（电力系统及其自动化专业论文）地区电网故障恢复系统在线应用的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文研究并实现了一种在线应用的地区电网故障恢复系统，该系统既可以由故 障诊断程序启动，用于在线辅助事故后的调度决策，也可以由电网静态安全分析程 序启动，用于做事故预想和辅助编制事故预案。本文提出了一种基于开关刀闸维的 搜索策略，提高了搜索的效率和准确性；建立了基于e m s 数据的快速推理故障恢 复模型，通过网络搜索动态生成系统内各设备的网络连接关系，网架结构变化时无 需对该系统特殊维护；完善了故障恢复步骤，使恢复方案确实符合现场实际情况及 操作规程，具有实用性；采用潮流计算校验孤岛各恢复路径的安全性，为各条恢复 路径选择提供依据。该系统目前在兰州地区电网运行情况良好，恢复策略正确，证 明了该系统的可用性。 关键词：故障恢复，在线应用，开关刀闸组，故障诊断，静态安全分析 a b s t r a c t a r e g i o n a ln e t w o r kf a u l tr e s t o r a t i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e da n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r , w h i c h r u n si no n l i n ea p p l i c a t i o n i te i t h e rc a nb es t a r t e db yf a u l td i a g n o s i s ，w h i c hc a na s s i s tt om a k e d e c i s i o na f t e ra c c i d e n t ，o rc a nb es t a r t e db ys t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i so ft h ep o w e rs y s t e m ， w h i c hc a l lb eu s e dt om a k et h ea c c i d e n tp r e f i g u r a t i o na n dc o m p i l et h ef a u l tp r e v i e w as e a r c h s t r a t e g yb a s e do ns w i t c hg r o u pi sd e v i s e di nt h i sp a p e r , w h i c he n h a n t e st h ee f f i c i e n c ya n d a c c u r a c yo fs e a r c h ；e s t a b l i s h i n gaf a s tr a t i o c i n a t i n gf a u l tr e s t o r a t i o nm o d e lw h i c hi sb a s e do n e m sd a t a ，a n da d o p t i n gt h es e a r c hs t r a t e g yt of o r mt h ec o n n e c t i n gr e l a t i o no ft h ee q u i p m e n t s i nt h ep o w e rs y s t e md y n a m i c a l l y , s oi ti sn o tn e c e s s a r yt od os p e c i a lm a i n t e n a n c et ot h e s y s t e mw h e nt h ef r a m eo ft h en e t w o r kc h a n g e s ；p e r f e c t i n gt h ef a u l tr e s t o r a t i o nm o d u l e sa n d e n s u r et h a tt h er e s t o r a t i o ns c h e m ea c c o r d sw i t ht h es i t u a t i o no fl o c a l ea n dt h eo p e r a t i n g r e g u l a t i o n sa n dt h es y s t e mi sp r a c t i c a l ；a d o p t i n gf l o wt oc h e c kt h es e c u r i t yo fa l lt h e r e s t o r a b l ep a t h so ft h el o a di s l a n d ，w h i c hp r o v i d e st h eg i s t st oc h o o s et h er e s t o r a b l ep a t h s n i ss y s t e mi sr u n n i n gi nt h el a n z h o ur e g i o n a lp o w e rs y s t e m 、析mg o o de f f e c ta n dp r o p e r r e s t o r a t i o ns t r a t e g y , w h i c hh a sp r o v e dt h es y s t e m su s a b i l i t y l i um i n g h u i ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gd o n g y i n g k e yw o r d s ：f a u l tr e s t o r a t i o n ，o n l i n ea p p l i c a t i o n ，s w i t c hg r o u p ，f a u l td i a g n o s i s ，s t a t i c s e c u r i t ya n a l y s i s 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在线应用的研 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。 学位论文作者签名： i ! i 剑l 型， f t 期： 幻口f3 ，i3 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1 作者签名：壶扯m 墨 日期： k id ! 兰：) 导师签名：殛盎荽 e t 期：2 “：3 。； 华北电力大学硕士学位论文 1 1 故障决策系统研究的意义 第一章绪论 随着社会发展和科技进步，人们对电能的依赖性日趋增强，电力系统与人们的 日常生活更加息息相关，其安全生产和稳定运行也就愈来愈重要，因此，保证电力 系统安全稳定运行，提高供电可靠性和电能质量越来越受到人们的重视。 近年来，随着电力技术的进步和电网建设的加强，网络结构愈加庞大繁杂，经 济的飞速发展又使电网越来越接近其稳定极限，因此一旦发生事故，其所造成的危 害也更加严重。1 9 9 4 年2 月2 4 曰广西来宾电厂发生配电系统故障，波及广西2 2 0 k v 和5 0 0 k v 系统，造成广西部分地区与主网解列，5 0 0 k v 系统与广东解列；1 9 9 6 年8 月1 1 日，美国西部9 个州停电，影响4 0 0 万人，一些地区停电时间长达1 0 个小时； 2 0 0 3 年0 8 月1 6 日美国东北部及加拿大南部大停电，使北美5 0 0 0 万人陷入黑暗， 经济损失约6 0 亿美元，纽约断电2 9 个小时后才恢复供电。这些事例充分说明：随 着现代电力系统曰趋大型化和复杂化，从客观上注定了各种事故，尤其是难以预料 的偶然因素所导致的事故，是无法完全避免的，其所造成的后果也十分严重，因此， 故障后及时、准确地进行教障处理非常重要，力争使故障后的停电范围尽可能减小， 停电时间尽可能缩短，以便把停电损失降到最小。 同时，随着电网调度自动化水平的提高，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，如确定故障设备和制定恢复方寨等，总之，事故后调度员的反应速度 越来越不能满足电网运行的需要。因此开发一套在线运行的故障决策系统，在故障 时为调度人员提供准确及时的辅助决策，在日常工作期间为调度人员提供一个反事 故演习的训练环境，已成为完善电网调度自动化的一项重要任务，对整个电力事业 的发展具有重要的意义。 1 2 地区电网的特点 地区级电网属于高压配电网，我国高压配电网包括1 1 0 k v 、6 3 k v 、3 5 k v 三个标 准的电压等级。但一般城市的配电网采用1 1 0 k v 作为高压配电网主网架，少数地区 则是3 5 k v 和1 1 0 k v 两种电压等级并存，6 3 k v 电压等级仅在东北地区才有采用，由 市( 地) 公司负责高压配电网规划。高压配电网的主要特点如下： 1 为提高供电可靠性，配电网一般闭环结构，开环运行，通过热备用开关连接， 配电网在结构上一般呈现为辐射型。 2 高压配电网以1 1 0 k v 和3 5 k v 线路为主，电网网络结构延伸到1 0 k v 母线， 一般不包括1 0 k v 负荷出线，3 5 k v 和1 0 k v 出线一般在地调处直接等值成负荷。 华北电力大学硕士学位论文 3 配电系统的电气设备数量多，如自动重舍器、各自投、电容器、电抗器等。 4 配电网的分析一般不考虑电力系统的暂态稳定问题和负荷的动态特性。 5 配电网中包含一些地方自备电厂，但是这些电厂的出力一般十分小，电源主 要是从外网输入。 6 运行方式变换后，不能以合环方式长期运行。 1 3 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。 1 3 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；按下来决策系统将进 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。 指挥系统协调 00 e h l s 应用软件：潮流计 e e m s ( 扩屋)：故_ems 算、安全分析、负荷 障处理、智能操作票 预测等 4 00 统一数据平台 00 s c a d a 数据库 故障信息系统 四遥数据，来 自远方s c a d a 保护等相关数据， 来自故障信息系统 图1 1 决策支持系统整体结构示意图 堡些皇垄查堂堡主堂垡丝苎 一一一 1 3 2 组成 地区电网调度决策支持系统的整体结构示意图如图1 1 所示，区别于现有s c a i ) 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 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。 1 3 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 ) 数据库管理子系统 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 ) 高级应用软件予系统 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，保证各级网络的正常运行。 华北电力大学硕士学位论文 1 4 电网故障恢复研究综述 1 4 1 电网故障恢复简介 1 4 1 1 电网故障恢复的定义 关于电网故障恢复的定义，各种文献大体上已经形成了统一的认识，但目前还 没有完全一致。普遍的认为，电网故障恢复是指在电网发生故障后，在其它程序或 模块已经进行了故障定位，确立故障设备的基础上，所进行的一系列恢复和处理措 施；另外有一些文献将故障的定位，即故障设备的确立，也归于故障恢复的内容。 本文所设计和实现的电网故障恢复系统是电网故障分析决策系统的一个组成部 分，它和电网故障诊断、电网故障操作票共同组成电网故障分析决策系统。其中故 障的定位工作由电网故障诊断模块专门负责，而本文的电网故障恢复系统在电网故 障诊断模块之后运行。因此，本文的电网故障恢复是指故障发生后，在电网故障诊 断模块已经确立故障设备的基础上，经过故障隔离、过载处理、孤岛处理等一系列 的处理步骤恢复系统的正常供电服务并保证系统的各运行元件处于可以长久运行 状态的过程。 1 4 1 2 配电网和输电网故障恢复策略的差异 由于配电网和输电网的结构和用途不同，二者故障恢复的策略也存在着较大的 差异。 ( 1 ) 配电网通常是环网结构，开环运行，即其馈线具有辐射状的特点。因此当 配电网中发生永久性故障引起停电时，开关的动作结果将配电网分割成带电区和停 电区。停电区又分为故障停电区和非故障停电区。故障恢复的任务是隔离故障区， 在不对电网的结构作重大改变并能满足约束条件的前提下对网络进行调整，以带电 区域为电源，最大限度地恢复对非故障停电区的供电。制定配电网故障恢复策略时 所需考虑的约束条件有负荷之间的平衡，线路、变压器的容量限制，保持辐射状网 络防止合环运行等。本文所研究的地区级电网即属于高压配电网。 ( 2 ) 输电网故障恢复过程由于涉及发电、输电和配电等各个环节，考虑因素和 调控环节非常繁杂，与配电网的故障恢复相比难度比较大。而且当系统发生严重故 障时，可能出现电网的解裂，故障恢复过程中有可能涉及各予系统的并列，这就需 要在解裂和并列的过程中需要监视电网的频率，考虑并网冲击电流的大小、操作后 各子系统的稳定性及震荡情况。对于全网停电或一个区域内的全部停电则要采用黑 启动方案。由于上述原因，以及目前的自动化水平的限制，输电网故障恢复研究非 常困难，国内外在这方面深入的研究都还比较少，能够应用于实际系统的成果更是 少见。 华北电力大学硕士学位论文 1 4 2 电网故障恢复算法评述 故障恢复的目标是在允许的操作条件和电气约束下，尽可能多的恢复非故障失 电区域的供电。从本质上讲配电网的故障恢复是一个复杂的多目标、多约束、多时 段的组合非线性优化问题“1 ，最终得到的解是一系列开关刀闸动作组合。故障恢复 系统的改进算法不断被人们提出，目前国内外求解故障恢复问题主要有以下几个方 面的恢复技术和算法： 1 4 2 1 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能领域里最成熟的一门学科，一度成为国 际性的热点“1 。电力系统故障恢复问题需要依靠调度员的经验和启发式规则来解决， 很难用数学模型来表示，这是专家系统的优势所在。文献 3 e e ，作者搜集了所有可 能的故障类型和相应的故障恢复策略，并抽象转化为知识库中的产生式规则。故障 前电网结构、电气元件状态和故障数据是专家系统的输入数据。推理机根据输入数 据判断故障，在知识库中找到此类故障并执行相应的恢复算法。学习机用来自学习 新的故障类型和恢复策略，以处理知识库中没有的故障类型。人机界面将专家系统、 s c a d a 系统和客户相连。 专家系统的不足之处是：( 1 ) 建立并维护一个完备的知识库难度很大，所以知 识库是应用瓶颈；( 2 ) 随着系统的复杂性增加，知识库中的规则数量会急剧增加， 从而影响了运行速度；( 3 ) 学习能力弱，对于知识库中不存在的新型故障，系统应 变能力差。( 4 ) 容错性不高，对干扰信息和错误信息的应对能力差。 1 4 。2 2 模糊理论 模糊理论( f u z z yt h e o r y ) “1 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 5 首 先求出了恢复策略的可能解集，再用四个模糊函数来评价这些可能解，从而获得最 优解。文献 6 】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 7 】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。 1 4 2 3 遗传算法 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 是一类自适应的随机优化技术，它通过模拟生物 华北电力大学硕士学位论文 进化和遗传变异，来求解大规模优化组合问题的全局解或局部最优解。遗传算法在 求解组合优化问题时呈现良好的性能，并能够较好的处理非线性、非连续阀题，在 处理故障恢复时，能方便的处理多重故障情况。 遗传算法已经在电力系统故障恢复中得到了应用。圳。文献【l o 】将遗传算法同专 家系统相结合，提出了高压配电网的故障恢复方法。文献 1 1 】提出了一种并行遗传 算法( p a r a l l e lg e n e t i c ) ，将初始群划分为子群体，对每个子群体执行常规遗传算法， 加快了收敛速度。 遗传算法没有传统算法中复杂的数学过程，因此适应能力强，容易应付问题中 可能出现变化的约束条件和目标。但是建立数学模型的准确性决定了遗传算法的有 效性，交叉和变异操作对最后的结论有很大的影响，如何确定相应参数需要进一步 研究。 1 4 2 ，4p e tri 网及面向对象的p e t r i 网 p e t r i 网( p e t r in e t ) 作为一个图形化的数学模型工具，首先是由c a r lp e t r i 在1 9 6 0 年提出的。经过了4 0 多年的发展，已经成为具有严密数学基础和多种抽象层次的 通用网论，在自动控制及信息处理等各项科学领域得到了广泛的应用“。 采用p e t r i 网技术来解决故障恢复问题“1 具有系列优势：( 1 ) p e t r i 网的图形化 描述使复杂的恢复过程易于描述；( 2 ) 故障恢复问题通常表现出并发特性，p e t r i 网具 有处理并发问题的能力，在p e t r i 网的初始状态中往往存在多个令牌，且某些迁移点 有可能被同时激活，所以令牌可能同时在不同的路径下传送，这类似于并行推理过 程，可同时得到数个求解路径；( 3 ) p e t r i 网可方便地分析系统在特定初始条件下的可 达性、安全性及冲突等问题；( 4 ) 可使用赋时p e t r i 网扩展原网络“，计及故障恢复 过程中的时间因素。 因此，p e t r i 网适用于求解多重故障网络备用容量不足条件下的故障恢复问题。 该算法的缺点是与网络的结构关系紧密，一旦网络结构发生变化算法必须重新修 改。而且建模时面临“状态组合爆炸”问题，网络规模随着系统维数的升高呈指数 级增长，从而使系统分析难度大为增加。 文献 1 6 提出了面向对象的p e t r i 网( o b j e c t 一0 r i e n t e dp e t r i n e t ) 来做电力系 统故障恢复，以弥补p e t r i 网的不足，利用类的概念将系统中相同类型的实例表示 为类的托肯，类实例的变化只表现为托肯值的变化和数量的增减。这样既有效表征 了系统的状态、变化等动态行为特性，又实现了抽象和封装，可做到任意层次的简 化和考察系统的结构，但目前还只停留在探索阶段。 1 4 2 5 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是人工智能领域除专家系统外的又一重 要分支，其特点是采用神经元及它们之间的有向权重连接来隐含待处理问题的知识， 善于处理复杂问题，并具有自学习能力，因此在电力系统内已经得到很多应用 1 ”。 6 华北电力大学硕士学位论文 各神经元处理信息具有相对独立性，以便并行处理。此外，人工神经网络还具有冗 余性，即使有某个神经元失效，也不会影响到整个网络的工作性能。 文献 1 8 首次将人工神经网络应用到故障恢复中，利用神经网络的非线性拟合 能力来响应负荷模式和系统拓扑间的非线性关系，避免传统算法中评价线路状态的 重复计算。文献 1 9 采用了多层前馈神经网络，将停电区的支路负荷和主馈线冗余 容量为输入信号，输出节点给出馈线开关和支路开关的状态，得到相应的恢复方案。 1 4 2 6 整数规划法 整数规划法也可被用来实现故障恢复【20 1 ，它将待解的问题用标准的数学形式表 达成目标函数和不等式约束条件来进行数学求解。这种算法在处理多约束目标函 数、求取近似全局最优解等方面表现出了一定的优越性，当目标函数存在最优解时， 就定能找到。但是这种方法实际应用会遇到困难，因为系统复杂时，在建立理想 的目标函数和求取全局最优解等方面存在一定的困难，而且随着停电区域的扩大， 这种算法的计算时间会大大延长。 也有很多人为了解决整数规划法在故障恢复问题上遇到的困难，提出了改进算 法。文献 2 1 】中，作者提出了以开关为控制变量的整数规划模型，采用近似潮流方 法校验，缩短计算时间。文献【2 2 】 2 3 】在提出配电网故障恢复整数规划模型的基础上， 分别采用了有效梯度求解算法和对偶有效梯度求解算法。文献 2 4 在整数规划的基 础上，将故障恢复分解为两个阶段的子问题：( 1 ) 重构电网，尽可能的为停电区域提 供电源；( 2 ) 在第一步的基础上，重构停电区域，尽可能恢复停电区中的负荷供电。 两个子问题分别由混合整数规划法求解，最后再将故障恢复策略结合，这样就大大 减少了计算时问。 1 4 2 7 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 5 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 6 运用了图论来帮 助搜索恢复最优解。文献 2 7 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 8 】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 9 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 3 0 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 3 1 】利用决策树帮助搜索，根据故障后的网络结构，合并 7 华北电力大学硕士学位论文 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【3 2 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 3 3 】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，提出一秘启发式搜索准则，既能降低网损，又能有效平衡负 荷。文献f 3 4 提出了一种快速的启发式配电网故障恢复算法。 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 4 2 8 其它算法 近年来不断有人探索通过新方法来解决故障恢复问题，文献 3 5 介绍了一种变电 站智能顺序切换操作和配电系统供电恢复的新方法，应用条件概率法中有限随机处 理方法，通过在搜索过程中对节点未来状态的预测而取得概率的结果，结合直接推 理和直接搜索，提高了效率。文献3 6 提出了大量母线代理体和一个协调代理体组 成的多代理模型来处理故障恢复问题。 另外目前已经出现了多种算法相结合的趋势，如模糊理论同p e t r i 网方法相结合 7 】，遗传算法同专家系统相结合 1 0 】，整数规划法同专家系统相结合 2 0 ，启发式 搜索与模糊理论相结合 2 8 等，甚至还建立了故障恢复算法集合模糊专家系统 3 7 ， 结合了各种算法的数据和方法，其中各种算法具有不同的隶属度函数和统一的调用 方式。为了进一步提高恢复效率，缩短恢复时间，如何采用并行式处理手段，开发 出更加全面可靠的综合智能技术也将是新的研究方向，文献 1 1 】就采用了一种并行 遗传算法。 1 4 3 故障恢复应用现状 以往对故障恢复的研究主要集中在3 5 k v 和1 0 k v 的低压配电网，对地区级电网 故障恢复研究并不多见。而且文献所阐述的大多数研究方法都只停留在理论层面， 只限于对算法的探索和探讨，能够达到实用化程度的成型软件非常少，能够实际应 用的算法也只限于专家系统。文献 3 8 】介绍了一个成型的高压配电网的故障恢复软 件，采用数据库技术、可视化技术和面向对象的方法，实现了故障恢复系统的图形 化，具有一定的实用性。其主要存在以下几点不足：( 1 ) 只能作为一个独立的系统 离线运行，无法实时启动，这样不但不利于现场的使用，而且也降低了其在事故后 的辅助决策作用。( 2 ) 仅能出示总体的恢复方案，无法给出调度员下令时的具体内 容。( 3 ) 采用专门绘图及同时形成数据库，这样当网架结构交化时需要对图形和数 据库进行较大的维护。 华北电力大学硕士学位论文 另外由于以前调度自动化系统信息不完整，能够真正实现在线应用故障恢复系 统更是少之又少，并未见有文章记载。 1 4 4 在线应用的故障恢复系统要求 考虑到在线故障恢复的诸多特殊性，经个人总结，能够在线应用的电网故障恢 复系统必须满足以下要求： ( 1 ) 运行速度快。 在线运行故障恢复要求实时性，所以首先必须解决故障恢复的计算速度问题。 有很多文献中采用启发式搜索规则，文献 3 9 1 提出了一种基于启发式规则的最优搜 索树方法，文献 4 0 1 对联络开关的备用容量，母线间的电气距离和可转供负荷的容量 进行排序，并根据排序的结果制订搜索策略，文献 3 4 1 采用开关刀闸逐一搜索的策略， 并在搜索过程中对负荷的优先级进行排序，这些方法搜索过程都过于繁琐，运行速 度较慢，不适合在线应用。 ( 2 ) 数据维护量小，电网结构变化时，不需做特殊的数据维护。 这就要求它必须与现有e m s 高层应用软件共用相同格式和内容的静态数据和实 时数据。传统的专家系统虽然也有应用于实际运行的先例o ”，但此类方法常需要构 建庞大的知识库，在网架结构发生变化时，要做大量的数据维护，也不适用于在线 运行。 ( 3 ) 所得故障恢复方案符合调度运行规程和操作习惯，安全合理，确实符合现 场实际情况及操作要求。 很多算法目前都只能停留在理论研究层面，或者在与其它实用算法相结合中起 辅助性作用，如模糊理论“1 ，数学规划类方法( 整数规划法。”“1 等) ，现代优化类 方法( 遗传算法”。1 “，人工神经网络“7 。”1 等) ，p e t r i 网“”1 等，这些理论研究中常提 出很多不实用的指标，导致了最终恢复结果与现场实际操作情况不相符。例如： 文献中记载的优化类方法几乎无一例外地把操作开关次数尽可能少作为一项约束 条件，结合其他电气约束去求取目标函数的最优解，这样得出的解有时会与实际所 采用的操作完全矛盾。还有很多文献中将考虑经济性运行问题作为一项约束条 件，即使电网故障恢复后的有功网损最小，在目前的网架结构还不是足够坚强的情 况下，引入经济性指标只能增加负面影响，降低其实用性。况且目前的计算水平和 调度自动化水平也并不能保证潮流网损等的计算值足够准确。 1 5 本文主要工作 本文针对兰州地区电网实际情况，成功研究并开发了一个在线运行的地区电网 故障恢复系统，本系统同故障诊断程序、电网静态安全分析程序及故障操作票程序 华北电力大学硕士学位论文 相结合使用，承接故障诊断程序或电网静态安全分析程序启动运行，在故障恢复后 还可以启动故障操作票程序并为其提供恢复方案。目前该系统在兰州地区电网运行 情况良好。 本文所做的工作可归纳为以下几点： ( 1 ) 完成了故障恢复的网络模型和知识表示，提出了一种基于开关刀闸组的搜 索方法，提高了搜索速度和准确性，可以满足在线运行的要求，而旦简化了编程过 程，可操作性强。 ( 2 ) 建立了基于e m s 数据的快速推理故障恢复模型，不必再对故障恢复程序 做单独的数据维护；通过网络搜索动态生成系统内各设备的网络连接关系，当系统 网架结构发生变化时免于数据维护，增强了程序的通用性和可移植性；数据结构中 对常用的开关刀闸和元件引入了整形的数字量作为索引来记录其所在的位置，很大 程度上提高了搜索速度。 ( 3 ) 完善了故障恢复步骤，除传统的故障隔离、孤岛处理和过载处理以外，还 增加了备自投拒动处理、各自投投入校验、母线故障时的倒母线处理、等值负荷处 理、t 接线运行方式的调整等功能模块，并考虑了大量调整运行方式的实际情况， 使恢复方案确实符合现场实际情况及操作要求，具有可用性，真正对调度运行起到 辅助决策作用。而且还将传统的故障隔离分割为电气隔离和物理隔离，缩短了恢复 供电时间，使恢复步骤更加合理。 ( 4 ) 采用潮流计算校验孤岛各恢复路径的安全性，为各条恢复路径选择提供依 据。 ( 5 ) 从现场实际需要出发，实现了故障恢复与电网静态安全分析程序的接口， 是静态安全分析程序的有利补充，可以用来做事故预想和辅助编制事故预案。 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于在线应用的故障恢复基础理论研究 在前文1 4 4 中已经提出，能够在线应用的电网故障恢复系统必须满足以下要求： ( 1 ) 运行速度快；( 2 ) 数据维护量小，电网结构变化时，不需做特殊的数据维护： ( 3 ) 所得故障恢复方案符合调度运行规程和操作习惯，安全合理，确实符合现场 实际情况及操作要求。下面本章就从以上三个方面研究和解决故障恢复的在线应用 问题。 2 1 基于边缘开关刀闸组的恢复路径搜索模型 2 1 1 搜索模型 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蕊，本 文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。 首先需要定义以下几个基本概念： 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 所讲的开关刀阐组是广义的，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 - 1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 - 1 所示： 华北电力大学硕士学位论文 即：电网= 各带电子系统+ 各不带电的子系统+ 边缘开关刀闸组 可见，边缘开关刀闻组相当于各个子系统问的备用通路。如果菜边缘开关刀闸 组状态由“断开”变为“闭合”，那么它连接的两个子系统将合并成一个新的子系 统，如图2 - 2 所示。边缘开关刀闸组n m 连接着子系统f i l 和子系统n ，呈“断开”状 态，当其状态变为“闭合”后，子系统m 和子系统n 合并为新的子系统k 。在新的 子系统k 中，原有的子系统n 和m 的内 部连通性没有改变，与其它子系统的连 接关系也没有改变，这时开关刀闸组m n 成为新予系统k 中的一个闭合开关刀闸 组。 在此模型的基础上，可对故障恢复中 的各项任务进行路径搜索。例如搜索负 荷孤岛的一条恢复路径的问题，可描述 为：从失电负荷所在的子系统出发，通 过边缘开关刀闸组，搜到该孤岛所有相 邻子系统，该处搜索采用宽度优先的搜 索策略，如果相邻予系统不带电，则通 过该不带电子系统继续搜索，直至搜到 带电子系统为止。这个过程中通往某带 m l m k n ln k 闭合边缘开关刀闸组i n n 图2 - 2 边缘开关刀闸组状态对网络影响 电子系统的各个边缘开关刀闸组的组合就是该负荷孤岛的一条恢复路径。仍以图 2 - 1 为例进行详细说明：假设子系统1 为故障后产生的失电孤岛，子系统3 原来即 为不带电子系统，子系统2 和予系统4 为带电子系统。程序从子系统1 出发进行搜 索，可以搜索到两个相邻的予系统2 和3 ，因为子系统2 带电，所以边缘开关刀闸 组a 为一条恢复路径；因为子系统3 不带电，所以继续搜索子系统3 的相邻子系统 2 和4 ，予系统2 和4 均带电，因此边缘开关刀闸组b + c 、b + d 各为一条恢复路径， 注意这时要防止从予系统3 沿边缘开关刀闻组b 往回搜索到子系统1 ，这样程序会 陷入死循环。搜索完毕，得到三条恢复路径分别为：边缘开关刀闸a 、b + c 、b + d 。 然后拜通过潮流校验等手段对各条恢复路径进行评价，最终选出最优路径对子系统 l 进行恢复供电。 由以上的搜索过程可以看出。通过边缘开关刀闻组的方法可以搜索到系统内为 失电孤岛恢复供电的所有恢复路径，而且方便、快捷、可操作性强，简化了编成过 程，避免了通常的搜索过程中许多重复的匹配和搜索过程。 在本文的电网故障恢复系统中还有多处用到基于开关的刀闸组的搜索方法，如 故障隔离，孤岛处理，过载处理，调整系统运行方式等，只是有时需要搜索闭合的 1 2 兰些皇查丕堂堡主堂些堡苎 开关刀闸组，有时需要搜索断开的开关刀闸组，总之原理相同，不再赘述。 2 1 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，章节2 2 2 中将对此详细介绍。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。 表2 - 1 开关刀闸组的数据结构 数据类型字段名 描述 整型 n _ 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 开关刀闹组末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；1 ，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敲障开 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 2 基于e m s 数据的快速推理故障恢复模型 故障恢复若要在线运行，必须尽量减小数据维护量，而且当网架结构变化时( 如 系统会经常改造，增加新的线路或变电站) ，应该使故障恢复系统不需做特殊的数 据维护。本文的故障恢复程序为了解决这一问题，采用了基于e m s 数据的快速推 理故障恢复模型，和e m s 软件共用实时库和历史库，不必再对故障恢复程序做单 独的维护：程序每次在运行对动态生成系统内各设备的网络连接关系，实现了当系 统网架结构发生变化时免于数据维护，同时增强了程序的通用性和可移植行；数据 结构中对常用的开关刀闸和元件引入了整形的数字量作为索弓i 来记录其在各自表 中所在的位置，想要寻找该开关刀闸或元件时可以直接到索引位置取用，而不必再 华北电力大学硕士学位论文 到开关刀闸表中逐一匹配，由于此类工作在搜索过程中需要频繁进行，因此这在很 大程度上提高了程序运行的速度。 2 2 1 电气设备的知识表示 图2 - 3 电网网络层次结构 地区电网的层次结构可以划分如图2 3 所示，地区电网中包含若干个子系统， 每个子系统中又可能包含若干个由线路连接的变电站，每个变电站中又都是由母 线、变压器、开关刀闸、出线、电抗器、电容器、p t 等设备组成，它们属性各不相 同，分别以静态信息的形式存储于e m s 静态数据库中。我们可以把各种电气设备 抽象为开关刀闸、元件、支路三种类型来表示，其中开关刀闸具有闭合、断开两种 状态，元件相当于电气设备的端点，母线、负荷设备本身即为一个元件，线路为一 条支路，支路具有阻抗，各种电气设备具体等值情况如表2 - 2 所示。 这样整个电网可分为开关刀闸、元件和支路，开关刀闸具有闭合与断开两种状 态，所以它可以决定其两端元件的连通性，进而最终决定整个网络的连通性。开关 刀闸状态的变化可能引起电网开环或合环、解列或并列等，使电网运行方式发生变 化。 表2 - 2 电气设备的等值特性 开关或刀阍开关或刀闸即可看成一个开关刀闸两端连接两个元件 母线 母线本身可看成一个元件 负荷、电源点负荷、发电机作为注入量，可看成个元件 双绕组变压器一条支路，两端各连接一个元件 华北电力大学硕士学位论文 单段线路一条支路，两端各连接一个元件 三绕组变压器高中低三端等效成三条支路，每条支路两端各有一个元件，三 条支路在中性点处直接连接。 t 接线三条线路等效成三条支路，每条支路两端各有一个元件，三条 支路在t 接点处各连一个虚刀闸，然后在和t 接点连接。 串联电容电抗器等同于单段线路，两端各连接一个元件的支路 并联电容电抗器并联电容电抗器可看成一个负荷或者电源，标注为一个元件 2 2 2 对电气设备进行网络分析的主要数据结构 2 2 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 ，予系统信息) 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