摘要：本文針對當前配電網的需求，對國內外在配電系統故障定位診斷方面已有的研究做出了深入的分析，構造出具有高容錯性、快速性、準確性的配電網故障定位技術。

    關鍵詞：配電網  故障定位

    0 引言

    要提高供電可靠性，首先必須有合理的配電網，即每一個電力用戶至少有兩個電源點給其供電，一旦一個電源點或傳輸線出現故障，此時通過控制可以由另一個電源點給其供電，從而減少停電時間，提高供電可靠性；其次就必須在配電網發生故障時，迅速確定故障區段，并將故障區段隔離、恢復非故障區的供電，從而減少停電面積。因此實施配電自動化的故障定位功能將可以減少停電時間、縮小停電面積，提高供電的可靠性。

    1 配電網的故障定位和隔離

    實現故障定位和隔離是配電自動化的關鍵技術之一，也是目前國內外的研究熱點。在配電網中，由于存在開關的誤動和拒動，因此不能直接根據開關的動作來判斷故障區段。實現配電網的故障定位主要有三種方式：一、基于重合器、分段器的故障定位；二、基于電話報修的故障定位；三、基于FTU的故障定位。

    1.1 基于重合器、分段器的故障定位 利用重合器和分段器的動作特性，通過設置重合器和分段器的動作次數、時間來實現故障定位的方法稱為基于重合器和分段器的故障定位。
    重合器是一種自具控制及保護功能的開關設備，它能按預定的開斷和重合順序自動進行開斷和重合操作，并在其后自動復位或閉鎖。

    分段器是一種與電源側前級開關配合，在失壓或無電流的情況下自動分閘的開關設備。當發生永久性故障時，分段器在預定次數的分合操作后閉鎖于分閘狀態，從而達到隔離故障線路區段的目的。若分段器未完成預定次數的分合操作，故障就被其他設備切除了，則其保持在合閘狀態，并經一段延時后恢復到預先的整定狀態，為下一次故障作好準備。
    基于重合器和分段器的饋線自動化，如圖1所示，通過設置重合器和分段器的動作次數、時間，結合重合器和分段器的特性，可以確定故障區段并隔離，恢復非故障區域供電；這種方式進行故障定位的過程當線路故障時，分段開關并不立即分斷，而是要依靠重合器的保護跳閘，導致饋線失壓后，各分段開關才能分斷。因此這種方式的故障定位模式存在以下缺陷：切斷故障的時間較長；由于必須分斷重合器，因此實際擴大了事故范圍；在進行恢復供電時無法實現全局最優網絡重構。

    1.2 基于電話報修的故障定位 基于故障投訴電話進行配電網故障定位的基本原理是較初期的原理，它是根據用戶電話號碼或用戶代碼搜索到與終端配電變壓器連接的資料，大致確定故障的位置，這種方法簡單經濟。目前在我國城市中，家庭電話擁有率逐步升高，另外，供電公司的營業管理系統中保存有用戶的有關信息，如電話號碼、用戶代碼與終端配變連接的資料，從而得到故障的信息。但如僅接到一個用戶投訴電話僅能確定該用戶的自身設備發生故障，接到多個投訴電話則可確定關聯配電設備發生故障，但實際上電話的更改、投訴電話的打或不打都可形成不確定。所以該方法簡單，但定位結果不精確。我國電話的普及率與國外有一定的差距，且電力用戶參與意識不太強，故在我國可作為故障定位診斷的輔助參考部分。

    1.3 基于FTU的故障定位 饋線自動化的首要條件是一次系統應該是環網結構、開環運行，實現網絡重夠的一次系統的硬件是變電站的出線斷路器和負荷開關，而要較好地實現網絡自動重構則要安裝具有遠方通信能力的現場監測和控制裝置（FTU）。FTU安裝在柱上開關處，如圖2所示。各FTU分別采集相應柱上開關的運行情況，并將采集的信息通過通訊網發送到遠方的配電自動化控制中心。各FTU還可接受配電自動化控制中心下達的命令進行相應的遠方倒閘操作。在故障發生時，各FTU記錄下故障前及故障時的重要信息，上傳到控制中心，經計算機系統分析后確定故障區段和最優恢復供電方案，最終以遙控方式隔離故障區段，恢復健全區段供電。

    利用FTU上傳的參數，經過運算實現故障定位的方法稱為基于FTU的故障定位。由于輻射狀網、樹狀網和處于開環運行的環網，判斷故障區段只需根據饋線沿線各開關是否流過故障電流就可以了。假設饋線上出現故障，顯然故障區段位于從電源側到末梢方向最后一個經歷了故障電流的開關和第一個未經歷故障電流的開關之間的區段。因此利用FTU上傳的各開關運行狀態通過計算即可確定故障區段。

    現在主要流行以下幾種比較典型的基于FTU的故障定位方法。
    文獻[1]首先根據網絡中開關的連接關系和假定的方向建立一個網絡描述矩陣D。從FTU得到有關故障電流及FTU的信息，并加入到D中對角線元素上，就可以得到故障判別矩陣Dp。依據Dp中的相關元素的值就可以快速而有效地判別出故障區域。該算法無需進行矩陣相乘的繁瑣運算，適用于單電源樹狀網或多電源復雜配電網，但僅限于單一故障下的故障定位，但當上傳信息中有畸變時FSD的準確率較差。

    文獻將配電網的饋線看作弧，將開關看作頂點，則饋線供出的負荷可以看作弧的負荷，開關流過的電流可以看作是頂點的負荷。定義歸一化負荷為弧負荷與額定負荷之比再乘以100，則故障區段顯然是歸一化負荷遠大于100的那些弧，這些弧稱為過熱弧。于是問題被歸為過熱弧搜尋問題。文獻將配電網絡的描述矩陣分解成只含耦合點矩陣和不含耦合點矩陣的方法，方便了過熱弧的搜索方法，便于計算機實現，但沒有考慮樹狀分支末端情況。

  文獻提出了一種新的統一矩陣算法。算法需構造網絡描述矩陣D，故障信息向量G及源點分布向量M，并根據D和G間相應元素的運算構造向量Q，同過分析P、Q定位故障區段。該算法適用于放射狀網絡、雙電源及多電源并列供電系統，對網絡中任何區段的故障都能做出判斷，但原矩陣算法FSD準確率較低的不足仍存在。

    現有的方法在故障判斷過程中存在有盲目搜索，當網絡拓撲結構復雜時會使搜索時間過長，不能適應快速性的要求；并且容易誤判、漏判、擴大判，使故障定位的容錯性差，直接影響了供電可靠性指標，如何在任何情況下都能確保故障定位的準確性，是有待深入研究的關鍵性問題。

    2 基于FTU的故障定位原理[4,5]

    本文故障定位算法的具體步驟:

①根據系統靜態數據和SCADA實時數據完成網絡拓撲；

②根據網絡拓撲結構建立網絡模型；

③實時地從SCADA系統中讀取有關故障警報和遙信信息，進行矩陣運算，判斷出故障位置；

④根據遙測信息、故障錄波進行輔助分析，判斷解出的結果是否正確。

    故障檢測的原理比較簡單，主要根據配電網一般為輻射狀，故障電流從電源點（或饋線首端結點）開始沿樹狀支路構成的連通路徑單一方向地流向故障區。因此，對故障饋線上的任一區段，如果故障電流不流入該區段的任何端點，或從該區段的一個端點流入并從另一個端點流出，該區段是非故障區段；如果故障電流只流入區段而不流出該區段，則該區段是故障區段。

    隨著FTU越來越廣泛的被應用到配電網的在線監測中，我們只需要對饋線上的每一個節點建立網絡模型，將FTU上傳的每一個開關是否有故障電流流過的信息作為判斷的依據。圖3a為電纜環網結構的FTU方案，進線和出線采用的均是負荷開關，進線開關為S1和S2，出線開關為S3和S4，都由FTU進行監控。為了便于建立模型，將該環網柜進行簡化，如圖3b所示。只有采集到足夠的樣本進行參考學習，才能形成可以診斷用的網絡模型，開關S1、S2、S3和S4均由FTU監控。

    前面提出的判別原理，根據每一個開關處流過的電流狀態，我們可以推斷出下面故障樣本集：

①如果只有S1處檢測到故障電流，則故障在開關S1和S2匯合部分區段；

②如果只有S1和S2處檢測到故障電流，則故障在開關S2右側；

③如果只有S1和S3處檢測到故障電流，則故障在開關S3外側；

④如果只有S1和S4處檢測到故障電流，則故障在開關S4外側。

    3 結束語

    論文在目前國內外配電網故障定位診斷方法研究現狀的基礎上，進行了歸納分類和概述，對基于FTU的故障定位技術進行了較為深入的分析。配電自動化雖然對FTU的要求較高，但由于巨大的市場潛力，已經吸引了國內的許多知名電力自動化設備廠家如南京電力自動化研究院、煙臺東方電子股份有限公司、許昌繼電器股份有限公司、北京哈德威四方股份有限公司等，他們正在大力研制適合中國國情的配電自動化設備FTU；同時也在不斷地改進和完善配電自動化的應用軟件功能。