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1、第六讲电网故障诊断,背景资料,新华社北京2005年6月13日电，为借鉴、吸取北美“814”大停电以及莫斯科“525”大停电事故的教训，根据国务院领导批示，国家有关部门正联手采取措施，加强电网建设，健全应急机制，确保我国电力供应安全。,背景资料,前年年初的南方大雪灾,16个省,贵州,湖南,江西特别大.大雪压断高压线铁塔,北方支持南方.全国听从中央.事后评论:1.加强电网建设,从输电线路上避免事故;2.加强故障分析和诊断能力,把事故消灭在发生时.,背景资料,解决办法:1.线路断在那里?-输电网故障诊断。技术的重视和应用。人海战术。2.线路设计水平为多少年为合适?-50年?100年?要增加投入。3.
2、线路如何化冰?-震动器、加热器、甚至机器人。科技发展和发明。,输电网故障诊断,概述 基于优化技术的故障诊断3.输电线路故障测距技术,一.概述 电网故障诊断的意义,现代电网的规模、容量和覆盖范围越来越大，在国民经济和人民生活中占有重要的地位，因此故障停电将会给社会生产和人民生活造成重大的经济损失,SCADA?(四遥功能)、EMS(高级应用软件)?为调度员对电力系统进行监测和控制提供了的手段,问题:什么是四遥?遥测.遥讯.遥调.遥控?什么是五遥?+遥视什么是高级应用软件?潮流计算.状态估计.网络拓扑.负荷预报.AVC系统.,电网故障诊断是调度员处理事故的辅助工具，可以起到缩短事故处理时间，防止事故
3、扩大的作用.相当于今天许多部门设计的”事故处理预案”.,准确性要求:(1)所用的信息是否完整、准确(2)所用的方法是否可靠,故障信息的获取,(1)电网遥信信息：断路器、隔离开关动作信息（时间、次数）(2)电网遥测信息：电压、电流及有功、无功功率测量值(3)保护时间信息：不同规约的保护动作信息(继电器是否动作?)(4)顺序事件记录信息(故障录波仪),对解决电网故障要求,算法：一定的容错性(鲁棒性,有识别能力)过程：,故障征兆信息可分为三层：一.故障的电气量信息;如电压,电流二.由故障电气量变化引起保护动作信息;如过电流保护三.由保护动作而引起相应开关动作信息如线路出口开关动作.,故障征兆信息,分
4、析处理,故障位置,电网故障诊断就是利用保护和断路器的动作信息识别发生故障的元件和误动作的保护与断路器，其中故障元件（断路器）的识别是关键问题.,二.基于优化技术的故障诊断,电力系统故障诊断就是要找出最能解释警报信号的故障假说。找到故障位置。,故障区域的识别,电力系统故障继电保护动作隔离故障元件孤立无源网络识别拓扑结构故障后的无源网络(故障区域),通过实时网络结线分析含源区域 正常停运区域 被波及区域 故障区域,01整数规划,基于优化技术的故障诊断方法，其思想是根据保护动作原理将故障诊断问题表示为01整数规划，然后用优化方法求解,01整数规划,表示元件的正常或故障状态（如：变压器）保护的未动作或
5、动作状态（如：过电流保护）断路器的未跳闸或跳闸状态（如：变压器进线开关）其中:0-正常.未动作.未跳闸 1-故障状态.动作状态.跳闸状态.,输电线路故障测距,准确的故障测距有助于管理人员快速的确定故障的地点，减少维修人员巡线检查的时间，节省大量的人力物力，加快线路的恢复，及时供电，减少因停电造成的经济损失。例如:山区巡线;,输电线路故障：瞬时故障 永久故障 绝缘击穿,输电线路发生故障后，必须快速、准确地进行故障定位，及时地发现绝缘隐患,输电线路故障测距的主要方法根据原理的不同大致分为两类：阻抗法和行波法,电力系统故障分析,阻抗法,建立在工频电气量的基础上，通过建立电压平衡方程，利用数值分析方法
6、求解得到故障点和测量点之间的电抗，由此可以推出故障的大致位置(50米内).,根据所使用电气量的不同，阻抗法分为单端法和双端法两种.,利用单端数据的测距方法,单端法的本质是根据测距端的电压、电流之间的关系，从中消去未知量，得到含故障距离 的测距方程。,为零序电流补偿系数,在实际应用中单端阻抗法的精度不高，特别容易受到故障点过渡电阻、对侧系统阻抗、负荷电流的影响。而且算法往往是建立在一个或多个假设的基础上，而这些假设常常与实际情况不一致，因此单端阻抗法存在无法消除的原理性误差,利用单端数据的测距方法,利用双端数据的测距方法,双端法利用了线路两端的电压、电流，列出从线路两端至故障点的电压方程，从中得
7、到测距方程,根据双端数据采样的同步与否，双端测距法可以分为两类：基于双端同步采样数据的算法；不需要两端数据采样同步的算法,基于双端同步采样数据的算法,这种方法利用外部时钟系统使双端数据采样同步，然后直接进行计算,已知均匀输电线路始、末端电压、线路上任一点的电压为,双端法利用了线路两端的电压、电流，这使得信息量大大增加，方程数目有足够的冗余度，可完全消除过渡阻抗对测距精度的影响，且不受故障类型和系统阻抗的影响，提高了对系统运行方式的适应性，能够保证较高的测距精度，在原理上可以实现精确故障定位,行波法,当输电线路发生故障时，将产生由故障点向线路两端母线传递的暂态行波，包括电压和电流行波，这其中包含
8、着丰富的故障信息。通过分析故障行波中包含的故障点波头信息，就可以计算出故障发生的位置,根据使用行波量的不同，行波测距原理可分为A型、B型和C型三种,A型原理利用故障发生时产生的初始行波与该行波在故障点的反射波到达测量装置的时间差来进行故障测距,行波法,B型原理利用故障发生时产生的初始行波分别到达线路两端测量装置的时间差来进行故障测距,C型原理利用故障发生后，在线路一段施加一个高频或者直流脉冲，根据这个脉冲在故障点和测量装置之间往返的时间差来进行故障测距,A型和C型行波测距都是采用单端的方法，B型行波测距方法是双端法，需要双端信息同步,行波法,A型和B型对于线路的瞬时性和永久性故障都有较好的适用
9、性，C型则只适用于永久性故障,单端法行波故障测距,从故障点产生的行波抵达测量母线的首波头时间为;从故障点反射回来的波头抵达测量母线时间为;从故障线路对端母线反射回来的波头抵达测量母线的时间为,当故障点发生在线路的前半段时，从故障点反射回来的波头 要比从对端母线N反射回来的波头 抵达测量母线M要早,当故障点发生在线路的后半段时，从故障线路对端母线N反射回来的波头 要比从故障点反射回来的波头 抵达测量母线M要早,在应用单端法进行故障行波测距时一个问题就是判断检测到的第二波波头是故障点反射波还是对端母线的透射波也即判断故障区段是位于前半段还是后半段，因为这将决定故障测距公式的取舍；另一个问题是对故障
10、检测端相邻母线透射波的辨识问题，透射波可能造成测距的失败。,双端法行波故障测距,利用双端数据，使数据量增加了1倍，当然故障的信息量也增加了1倍，使我们能更加准确地判断故障距离 优点是：可以不考虑行波的衰减因素、故障的过渡电阻及母线的反射条件 缺点是：测距装置必须有两端的交换通道和时间同步设备，增加了装置的生产成本,双端暂态行波故障测距方法如图所示，初始行波到达检测母线M的时间为,到达检测母线N的时刻为,故障发生的绝对时刻为,单端法和双端法的比较,单端行波测距的关键：一是：准确求出行波第1次到达测量端与其从故障点反射回到测量端的时间差 二是：对故障行波分量的提取。由于行波在波阻抗变化处的折、反射
11、情况比较复杂测量端检测到的行波波头众多，使得利用单端行波准确故障测距有较大困难,双端行波法的关键是准确记录下电流或电压波第一次到达线路两端的时间，由于母线两端都只检测到第1个到达的行波，线路过渡电阻的电弧特性、系统运行方式变化、线路分布电容及负荷电流等对测距准确性不会造成大的影响 这种方法不仅有很高的测距精度而且有很高的测距可靠性,阻抗法和行波法的比较,就现场实际应用而言，行波法和阻抗法是互补的，比较来说，阻抗法的实现较为简单，定位装置技术比较成熟，能保证在故障发生时可靠启动,在资金投入方面，阻抗法可以利用现已大量投运的设备，硬件投资小，容易实现；行波法则需要高速的行波采集装置，硬件投资较大，
12、技术较复杂,从原理上看，与阻抗法相比，行波法几乎不受过渡电阻和系统运行方式等因素的影响，精确度优于阻抗法；但行波法存在故障行波的识别问题，且在近区还存在无法识别反射波区域，而近端恰好是阻抗法测距较准确的区段。从这意义上看，行波法与阻抗法具有优势互补性。,就目前应用而言，基于阻抗法的测距装置已经被广泛应用高压输电线路，成为主要的故障测距方法。,在国内，中国电力科学院和山东科汇电气有限公司等科研单位都成功研制出双端测距的装置，并成功用于实际电网，运行效果良好。,配电网故障定位、隔离与重构,概述配电网故障定位与隔离 故障恢复,配电网络及其故障处理的特点,将电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向
13、用户供电的网络称为配电网。配电网的结构大体可以分为辐射状、树状和环状,配电网的故障处理具有以下特点：,(1)配电网不仅有集中在变电站内的设备，而且还有分布于馈电线沿线的设备。,(2)配电网设备的操作频度及故障频度较高因此运行方式具有多变性，相应的网络拓扑也具有多变性。,(3)配电网的典型是网络拓扑双电源环网和多电源多分段多联络树状结构，具有闭环设计开环运行的特点。,(4)配电网的拓扑结构和开关设备性能的不同，对故障切除的方式也不同。,配电自动化系统,从广义上讲，利用现代先进的电子技术、通信技术和计算机技术，实现对配电网正常运行时的控制、监测和故障时的快速处理，以及配电的生产管理，设备管理的自动
14、化。,从狭义上讲，指配电网故障的自动化处理，即包括故障监测、故障定位、故障隔离、非故障区域的恢复供电的整个过程,配电自动化系统是一种可以使配电企业远程进行实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统,一是馈线自动化，即配电线路自动化 二是用户自动化，即需求方管理 三是变电站自动化 四是配电管理自动化,馈线自动化：通过安装在线路开关上的馈线终端单元监测各线路的运行状态，并可实现远方遥控。,变电站自动化：可实现对各种电气设备运行参数的监测；开关就地或远方控制；与继电保护通信；与上级控制中心或其他控制系统通信。,用户自动化：主要包括负荷管理、用电管理、需方发电管理等,配电管理自动化：利用计算机技术、
15、通信技术对配电网的运行进行管理。其具有以下几个基本功能：地理信息系统、自动绘图、网络分析、网络重构、停电管理,综上所述，配电自动化是通过安装在馈线开关上的FTU对各馈线的运行情况进行监测，并通过通信系统在远方对其进行管理和控制，以确保配电网运行时的可靠性、安全性及供电质量。,配电网自动化系统:1.在电网正常运行时，监视电网的运行状况，优化配电网的运行方式；2.当配电网发生故障或异常运行时，通过故障定位迅速查出故障区段，快速隔离故障区段，并通过网络重构及时恢复非故障区域用户的供电，缩短用户的停电时间，减少停电面积。,配电网故障定位、隔离和恢复,故障定位的目的是根据SCADA收集的故障信息来判断故
16、障发生的馈线及所在的区段，为故障分析和供电恢复提供条件,故障隔离的目的是把永久性故障从配电网络中隔离出来，避免在故障恢复的过程中将故障区段再次连接到正常供电馈线上,故障恢复的目的：配电网发生永久性故障后往往是造成一条或数条馈线上的负荷全部失电。为了提高供电可靠性，有必要将那些非故障停电区域的负荷先恢复供电。故障元件被隔离之后，非故障部分被分为与电源连通和与电源隔离的两个或多个子网,前者通过闭合变电所中相应的出线断路器即可恢复供电。,配电网故障定位的方法主要分为两类：一类利用继电保护装置、配网监控系统和其他专门装置提供特定的信息；另一类不需要专门的装置，只需利用用户打来的投诉电话的信息,第一类方
17、法判断比较准确，可以通过馈线终端单元来获得大量反映配电网运行状态的实时数据,提高了配电网的运行水平,基于FTU故障信息的配电网故障定位、隔离和重构方法,利用FTU获得大量反映配电网运行状态的实时数据，并将采集的信息通过通信网络发送到远方的配电控制中心。在故障发生后，各FTU记录下故障前后的重要信息，上传到控制中心，经系统分析后确定故障区段和最优恢复供电方案，最终以遥控方式隔离故障区段，恢复非故障区段的供电,每个分段开关内装有一个FTU和两个电压互感器、四个电流互感器，配置如图所示,FTU按一定的周期，遥测电压、电流，功率因素角及开关状态量KS(开/断),FTU的基本功能：,(1)遥测、遥信、遥
18、控和遥调功能(2)配电网故障信息获取功能(3)通信功能(4)其他辅助功能,故障区段定位首先是基于线路分段的思想，如图所示，连接两个变电所的配电电路被若干个分段开关划分为若干段，假设F点发生故障时，继电保护动作使得线路出口断路器M.N 侧的开关跳闸,此时，安装在柱上开关中的FTU将采集到的实时数据传送至控制中心，控制中心判别出故障区段为45之后，遥控断开与故障点相连的分段开关K4和K5，同时选择合适的故障恢复方法恢复对其他非故障区段的供电,因此，配网恢复研究的重点是确定应该闭合哪些开关和断开哪些开关来恢复供电并保证开环运行和满足运行的约束条件和目标。故障恢复实际上一种网络重构，是基于配电网结构的
19、调整。,配电网故障定位与隔离,基于FTU故障信息的配电网故障定位和隔离算法主要有两类：一类是以图论知识为基础，结合故障电流分析，根据配电网的拓扑结构进行故障定位；另一类是以遗传算法、神经网络算法为代表的人工智能型故障定位算法。,假设馈线上出现单一故障，显然故障区段位于从电源侧到负荷末梢方向最后一个经历故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间，如图所示区域34,故障恢复,在故障定位和隔离的基础上如何恢复对非故障停电区域的供电，其目标是在允许的操作条件和电气约束下，通过网络重构技术尽可能多地将停电区域的负荷转移到正常的馈线上。,实际情况下，应该快速地恢复供电，同时，考虑到开关操作寿命和有限的人力资源，要求开关的操作次数越少越好，因此恢复过程要满足如下要求：,(1)恢复策略必须是实时的(2)恢复策略应尽可能多地恢复停电的负荷(3)开关操作次数应尽可能少(4)恢复网络的结构变动应尽量少，即尽量操作离停电区域近的开关(5)恢复过程不能出现环网(6)恢复过程中和恢复后不能有设备过载,配电网故障恢复问题的策略,实质上要解决好两方面问题：(1)使原先受故障影响的非故障失电区域负荷供电得以快速恢复(2)保证配电网络中的拓扑约束，即不出现环路和孤岛 完,
