配电网的故障及恢复研究

山东农业大学毕 业 论 文 配电网的故障及恢复研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气班 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 年月日目 录摘要IAbstractII1 绪 论11.1 课题研究背景及意义11.2 配电网故障恢复综述11.3 本文的主要工作22 配电系统的结构和潮流32.1 配电网的网络拓扑表示32.1.1 常见的知识表示32.1.2基于面向对象的电气元件表示42.1.3 基于面向对象的两层树结构网络拓扑模型的表示52.2 配电网的结线分析72.3 配电网潮流计算92.3.1 几种常见的潮流算法102.3.2 前推/回推潮流算法的实现103 配电网故障恢复.123.1 配电网故障恢复问题描述123.11 配电网故障恢复的一般步骤123.1.2 配电网故障恢复的要求133.1.3 配电网故障恢复的特点143.2 配电网故障恢复143.2.1 配电网故障恢复的分阶段目标143.2.2 配电网故障恢复的主流程153.3 配电网故障的优化恢复163.3.1 配电网故障优化恢复目标的简化处理163.3.2 基于启发式搜索和邻域搜索法的单区域供电优化恢复173.4 配电网故障的转移负荷恢复193.5 配电网故障的切负荷恢复193.6 配电网的异常恢复194 配电网故障恢复系统软件的实现204.1 配电网故障恢复系统的总体结构204.2 配电网故障恢复的可视化实现204.2.1 电气元件的存储方式204.2.2 可视化的实现21参考文献23致 谢24iContentsAbstractII1 Thread theory11.1 Background and significance of the research11.2 Summary of fault recovery for distribution network11.3 The main work of this paper22 Distribution system structure and power flow32.1 Network topology representation of distribution network32.1.1 Common knowledge representation32.1.2 Representation of electrical components based on object oriented42.1.3 Representation of network topology model of two tree structure based on object oriented52.2 Analysis of distribution network72.3 Distribution network power flow calculation92.3.1 Several common power flow algorithms102.3.2 Realization of the algorithm of forward push back push power103Distribution network fault recovery.123.1 Description of fault recovery for distribution network123.11 General steps of fault recovery in distribution network123.1.2 Demand for fault recovery in distribution network133.1.3 The characteristics of fault recovery in distribution network143.2 Distribution network fault recovery143.2.1 The phased target of fault recovery in distribution network143.2.2 The main stream of fault restoration in distribution network153.3 Optimization and recovery of distribution network fault163.3.1 Simplification of the target of fault restoration in distribution network163.3.2 Single region power supply optimization restoration based on heuristic search and neighborhood search method173.4 Transfer load recovery of distribution network fault193.5 Load recovery of fault in distribution network193.6 Abnormal recovery of distribution network194 The realization of the software of the fault recovery system for the distribution network204.1 Overall structure of fault recovery system for distribution network204.2 Visual realization of fault recovery in distribution network204.2.1 Storage mode for electrical components204.2.2 The realization of visualization21Reference23Thank24ii配电网的故障及恢复研究作者： 指导老师（ 山东农业大学 机械业电子工程学院）【摘要】近年来随着我国国民经济的快速发展，电力在社会发展的过程中起到了越来越关键的作用， 成为推动社会进程的主要臂力之一。 而配电网的自动化是提高配电网的供电安全性、 可靠性以及服务质量，提高电网的工作效率，减少运营成本的有效手段与捷径，本文在配电网自动化发展的基础和背景下，对配电网的故障与恢复情况做了系统的研究与阐述。文中分析了配电网的特点，对于几种常见的配电网的潮流，再结合故障恢复情况，用编程来实现了前推/回推的算法。提出了关于配电网的拓扑结构的模型，并找到适合两层树结构模型的分析方法，即在系统运行初期使用全局接线分析，在系统运行过程中用局部动态接线分析，有效提高了接线分析效率。对于配电网中各种不同的故障及如何恢复做了详细的分析，对配电网恢复过程中可能出现的开关拒动的情况，给出了局部校正的应对方法。使用VC+软件工具实现了故障恢复系统。关键词：配电网 算法 故障恢复 局部校正IStudy on fault and restoration of distribution networkAuthor:Wu Kai Supervisor:Liu Ping(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University,Taian, Shandong 271018)Abstract : In recent years, with the rapid development of our national economy, power in the process of social development plays a more and more important role, pushing to become one of the main arm of social progress. And the automation of distribution network is improve the distribution network of power supply safety, reliability and quality of service, improve the work efficiency of the grid, reduce the operation cost effective means and shortcut, this paper in the foundation and background of the development of distribution automation, distribution network fault and recovery complex situation do the system research and the elaboration. This paper analyzes the characteristics of the distribution network, the power flow of several common distribution network, the combination of fault recovery, and programming to realize the forward / back push algorithm. Proposes the model about distribution network topology, and find a suitable analysis method of two-level tree structure model, namely at the beginning of the operating system using global wiring analysis, in the running process of the system with dynamic local wiring analysis, effectively improve the wiring efficiency analysis. For distribution network in different fault and how to restore the detailed analysis, for distribution network restoration that may arise in the process of the switch tripping, gives the local correction methods to cope with.Keywords: distribution network; algorithm; fault recovery; local correctionII1 绪 论1.1 课题研究背景及意义电力的产生，使其迅速成为社会发展的主要物质基础，并推动了现代社会的进步。随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，社会对配电网的供电可靠性提出了越来越高的要求。从全世界来看，不管是经济发达的国家如美国，还是经济发展相对落后的国家如印度，其供电可靠性都出现了各种各样的问题，影响了社会发展和建设。我国的配电网建设也存在着许多问题，比如配电网的设备容量过小，结构设置不合理，管理手段相对落后等，使得我国的配电网系统无法满足社会经济发展的需要，这就要求国家投入更多的资金来强化配电网的建设，并建设配电网管理系统，以此来提高供电质量，降低运行过程中的损耗，提高电网运行可靠性。1.2 配电网故障恢复综述配电管理系统1（Distribution Management System 简称 DMS）是包含着配电自动化系统，配电网重构，地理信息系统，需求侧管理以及管理信息系统等在内的计算机网络系统，来实现配电网的管理自动化，使其处于安全、优质、可靠、高效的运行状态。目前DMS的发展受到越来越多的关注，新的DMS系统不断地被开发出来并应用于实际生产中。此系统的一个重要功能就是故障恢复，包括两类主要的算法，一是基于人工智能的算法，另一类是基于优化的算法。基于人工智能的算法使用的很多，其主要方法包括启发式算法、模糊算法、专家系统、遗传算法、Petri网方法等。 (1)启发式算法启发式算法是基于经验改造的算法，在一定的时间和空间下给出一个待解决问题实例的可行解，这个可行解与实际最优解的偏离程度一般是无法预计的。这种算法是建立在对配电网的特性有一定的了解的基础上的，此算法广泛的应用于配电网的故障恢复中。 (2)模糊算法 模糊算法是先用正常的方法去求得多个可行解，之后按照一定的目标对这些可行解进行模糊化处理，获得一个模糊评价值，评价值最大的恢复方案就是最好的供电恢复方案。(3)专家系统专家系统是一个庞大复杂的程序系统，里面有大量的专业知识与经验，它能够根据某位专家所提出的知识和经验来进行分析判断，以此来解决某些复杂问题。配电网的故障恢复是比较复杂的问题，因此此专家系统的建立和维护是比较困难的。 (4)遗传算法 根据达尔文的进化论，得出了遗传算法，这是一种全新的寻优方法，它能够将自然界中的某些特性，如自然选择和自然遗传等运用数学理论进行分析。它模拟人工染色体，使用二进制串的方式表示出某一优化问题的可行解，随机获取一个可行解的集合，通过对这些染色体进行交叉，选择和变异等操作，不断优化群体，得到最优解。这种算法已经在电力系统中得到广泛的应用。 (5)Petri算法 1962年德国C.A.Petri的博士论文中阐述了Petri网这一概念，这是一种由库所和变迁两类元素组成的系统建模工具，库所表示某种状态，而变迁表示反映此种状态的变化，此工具主要来研究信息处理系统。这种方法的优点是通过并行推理的过程，来获得多个求解路径。因此在遇到多故障以及网络备用容量不足的情况时，多用此方法来求解恢复发电的问题。 配电网的故障恢复2是一个组合优化问题，需要考虑到约束情况，并且要分阶段、多目标的进行。现在的文献大部分都是只用其中一种算法来处理问题，因此很难去客服该算法本身存在的缺陷。但要是能够根据故障恢复中不同阶段的特点来选择相对合适的算法，发挥他们各自的优点，避免缺点，就能够更好地解决问题。1.3 本文的主要工作 本文主要是研究配电网发展的过程中，所遇到的各种故障问题及其恢复方法，其中涉及到的其他多方面问题也进行了研究。概括起来可以归纳为以下几点：(1)针对配电网故障恢复的需要，提出了两层树结构模型结构模型并实现此模型。(2)在两层树结构的模型基础上提出了两种分析方法，即在系统运行初期用全局接线分析，而在系统运行过程中用局部动态结线分析，提高了接线分析的效率。(3)在配电网结构特点的基础上，分析介绍了几种潮流，并采用前推/回推算法，通过编程实现了该算法。(4)对配电网的故障恢复情况做了详细的分析，根据不同的情况提出了遗传算法，启发式算法等不同的恢复方法，并考虑到了开关拒动的问题提出局部校正方法。(5)用VC+软件来实现配电网的故障恢复，使用户和系统更加有效的进行交互，也使系统更方便的维护和移植。2 配电系统的结构和潮流一个好的电网拓扑结构的表示能够更全面的表示一个好的故障恢复系统。不同拓扑结构的表示解决问题的能力是不同的，好的表示方法能够使问题变得比较容易求解。面向对象的程序设计提供了更方便、更先进的编程手段，并引入了许多其他传统程序所没有的特色，得到了广泛的应用。针对配电网的特点，文中采用面向对象的思想，提出了一种高效、便捷、通用性强、易于搜索的系统模型，并且根据这种模型以及配电网特点，采用适合的配电网潮流算法。 2.1 配电网的网络拓扑表示 配电网需要各种网络搜索来实现故障恢复，而网络拓扑中的知识表示是其基础。电力系统有多种表示模型，但多数都是根据高压配电网及输电网的特点设计的，中压配电网的结构则有所不同。因此对于配电网的知识表示不能使用高压配电网和输电网的表示方法，要根据配电网的特点及需要来重新设计拓扑结构的知识表示。2.1.1 常见的知识表示我国近年来在电力系统的应用方面取得了很大的成就，成功开发出了许多系统。这些系统主要采用框架表示法、产生式规则和面向对象的知识表示方法。框架表示法一种结构化的表示方法，对信息有强大的封装能力。它是利用框架来表示知识，并可看作是面向对象表示法的先驱。框架结构也可以表示电力系统中大量存在的其他的一些关系，如关联关系和继承关系，这些都是电力系统知识的重要成分。框架表示法由于其自身的特点，现在被越来越多的使用。规则表示法是一种简单，明了的表示法，它用“IF THEN”的规则形式来表达问题的特征，用认识行动的不断循环过程求解，这样很符合人类正常的逻辑思维，理解简单，容易表达。但它不是结构化的知识表示方法，无法对信息进行封装，很难表达复杂的事物关系。复杂的系统中这样表示显得简单。面向对象知识表示法是最好的知识表示法。它不但拥有框架表示法的封装、关联、继承等优点，在软件学方面更是要强于其他知识表示法。面向对象知识表示法是一种结构化的知识表示方法，它的本质是使用客观世界中存在着的事物来构造系统，强调系统中研究对象之间的关系能反应客观世界的固有关系。因此相比其他知识表示方法，这种方法有着更广阔的发展前景。由于面向对象表示法的种种优点，本文主要采用面向对象法来描述配电网的拓扑结构。2.1.2基于面向对象的电气元件表示 (1)电气元件的类层次结构中压配电网由馈线段、负荷变压器、分段开关和联络开关、以及与变压器低压侧相连的断路器组成。这些元件都有着某些共同的特性，所以建立一个包含所有电气元件类的基类CDevice ，表达这些元件的共同特性，根据面向对象法中类的继承性，由这个基类来派生出各种元件类，形成下图2-1中的派生结构。设 备CDevice母 线CBus馈线段CLineSection 开 关 CSwitch变压器CTran负 荷CLoad 图2-1 电气元件类层次结构 (2)电气元件类层次的实现 基类的实现 Class CDevice protected: int Type;/设备类型 int Sequence;/设备序号 ZB *pZB;/电气元件的坐标 CString Name;/设备名称 CString a_ele;/ CString b_ele;/ Device *pNext;Public： CDevice(); CDevice(); int GetType(); int GetSequence(); CString GetName(); CDevice GetNext(); ；其中Name是设备名称，Type是设备类型，Sequence是设备位置，pNext是表中下一个对象的指针，a_ele 和 b_ele 表示各元件之间的连接关系。其他类的实现其他类都是从基类派生出的，如馈线段类的描述如下： class CLineSection : public CDevice protected: float Resistance;/电阻 float Reactance;/电抗 float CurCurrent;/当前电流 Power PowerFlow;/当前潮流 float MaxCurrent;/允许的最大电流 public: CLineSection();/ CLineSection();/ ;2.1.3 基于面向对象的两层树结构网络拓扑模型的表示(1)配电网的两层树结构模型配电网故障恢复的核心是快速的选择恢复方案，因此先要建立合适的网络拓扑结构模型。配电网具有开环运行闭环结构的特点，可将分段开关、负荷变压器、联络开关、出线断路器做节点，将配电网看成若干棵馈线组成的树，节点之间组成树支，得到如果所示抽象的树结构。 图2-2 部分配电网接线图 图 2-3 配电网的原始树结构表示 图2-4 配电网两层树结构(a)配电网上层树结构(b)配电网下层树结构) (2)两层树结构模型的特点 配电网的两层树结构模型体现了各元件间的连接关系，通过上层结构能快速找到要找的供电路径，也可和下层树结构表示相结合，表达出整条馈线的结构。这样表示出来的配电网结构能够作为故障恢复的统一数据，不管是断电区的供电路径搜索，还是配电网的潮流计算，都不用再做其他的分析，在这个结构上在进行处理就可以。2.2 配电网的结线分析 电网的结线分析主要是将电网物理模型转变成数学模型，在配电网运行各个阶段中，不管是潮流计算还是电网的实时状态估计，都发挥着重要的作用。本文立足配电网故障恢复的特点及需要，将配电网的结线分析分为了两种，全局结线分析和局部动态结线分析。全局接线分析是在用于系统运行初期，而局部动态结线分析用于系统网络运行中，使配电网实现快速动态结线分析，提高了分析效率，节省了时间。 配电网的全局结线分析是根据配电网的各元件运行状态及其连接关系来判断其运行状况，其步骤为（1）变电站母线关系分析（2）变电站连接的馈线结线分析。结线分析为2-5所示。 图2-5 配电网的结线分析图 配电网的局部动态结线分析是处理故障恢复过程中状变化问题的，因为在供电恢复方案形成时若是都用全局结线分析将会浪费大量的时间和计算，因此只在初期采用全局结线分析，而故障恢复过程中就用局部动态结线分析。其流程图如图2-6所示，先判断开关变位是哪一个，若是变电站开关变位则还要判断是母线的什么问题。若是馈线开关变位，则对馈线组成的树进行删减或添加工作。图2-6 配电网局部动态结线分析流程图2.3 配电网潮流计算 配电网的潮流计算是配电网故障恢复中重要的组成部分。为了选取出所需要的方案，往往会针对各个方案进行多次潮流计算，才能判断出各个的优劣。这样的话，潮流计算的收敛可靠性和速度对软件起着重要的作用。 相比于高压输电网，配电网由于其结构、设备类型、运行参数等不同，因此潮流计算的方法也有所不同。配电网大多数结构是环形的，但经常会因为需要而开环运行，此时配电网又是辐射式的电网结构，因此这时的潮流是辐射网潮流，是单向的。同时配电网又有许多分支，各馈线之间没有什么联系。另一方面，配电网线路长度和线路截面都比输电网的要小。特别是使用电力电缆，使配电网r/x大，某些线路上甚至可能rx，这就使常规潮流往往不收敛。由于配电网自身的这些特点，某些对输电网很有效的算法，像PQ分解法和牛顿-拉夫逊法等如果用在配电网中往往不能取得满意的效果，会出现病态情况，使潮流计算不收敛。后来出现的补偿式网络，通过增加节点来使rx变为rF3，闭合S5，断开S3后形成原供电方案的一个领域方案。 图3-3 领域方案示例图(a)原供电方案(b)原供电方案形成的领域方案) 邻域搜索法的实现步骤a.确定临时的恢复方案中要断开的分段开关为考虑对象。b.找出该方案全部的邻域，对其中估算馈线的最小设备容量I，各个方案中I最大的那个领域方案作为新的临时方案。 c.重复前面两个步骤直到I 不再增加为止。 (2)单区域供电优化恢复步骤 找出失电区域中全部的供电恢复路径，计算其备用容量，并进行排序。找出供电路径最少的一个恢复方案，选备用容量最大的一条路径进行恢复供电，若其备用容量比失电区域的负荷总量小，跳转；否则计算潮流，若是电压越限，再选用容量次小的路径进行恢复供电，若是都不成功跳转。 用上一步中恢复失电负荷量最大的路径的组合作为临时供电方案。在现在的方案中添加一条备用容量最大的供电恢复路径，用这条路径给最多的失电负荷选择断开哪个开关，判断是否满足容量上的条件，若可以则跳转到；不行的话选容量次大的转移最多的失电负荷。 用邻域搜索法修正供电恢复方案中需断开的分段开关，使其尽量负荷最均衡，并进行潮流计算，判断是否存在越限，若是电压越限再用邻域搜索法对分段开关进行修正。若是电流越限或者无法实现，跳回，在选择其他路径进行恢复。 (3)确定最终供电方案 上述的恢复路径最多会产生其他两种恢复方案，用(2)中的第三步方式来判断哪个分段开关需要断开。 上述产生的供电恢复方案中根据网损最小的原则来选择出最终的供电恢复方案。3.4 配电网故障的转移负荷恢复 配电网发生故障后，若是采用失电区域相邻的恢复路径不能使失电负荷完全恢复的话，就要转移这些恢复路径上一些正常供电的负荷，以此来实现失电区域全部恢复供电。为保持原有的网络拓扑结构，尽量减少对正常用户的影响，要以操作尽量少的开关转移最少负荷为目标来完成。 (1)采用最多的恢复路径来供给最多的失电负荷。 (2)对恢复路径上所有能转移的负荷进行统计并排队。 (3)开关数最少为原则转移足够的负荷。 (4)对上述结果进行潮流计算，成功的话就退出，否则转到(5)。 (5)若仍存在可转移的负荷，增加负荷的转移量并跳到(4)，不然就不能通过转移负荷达到恢复失电负荷的目的，会失败退出。3.5 配电网故障的切负荷恢复 转移负荷的恢复方案中能恢复失电负荷最多的方案为配电网故障的切负荷恢复的基础。进行切负荷时要考虑普通负荷和重要负荷两种，先试着去切最少的普通负荷，再去切最少的重要负荷。这一步对这部分负荷不进行恢复供电的工作。 (1)对失电区域里未恢复供电的各分段开关之间部分区域的普通负荷和重要负荷进行统计并排队。 (2)减少开关操作，切除未恢复区域中尽量少的普通负荷。若是全部的普通负荷都切除后还不能满足约束条件，转到(3)；若是满足了约束条件的话就完成。 (3)对目前临时的恢复方案中的联络开关到恢复路径中联络开关之间的路径上可转移的普通负荷和重要负荷进行统计并排序。减少开关操作，切除尽量少的普通负荷，若满足了约束条件则退出；否则进行(4)。 (4)对未恢复供电区域中最少的重要负荷进行切除，满足约束条件的话就退出；否则进行(5)。 (5)对目前临时的恢复方案中的联络开关到恢复路径中联络开关之间的路径上最少的重要负荷进行切除一直到约束条件得以满足。3.6 配电网的异常恢复 故障恢复本身就是个复杂的过程，它是在配电网发生故障并且故障源隔离开之后，再分析失电区域的情况，由此需要进行的开关操作序列要交给用户或者是系统自动完成。 如果操作期间产生开关拒动的状况，不对它采取相应的措施而继续完成故障恢复的操作序列的话，那要么会破坏电网的辐射式运行方式，要么不能使全部的失电区域都完成供电恢复。因此对不同的开关拒动类型采用不同的处理方式，尽量使失电区域全部恢复供电，尽可能的减少开关操作，实现优化恢复。4 配电网故障恢复系统软件的实现4.1 配电网故障恢复系统的总体结构 本文使用VC+这个软件实现配电网的故障恢复，这个系统由故障恢复模块、 潮流模块、可视化模块和结线分析模块所组成。在配电网发生故障后供电恢复模块会根据不同的情况对配电网进行供电恢复的操作；在配电网故障后潮流模块会对各种方案进行潮流计算并分析数据；通过可视化模块实现用户和系统的交互，用户可以使用图形界面来绘制配电网接线图，查看修改电气设备的属性，并能对配电网的实时运行状态进行观察；结线分析是在系统运行初期进行全局接线分析，在系统运行过程中进行局部动态结线分析。图4-1 故障恢复系统总体结构4.2 配电网故障恢复的可视化实现4.2.1 电气元件的存储方式 配电网故障恢复系统的元件可分为三类： (1)图形类参数 图形类参数表示各元件的类型和基本位置等参数，这些是绘制电气元件所必须的参数，一般由系统自动生成。 (2)属性类参数 属性类参数表示各元件的基本参数，如电抗，电阻等。这类参数系统不会自动生成，需要用户自己手动进行输入。 (3)状态类参数 状态类参数主要是系统的潮流、电压状况以及变压器出现开关的闭合状态等。这类数据不同于前面的两类，它不是一成不变的静态数据，而是根据系统的运行不断变化的数据。 上述的三类参数各有各的特点，像图形类参数是和图形唯一对应的，确定了图形后就不能再更改其参数，而且个数不一定，适合用文件的方式进行存储。属性类参数不管是在线路上还是元件上其数目和数据都是固定的，适合用数据库来实现。状态类参数表示出配电网的实时状态，主要从SCADA数据库里面获得这类数据，在存储时可采用和属性类参数相同的方式。4.2.2 可视化的实现 Microsoft Windows 应用程序都是通过消息驱动的，鼠标单击等工作都是Windows给相应的窗口发消息来完成响应的，所以图形界面的操作