（电力系统及其自动化专业论文）地区电网故障恢复中过载处理的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地区电网故障恢复系统的研究与实 现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 j - p 学位论文作者签名：阍基冬。 日期：0 7 。3 - d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 敲t d 1 3 1 3 导师签名：毽堇：茎 e t 期： 旦2 ：三弓 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 由于现代电力系统规模的增大，电力系统的故障后的恢复问题变得日益突出。特别 是在2 0 0 3 年8 月1 4 日美加的“世纪大停电”和随后发生的丹麦、瑞典和伦敦等一系列 大停电事故造成了数百亿美元的经济损失之后，世界各国对电力安全的研究也达到了空 前的重视程度。 尽管大停电事故存在着许多不可预知的因素，并且在特定条件下甚至是不可避免 的，但加强对事故恢复控制的研究、制定各种恢复计划并不断更新完善、加强对运行人 员、调度人员的培训和及时检修相关的电力设备，就能在事故发生时加快恢复进程；反 之，则可能延误恢复过程，甚至扩大事故范围，造成严重的后果甚至灾难。意大利南部 电网1 9 8 2 年8 月的全停事故中，由于事先制定了完善的恢复措施，因此只用4 0 m i n 就 完全恢复了对负荷的供电；瑞典在1 9 8 3 年1 2 月的大停电事故总结中指出，事先制定 的分层自动或半自动恢复原则对恢复的顺利进行起到了极其重要的作用。 在电网故障恢复方案中，确定过载设备的处理方案是其中的重要内容之一。电力系 统在运行过程中，设备( 线路、变压器) 的过载的现象是经常发生的，尤其是在故障后， 某些线路或变压器处于故障或检修状态时，将由正常的设备带全部负荷，这样可能造成 这些设备超过极限状态，使之过载。过载若不及时消除，必将对系统造成影响，如对绝 缘、接头端子或周围物体造成损坏，甚至还能引起短路事故的发生。 因此，加强对故障恢复控制的研究是电力发展的迫切需要，是保证供电质量、实现 电力工业现代化的重要手段，对促进和改善电力工业的生产和管理、加速电力市场化、 提高经济效益和社会效益有着深远的影响”1 。 同时，在电网事故状态下，数以百计的报警信息经过s c a d a 系统显示给调度员， 调度员不可能在很短的时间内对这些信息进行分析处理，确定事故类型、地点并制定恢 复方案。随着厂、网分开后电网运行模式的改变，对电网安全、经济运行的要求将进一 步提高。用户对电能质量的要求也会进一步提高。调度员对电网频繁调整的工作量将越 来越繁重，在电网事故状态时，调度员的反应速度越来越不能满足电网运行的需要。 因此开发一套准确、及时的故障恢复系统，为调度人员在故障时提供决策帮助，同 时在日常工作期间提供一个反事故演习的训练环境，是一项很有现实意义的工作。 本文是在已有的在线故障恢复系统的基础上，对其中的过载处理模块做进一步研 究。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 配电网网络重构的研究综述 配电网故障后的过载处理实际上是以消除过载为目标的网络重构的研究。因 此，下面对网络重构方面的知识加以综述。 网络重构是在上世纪八十年代才引起人们的关注的，早期有关网络重构的文献主 要是讨论其配电系统规划阶段的应用，随着对网络重构的认识的逐步加深，人们研究了 在配电系统自动化中加进网络重构功能的技术和经济的可行性，证明网络重构不仅在技 术经济上是可行的，而且可以极大的优化配电系统的运行，从此人们对它进行广泛的研 究。配电系统是处于电力系统末端，把电源系统或输变电系统与用户设施连接起来， 向用户分配电能和供给电能的重要环节。配电网一般具有闭环设计，开环运行的特 点。为了提高供电的可靠性及运行的灵活性，配电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。网络重构是配电 系统运行和控制的重要手段。 网络重构的作用体现在以下三点： a 降低配电网的网损，提高配电网运行的经济性； b 平衡各馈线的负荷，消除过载； c 在故障情况下恢复供电、提高供电的可靠性。 一般来说配电网是按满足峰值负荷的要求来设计的。然而在配电网中每条馈线 均有不同类型的负荷，如商业类、民用类和工业类。这些负荷的同负荷曲线是不同 的，导致实际当中配电网中负荷分布是不均衡的、有时甚至是极不平衡的，尤其是 在故障后，电网中的线路和变压器发生过载现象的可能性极大，可以通过配电网的 重构，将负荷从重负载甚至是过负载转移到轻负载线路和变压器上，这种转移不仅 调节了运行设备的负荷水平，消除线路和变压器的过载，还能改进电压质量，有效 的减小整个系统的网损。 j 2 1 配电网网络重构的模型 大规模网络的求解，总面临着计算量大、速度慢、收敛困难、“组合爆炸”等 实际困难。复杂配电网不仅规模巨大，而且严重缺乏量测数据，因此求解更加困难。 因此近年来针对配电网的特点，建立简化模型和进行简化分析的研究十分活跃 i p 7 1 。 文献【3 5 】等提出了利用主变电站出线负荷以及用户负荷类型、季节、日期、时 段及负荷曲线等规律来确定负荷数据的方法，但是上述方法只能根据统计的用户负 荷分布情况获得极为粗糙的结果。文献 6 】通过配电变压器的额定功率来摊分馈线出 口负荷的方法来确定各个负荷的数据，结果也非常租糙。t e w a n g e r 等提出将负荷 一2 华北电力人学硕士学位论文 沿馈线按均匀分布来处理的配网简化和分析方法”1 ，该方法可以简化配电网，但是 按均匀分布的处理沿馈线的负荷与实际的较大。n v e m p a t i 等提出保证馈线两端电 压降落相等的等效电压降落模型和保证线损相等的等效线损模型，从而将量测点之 间的馈线和负荷表示为只接有一个等效负荷( 馈线上的负荷总和) 的一条馈线( 馈 线长度按其模型求出的等效的长度) 。文献 9 】将等效电压降落模型等效线损模型 综合在一起，提出了双向的混合等效模型。等效电压降落模型、等效线损模型和双 向的混合等效模型虽然可以有效简化配电网，同时具有较高的精度，但是它们仍需 要依赖各配变的量测值，因而仍无法解决配电网中缺乏量测的问题。 文献 1 0 】和【1 1 】提出了变结构散耗网络模型，采用仅将线路上的柱上开关当作是 节点，而将配电线路和配电变压器综合看作是一种散耗元件的简化建模方法。文献 1 2 j 匝提出了变结构的散耗网络模型的配电网的不良数据辩识和网络接线分析方 法。但是文献 1 0 - 1 2 1 均采用邻接矩阵描述配电网，当配电网的节点较多时，需要较 大的存储空间，并且建立的邻接矩阵是非常稀疏的，并且变结构散耗网络模型不能 计算出配电线沿线各处的电压降落和潮流分布。 文献 1 3 q b 应用的是基于e m s 数据快速推理的故障恢复模型对电网进行接线 分析，实现了对电网的在线故障恢复。 1 2 2 配电网网络重构的方法 最优配电网络重构技术最早是由m c r l i n 和b a c k 于1 9 7 5 年提出来的，之后不断有 研究成果出来，提出了许多种方法，下面简要介绍。 1 2 2 1 分枝界面法 分枝界面法是将重构问题表达成一个非线性或线性规划问题，然后用已相对成熟 的规划方法求解。这种方法的基本原理是将所有开关闭合，然后根据与原网络相似的线 性电阻网络模型确定要打开的开关，不断重复，直至形成辐射网络。其优点是最终的网 络结构不依赖于网络开关的初始状态，并且问题解算过程是趋于最优解的。其主要缺点 是用直流潮流算法解算网络潮流，负荷为纯有功，用不能反映网络结构变化的纯电流源 表示，忽略了网络约束。 1 2 2 2 单回路优化法 单回路优化法“”将最优网络结构表示成一个整数优化问题，其目标函数是网络的有 功网损最小，它是电流的二次函数。求解时首先寻找一个初始结构为基本可行解，在此 基础上，在打开的联络开关中集中搜索一个使其闭合，在闭合的分段开关中集中搜索一 个使其断开，形成新的网络结构，并使其网损有所减少。不断重复这个过程，直至网损 一3 华北电力大学硕士学位论文 不能减少为止，对应的结构就是最优网络结构。其优点是无需将目标函数近似成线性规 划问题，计算简单，效率高，解答可行。其缺点是要确定初始可行解，对于大网络花费 时间较长。 1 2 2 3 灵敏度算法 灵敏度法“是直接计算各种刀闸状态下的潮流，通过改变刀闸状态，观察其网损变 化量，从而选出使网损下降的刀闸状态，其实质就是刀闸状态改变时计算网损灵敏度。 灵敏度法比较简单、直观，易于求解，收敛速度快。但是，在实际的计算中，这种算法 将每一馈线分成若干个负荷段，假定每段的负荷均匀，并以联络开关的位置作为变量， 假定其变化是连续的，因而，其计算精度不高，有待改善，同时，其最优解的收敛性取 决于网络的初始结构。 1 2 2 4 模拟退火法 1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为模拟熔融态固体热平衡的形成而提出m e t r o p o l i s 抽 样算法，1 9 8 3 年，这种算法被用于求解组合优化问题，从而产生了模拟退火算法n ”， 她采用随机搜索迭代过程寻求最优解。模拟退火法的优点是对目标函数无特殊要 求，得到的是全局最优解，此解与初始可行解基本无关，它同时还能有效地克服“维 数灾”。缺点是收敛的关键在于退火方案的选取，若选取不当，则需要大量的随机 迭代，计算量大，得到的解与最优解相差甚远。 1 2 2 5 遗传算法 遗传算法“是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法。它将网络的刀闸状念 编码成二进制字符串，类似于生物中的基因链，每个字符串对应于一个适应度函数， 考虑网络损耗及约束条件罚因子，将问题转化为一个混和的0 、1 规则问题，通过 字符串进行“复制”、“杂交”、“变异”等操作，经过许多代进化后，从中选择适应 度最大的字符串，即为最优网络结构。遗传算法的优点是简单、鲁棒性强、有较好 的全局寻优能力。它将离散的开关状态或是线路段状态用一系列二进制数表示，适 于计算机处理。因为它一开始就从多起点同时搜索，所以找出全局最优解的可能性 很大。遗传算法的适应度函数仅与目标函数有关，与求解的问题无关，因此对配电 网络结构无任何依赖性，可以适用于不同的网络。其缺点是算法性能易受控制参数 ( 如杂交率、变异率等) 的影响，随机迭代次数多，尤其是当搜索点接近最优点时， 搜索时间可能是l ； 面的数倍。 1 2 2 6 专家系统 人工智能方法包括专家系统法和人工神经网络法。专家系统法“是模拟工作人 一4 一 华北电力人学硕十学位论文 员在实际工作中获得的经验进行操作所采用的方法。它包括知识库、推理机( 或推理 机制) 、综合数据库( 或工作存储器) 、解释接口( 或人机界面) 、知识获取( 或预 处理程序) 5 个方面。它的优点是使用范围较广，能满足实时要求，可适用于大规模 网络和多故障条件下的恢复，网络变化后只需要修改相应的知识库。其缺点是约束 条件的考虑较困难，且无法保证最后所得的解是全局最优解。 1 2 2 7 人工神经网络 人工神经网络方法。“是模拟人脑的思维方法，适用于映射复杂的非线性函数关 系。人工神经网络方法首先根据每个区域不同负荷的变化情况，用人工神经网络估 计输入初始网络结构和负荷水平，然后决定系统的输出即最优结构，即包括一个输 入输出关系的样本。它的优点在于不需要进行潮流计算，对神经网络的训练数据只 需要对应不同初始结构和网络结构即可。因而，一旦它的权值给定，只要给定输入， 立刻就可以得到输出。它的不足在于其最优解与训练组的数据关系很大，而配电网 的结构与负荷变化非常频繁，其权值常需要重新更换，而且在训练过程中有时会出 现“麻痹”现象，从而限制了其实用性。 i 2 2 8 启发式搜索 对于故障恢复在实际系统中的应用，启发式搜索往往可以获得较好的效果，有 很多文献采用此类算法解决实际问题。启发式搜索是受启发式规则引导的搜索模 式，依靠专门的信息来简化搜索，提高效率。同时评价函数用来评价搜索空间，实 现优先搜索。大多数启发式搜索的故障恢复方法都是基于开关的操作，用启发式规 则来定义专门的运行标准，检验大量的候选解。 已经有很多网络搜索技术用来帮助搜索求解。文献 2 l 】运用二叉树决策法，按 照深度优先的搜索策略扩展可行解，寻求配电网负荷平衡。文献 2 2 】运用了图论来 帮助搜索恢复最优解。文献 2 3 】使用宽度优先搜索策略，侧重于搜索停电区域周围 的联络开关来获得供电路经。文献 2 4 1 采用启发式算法来搜索可能的恢复方案，使用 启发式规则和模糊逻辑进行配电网故障恢复和负荷平衡。文献【2 5 】提出了一种考虑 全网开关状态进行启发式搜索以决定开关操作序列的故障恢复方法。文献 2 6 1 中为 减少开关操作数，作者在满足各种操作约束的情况下，寻找从电源点到负荷点的最 短路径进行故障恢复。文献【2 7 】利用决策树帮助搜索，根据故障后的网络结构，合 并选定的结点以简化配电网网络，形成利害数，综合选择权重值最小的树结构为恢 复方案。文献 2 s 开发了一种考虑冷负荷启动的逐步故障恢复方法，减少总的恢复 时间和负荷停电时间。文献 2 9 】为解决馈线过载问题，将用于降低网损的支路交换 法与负荷平衡指标结合，提出一种启发式搜索准则，既能降低网损，又能有效平衡 负荷。文献【3 0 提出了一种快速的启发式配电网故障恢复算法。 一5 一 华北电力人学硕士学位论文 启发式搜索应用广泛，通常采用最优算法与规则相结合，使用最少的开关操作 为最优解，从而减少操作时间。启发式规则是纲要性的，不同于其它人工智能方法 的知识库中的规则，不受系统结构的约束。但是基于现场经验和技术分析的启发式 规则大大决定该算法的效率，并且不能保证每次都能得到最优解。 1 2 2 9 支路交换法 支路交换法“”的核心思想是搜索每一联络开关闭合回路上的分段开关并加以交 换( 开关状态的互换) ，若目标函数值随交换变得更优，则交换成立，直到所有的联 络开关不能再通过交换使目标函数更优为止。这种方法的优点是每次运算结果都对 应着辐射型的拓扑结构，与配电网辐射型运行状态相符。其缺点是最终收敛性仍然 取决于网络初始结构，难以保证全局最优，不适于大规模配电网的网络重构。 1 2 2 1 0 最优流模式法 最优流模式算法”2 1 以功率损耗最小为目标函数，其实现网络重构的基本思想如 下过程表示：第一步，先不考虑配电网络必须为辐射型结构的约束条件，将所有开 关合上以形成多环网。第二步，除了系统的潮流方程，在不考虑其它约束条件的情 况下，求出使系统功率损耗最小的系统电流分布( 即所谓的最优流模式) ，将网络中 所有支路阻抗中的电抗部分去掉，这样求得的电流分布就是系统的最优流模式。第 三步，以打开在最优流模式下电流最小的开关为打开开关的启发式规则，打开一个 开关解开一个环路。重复第二第三步，直至由步骤一形成的环网中的所有环路被解 开，网络的拓扑为辐射型结构为止。这个算法的优点是速度快、开销小。其缺点是 指导思想缺乏理论依据，并且它还缺乏一种有效的方法避免重构过程中出现孤立节 点，同时，它假设所有的支路上都有可操作的开关，不符合实际情况。现在，在最 优流模式算法的基础上新发展了一种改进的最优流模式算法，能够克服理论依据不 足、出现孤立网络的缺点。 1 2 2 1 1 模糊理论 模糊理论( f u z z y t h e o r y ) ”将经典集合理论模糊化，逐步发展成为一套完整的 推理体系。模糊理论具有以下优点：( 1 ) 适于分析不确定问题；( 2 ) 用语言变量表 述专家的经验，更容易被理解；( 3 ) 可以获得更多不同优先级别的解。 模糊理论已经在电力系统故障恢复的很多领域中得到了广泛的应用，文献 3 4 1 首先求出了恢复策略的可能解集，再用四个模糊函数束评价这些可能解，从而获得 最优解。文献 3 5 1 运用了模糊推理，将一个多目标问题转化为单目标和多模糊约束 的问题。文献 3 6 】运用模糊p e t r i 网来解决传统p e t r i 网的固有缺陷。例如，通常的 故障恢复目标都希望尽可能多地恢复负荷，尽可能少地操作开关，这些表达都是不 一6 一 华北电力大学硕+ 学位论文 精确、模糊的，模糊p e t r i 网用模糊集合规定了故障恢复的目标，并为p e t r i 网建立 了专用的并行规则模糊触发方式，以处理并行推理中的优先性问题。 总而言之，模糊理论擅长改善其他人工智能方法的容错性能，但如何确定隶属 度函数，以及如何在网络结构变化后修改隶属度函数，都是值得继续研究的问题。 以上介绍的各种算法可以根据实际情况进行选择，而且可以将几种算法结合起 来应用。 1 2 3 网络重构应用现状 在网络重构的应用中，选用哪一种算法，则要根据网络的规模、重构的目的等 具体情况而定。对于比较简单的网络，以降低网损，平衡负荷为目的。由于其网 络比较简单，且一般是在系统规划时进行的，对于计算速度没有很高的要求，所以 可以采用的算法很多。一般使用规划算法，启发式算法，已经能够找到全局最优解， 从而满足降低网损的目的。当然，也可以使用遗传算法进行网络重构，但是由于遗 传算法是从多点开始搜索，全局寻优的，因而在进行简单网络的重构时，速度反而 比规划算法、启发式算法慢。对于复杂的网络，同样以降低网损，平衡负荷为目的。 此时采用遗传算法能够取得较好的效果。遗传算法是从多点开始搜索，寻取的是全 局最优方案，因而能够很好地满足要求。对于使用遗传算法过程中可能出现的算法 性能易受控制参数影响的问题，可以考虑在计算过程中，改变交叉率、变异率的值， 提高算法的收敛速度，避免不成熟收敛。对于单纯的回路优化法、灵敏度法、支路 交换法，由于这些方法的最终结果都取决于网络的初始结构，而复杂配电网络可供 选择的初始结构的方案很多，无法使最终的重构方案为全局最优，因此可以考虑采 用复合方法，用分枝界面法提供一组初始解，然后在这些初始网络结构基础上，使 用回路优化法或支路交换法确定网络重构的一组解，比较这些解，选出最优解，即 为所要求的网络重构方案。另外，在重构过程中，还可以尝试着把专家系统方法、 人工神经网络方法及遗传算法结合起来，分别吸取它们的优点，也许能够得出更优 的网络重构算法。 以供电恢复、提高供电可靠性为目的。供电恢复可视为故障情况下的网络重构， 考虑的都是开关状态的组合空间。供电恢复策略的求解一是可以采用带启发原则的 广度优先搜索算法。此算法的主要思想是在故障隔离后，搜索所有待选联络、分段 开关对，依据其可转移负荷量或其它电气指标排序并操作，不断重复以上过程以缩 减停电区、过负荷区和电压越限区的大小，直至满足运行条件要求并恢复所有停电 负荷，或在一定条件下转为实施切负荷操作。二是采用遗传算法。对于网络重构中 的故障恢复问题，根据基因编码方式的不同，遗传算法的应用可以分为2 大类：它们 用开关的开合状态进行基因编码；以开关间线段的带电状态编码。都以个体代替网 一7 华北电力大学硕十学位论文 络配置，染色体代表馈线，都要经过选择、交叉和变异操作。其主要区别是在于第 二类算法处理时间相对比较短，因为配网拓扑图中节点数要少于支路数。随着配网 自动化技术的不断发展，处理配电网络故障的时间会越来越短，这就对恢复供电的 网络重构算法提出了实时的要求，而使用遗传算法的供电恢复的结果虽然优于启发 式算法，但是其计算时间却远远大于启发式算法，并且，与启发式算法相比，遗传 算法产生的网络结构一般与初始网络结构相差较大，要求的开关次数多，因而不易 为调度员接受。所以，在以供电恢复为目的的网络重构中，在实际应用中一般采用 启发式算法。 目前以故障后消除过载为目的的网络重构的文献比较少，在实际系统中的应用 更少，因此有必要对其进行研究。 1 3 本文主要工作 本文在已有的在线故障恢复处理系统“3 1 基础上，针对原来系统中过载处理功能 的不足，研究并开发了一个新的过载处理模块，能够给出负荷转移或切除的详细步 骤，并通过在仿真系统的测试，验证了过载方案的正确性。本文所做的工作可归纳 为以下几点： ( 1 ) 总结已有系统中过载处理功能自q 不足，从用户使用角度探讨几种可能的 过载处理实现方案的优点和缺点； ( 2 ) 研究并开发了一个新的过载处理模块，与原有系统相比，完善了故障恢 复步骤，使恢复方案符合现场实际情况及操作要求； ( 3 ) 在兰州地区故障决策支持系统的平台上建立研究念，设计了多种过载模 式，验证了本系统的j 下确性。 一8 一 华北电力大学硕士学位论文 第二章在线故障恢复系统的功能分析 2 1 地区电网调度决策支持系统简介 本文开发的地区电网故障恢复系统是地区电网调度决策支持系统的一个组成 部分，因此这里先将地区电网调度决策支持系统作以简介。 2 1 1 概述 地区电网调度决策支持系统是建立在s c a d a e m s 系统基础之上的更为高级的电 力系统决策支持软件，是对s c a d a e m s 的进一步发展和扩充，是为电网调度提供更 为全面和智能化决策的大型系统软件。其功能主要是利用电力系统中所测量到的各 种实时信息，以及系统静态参数信息，在实时态和研究态模式下，对电力系统的各 种运行状态进行分析，帮助调度员了解和掌握电力系统的运行状态，提供针对电网 当前运行状态的分析决策，保证电 网的安全稳定运行，并提高电网运 行的经济性能。具体的，就是在系 统正常运行时不断进行安全和经 济性的评估，给出评估结果报告； 系统中发生故障时，决策系统将根 据上传的报警信息进行故障诊断， 在判断故障元件的同时，一并对故 障涉及到的开关和保护的动作情 况进行评价；接下来决策系统将进 行故障恢复决策，给出恢复策略； 当系统中有操作任务时，决策系统 根据调度员的操作任务自动开具 调度操作票。可见，电网调度决策 支持系统能处理比现有e m s 范围广 得多的运行状态，能为调度员提供 更为丰富和智能化的决策支持。 2 1 2 组成 l 指挥系统协调 00 l e 骼应用软件：潮流计e e m s ( 扩展e m s ) ：故 i 算、安全分析、负荷 障处理、馨能操作票 l 预测等 00 统一数据平台 n介 i s c a d a 数据库 i 故障信息系统 四遥数据，来保护等相关数据， 自远方s c a d a来自故障信息系统 图2 1 决策支持系统整体结构示意图 地区电网调度决策支持系统的整体结构示意图如图2 1 所示，区别于现有s c a d a 系统的是，它还要采集故障信息系统上传的故障信息，为故障诊断和故障恢复软件 一9 一 华北电力人学硕士学位论文 提供数据支持。 地区电网调度决策支持系统由以下部分组成： 1 ) 统一数据平台，包括s c a d a 和故障信息系统。 2 ) 变电站继电保护信息管理系统。 3 ) 稳态分析系统，包括网络拓扑、状态估计、调度员潮流、静态安全分析、 无功优化、负荷预计。 4 ) 智能调度操作票。 5 ) 故障分析，包括故障诊断、故障恢复和故障操作票。 6 ) 指挥系统。 7 ) 报表。 其中：s c a d a 和稳态分析是目前e m s 具备的功能，其它部分为新增模块。 2 1 3 整体结构 电网调度决策支持系统包括以下5 个子系统： 1 ) 数据库管理予系统 管理来自实时s c a d a 系统的数据、故障信息系统的数据和历史库数据，是网络 分析系统软件和调度管理的源数据。 2 ) s c a d a 和故障信息子系统 完成数据的收集、监视、控制、故障记录、报表统计和计算功能，它是调度自 动化系统的基本构成部分。 3 ) 变电所继电保护信息管理系统 完成故障相关的保护、录波等二次装置的数据的收集、监视、报表统计和分析 功能，它是故障诊断、故障恢复和故障操作指导软件的基础数据源。 4 ) 高级应用软件子系统 完成运行系统的分析、计算和优化功能，是提高电力系统运行的安全性和经济 性的一系列软件功能模块的总称。 5 ) 网络通讯子系统 完成网络的连接，管理和数据流的传输任务，遵循标准的网络传输协议。 6 ) 管理，维护子系统 承担网络的日常管理、维护任务，保证各级网络的j 下常运行。 2 2 在线故障恢复系统实现的基本功能 本文的地区电网故障恢复系统是电网故障分析决策支持系统的一个组成部分， 和故障诊断、故障操作票共同组成电网故障分析决策系统。它采用s c a d a 实时数 一1 0 一 华北电力人学硕十学位论文 据，可以在实时态下辅助事故后的调度决策，也可以在研究态下用于模拟事故处理、 做事故预想和辅助编制事故预案，具体功能如下： ( 1 ) 故障恢复程序可以由故障诊断程序启动，由电网静态安全分析程序启动， 或手动启动； ( 2 ) 由故障诊断启动时可分为实时态和研究态，实时态时自动检测主服务器， 从s c a d a 取数据，研究态时从所创建的系统某研究态的断面取数据； ( 3 ) 可以处理拒动的备自投； ( 4 ) 当故障发生后，首先对故障设备进行电气隔离( 将故障设备转为热备用) ， 待恢复供电等工作已经处理完毕后，最后对故障设备进行物理隔离( 将故障设备转 为冷备用) ，以保证优先恢复供电； ( 5 ) 对未停电区域，如有过载，提示过载相关信息，给出消除过载的方案； ( 6 ) 对失电孤岛，搜索所有供电路径，进行潮流校验，给出对各条路径优劣的 评价，并由调度员通过界面选出最优供电路径，形成恢复方案； ( 7 ) 调整系统运行方式，事故后将系统调整到一个可以长期、稳定运行的运行 方式下； ( 8 ) 提供最终格式化的恢复方案报告，形成可执行的具体到每一步开关刀闸操 作的操作步骤； ( 9 ) 将每次故障恢复的恢复报告、潮流校验结果备份到指定路径中，并在文件 名上加时间标签，以备同后查询； ( 1 0 ) 与其它应用程序接口。 一与s c a d a 系统接口，取得开关、刀闸状态和遥测量的实时和历史信息。 _ 与电网故障诊断软件接口，取电网故障诊断结果。 - 与电网静态安全分析程序接口，取电网静态安全分析结果。 - 与电网故障操作票软件接口，将故障恢复结果输出给故障操作票程序使其能 够自动形成故障操作票。 2 3 故障恢复程序的启动及接口 运行故障恢复程序之前首先要得知故障设备，本文的故障恢复程序既可以由故 障诊断程序启动，也可以由与网静态安全分析程序启动。 2 4 应用开发环境 本文的故障恢复系统采用了微软公司的y is u a lc + + 6 0 软件作为开发工具， 它是一个应用于w i n d o w s 环境下的、面向对象的可视化编程工具，支持当前最新的 华北电力大学硕十学位论文 多种数据库，具有完备的开发环境，功能强大，它的应用程序向导可以帮助用户快 速建立各种应用程序的基本框架，是较为理想的开发工具。 本文的故障恢复系统涉及到大量的数据存储和读写，采用o r a c l e 作为数据库 管理系统，它的海量数据管理、保密机制、开发工具及强大的备份、恢复等功能为 我们提供很大的方便。同时本文的故障恢复程序运行于两台客户端的工作站上，而 系统数据都存储于一主一备两台服务器上，每次读取和存储通过网络远程访问，这 也正是o r a c l e 的优点之一。 程序与数据源的连接采用o d b c 形式，简单方便。 2 5 故障恢复程序主流程 与故障诊断接口和与静态安全分析接口的故障恢复程序的主流程分别如图2 2 和图2 - 3 所示，由于二者的数据源和所读取数据格式不同，二者程序主流程主要区 别在于程序入口处的数据初始化部分。 一1 2 华北电力大学硕士学位论文 从故障诊断获得故障信息， 从实时库和历史库读入系统信息 网络分析，形成系统设备、开关刀闸 和元件连接的逻辑关系 备自投拒动处理 i 对故障设备进行电气隔离 过载处理 i 孤岛处理 + 等值负荷处理 调整主变或线路的运行方式 动作备白投的供电设备充电 对故障设备进行物理隔离 输出，形成恢复报告 图2 2 与故障诊断接口的故障恢复主流程图 由启动界面获得电网静态安全分析结 果中的故障设备信息 + 由故障设备信息在静态安全分析结果 中查询得到动作开关信息 由故障设备信息在静态安全分析结果 中查询得到动作各自投信息 读取静态安全分析启动时截取的系统 断面，叠加故障信息，形成故障断面 i 网络分析( 下同与故障诊断接口的故 障恢复主流程图) 图2 3 与静态安全分析结合的故障恢复主流程图 2 6 基于边缘开关刀闸组的恢复路径搜索模型 2 6 1 搜索类型 在线运行要求很强的实时性，为了解决故障恢复在线运行的运算速度问题，在 文献 1 3 提出了一种基于边缘开关刀闸组的路径搜索策略，提高了搜索效率和准确 一1 3 华北电力大学硕十学位论文 性，使程序运行速度大为加快，这是普通搜索方法所不能企及的。另外此方法使恢 复过程更加明确，简化了编程，实用性很强。本文依然采用这种搜索模型，简要介 绍如下。 首先了解如下几个定义： 定义1 ：将两个相邻供电设备之间的开关刀闸组合定义为一个开关刀闸组，这 里所讲的开关刀闸组是广义的，可以包含下列几种形式： ( 1 ) 如果一个开关两侧都有刀闸，则由“刀闸+ 开关+ 刀闸”构成开关刀闸组， 这种开关刀闸组在系统中最为多见； ( 2 ) 如果一个开关只有一侧有刀闸，则由“刀闸+ 开关”或“开关+ 刀闸”构成 开关刀闸组，在本文中的故障恢复系统的数据平台上，小车开关都等效成了这种模 型； ( 3 ) 如果一个开关两侧都无刀 闸，则由该开关独自构成开关刀闸组； ( 4 ) 如果两个设备之间只有刀闸 连接，则由该刀闸独自构成开关刀闸 组，桥型接线或角形接线时都会出现 这种情况。 图2 4 电网等值模型图 定义2 ：如果开关刀闸组中所有开关和刀闸都为闭合状态，则定义此开关刀闸 组为“闭合”状态；只要开关刀闸组中有断开状态的开关或者刀闸，就定义此开关 刀闸组为“断开”状态。 定义3 ：将子系统之间“断开”状态的开关刀闸组，定义为边缘开关刀闸组。 有了这些定义，于是可将整个电网抽象成以下数学模型，如图2 - 4 所示： 即：电网= 各带电子系统+ 各不带电的子系统+ 边缘开关刀闸组 在文献 1 3 中的故障恢复系统中的多个模块用到基于开关的刀闸组的搜索方 法，如故障隔离，孤岛处理，调整系统运行方式等，只是有时需要搜索闭合的开关 刀闸组，有时需要搜索断开的开关刀闸组。在本文的过载处理模块中同样也应用到 了该模型。 2 6 2 数据结构 下面将开关刀闸组的数据结构做简单介绍，表2 1 列出了开关刀闸组的数据结 构，其中开关刀闸和始末端元件全部采用其代码在开关刀闸表中的数组序号记录， 主要是为了搜索时快捷。当双母线接线时，每条出线分别可以连在两条母线上，程 序中将这种情况当成两个开关刀闸组处理，但二者又有关联，故用“n t y p e ”标记此 类开关刀闸组。 一1 4 一 华北电力人学硕十学位论文 表2 - 1 开关刀闸组的数据结构 数据类型 字段名描述 整型1 1 b r e a k n u m开关在开关刀闸表中的数组序号 整型 n s t a r t s t c h始端刀闸在开关刀闸表中的数组序号 整型n e n d s t c h 末端刀闸在开关刀闸表中的数组序号 整型n s t a r t e l e开关刀闸组始端元件在元件属性表中 的数组序号 整型n e n d e l e开关刀闸组术端元件在元件属性表中 的数组序号 整型数组 n k s t a t e 3 】始端刀闸、开关和末端刀闸的状态 整型 n t y p e 标志：1 ，表示一般的开关刀闸组；l ， 表示该开关刀闸组还有一个并列的非故障 开关刀闸组( 双母线线) ；2 ，表示该开关刀 闸组还有一个并列的故障开关刀闸组( 双母 接线) ，合上本开关刀闸组前要拉开故障刀 闸； 2 6 2 1 网络分析的基本数据结构 故障恢复系统必须建立在良好的数据结构表示上，把配电网系统中各电气设备 的属性及其所属节点和子系统信息存放起来。故障恢复有三个基本数据结构，开关 参数表、支路信息表和母线参数表，分别描述开关元件，变压器、线路和串联电容 电抗器，负荷、电源。 开关参数表包含开关刀闸的相关属性，支路参数表包含变压器、线路、电容电 抗的相关属性，母线参数表包含母线及其负荷、电源的属性( 负荷、电源是将同一 母线的所有负荷和电源等效到一点上的负荷电源值) 。这三个数据表中包含的电气 元件物理信息或状态信息从地区电网调度决策支持系统平台相关数据表中读入，其 中负荷、电源数值取自于母线上状态估计的结果，电气元件的拓扑属性( 所属节点 ，子系统信息) 是网络接线分析后获得的结果。 ( 1 ) 开关刀闸参数表 开关刀闸参数表中保存的是开关和刀闸本身的属性和其拓扑信息，因为开关和 刀闸在网络拓扑结构上具有相同的特性和结构，只是开断能力不同，因此将它们放 在同一数据空间中，并通过字段“n t y p e “( 类型) 来加以区分，在本文表述时也经 常统称为“开关刀闸”，下同。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 2 开关刀闸参数表 数据类型字段名描述 字符型 s t r n a m e 开关代码 字符型 s t r d e s c r i b l e 开关中文名称 字符型 s t r s t所属厂站代码 整型n v j l g r a d e 电压等级 整型 n t y p e 类型：1 普通刀闸，4 地刀，5 普通开 关，7 母联开关，9 9 虚刀闸 字符型s t r l e f t e l e开关左端元件代码 字符型 s t r r i g h t e l e开关右端元件代码 整型n k s t a t e 开关状态：o 开断1 闭合 整型 1 1 l e f t e l e左端元件在元件属性表中的数组序号 整型 n r i g h t e l e右端元件在元件属性表中的数组序号 整型 n f l a g 故障标志，0 正常，1 故障 ( 2 ) 支路信息表 支路信息表中保存的是变压器、线路、电容电抗等设备等值为一条或者多条支 路后的属性及其连接拓扑信息。表2 - 3 给出支路信息表的数据结构。 表2 - 3 支路信息表 数据类型 字段名描述 字符型 s t r a s c n a m e 编号 字符型 s t r l i n e n a m e 支路中文名描述 整型 n t y p e支路类型( o ，线路1 ，双绕组变2 ，三绕 组变3 ，零支路g ，串联电抗5 ，串联电容) 字符型 s t r l e l e n a m e始端元件代码 字符型 s t r r e l e n a m e 末端元件代码 字符型s t r l s t n a m e始端厂站代码 字符型 s t r r s t n a m e 末端厂站代码 整型 n v b l g r a d e 电压等级 浮点型依1 支路j 下序电阻 浮点型 f ) ( 1 支路币序电抗 浮点型 f b l 支路币序电纳 1 6 一 华北电力大学硕士学位论文 一浮点型 i j 变压器变比 浮点型f p i支路始端有功 浮点型 f q i支路始端无功 浮点型 f p j 支路末端有功 浮点型 f o j 支路末端无功 浮点型d e l p支路有功损耗 浮点型 f d e l q 支路无功损耗 浮点型 f i i 支路始端电流 浮点型 n j支路术端电流 浮点型 f i m a x 支路最大电流 整型n l e i e始端元件在元件属性表中的数组序 号 整型n l n o d e始端元件所属节点号 整型n r e l e末端元件在元件属性表中的数组序 号 整型 n r n o d e末端元件所属节点号 ( 3 ) 母线参数表 在程序应用的数据平台上，高压配电网的外网电源进线，负荷出线都等值为母 线点或其连接的母线上，因此母线参数表除包含母线的物理和拓扑属信息外，还包 含母线上等值的负荷、电源的属性。表2 - 4 给出了母线参数表的数据结构。 表2 4 母线参数表 数据类型字段名 描述 字符型 s t r n a m e 母线编号 字符型 s t r d e s e r i b l e 名称 字符型 s t r s t 厂站代码 整型 n v j l g r a d e 电压等级 浮点型v i电压有名值 浮点犁v b电压标么值 浮点型d i 电压角度 浮点犁p l o a d 有功负荷 浮占犁 q l o a d 无功负荷 1 7 华北屯力入学硕十学位论文 浮点型 p g e n有功出力 浮点型q g e n无功出力 整型 n n o d e 所属节点号 整型 n s v s所属系统号 除了以上三个数据表外，故障恢复系统还需利用其它的一些电网原始数据信息 表，如厂站参数表、电压等级表、线路参数表、变压器参数表等，其中线路参数表 和变压器参数表是支路参数表的形成来源，由于篇幅有限，不再一一介绍。这些数 据表内的具体信息依据所针对的不同系统网络而不同。通过这些数据表可以获得系 统网络的结构和连接关系，可以快速地完成搜索与查询任务，并且实现故障恢复系 统的数据独立性。 2 6 2 2 网络分析的基本扩展数据结构 由元件来寻找其所相连的某种状态的( 断开的或者闭合的) 开关刀闸，是故障 恢复程序内部需要频繁进行的动作，一般方法可以到开关刀闸表中去匹配每个开关 刀闸的左、右端元件号，并纪录所有符合的匹配，但是由于开关刀闸表数量庞大， 这种方式非常耗时，为了解决由元件寻找开关时的速度问题，故障恢复程序中还创 建了下列两个表格，即表2 - 5 和表2 6 ，这两个表格是根据前面的基本数据结构和 基本信息生成的。 表2 - 5 元件一开关刀闸表 数据类 字段名描述 型 字符型s t r n a m e 元件代码 整型 a s w i t c h n u m元件所连接开关刀闸的在开关刀闸表中 的数组序号 表2 - 6 元件属性表 数据类型字段名描述 字符型 s t r n a m e 元件代码 整型n s w i t c h n u m 元件所连的开关刀闸数量 整型 n s t a r t元件所连的开关刀闸在元件开关刀闸表 中的起始点 一1 8 一 华北电力大学硕十学位论文 整型 n b u s f l a g 元件类型：1 母线元件；3 虚拟站元件： 4 变压器中性点元件；5 连接故障设备的元件； o 其它元件 整型 n n o d e元件所属节点号 2 7 在线故障恢复系统中过载处理模块的不足 故障恢复主要包括孤岛处理和过载处理两大模块，还有故障隔离，备字投拒动处理， 倒母线处理，等值负荷处理，调整t 接线运行方式等辅助模块，其中故障后过载处理的 文献目前来说比较少见，能够在现场实际应用的系统更是少之又少，因此开发出一套能 够解决故障后过载问题的系统至关重要。 已有的在线故障恢复系统只给出了过载设备及下游母线的相关信息，如过载设备名 称、额定值、实际值、过载量、过载设备所供的下游母线，提示转移过载设备的下游母 线上的负荷，如何转移负荷并没有给出具体的解决方案。它只给出了初步处理过载设备 的信息，但是寻求过载设备下游负荷的转移路径，即相关的开关刀闸的具体操作是过载 处理的重要内容。因此需要对过载处理模块做进一步的研究。 2 8 本文的过载处理方案 过载处理部分中寻找到过载设备的转移路径是相对容易的，但是在几个转移路径方 案和切负荷方案中，哪个方案最优，有待于研究。 在配电网发生故障后的优化控制方面，目前求解此类问题的主要思路是应用人 工智能与数值计算相结合的方法。如：应用启发式寻找可能的恢复方案，并确定优 选的恢复方案”7 ，应用模糊数学原理确定恢复方案1 ，应用遗传算法寻求最优解等 1 4 0 1 i 应用专家系统技术进行推理确定最优的恢复方案“”等。这些方法主要是寻找到 优化指标，如开关操作次数较小、过负荷量较小、负荷的重要程度等。 在文献 4 2 1 中应用模糊遗传算法在建立适应函数时同时选择了几个指标，在指 标前加上惩罚系数，然后使适应函数值最小即可。 在文献 4 3 b h ，应用模糊理论建立对于评估方案的隶属函数，对隶属函数中的每个 指标根据经验取相应的权值，针对隶属函数的大小来判断恢复方案的优劣。 然而，“惩罚系数”、“权值”的大小在实际系统中也是很难准确设定的，而且也是 随着实际情况的变化而变化的，有时还是会与现场发生冲突，所谓的“最优”仍然是某 种程度上的最优而已。目前，几乎大部分文献在选择恢复方案时几乎都是由系统自动给 定好的，据了解最终的恢复方案与现场的操作还是有差距的。 因此，本文屏弃了前面提到的寻找转移路径的“最优”问题的想法，提出了更加符 一1 9 华北电力大学硕十学位论文 合现场实际的方法。本文在寻找过载路径时是基于启发式搜索的方法，这种方法在第一 章中已经介绍，这里不再重复。本文提出了在处理过载设备时提供选择恢复方案的人机 交互界面的思想，总体思路是这样： ( 1 ) 寻找到过载设备的下游转移负荷的所有路径后，连同切负荷策略，同时出现 在人机交互界面中，给出的路径是按照以下的原则进行排序的： 收敛的路径往前排； 过载设备本身过载消除的路径往前排； 夺此路径下新生成的过载设备少的往前排； 开关刀闸的操作次数少的往前排。 ( 2 ) 将潮流校验的结果和开关刀闸的具体操作也放在了人机交互界面中。 ( 3 ) 调度员根据界面中提供的信息，再结合现场的实际情况，选择一种合理的恢 复方案。 本文的这种恢复策略在实际应用中同以往的网络优化方法相比更加灵活，更加符合 现场的实际要求。具体搜索过程将在下文阐明。 2 0 华北电力大学硕十学位论文 3 1 过载任务的形成 第三章过载处理的研究 当系统内发生故障后，或用电高峰时，在网架结构薄弱或不合理的地方有可能 造成设备的过载，过载任务的形成步骤如下： ( 1 ) 首先进行网络拓扑和潮流计算； ( 2 ) 过载设备的类型分为主变和线路两大类，其中主变又分为三绕组变压器 和双绕组变压器。