基于5G通信的分布式配电网故障隔离方案研究_刘洪朕.pdf

基于 通信的分布式配电网故障隔离方案研究刘洪朕马静茹（国网新疆电力有限公司哈密供电公司）摘要：随着国家大力推进智能电网建设，配电网规模日益扩大，复杂程度日益加深，对配电网的安全性、稳定性、可靠性提出了更高的要求。本文提出了基于 通信的分布式配电网故障隔离方案，利用 通信的差动保护进行电流采样，再根据牛顿插值法提取同步数据，最后提取出同步数据中的线路差动电流，操作断路器动作，将故障线路隔离掉。经过试验验证，本文提出的故障隔离方案能够将故障线路进行快速隔离，降低故障平均停电时间，提高配电网的运行可靠性。该方法具备进行大规模推广应用的条件。关键词：通信；分布式配电网；故障隔离 引言配电网作为电力系统的重要组成部分，对于电能质量的提升至关重要，分布式电源的接入使得配电网具备了主动性，能够实现能量的自主调节，也从另一方面降低了配电网的运行可靠性 。传统的配电网电流保护策略存在一定程度的缺陷，易造成非故障线路误保护，扩大故障影响区域，降低线路保护灵敏度，已经无法从根本上保证配电网的可靠性 -。因此本文基于 通信技术，结合故障与方向数据，构建纵联保护机制，充分利用 通信信号覆盖度好、传输延时小的优点，实现故障的准确定位、快速隔离 。分布式配电网故障隔离原理基于 通信的差动保护，提取电流采样值，再以 .的频率向对侧传输电流采样值，再通过牛顿插值法对电流采样值进行同步处理，从同步后的电流采样值中提取出差动保护电流，动作断路器进行保护，隔离故障线路，完成故障隔离 -。这样就保证了现有差动保护与原光差保护采样频率的一致性 -。差动保护原理如图 所示。通信的差动保护由电流互感器完成电流采样，再将电流采样值传输到与之相连接的高速网关，由报文协议完成数据的发送，下属基站接收到保护指令后，通过控制电缆操作断路器完成跳闸动作，从而完成故障的定位与隔离 -。图 电流差动保护原理 差动电流处理方法.牛顿插值法原理根据牛顿插值法进行电流采样值的同步处理，在采集到每条线路的电流采样值后，结合传输延时得到每条线路测量的采样时间，分别得到采样值以及与其对应的采样时间，再根据相应的插值算法得到插值函数 。基于一个固定不变的时间序列，根据插值函数得到与其对应的函数值，由此便得到了新的采样值以及与其对应的采样时间，由此便完成了电流采样值的时间同步 。牛顿插值法的多项式表达为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，（）、（）、（）分别是基于采样时间 电气技术与经济 技术与应用 的离散化电流采样值。假设采样时间 固定不变，每个正弦波周期的采样点数为，且 .，此时的牛顿插值多项式可以变换为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）.牛顿插值法误差分析牛顿插值多项式具有独立性，针对于同一组数据中 次插值多项式（）和（），便存在（）（），残余项便是误差值，并且误差值是一致的，便得到了误差计算公式为：（）（）（）（）（）（）其中，（）为 （）在 情况下的三阶导数，并且满足 ，。配电网电流瞬态误差极限值为：.（）电流可以描述为直流分量加上谐波分量：（）（）（）其中，为谐波参数。.差动电流同步方法牛顿插值法的差动电流同步原理如图 所示。图 牛顿插值法差动电流同步原理通过牛顿插值法实现电流采样值同步的核心在于本侧接收对侧的数据时，根据对侧发送的报文中的时基数据利用牛顿插值法进行数据同步，求解对侧的采样时间，再按照本侧的时间间隔通过牛顿插值法完成同步采样，从而实现电流采样值的同步。分布式配电网故障隔离实现步骤从通过牛顿插值法得到的电流采样同步数据中检测线路的过流情况，存在过流现象时根据故障诊断策略进行分布式配电网的故障诊断与隔离。该故障诊断策略不需要对故障区域所在的分布式配电网进行停电操作，能够最大限度缩小停电范围，缩短故障停电时间。该故障诊断策略的执行步骤为：（）在经过牛顿插值法处理的同步电流采样值中检测差动电流。（）判断开关类型，如果为断路器则发送跳闸指令，进行故障保护，完成故障隔离；如果为负荷开关，则判断邻近开关类型，如果为断路器且存在过流现象，则发送跳闸指令，进行故障保护，完成故障隔离；如果为负荷开关，则启动报文发送值邻近开关，直到检测到出线过流情况的断路器为止，发送跳闸指令，进行故障保护，完成故障隔离。试验分析.试验一利用仿真软件模拟构建分布式配电网结构，假定配电网络中的线路 中的 位置在 .时发生 相单相接地故障，在 .时发生 相单相接地故障，此时配电网中出现异地异时两相接地故障，该线路中共包含有六个开关，该线路中全部六个开关检测到的过流情况及隔离情况见表 。表 开关过流情况及隔离动作情况开关开关过流检测及隔离动作情况开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 未检测到过流，不触发故障开关 未检测到过流，不触发故障开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离电气技术与经济 技术与应用 分析表中数据可知，在 .时刻发生的单相接地故障，全部的开关都没有检测到线路中出现过流的情况，在 .时刻发生单相接地故障时，此时的故障属于异地两相接地故障，开关 、开关 、开关 、开关 快速检测到线路的 相和 相中发生了过流，说明配电网中出线故障时，能够快速触发断路器动作，将故障进行有效隔离。.试验二利用仿真软件模拟构建分布式配电网结构，测试不用线路发生两点接地故障情况下，故障诊断隔离方案的有效性。假定配电网络中的线路 中的 位置在.时发生 相单相接地故障，线路 中的 位置在 .时发生 相单相接地故障，线路 中包含六个开关，线路 中包含三个开关。该两条线路中全部九个开关检测到的过流情况及隔离情况见表 。分析表中数据可知，线路 在 .时刻发生的单相接地故障，全部的开关都没有检测到线路中出现过流的情况，线路 在 .时刻发生的单相接地故障，开关与开关快速检测到线路 的 相中发生了过流，说明配电网中出现故障时，能够快速触发断路器动作，将故障进行有效隔离；开关 快速检测到线路 的 相中发生了过流，说明配电网中出现故障时，能够快速触发断路器动作，将故障进行有效隔离。表 开关过流情况及隔离动作情况线路开关开关过流检测及隔离动作情况线路 开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 未检测到过流，不触发故障开关 未检测到过流，不触发故障开关 未检测到过流，不触发故障开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 未检测到过流，不触发故障线路 开关 未检测到过流，不触发故障开关 检测到过流，触发故障，断路器，跳闸保护隔离开关 未检测到过流，不触发故障.试验三利用仿真软件模拟构建某地区分布式配电网结构，进行仿真并分析应用本文所提出技术后影响分布式配电网安全性、稳定性、可靠性的主要因素，并与实际运行数据进行对比分析，具体结果见表 。表 对比分析结果实际运行数据应用本文技术后仿真数据年份平均停电时间 环网率 停电半径 平均停电时间 环网率 停电半径 .应用本文所提出的分布式配电网故障隔离方案后，该配电网的平均停电时间、环网率、停电半径数据都有显著的下降，平均停电时间平均下降了接近 ，平均停电半径平均下降了接近 .，环网率平均下降了 左右。经过试验验证，采用本文所提出的配电网故障隔离方案后，配电网的安全性、稳定电气技术与经济 技术与应用 性、可靠性有了显著的提高。结束语分布式电源接入配电网一定程度上提高了配电网的主动性，但也导致了配电网复杂程度的加深，造成了故障隔离难度的提升。正是基于上述原因，本文提出了基于 通信技术的分布式配电网故障隔离技术，能够对分布式配电网的故障进行快速的诊断定位，并进行故障隔离，从而大大提高了配电网的安全性、稳定性、可靠性。目前 通信数据在传输过程中还存在偶发的不稳定性，这一点是需要后期进行深入优化的，对于进一步提高故障诊断隔离能力、加强配电网故障自愈能力有重要意义。参考文献 陈锦龙，杜江，郭萌，徐胜，熊国江基于智能分布式馈线自动化的配电网故障快速自愈方法 机械与电子，（）：-姜炜超，沈冰，李昀，李宁峰，刘军君基于 的含分布式电源智能分布式馈线自动化实现方法 供用电，（）：-于洋，王同文，谢民，张代新，孙伟基于 组网的智能分布式配电网保护研究与应用 电力系统保护与控制，（）：-宋志伟，马天祥，沈宏亮，顾浩基于 通信的智能分布式配电保护技术研究与应用 供用电，（）：-涂崎，甘忠，王彦国，孙天甲，金震一种基于通信保护融合的分布式电源切除方法 电工电气，（）：-张丽晶，郭上华，陈奎阳配电网多元化负荷接入和清洁能源消纳下的馈线自动化研究 电力设备管理，（）：-李兆拓，杨波，胡凯帆，陈春艳智能分布式馈线自动化系统在多联络配电网中的应用研究 电气应用，（）：-陈春，吴宜桐，李锰，曹一家，李勇基于网络拓扑有向遍历的配电网故障快速恢复方法 电力系统自动化，（）：-侯晓宁，陈羽，徐丙垠可扩展消息和在线表示协议在分布式馈线自动化中的应用 电力系统自动化，（）：-文安，黄维芳，邱荣福，徐骏，许健基于 和 无线专网的配电网自适应控制保护系统 电器与能效管理技术，（）：-黄维芳，金鑫，文安，徐骏，乔峰基于 无线通信的自适应分布式差动保护系统 电器与能效管理技术，（）：-郑龙全，韩卫卫，辛晓东基于对等通信网络的智能分布式自愈控制的研究 电工技术，（）：-（收稿日期：-）电气技术与经济 技术与应用