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工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 摘要 随着社会经济的发展，人们对供电可靠性的要求越来越高，配电自动化系统是电 力系统发展的必然趋势。配电网故障定位、隔离与网络重构是其核心功能之一，对提 高供电可靠性和电能质量具有十分重要的意义。， 论文概要分析了配电网故障定位、隔离与网络重构的国内外研究现状以及其存在 的主要问题。配电网故障定位的研究中，主要研究了实际工程中运用最多的矩阵算法， 主要包括：基于网基结构矩阵及其改进、基于网形结构矩阵及其改进和启发式配网故 障定位算法，在各种算法的基础上通过实际算例验证了其正确性性与可靠性，体现了 各自的优势。 配电网重构方面，重点研究了应用较为广泛的启发式算法中的支路交换法及其改 进算法。此方法的实质是开关状态改变对网损灵敏度的计算，可以快速确定降低配电 网线损的配电网结构，并且通过启发式规则减少需要考虑的开关组合。通过不同的网 络结构算例，对该算法进行仿真测试，结果验证了该算法的有效性、可靠性与通用性， 达到了网络重构的目标。 关键词：配电自动化，故障定位，矩阵算法，网络重构，改进支路交换法 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a l e c o n o m i c ，p e o p l e sd e m a n df o rt h er e l i a b i l i t yo f e l e c t r i c i t ys u p p l yi si n c r e a s i n gh i 曲d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi st h ei n e v i t a b l et r e n do f p o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t d i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l tl o c a t i o n , i s o l a t i o na n dn e t w o r k r e , c o n f i g u r a t i o ni so n eo fi t sc o r ef u n c t i o n s ，w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v e p o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t y 砀口p a p e ra n a l y s e st h es t a t u so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l tl o c a t i o n , i s o l a t i o na n dn e t w o r k m c o n f i g u r a t i o ns t u d i e sa th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la si t sm a i np r o b l e m s a st h er e s e a r c ho f d i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l tl o c a t i o n , i tf o c u so nm a t r i xa l g o r i t h m sw h i c ha r em o s tu s e di nt h e a c t u a lp r o j e c t s ，i n c l u d i n gm a t r i xa l g o r i t h mb a s e do nw e b - b a s e ds t r u c t u r ea n di t si m p r o v e m e n t , m a t r i xa l g o r i t h mb a s e do nn e t s h a p e ds t r u c t u r ea n di t si m p r o v e m e n t ，h e u r i s t i ca l g o r i t h mf o r f a u l tl o c a t i o n t h r o u g hav a r i e t yo fp r a c t i c a le x a m p l e s ，t h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h e s e a l g o r i t h m sa r ev e r i f i e d ，r e f l e c t i n gt h ea d v a n t a g e so f t h e i ro w n f o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n , i tw i d e l yr e s e a r c h e sb r a n c h - e x c h a n g em e t h o d a n di t si m p r o v e da l g o r i t h mi nh e u r i s t i ca l g o r i t h m s 1 1 1 ee s s e n c eo ft h i sm e t h o di st oc a l c u l a t e t h es e n s i t i v i t yo fn e tl o s sb yc h a n g i n gt h es w i t c hs t a t e s i tc a l lq u i c k l yd e t e r m i n ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ks t r u c t u r ew h i c hr e d u c e sl i n el o s s e so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , a n dr e d u c et h en e e dt o c o n s i d e rt h ec o m b i n a t i o no ft h es w i t c h e sb ya d o p t i n gh e u r i s t i cr u l e s t h r o u g ht h en e t w o r k e x a m p l e so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，s i m u l a t i n ga n dt e s t i n gt h ea l g o r i t h m ，i t v e r i f i e st h e e f f e c t i v e n e s sr e l i a b i l i t ya n dv e r s a t i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，a c h i e v i n gt h eo b j e c t i v e so ft h e n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n , f a u l tl o c a t i o n , m a t r i xa l g o r i t h m ，n e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n , i m p r o v e db r a n c h - e x c h a n g em e t h o d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：尘狸年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：叠丝年月日研究生签名：史暨至笙年月日 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 1 绪论 1 1 配电自动化的提出 电力系统中，配电网在是直接面向各级各类用户的最终环节，担负着分配电能的 任务。其电压等级以3 5 k v 和1 0 k v 为主，直接向工厂、大用户供电或再次降压后以 0 4 k v 电压向居民供电。近年来随着我国人民生活水平的不断提高和国民经济的持续 发展，电力的需求量越来越大，电力用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高， 配电网作为电力生产和供应的终端直接面向用户，地位日趋重要。 由于历史的原因，配网建设无论从硬件设施还是管理技术而言都相对滞后，网架 结构薄弱，多为架空线路，尤其是在农村，送电距离长，损耗严重，电压质量也很差。 另外，配电设备大多不可遥控，自动化水平也很低；配电网运行状态的检测设备少， 导致事故发生较为频繁；同时对事故处理时间长，事故发生后恢复供电慢【l 】。 上述情况表明，传统的配电网管理模式和运行技术已无法满足各电力企业面临的 严格要求，无法适应新的形势。实现配电自动化，完成从基于人力的传统配电网管理 模式向基于计算机、自动化技术的配电网管理系统的转变是电力技术实现现代化的重 要标志和必然趋势【2 】。它需要从硬件设施到软件支持等一系列必备条件，我国目前尚 处于起步阶段。 1 2 配电自动化的内容和意义 配电自动化( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ) 是首先在美国发展起来的，然后逐步传输到 其它工业发达国家，其内容也在不断地变化。配电自动化系统( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m ，简称d a s ) 是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电 设备的自动化系统。 配电自动化系统主要包括四个方面： 1 ) 馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ，简称f a ) ，即配电线路自动化。通过安装在 线路开关上的馈线终端单元f 1 u 监测各线路的运行状态，并可实现远方遥控：在配 电网中，若发生永久性故障，通过开关设备的顺序动作可实现故障区段隔离【2 】。 2 ) 用户自动化( c o n s u m e ra u t o m a t i o n ，简称c a ) 即需方管理。主要有负荷管 理( 负荷控制) 、用电管理、需方发电管理。即借助于地理信息系统( g i s ) 对大量的 用户信息，如用户名称、地址、电话、用电量等进行处理，便于迅速判定故障的影响 范卧引。 3 ) 变电站自动化( s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，简称s a ) ( 配电部分) 。主要功能为： 1 l 绪论工程硕士学位论文 对各种电器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；与智能电 子装置联结，并实行控制；与上级控制中心或其他控制系统通信；简单的数据处理。 4 ) 配电管理自动化( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ta u t o m a t i o n ，简称d m a ) ，其中包 含网络分析。用现代计算机、通信等技术和设备对配电网的运行进行管理。基本功能 为：地理信息系统( g i s ) 、自动绘图( a m ) 、网络分析、网络重构、停电管理。 综上所述，配电自动化系统是通过安装在各馈线开关上的f t u 对各馈线的运行 状态进行监测，并通过通讯系统在远方对其进行管理与控制，以确保配电网运行的可 靠性、安全性及供电质量。即配电自动化系统能在正常运行时，监视配电网运行工况， 并通过网络分析、网络重构，优化配电网的运行方式；当配电网发生故障或异常运行 时，通过故障定位，快速找出故障区段及异常情况，对故障区段进行隔离，并通过网 络重构及时恢复正常区域用户的供电，缩短用户的停电时间，减少停电面积【8 】。 1 3 国内外配电自动化的发展现状和面临的问题 国外配电自动化的发展向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展。目前 已经具有一定的规模，并且在提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，缩短 停电时间和减少停电面积等方面，均带来了可观的经济效益和社会效益。当前，国外 正致力于研究以下内容：通过负荷分配的优化来降低网损；按即时电价对用户负荷进 行管理等。 在国内，由于我国原来认识上的误差，认为配电网比输电网简单，因此，以往我 国发电和配电投资的比例为1 ：0 1 2 ，大大落后于先进国家的1 ：0 6 0 7 的投资比例，这 也造成了我国配电自动化的程度却仍然很低【5 j 。 目前我国的配电网网络结构薄弱，绝大多数是树状结构，而且送电距离太长，损 耗严重，配电网控制系统的作用难以发挥，也难以实现故障定位、隔离故障与及时恢 复供电。配电网拓扑结构的不合理制约了配电自动化的发展。 配电自动化虽然对f 1 u 的要求较高，但由于巨大的市场潜力，已经吸引了国内 的许多知名电力自动化设备厂家如南京电力自动化研究院、烟台东方电子股份有限公 司、许昌继电器股份有限公司、北京哈德威四方股份有限公司等，他们正在大力研制 适合中国国情的配电自动化设备f 1 u ；同时也在不断地改进和完善配电自动化的应 用软件功能p 叫。 近几年，国家己逐渐加大了对配电网的投资，出现了一些配电自动化示范工程。 如上海市东供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，实现了遥控、遥信、 遥测的目的。另外，石家庄供电局、南京供电局等也都进行了一定规模的尝试。但这 些工程都是在局部的一个小区进行的，并没有进行大范围的改造试点。因此国内要真 2 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 正普及配电自动化，完善配电自动化的功能，提高配电自动化水平还要很长一段时间 【7 - a o 1 4 配电网的故障定位综述 配电网在发生单一故障时，迅速判断并确定故障发生区段的功能称为配电网的故 障定位。 要提高供电可靠性，首先配电网必须有合理的结构，即每一个用户至少有两个源 点给其供电，一旦一个源点或传输线出现故障，可以由另一个源点给其供电，从而减 少停电时间，提高供电可靠性；其次当配电网发生故障时，必须得迅速确定故障区段， 并将其隔离、恢复非故障区的供电，从而减少停电面积。因此实施配电自动化的故障 定位功能将可以减少停电时间、缩小停电面积，提高供电的可靠性。 实现故障定位和隔离是配电自动化的关键技术之一，也是目前国内外的研究热 点。在配电网中，由于存在开关的误动和拒动，因此不能直接根据开关的动作来判断 故障区段。实现配电网的故障定位主要有两种方式：一是基于重合器、分段器的故障 定位；一是基于f t u 的故障定位【1 3 】。 1 4 1 基于重合器、分段器的故障定位 利用重合器和分段器的动作特性，通过设置重合器和分段器的动作次数、时间来 实现故障定位的方法称为基于重合器和分段器的故障定位【8 】。 基于重合器和分段器的馈线自动化，如图1 1 所示，通过设置重合器和分段器的 动作次数、时间，结合重合器和分段器的特性，可以确定故障区段并隔离，恢复非故 障区域供电；这种方式进行故障定位的过程如下：当线路故障时，分段开关并不立即 分断，而是要依靠重合器的保护跳闸，导致馈线失压后，各分段开关才能分断。因此 这种方式的故障定位模式存在以下缺附1 5 】： 1 ) 切断故障的时间较长； 2 ) 由于必须分断重合器，因此实际扩大了事故范围： 3 ) 在进行恢复供电时无法实现全局最优网络重构。 一重合器+ 分段器叫= 卜联络开关 图1 1 基于重合器和分段器的馈线自动化 1 4 2 基于f t u 的故障定位 。 f t u 安装在柱上开关处，如图1 2 所示。它们采集相应柱上开关的运行情况，并 3 1 绪论工程硕士学位论文 将这些信息通过通讯网络发送到远方的配电自动化控制中心。各f ，r u 还可接受配电 自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各刖记录 下故障前及故障时的重要信息，上传到控制中心，经计算机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，恢复健全区段供电。利用f t u 上传的参数，经过运算实现故障定位的方法称为基于h u 的故障定位【l 别。由于辐射 状网、树状网和处于开环运行的环网，判断故障区段只需根据馈线沿线各开关是否流 过故障电流就可以了。假设馈线上出现故障，显然故障区段位于从电源侧到末梢方向 最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段。因此利 用f ，r u 上传的各开关运行状态通过计算即可确定故障区段。 r - - - - n 表示开关这些开关处安装f t u 表示顶点编号 图1 2 配电网 1 5 配电网的网络重构综述 配电网网络重构( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sr c c o n f i g u r a t i o n ) 是指：通过改变配电网开 关状态的组合，来优化配电网的运行，即网络重构的解为一组开关状态。 配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点，如图1 3 所示。为了提高供电可靠 性及运行的灵活性，配电网沿线上设有分段开关，在馈线入口处设有联络开关。配电 网的这一特点，使得其网络结构可以重构，即通过改变线路开关的状态来变换运行网 络结构。虽然整个配电网的结构没变，但其运行的网络结构却是可变的。任何一个配 电网，理论上都存在一个最优的网络结构，在这个最优结构下，各负荷点的运行电压、网 络损耗和负荷平衡的协调优于其它可能方案。当负荷变化时，这个最优结构也随之变 化，计算出这个最优结构，使网络运行于最优状态，这就是配电网络重构研究的主要内 容。 4 口表示开关。这些开关处安装f t u 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 图1 3 配电网运行方式 随着配电系统中的硬件设施逐步完善，网络重构作为配电自动化中的高级应用分 析功能，日益受到人们的重视。配电网运行优化的目标主要包括安全性和经济性这两 方面。其中安全性目标主要包括：发生故障时，要尽可能地恢复更多的负荷供电、开 关操作次数尽量减少、尽量减轻或者消除过载。而经济性目标则包括：改善负荷平衡 度、降低网损、减少用户端电压下降这三方面，改善任何一方面，都会使另两方面得 到改善。网络重构的模式主要有三种：1 ) 就地手动的网络重构模式；2 ) 馈线自动化 的网络重构模式；3 ) 配电管理系统的网络重构模式。其中应用最多的为配电管理系 统的网络重构模式 7 - 8 。 配电管理系统的网络重构模式，是通过配电自动化应用软件实现的，即接收f t u 上传参数，通过网络重构算法求到一组开关状态，再通过f t u 操作对应开关，从而 实现网络重构。这种模式的网络重构是配电自动化的发展趋势，也是国内外研究热点。 配电网网络重构是一个多目标混合优化问题。处理多目标优化问题的方法之一是降维 优化方法，即选择一个主要的目标函数，把其他的目标作为约束处理。为了提高计算 速度，保证得出最优或次最优配电网结构，人们尝试了许多不同的方法来解决配电网 重构的问题。配电网网络重构的算法较多，主要有以下几种方法： 1 ) 传统数学优化方法或分析方法，包含规划法，分支定界法，图算法等。 2 ) 启发式方法，又称灵敏度法，包括支路交换法、最优流模式、混合流模式等 算法。 3 ) 人工智能方法，包括人工神经网络法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，缩写为a n n ) 、 模拟退火方法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，缩写为s a ) 、遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，缩写为 g a ) 方法和模糊数学、专家系统法等。 综上所述，通过网络重构可以优化配电网的运行状态，对于配电网的运行有极大 的价值，在不增加硬件投资的情况下，可以使供电企业和电力用户得到巨大的经济效 益，因此网络重构在实际应用中具有巨大的发展潜力。但配电网的拓扑结构复杂，开 关数量多，运行变量较多，实时性要求高，对网络运行的不同目标要快速找到最优的 开关组合将面临着极大的困难。配电网网络重构的研究将是富有挑战性的工作。 1 6 国内配电自动化的工程实例 某供电公司按照配电自动化“统一规划、分步实施 的建设原则，综合考虑投资 经济性、工程实效性、系统可靠性的总要求，先后选择了2 l 条线路作为实施配电自 动化的一期范围，进行不同方案和不同设备的比选，其中确定试点区域内的三条1 0 k v 线路实现配电自动化基本功能，验证系统的可靠稳定性、硬件和软件设备制造质量、 5 l 绪论 工程硕士学位论文 收集并积累运行经验。试验计划要求对区域配电网的运行进行实时监控和管理，建成 一个信息收集、处理和控制的系统，重点是对该地区配电线路实现自动监控、故障自 动隔离及非故障区段的自动恢复供电，并尝试对区域内已建成的自动化系统如l c d 、 g i s 进行功能整合。 1 6 1 配电自动化系统结构 配电自动化系统分三层： 1 ) 第一层主站层：它是系统的最高层，从整体上实现配电网的监视和控制，分 析配电网的运行状态，对配电网进行有效的管理。主站层设在生产基地，配备基于交 换式以太网的配电网自动化后台系统，配置配电地理信息系统和w e b 浏览器，考虑和 集控站等自动化系统互联。 2 ) 第二层子站层：配电监控子站是系统的中间层，将f t u 采集的现场信息进行 中转，负责对故障信息进行分析，进行故障诊断、隔离、恢复送电，要求配备足够的 通信接口和较强的通信能力，以保证与各终端设备及主站之间的通信。采用子站的目 的是因为配电的f t u 、t t u 、d t u 众多，如采用主站直接对这些终端设备通信的系统构 成方式，要保证监控系统的实时性要求，通信网络将会十分复杂而且造价高昂，所以 一般以终端变电站为单位设置子站。 3 ) 第三层终端设备层：主要有f t u 、t t u 、d t u 等，完成l o k v 线路分段开关、联 络开关、配电变压器等电力设施信息的采集处理及监控功能。 对于终端设备众多、配电自动化系统规模较大的供电公司，三层的系统结构使得 网络结构优化，实现分层、分散控制。由于配电网比较密集，一般采用混合通信手段， 并且可以利用变电站到供电公司的已有双环网光钎通道网络，构成城区配电网自动化 系统的通信网络。 1 6 2 配电自动化子站 配电自动化子站作为主站与站端之间数据和通信的中转站，主要具有以下功能： 1 ) 收集配电站端或其它智能设备的实时信息，转发到配电主站；将配电主站的控制 信息转发至配电站端；2 ) 收集馈线远动站端信息，完成故障识别、故障隔离和恢复 供电；3 ) 保护功能包括参数设定、工况显示、系统诊断等；4 ) 设备诊断和自诊断； 远方诊断；5 ) 通讯通道监视；6 ) 控制功能。 配电自动化子站一般有以下几大模块：1 ) m i s i 模块：用于管理配电自动化子站 的数据收发；2 ) 数据库模块：为软件系统的核心，为其他各任务提供统一的数据接 口和数据交换途径；3 ) 时钟管理模块：提供全系统唯一时钟以及标准的时钟读写接 口；4 ) 文件管理模块：提供了系统的文件操作途径。其他模块对文件的操作均需通 过它来进行，有效解决了同一时间文件的访问冲突；5 ) 规约模块：在以上模块之上 6 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 运转的规约模块，完成了配电子站的数据接收转发功能；6 ) 自动化模块：实现故障 诊断与隔离及结果的处理； 配电自动化子站控制功能能根据终端设备检测的故障信息及时准确地确定故障 区段，隔离故障区段，恢复非故障区段的供电。 1 6 3f t u 终端 1 ) 馈线开关监控终端( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，f t u ) 通过安装在开关电源侧( 或 电源负荷两侧) 的1 0 k vt v 采集1 0 k y 线路电压信息、通过装设在开关上的套管t a 采集1 0 k v 线路电流信息，这些信息通过运算( 经a d 、d s p 或程序处理) 可获得电压、 电流、有功、无功、功率因数、电量等监视系统运行所需的数据( 遥测) ；通过开关 辅助接点或其他状态输入，获取开关分合闸、电动机构储能是否到位、蓄电池电压 高低、装置门开关等状态信息( 遥信) ；通过通信接口及装置所配的通信设备，将 这些信息传送( 或送上一级设备通过处理后转发) 到主站计算机系统( 数据传输) ； 接收主站计算机系统( 数据传输) ；接收主站( 或上级设备) 来的控制命令，对开关 进行分合闸操作( 遥控) 。 开关 1 0 k v 线路t a 电泡 光 电 隔 离 m d 转 换 电源及充电器 主处理器 c p u 通信设备( 光端机、 电台等) 通信接口 数据d s 处p 理| 嘉 ii 塑些罂垫 j 广磊i = - 矗石而 馈线开关监控终端 图1 4 馈线开关监控终端的一般原理构成如图 7 l 绪论工程硕士学位论文 2 ) f t u 参数选用动作方式：( 1 ) 区分永久性故障和瞬时性故障，瞬时性故障可根 据需要上报或不上报；( 2 ) 可用虚拟遥信的形式分别表示各相短路、各相过流；( 3 ) 上报的故障信息用c o s 形式，也可同时用c o s 和s o e 两种形式；( 4 ) 参数组态灵活方 便，可适应多种运行方式，对于采用架空线路的干线，检测故障但不自动跳闸；( 5 ) 确认变电站出口断路器动作、重合闸动作失败后认为是永久性故障，确认出口断路器 重合成功后认为是瞬时故障。 3 ) f t u 网络通讯结构 一般网络通讯如图1 5 所示： 子站 图l - 5 网络通讯图 子站与f t u 的通信。初期在配电网自动化系统的数据通信中，由于每个f t u 的数 据通信量不大，因此采用多端口复用的光端设备。将来可以子主站为中心，沿各个 电力线路组成主光缆环路，对于距离主环路较近的分支断路器和联络断路器，将主光 缆迂回接入，对于距离主通信环路较远的柱上f t u ，采用点对点光纤接入子站主环 路。借助于高速光纤通道，采用光纤双环网方式，主站设在生产调度中心，现场的光 m o d e m 装在f t u 内，子站与f t u 终端设备的通信方式通过串行通信协议来完成，完全 能满足配电网自动化的需求。f t u 与t t u 的通信。由于t t u 的数据通信特点是数据量 大、实时性要求低，为降低成本，可采用r s - 4 8 5 有线电缆通信方式，数据速率为1 2 0 0 - - - 9 6 0 0 b i t s ，由f t u 经光纤通道转发到子站。 8 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 1 6 4 t t u 终端 配电变压器监测终端( t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ，t t u ) 是装设在配电变压器、 箱变等变压器设备旁，监测变压器运行状况的终端装置。 t t u 的主要作用是采集并处理配电变压器低压侧的各种电量( 电压、电流、有功、 无功、功率因数、电能量及状态量) 等参数，并将这些参数信息向上级系统传输，监 视变压器运行状况，当变压器发生故障时，及时将故障信息上报给上级系统；还可增 加对电容器组实现就地和远程集中无功自动补偿及其他控制功能。 装置通过安装在配电变压器低压侧的t a 采集变压器负荷电流信息，通过直接接 入配电变压器低压侧电压获取电压信息。这些信息通过运算( 经a d 、d s p 或程序处 理) 可获得电压、电流、有功、无功、功率因数、电量、电压合格率等系统运行所需 的数据( 遥测) 。 1 6 5 配电自动化故障处理动作逻辑 1 ) f t u 故障检测约定：f 1 u 对于瞬时性故障可不上报，仅上报永久性故障。因 此，f t u 在检测到故障电流后并且通过遥测信息确认变电站保护重合闸失败后才上报 故障。即当f 1 i u 检测到电流超过限值并且此后电压电流都消失持续t 时间后( 避开变 电站保护重合过程，t 继电保护重合闸时间) 。2 ) 子主站可得到全部需要的信息进 行故障的处理，若遇到确定不了的问题还可以利用人工操作干预，因此这种模式对于 简单或复杂的一次拓扑线路均合适，不可能出现误判等问题。3 ) 变电站的出口断路 器均提供保护、一次重合闸，线路上发生瞬时故障时重合闸会成功，线路上发生永久 性故障时重合闸会闭锁。4 ) 永久性故障时，f t u 检测到过流、失压后上报故障到子 站。子站并把变电站保护信息和出口断路器跳开共同作为故障处理的启动条件，满足 启动条件则进行故障定位、隔离，恢复供电。5 ) 变电站出口断路器状态信息的接入： 变电站出口断路器提供状态节点，直接接到变电站r t u 柜上，再由r t u 通过串口送到 配电子站。6 ) 变电站出口断路器保护信息的接入：提供保护的硬节点，直接接到站 内r t u 柜上，再由r t u 通过串口送到配电子站。 1 6 6 工程应用方面的困难 在工程应用方面，我国的配电网自动化事业才刚起步，处于探讨如何利用分段器、 联络开关实现故障的识别、隔离和对非故障区恢复供电的阶段，由于配电网规模大、 设备数量多，自动化产品种类繁多、功能不一，运行维护困难；更由于配电网自动化 的建设、维护投资非常巨大，所以在我国各大城市目前仅开展探索方案、试验产品和 整合已有自动化系统与设备的工作，没有实现大规模的建设或改造。 9 i 绪论工程硕士学位论文 1 7 论文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 分析配电网故障定位与网络重构的国内外研究现状及其存在的主要问题； 2 ) 配电网故障定位方法研究中，研究工程实际中应用最为广泛的矩阵算法，针对各 种不同算法的优缺点，进行一定的改进，使得算法具有正确性、可靠性与通用性， 并通过实际算例进行计算验证： 3 ) 研究配电网潮流计算方法，为网络重构打好基础。重点研究应用最多的前推回代 算法，并对其进行改进，提高计算速度； 4 ) 分析配电网重构的各种算法，重点研究启发式算法中的改进支路交换算法。针对 支路交换法的缺点，对其进行相应的改进。通过不同网络结构、规模的配电网算 例进行仿真测试，验证该算法的有效性与通用性。 1 0 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 2 配电网的拓扑结构 配电自动化系统的基本功能主要有：( 1 ) 当配电网处于正常运行状态时，监视配 电网的负荷分配情况，并通过改变配电网的运行方式，达到负荷分配优化的目的；( 2 ) 当配电网处于故障状态，查找故障区段后进行隔离，并且在恢复正常区段供电时，采 取最优的恢复策略p 】。 配电网故障定位的功能是要确定哪几个顶点之间有故障，网络重构是要确定一组 开关状态，使网络结构在这组开关状态的作用下，网络运行状态达到最优，两者都需 要知道各个开关在配电网络中的位置以及开关之间的相互联结关系。无论采用图算法 或是采用人工智能算法，这些算法的实现均离不开网络拓扑结构例。因此这些功能的 实现算法不仅包含配电网的拓扑结构描述和状态变量描述，而且必须将这两方面有机 地结合起来。对于配电网这种对象，一个良好的数学描述模型将有助于功能算法的实 现，其各种功能均与配电网的拓扑结构紧密相连。 2 1 配电网接线方式 配电网可以分作树状网、辐射状网和环状网，如图2 1 所示： ( c ) 图2 1 配电网的接线方式 ( a ) 辐射网； 树状网；( c ) 环状网 配电网是面向最终用户的，即由它将电能配送到用户。由于用户数量众多，且不 同用户的供电性质和要求不同，因而配电网的结构也是不相同的。但是无论配电网是 哪一种结构，它都是由源点、分段开关、联络开关、馈线末梢等组成，且从源点开关 开始向各馈线所带的负荷供电。由于各节点的开关状态可开、可关，因此通过改变开 关的状态，就可以改变网络运行的结构，从而实现故障隔离或网络重构，即开关状态 的改变将改变配电网各点的状态变量。但是，配电网的拓扑结构是恒定不变的，即各 开关所处的位置及各馈线之间的连结顺序不变，它不随开关的状态、配电网的运行状 态改变而改变。所不同的是，当配电网处于不同的运行状态，网络中各开关、馈线之 间的参数关系不同。所以配电网运行网络的不同也可以理解为配电网的拓扑结构在不 1 l 2 配电同的拓扑结构工程硕士学位论文 同开关状态下所产生的结果。配电网中各节点开关状态的改变是以拓扑结构为基础 的，拓扑结构的数学描述模型将直接影响配电自动化各功能的实现算法。 2 2 配电网的拓扑结构 为了描述一个配电网的拓扑结构，需要给定一些基本定义： 1 ) 源点：只有一条馈线与之相连，其开关状态为闭合状态。源点上的负荷大小 即为该源点提供的电能大小，它包括馈线负载和线路上的电能损耗。 2 ) 分段开关：有两条馈线与之相连，其开关状态可以为分闸状态也可为合闸状 态。流入该开关的负荷与流出该开关的负荷相等，该开关上的负荷表明其后面所有负 荷及损耗之和。 3 ) 联络开关：有两条馈线与之相连，正其开关状态常情况下为断开状态，即它 可将配电网的运行网络进行有效的划分，使环网处于开环运行状态 4 ) 馈线末梢点：网络的末梢，只有一条馈线与之相连。 在配电自动化系统中，不论源点、分段开关还是联络开关都装有f t u ，即这些 点的状态既是可测的，又是可控的。除了这些常见的开关节点，在配电网中，还存在 耦合点以及与耦合点有关的区域和分支。 5 ) 耦合点：( t 接点) 在配电网中经常存在三条馈线交于一点情况，这一点不是 开关，所以其不装备f 1 u ，因此这一状态既不可测也不可控，称其为耦合点。 6 ) t 型区域：与耦合点相连的三条馈线组成的区间称为区域。 2 3 配电网拓扑模型的要求 配电网的故障定位、隔离与重构是配电自动化系统的核心好功能之一，故障定位 是要确定配电网中哪两个相邻顶点之间的状态参数不正常，网络重构则要确定一组开 关的状态组合，使配电网在这组组合下运行效果达到最佳。无论配电网运行采用何种 方式，配电网的故障定位、隔离与重构这些功能的实现均离不开配电网的拓扑模型。 因此这就需要拓扑模型能精确描述配电网拓扑结构，对拓扑模型有以下两点基本要 求： 1 ) 配电网的网络拓扑描述不但要表示出各顶点之间的连结关系，而且要描述出 当开关状态改变时，其运行网络结构的变化及对应参数的变化。 2 ) 配电网无论处于何种运行状态，拓扑结构保持不变，即各开关所处的位置不 变，各馈线的连结顺序不变。配电网运行网络的不同可以理解为配电网的拓扑结构在 不同开关状态的作用下产生的结果。 1 2 工程硕士学位论文 配电网故障定位与网络重构 2 4 配电网拓扑的数学模型 配电网的耗散模型是将配电网看成一种赋权图，将线路上的柱上开关作为节点 ( n o d e ) ，节点的权就是流过该节点的负荷。将相邻两个节点之间的配电馈线和配电变压 器作为图的边( e d g e ) ，该条边上所有配电变压器负荷之和作为边的权，这样处理之后 便可以大大地减少节点数，简化配电网的数学模型【5 2 1 ，简化模型的结构如图2 2 所示。 所谓“耗散，是指从负荷的角度看，从电源点流出的功率经过其各条馈线向用户供 电，也即耗散出去。 t 1t 2t 3t 4t 5t 6 m e 1 s 1 厂 t i ：配电变压器s i ：分段开关。馈线末梢 图2 2 配电网络的简化模型 ( a ) 传统模型；嘞简化模型 对配电网数学模型作了以上简化处理，建立起耗散网络模型后，便可以采用矩阵 及向量的描述方法表征其网络拓扑结构。 1 3 2 配电网的拓扑结构工程硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要分析了配电网的接线方式、配电网的拓扑结构及其特点，对配电网中一 些常见的开关作了基本的定义。研究了配电网拓扑的数学模型，分析了其基本要求， 为后续章节的研究打下了良好的基础。 1 4 工程硕士学位论文配电网故障定位与网络重构 3 配电网故障定位的矩阵算法研究 在配电网中，由于辐射状网络、树状网络和处于开环运行环网的存在，只需根据 馈线沿线各开关流过故障电流的情况即可判断故障区段。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3 1 所示区域的3 4 。 过流未过流 5 皇一断路器；一 分段开关：_ 卜一 常开联络开关 图3 1 故障区域定位示意图 这类方法首先针对配电网的拓扑结构获得一个网络描述矩阵，在发生故障时，根 据安放于馈线分段开关处和主变电所处监控终端装置上报的过电流信息生成一个故 障信息矩阵，通过网络描述矩阵及故障信息矩阵的运算得到最终的故障判定矩阵，由 故障判定矩阵就可准确地判断和隔离故障区段。基于矩阵运算的方法可整体上划分为 基于网基结构矩阵和基于网形结构矩阵两大类，不同算法的区别主要表现在网络描述 矩阵、故障信息矩阵和故障判定矩阵的具体构造上【1 0 1 1 1 。 3 1 基于网基结构矩阵的配电网故障定位算法 该算法将配电网馈线视作无向边，反映配电网拓扑结构的网络描述矩阵直接采用 网基结构矩阵加以描述。所基于的原理十分简单，即故障区段两旁的开关必定一个经 历了故障电流，而另一个未经历故障电流。根据配网的复杂程度可分为简单的辐射状 单电源供电配电网络和复杂的多电源并列供电的配电网络。 3 1 1 单电源辐射状配点网络的故障定位 如图3 2 所示是一简单的单电源辐射状配电网络。首先需要依据配电网的结构构 成一个网络描述矩阵d 。根据馈线的最大负荷，对各台柱上的f t u 进行整定。当馈 线发生故障时，有故障电流流过的分段开关上的f t u 将检测到高于其整定值的过电 3 配电网故障定位的研究 工程硕士学位论文 流，此时该f 1 u 即将这个故障电流的最大值及其出现的时刻记录下来并上报给配网 控制中心的s c a d a 系统，s c a d a 系统据此生成一个故障信息矩阵g ，通过网络描 述矩阵d 和故障信息矩阵g 的运算得到一个故障判定矩阵p ，根据矩阵p 就可以准 确地判断个隔离故障区段【1 2 1 4 1 。 f 寸一断路器；一 分段开关：t 二 一常开联络开关 图3 2 一个简单的馈线网络 将馈线上的断路器、分段开关和联络开关当作节点进行编号，假设共有个节 点，则可根据其网络拓扑构造一阶网基结构矩阵来等价地作为网络描述矩阵d 。 故障信息矩阵也是阶方阵，它是根据故障时f t u 上报的相应开关是否经历了 超过整定值的故障电流的情况来构造的。具体的定义方式为：如果第i 个节点的开关 经历了超过整定值的故障电流，则故障信息矩阵的第i 行第i 列的元素置0 ；反之则第 i 行第i 列的元素置1 ，故障信息矩阵的其他元素均置0 。也即故障信息反映在矩阵g 的对角线上 1 5 1 6 1 。 网络描述矩阵d 和故障信息矩阵g 相乘后得到矩阵，再对矩阵p 进行规格化 后就得到了故障判断矩阵p ，即p = g ( d xg ) = g ( p ) ，其中g ( ) 代表规格化操作，其 具体操作如下：若d 中的元素，白，略为l ，并且g 中岛= 1 时，需对p 中第_ ， 行第歹列的元素进行规格化处理。若g 删，g 肼，鼬中至少有两个为0 ，则将p 中第歹 行第列的元素全置o ：若上述条件不满足，则p 中相应的元素值不变。 故障判断矩阵p 反映了故障区段：若p 中的元素p u x o r p j z = l ，则馈线上第f 节 点和第_ ，节点之间的区段有故障，故障隔离时应该断开第f 节点和第j 节点。对于图 3 2 ，故障判定矩阵为 1 6 p = g ( d g ) = 0oo o 0o0 0 o100oo 00o1o00 0 01010 0 o0 01010 o0 o0lo1 ooo001o ( 3 1 1 ) 工程硕士学位论文 配电网故障定位与网络重构 可见，p 3 4 x o r p 4 3 = 0 ，p 4 5 x o r p 5 4 = 0 ，p 5 6 x o r p 6 5 = o ，p 6 7 x o r p 7 6 = 0 ，只有 p 2 3 x o r p 3 2 = 1 ，因此故障点在节点2 和节点3 之间。 规格化主要是解决r 型区域某一分支的后继馈线区域故障引起的该r 型区域也 有故障的误判问题。不妨以图3 3 所示的一个更加复杂的馈线网络作为考察对象。不 失一般性，图中编号顺序随意【1 7 18 1 。 别为 呻一断路器l ! 一分段开关：o 馈线末梢 图3 3 一个较复杂的馈线网络 若如图3 3 所示位置处发生故障，则相应的网络描述矩阵d 和故障信息矩阵g 分 d= 01oo l0oo o o o1 o o10 o1o1 0 o1l o 0 o1 相应的矩阵p t 为 o 0o l0o 010 1 ll 0 0l 0 0 o 10 0 p = g ( d g ) = g= 0 00 0 000 0 00 0000 o 00oo1o o 0loo1 1 o o 0o0o1 o 0looo0 000 0000 o0 o o 0o0 0 o 0 0 o 0 o 0 010 0 o o o 00 o 0o o o o 0 0 0 0 o o o 0o olo 0 o o 0 o 01 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 由于d 4 7 = 喀7 - - 1 ，踟= l ，且9 4 4 = 9 5 5 - 0 ，因此要对尸阵中的第7 行第7 列元素进行 规格化，b 7 = p 7 ，- - 0 。经过上述规格化