摘要：配电网作为电力网的末端，直接与用户相连，假如其出现了异常故障，那么会直接影响到社会生产，同时在很大程度上也会对人们的生活造成影响。本文对配电网的构成、配电网故障诊断的意义进行了简要介绍，并通过研究近年的参考资料和文献重点总结了针对配电网故障选线、故障定位、电能质量扰动的技术。这些技术在面对当前频繁出现的配电网故障时能够体现出很好的效果。
关键词：配电网；故障诊断；故障选线；故障定位；电能质量扰动
1 引言
根据相关权威部分的数据统计，在电力系统中，有超过八成的故障是在配电网中产生的。所以，构建具有较高自动化水平的配电网故障诊断系统具有重要意义。进一步研究配电网故障诊断，不但能够使得电网故障处理水平能够得到显著提升，同时还能够有助于构建一个更为可靠的配电网管理系统，在很大程度上提高电力系统的供电质量[1]。
本文将配电网故障选线、故障定位以及配电网电能质量扰动分析纳入配电网故障诊断体系。作者通过总结近年国内外科研成果，对电力系统配电网故障诊断技术方法做了一个初步总结。
2 配电网综述
2.1 配电网
对于当前的电力系统而言，规模较大的发电厂通常和负荷中心距离较远，由发电厂所输出的电能通常情况下要利用到高压输电网络来进行输送，到达负荷中心之后，再通过电压等级相对较低的网络将发电厂所输出的电能分配至用户处。上述所提到的这个网络就是目前广泛使用的配电网，其是通过电缆、变压器等一系列设施所构成的，核心的作用就是在发电厂或者是输电网处进行电能的获取，同时构成具有多个层次的配电网络，最终把电能分配至用户处。
2.1.1 配电网的特点
（1）一般情况下为了能够使得供电可靠性得到显著提升，对于目前的配电系统而言，在进行设计的过程中，都会使用一种闭环结构，对于配电馈线而言，都是利用联络开关来实现连接。同时为了能够便于定位故障点以及整定继电保护，通常情况下，对于配电网的结构而言，均是呈现出严格的辐射状。
（2）在配电系统中，包含有很多类型的线路，对于这些线路而言，相比于输电线路来说，电阻和电抗之间的比值要大，同时并联电导以及容纳的大小较小，通常来说都被忽略掉。
（3）在配电系统里面，包含有很多的重合器以及环网开关等设备，同时这些设备是沿着配电馈线进行分布的，一般来说，这些设备都是处于比较恶劣的环境下进行工作。
（4）对于配电系统而言，其密切关联着用户的用电情况，所以配电系统一般都是处在一种三相不平衡运行状态。
（5）对于配电系统而言，其无需对电力系统的暂态稳定性进行过多的考虑，同时针对于负荷的动态特性也无需过多考虑。
（6）对于目前所使用的配电网而言，其还具备一个特点就是，针对于6～66KV这个等级范围的配电网来说，通常情况下所使用的接地方式主要存在两种，其中一种是中性点不接地，另外一种就是经消弧线圈接地。对于该系统而言，严格的说其为小电流接地系统。对于这种接地系统而言，所出现的故障大部分均为单相接地短路故障[2,3]，这种故障最大的一个特点就是当出现单相接地故障的时候，并不会构成一个低阻抗短路回路，具有较小的故障电流，也就会使得电网线电压还是处于对称，可以实现一段时间的供电，能够看得出来系统的可靠性很高。特别是出现了瞬时故障的时候，对于短路点而言，能够自动的进行灭弧，同时恢复至绝缘状态，使得供电的连接性得到了确保[4]。
2.1.2 故障诊断的信息源
对于配电网而言，当其出现故障的时候，第一时间所能够反映出来的变化量有两个，一个是电网各节点电压，另外一个是电网各支路电流，然后就是配电网中保护装置按照电气量信息对故障进行判断之后所形成的报警信息或是保护动作信息，在最后所反映出来的信息包括两个，一个是保护跳开产生的开关信息，另外第一个是隔离故障的时候产生的断路器动作信息。对于配电网而言，其故障诊断系统使用的信息源主要包含三类：测控-变电站自动化系统信息、保护信息以及录波信息。配电网故障诊断系统框架如图1。
图1 配电网故障诊断系统框架
Fig.1 Framework of Fault diagnosis system for Distribution Network
2.1.3 故障诊断的内容
对于配电网的故障诊断而言，其主要包含以下几项内容：故障隔离与重构、故障选线、配电网电能质量扰动分析以及故障定位。
2.1.4 故障诊断的目的和意义
对于配电网的故障诊断而言，其核心目的是：在配电网出现故障或者是非正常运行的时候，能够以很快的速度将应进行隔离的区域以及需要进行操作的开关进行相应的模拟，同时按照具体的停电情况在第一时间将故障隔离之后的最优恢复方案提供出来。在发生故障之后，快速的进行诊断同时实现配电网的供电恢复，可以在最大限度上使得停电时间以及故障所带来的的影响降低到最低，同时还能够使得相关供电部门的故障处理水平得到大幅度提升，从而保证配电网的可靠供电。同时通过电能质量扰动分析，给出全面的扰动分析结果，能够针对于治理扰动与制定决策两方面工作进行科学依据的提供，从而确保电力系统的安全运行以及电力的优质供给。
3 配电网故障诊断技术
3.1 故障选线方法
3.1.1 基于故障稳态信息的选线方法
零序电流幅值法：对于中性点不接地电网系统而言，当其出现单相接地短路故障的时候，通常情况下在针对于故障线路进行选择的时候，都是通过故障线路的零序电流幅值大小相对于健全线路更大的特征来实现的，或是通过故障线路零序电流最大的特征来实现[5]。
零序电流幅值相位比较法：对于中性点不接地系统而言，其中的基于故障线路零序电流所流动的方向相对于健全线路来说是完全相反的，所以按照这个原理，选择和健全线路相位方向为完全相反的那条线路就是发生故障的线路。
谐波法：对于故障线路或者是设备而言，其具有一定的非线性，而正是由于非线性的特点就会形成一定的谐波电流，对于故障线路而言，其五次谐波电流，相比于健全线路而言，要大，同时方向是完全相反的，通过这一特点便能够对故障线路进行确定。
负序电流比较法：对于该方法而言，在针对于故障线路进行选择的时候，主要根据两个方面，一方面是根据负序电流来进行选择，如果线路的负序电流大小大于相应阀值大小的话，那么其就是故障线路，另外一方面是根据负序电流幅值来进行选择，幅值大小最大的那条线路就是故障线路[6]。
3.1.2 基于暂态信息的选线方法
基于小波与小波包分解算法：对于该方法而言，能够通过小波包来分解零序电流，将能量最为集中的若干个频段选择出来，然后通过对小波包分解系数的极性来针对于故障线路进行一个判断，对于这种方法而言，最大的优势就在于能够针对于分解之后能力分布分散的问题进行解决，同时将能量最为集中的若干个频段选择出来，能够针对于单个频段选线准确率较低的问题进行有效的解决。通过小波或者是小波包来分解暂态故障电流，然后将最具有暂态故障特征的频段选择出来，利用小波包分解系数极性比较的选线方法相对来说具有很高的准确率。
暂态零序电流极大值法：在这种方法中，首先进行了一个参数的定义，将系统特征时刻这个参数定义成零序电流暂态极大值最大的那条线路发生时刻，并且在这个时刻将每一个零序电流值进行取出，然后按照这一点零序电流所对应的的正负对故障线路进行选择，如果具有一样的符号，那么就是母线故障，对于这种方法而言，最大的缺陷就是容易受影响于噪声。
智能算法：对于模糊神经网络方法而言，其是结合力若干种方法，同时对其进行了改进，将仿真所得出来的结果带入到相应的计算公式里面得出样本，然后再把样本送到模糊神经网络里面进行相应的训练，从而对故障线路进行选择。当然目前很多学者开始研究多种方法融合的选线算法，包括遗传算法和模糊理论两者之间的融合等等[7]，但是目前这种融合方法还处在一个前期的研究阶段，大部分都是通过所融合的算法所积累下来的数据进行经验函数的构造，通过融合算法进行处理。
能量函数法：在这种方法中，定义了一个函数叫做零序能量函数，所指的就是线路零序电流大小与零序电压大小之积的积分，通常情况下，在对电流参考方向进行了考虑的话，那么对于健全线路能量函数而言，通常都是比零大的，而对于故障线路而言，其能量函数都是比零小的，其绝对值的大小是别的健全线路的总和，从而实现对故障线路的选择。
3.2 故障定位方法
3.2.1 基于矩阵运算的故障定位方法
对于这种方法而言，其一般情况下是通过配电自动化里面的FTU以及RTU上送的电流越限信息来针对故障信息矩阵进行构造，然后再通过电网拓扑以一个较快的速度来定位非单相接地故障的位置。矩阵类型有网络描述矩阵、故障信息矩阵、故障判断矩阵[8]。
3.2.2 基于过热弧搜索的故障定位方法
对于过热弧搜索算法而言，其具有相对较为简单的原理，同时还能够提供较为详细的故障程度，目前已经广泛的运用在实际电网中了。这种方法主要有五个步骤：配电网建模，配电网络拓扑，通过分离支接点区域、点弧变换获取弧的负荷，从配电网简化模型中提取参数，判断故障区域。
3.2.3 基于人工智能的故障定位方法
为保证故障定位方法在FTU上送的信息存在畸变或者丢失时仍能实现准确定位，可以通过FTU所上送的过渡信息把我们需要解决的定位问题转变成经典的0-1整数规划问题，之后再通过相应的优化算法来进行求解，如粒子群算法[9]、蚁群算法、遗传算法等，该领域的研究也在不断发展，各种新的算法不断涌现，各有特色，不一而足。
3.2.4 基于注入法的故障定位方法
对于该方法而言，其原理主要是发生故障的时候，自行的往电力系统里面进行区别于工频交流的定位信号的注入，然后再通过注入的该定位信号对电力系统的故障点来进行精准的定位。该方法包括五种方法，分别是中性点脉宽注入法、加信传递函数法、S注入法[10]、端口故障诊断法以及直流注入法。
3.3 配电网电能质量扰动分析
对于电能质量问题而言，其根据形成以及持续时间的长短被分成两大类问题，其中一类是稳态电能质量问题，另外一类是暂态电能质量问题，对于前者而言，相关的研究已经比较深入，但是由于目前投入了很多的微型处理器以及电力电子设备，造成暂态电能质量问题越来越为严重。对于暂态电能质量问题而言，其大体包含有电压暂升、电压中断、瞬时脉冲、电压暂降以及振荡暂态。
3.3.1 电能质量扰动检测方法
时频域分析方法：时频域分析方法即通过信号的时频分析如短时傅里叶变化、小波变换、S变换、Hilbert-Huang变换等提取信号突变的幅值、时间、频率等联合信息。对于小波变换法而言，其工作原理主要体现在具备一种多分辨率分解特性上，根据这个特性能够通过Mallat的多分辨率分析算法，同时利用针对于分析尺度所进行的持续改变，能够多角度的分析信号，同时将信号处于各种频带里面的形态揭示出来，完成信号在频域以及时域里面的精准定位，利用小波变换的模极大值原理可以确定扰动信号的突变点。对于Hilbert-Huang变换而言，其主要的原理是利用一种所谓的经验模态分解（EMD)方法实现一个平稳化的处理，从而获得若干个本征模函数（IMF),然后再针对这些本征模函数实现所谓的Hilbert变换，通过瞬时频率的大小以及幅值的大小针对于信号的突变时间长短、各频率分量的大小以及幅度来进行检测。
预测残差法：预测残差法是利用信号模型或神经网络的预测值与实际采样值的残差来提取扰动的突变特征，即预测残差的极值点对应着扰动信号的突变点。一方面，通过建立信号模型（如衰减正弦信号或自回归模型），采用MUSIC等信号参数估计方法或卡尔曼滤波器，利用扰动发生前的采样数据估计的预测值与实际采样值相减得到预测残差；另一方面，神经网络进行训练后也可作为信号预测器，
3.3.2 电能质量扰动识别方法
所谓的电能质量识别，其所指的就是判断电能质量扰动的类型，及时准确地对配电网电能质量扰动进行分类是制定电能质量改善措施的重要依据。
从当前的研究成果来看，电能质量识别问题的核心思路就是首先针对于信号，完成特征的提取，然后通过分类器进行分类识别。电能质量扰动识别典型流程如图2所示，研究的重点在于寻找好的特征提取手段以及设计性能优良的分类器[14]。
图2 电能质量扰动识别典型流程
Fig.2 Typical process of Power quality disturbance Identification
3.3.3 电能质量扰动源定位方法
想要针对电能质量扰动问题进行有效的解决，第一步需要做的就是监测和识别扰动，同时针对于扰动源进行定位，第二部就是通过一定的措施对扰动进行缓解，或者是将扰动源进行移除。随着现代电力电子设备的广泛应用，电力系统中电容器投切会造成一些线路电压或电流的高频暂态，损害敏感器件；另外，电压暂降也成为用户投诉的主要电能质量问题之一。因此，近年来电容器投切及电压暂降日益成为了电能质量领域里面的重点问题了。就现在来看，针对于配电网电能质量扰动源的定位研究大体是针对这两类最常见的扰动，针对于电容投切源以及电压暂降源来实现定位，对于用来进行定位的信息而言，主要是来源于联网所获得的的监测信息。
4 结论
配电网故障诊断是一个多层次、多种类问题的求解过程。配电网故障体系主要包括配电网故障选线、故障定位以及电能质量扰动分析。对配电网故障诊断的深入研究，一方面能够使得相关供电部门的故障处理能力得到有效提升，另外一方面还能够有助于快速的构建出一个可靠的配电网管理系统，使得供电质量能够得到显著提升。对于未来我国的配电网而言，想要实现有效发展，那么在政策方面，就一定要和当前的国情进行有机结合，针对相关政策进行合理的制定，并且要大力投入相关的科学研发；而在技术方面，一定要和目前有效的管理方式以及先进的科学成果实现有机结合，从而实现对当前技术瓶颈的突破。
参考文献:
[1]刘怀远. 电力系统配电网自动化现状及前景分析[J]. 信息系统工程, 2017(2): 165-167.
[2]Khakimzyanov E, Mustafin R, Platonov P. Method of fault location for double line-to-earth faults in distribution networks[J]. Engineering Science and Technology, an International Journal, 2016, 19(4): 1668-1671.
[3]Kang Z J, Liu R Y, Cao Y. A fault location method for single-phase grounding fault in distribution network[C]//27th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), Qingdao, China, 2015: 5534-5539.
[4]尹慧阳, 舒恋. 配电网单相接地故障定位综述[J]. 陕西电力, 2012(10): 35-39.
[5]刘金龙. 配电网故障选线技术综述[J]. 黑龙江科技信息, 2014(33): 48-48.
[6]曾祥君, 尹项根, 张哲, 等. 配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究[J]. 中国电机工程学报, 2001, 21(6): 84-89.
[7]侯玉琤, 束洪春. 配电网故障诊断方法综述[J]. 云南水力发电, 2007, 23(4): 13-17.
[8]李高容. 配网故障诊断技术研究[J]. 电子技术与软件工程, 2015(4): 244-244.
[9]陈乐瑞, 郑向歌. 基于改进粒子群算法的配电网故障定位技术研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2015(3): 121-122.
[10]郝建强. S注入法的配电网故障定位的研究[J].电力学报, 2011, 26(2): 124-126.
作者简介
胡启昊 男，1997年生，本科生，研究方向为电气工程及其自动化。学号：16291057。
论文作者:胡启昊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：故障论文; 电能论文; 配电网论文; 电流论文; 线路论文; 方法论文; 故障诊断论文; 《电力设备》2018年第31期论文;