邻开关跳闸，关闭电源开关重合功能；在站出线区段发生故障时，立即跳出开关，其相应的 STU 控制开关保持在分闸状态，同时将有故障电流通过该开关的信息传送给相邻 STU，控制相应开关断开隔离故障。如在主干线上出现故障，则通过开