（电力系统及其自动化专业论文）petri网和冗余纠错技术结合的配网故障定位新方法.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e c o n s t r u c t i o np r o j e c tf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，t h eh i g h e r r e q u i r e m e n to f d i s t r i b u t i o ns y s t e ma u t o m a t i o nt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r di nt h ed i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ( d m s ) f a u l ts e c t i o nd i a g n o s i s ( f s d ) i so n eo ft h ek e r n e l f u n c t i o no f d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n w h i c hr e q u i r et h ef s d 诵t hb e r e rg e n e r a l i t y 、s i m p l i c i t y 、f a s ta n d e x a c ts o l v i n g t h a ti st h ei m p o r t a n tw o r k t h i sp a p e rw i l ld o b e c a u s et h e c o m p l e x i t y o ft h et o p o l o g ys t r u c t u r eo fd s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ) 、t h e m u l t i p l eo p e r a t i n gm o d eo f d s 、t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ed y n a m i cd i s c r e t ee v e n td e s c r i p t i o n d u r i n gf a u l ti nt h ed s ，t h ea p p l i c a t i o n o f p n ( p e t r in e t s ) i nt h ef s d ( f a u l ts e c t i o n d i a g n o s i s ) i s r e s t r i c t e d o nt h eb a s i so fs u f f i c i e n tm a s t e r yt od o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d ys t a t u so ff s d ，t h e e x i s t e n tp r o b l e m so f a l lk i n d so f p r i n c i p l ea n dm e t h o da r ea n a l y z e di ne s s e n c e i nt h i sp a p e r , a n e wa p p r o a c ho ft h ef s df o rd si sp r o p o s e d ，w h i c hi sd e v e l o p e db a s e d0 1 1p e t r in e t si n c o m b i n a t i o n w i t h r c t ( r e d u n d a n tc o r r e c t i n gt e c h n i q u e ) f i r s t t h e f t s ( f a u l tt o p o l o g y s t r u c t u r e ) i sb u i l ta d a p t i v e l yb a s e do nt h er c tt h r o u g h t h ei n f o r m a t i o na n a l y s i so fs c a d a s y s t e mf r o mf t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) b e f o r ea n da f t e rt h ef a u l t t h er c t i su s e df o rt h e c o r r e c t i n gi n f o r m a t i o nd i s t o r t e di nt h er e a l - t i m ef a u l ti n f o r m a t i o n s e c o n d l ya c c o r d i n g t ot h e e l e c t r i c a lm e a s u r ei nf t s t h et e r m i n a lf t ui nf t si sc o n f i r m e da n dl o c k e dw h i c hi su s e da s b u i l d i n gt h ep e t r i n e t sf o rt h es o l v i n go f f s d s ot h ep r o b l e mo f f s di sc h a n g e di n t ot h ef s d o fl o c k i n gt h es i n g l ef t u i nt h ep r o c e s so ff s d f o rt h ef w s tt i m et h et w i c er e d u n d a n t c o r r e c t i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e d i to v e r c o m e st h em i s c a r r i a g e o fj u s t i c e b yt h ea b e r r a n c e i n f o r m a t i o n t h ea p p r o a c hs t u d i e dh a sb e r e t g e n e r a l i t y 、s i m p l i c i t y 、f a s ta n d e x a c t s o l v i n g i t i se f f e c f i v et oe n h a l e et h ef a u l tt o l e r a n tp e r f o r m a n c eo f f s d k e y w o r d s ：a d a p t i v ef a u l tt o p o l o g ys t r u c t u r e ；p e t r in e t s ；r e d u n d a n tc o r r e c t i n gt e c h n i q u e f a u l ts e c t i o n sd i a g n o s i s ；d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ；f e e d e rt e r m i n a lu n i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，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，也不包含为获得墨逮盘堂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：、l 弓雨弓么字日期：内缸年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权 叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文拓者签名：也雨乞 签字日期：加乒年1 月。日 翩始喜白吟 签字日期：矗帅( f 年，月移月 第一苹绪论 第一章绪论 卜1 课题的提出和意义 配电系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m r d s ) 作为电能供应的最后一个环节，其作用就 是直接向用户提供可靠的和高质量的电能。馈线自动化( f e e d e r a u t o m 撕o n - f a ) 是 d s 自动化系统的主要功能之一，而故障定位又是d s 馈线自动化的主要功能之一，随着 我国国民经济的发展和改革开放的深入，人们对电力的需求日益增长，同时对供电可靠 性和供电质量提出了更高的要求。 配电系统自动化主要研究两方面的内容：一是通过对d s 故障定位诊断( f a u l ts e c t i o n d i a g n o s i s - - f s d ) 、故障隔离( f a u l ti s o l a t i o n - - f i ) 及自动恢复供电( f a u l t s e r v i c e r e s t o r a t i o n - - f s r ) 以提高供电的可靠性；二是通过对d s 电压无功优化控制及网络重构， 减小电压降落及功率损耗，提高电能质量和电力企业的经济效益。依据我国现阶段的国 情及电网现状，前者是当前优先实现的任务。本文所要研究内容是基于p e t r in e t w o r k s ( p n s ) 的d s 自动故障定位诊断，因此是目前d s 中的热门问题，它的研究是有重要实 用价值的。 当故障发生后，能及时准确地确定故障区段；迅速隔离故障区段；并迅速恢复非故 障区段的供电，其原则是应尽可能的减少停电所造成的损失。显然，本文所要进行的d s 故障定位诊断问题是其中的首要环节，它对后面问题的处理影响是极其重要的，即必须 是具有强实时性、高准确性，这是本文在研究中的关键突破点。在d s 中它不同于输电 系统的故障定位概念，d s 中是指可通过相关安装地点的开关切换、熔丝状态或关联信 息来确定故障区间，一般就是从d s 拓扑结构中寻找某故障馈线段，而并非如输电系统 中所指故障定位是从已知故障线路中确定故障的距离，因此在本文中给予明确规定称为 故障定位诊断( f s d ) 。由此可见，故障定位是故障隔离、故障恢复供电的重要基础，能 快速、准确地进行故障定位诊断对提高供电可靠性有着重要保证的作用。 输电系统( t r a n s m i s s i o ns y s t e m p t s ) 的故障诊断的研究要比d s 成熟得多，这个 问题的存在须从主、客观两方面来评述它：主观方面是在整个电力系统中它们两者所处 的地位的重要性是不同的、拓扑结构性是不同的。因此，在经济和技术研究优先次序肯 定t s 是优先，如高压输电线系统的断路器性能、保护配置的多重性要远远超出d s 中馈 线系统。在客观方面也的确存在它的局限性，因d s 与具体用户已是“零距离接触”了， 所以会形成很多复杂因素是t s 中所不可能发生的情况，如d s 中因运行模式的变化使拓 扑结构的多变，会给保护配置带来复杂和困难重重；在d s 中的断路器、开关性能的配 置要受总的系统性能价格比约束，显然d s 不能超过t s ；另外，d s 本身特殊性所造成 问题也一直是研究中的“老大难”问题。上述这些说明要正确对待科学技术的研究问题， 决不是以电压的高、低来衡量其研究的重要性。在d s 中的f s d 问题，随着技术的不断 发展，对它的研究也在不断更新研究、开拓新的途径和方法。根据我国所处不同经济发 第一章绪论 展阶段，在电力系统的建设上也有不同侧重点。在前几年开始，我国d s 的技术状态和 自动化水平已影响到用电的发展，国家加强了这方面的投入力度，获得了显著的效果， 至今各地方仍然在继续贯彻实施。在我国大多数地方的d s 所能获取的运行状态监测信 息量非常少、大多数d s 中缺少信息传递通道、事故处理自动化水平低、事故恢复供电 速度慢，供电的可靠性极低。d s 中的这些现象，直接影响到工业生产和产品质量、阻 碍了国民经济发展，特别是高新技术的发展。为此要彻底改变d s 技术水平严重滞后的 现状，进一步推进配电系统的自动化水平，是提高供电可靠性的根本途径，它已成为各 地方d s 电力企业进一步发展的首要任务，d s 综合自动化领域的研究也成为我国目前自 动化领域中的一个重要研究课题。 对d s 是指1 1 0 k v 及以下的配电网络。而在d s 中又分d s 的高、中、低压，即把 1 1 0 k v ，3 5 k v 级称为高压，l o l c v 级称为中压，o 4 k w 级称为低压。对本文研究的故障定位 诊断是指( 1 0 - 一6 ) k v 等级的d s 。从故障定位诊断的角度来分析t s 和d s 主要异同如下： ( 1 ) d s 与t s 故障定位诊断的相同之处是：信息都来自于相应配电管理系统( 对d s ) 或调度中心( 对t s ) 的数据采集和监控( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ，简称 s c a d a ) 系统共享数据来展开；故障定位诊断的研究原理目前大多都采用智能原理：专 家系统、人工神经网络、模糊理论、粗糙集理论等。 ( 2 ) d s 运行时模式多变，对应拓扑结构也发生变化；d s 中除少数设备集中布置于配 变变电站内部外，大量的是分布于馈电线沿线室外设备，如柱上变压器、分段开关、联 络开关等。故d s 节点多、分散性大、信息采集的总数量大，所以虽然t s 的传输地理距 离比d s 要远，但网络的节点少、采集量小、相对处理要简单得多。 ( 3 ) d s 的拓扑结构设计一般是闭环设计或多电源设计，但运行时多采用辐射状供电方 式，而t s 则是闭环拓扑结构设计和运行的占多数。 ( 4 ) 在具体的一、二次设备的配置与t s 有很大的差别。如所有d s 中馈线网络并非都 是以可跳开故障短路电流的断路器来连接的、各相邻馈线之间故障保护难于灵敏区分等。 由以上的异同点，使得d s 的f s d 方法与t s 相比只是从主原则上有相同点，在实 际具体实旆时是有很大的差别之处的，特别受到一、二次设备配置和性能方面更多的限 制。基于智能原理的输电系统故障诊断的研究已经不少，并已取得了不少令人满意的成 果。而国内外在d s 中的研究则相对成熟性较差，特别是随着d s 自动化技术的提高， 都在致力于研究性能更完善的f s d 原理，除要满足快速性、准确性外，从实际d s 中应 用出发应具有高的适应性、通用性，这样就可减少二次开发费用。它是一项具有重要研 究意义和实用价值的工作，有关该问题在本论文研究中将详细阐述。 计算机技术、数字通信技术、数据库技术和人工智能技术的发展为配电系统故障定 位诊断的研究开辟了新途径和新方法，它们是研究综合智能型、高容错性能配电网故障 辅助处理系统的技术基础。本文是基于具有通信功能的馈线终端单元( f e e d e rr e r m i n a 第一章绪论 u 1 1 i 卜一f t u ) 的d s 故障定位诊断原理为研究核心，将研究的配电网故障处理软件模块 嵌入在配电管理系统( d i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) 的应用软件系统中， 可以有效的提高配电网故障处理的智能水平，缩短用户停电时间，减少用户的停电经济 损失，提高配电网的供电可靠性。因此，本文的研究成果具有较高的理论和实用价值。 卜2 配电系统综合自动化技术模式概述“。8 1 前己述，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 ns y s t e m ，简称d a s ) 是d m s 的最 主要内容。它主要包括：配电系统的数据采集和监控( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 或简称配电s c a d a 系统、地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 和需方管理三大部分。通常，将d a s 中，从为配电网供 电的主变电站的1 0 k v 部分监视和数据采集，到i o k v 馈线自动化以及i o k v 开闭所、 配电变电所和配变的自动化，总称为配电s c a d a 系统。显然，d a s 是利用现代微电子、 集成电路、计算机、数字通讯及计算机网络技术，将d s 运行中的在线数据和离线数据、 实时数据和用户数据、d s 的拓扑结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系 统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电和配电管理 的现代化。本文所要研究的是d s 中故障定位诊断课题，随着计算机技术和自动化技术 的发展，f s d 的研究原理也在不断更新和发展。早期的手动故障定位模式已基本被淘汰。 为此在研究f s d 之前，必须掌握d a s 中综合自动化的水平，特别f s d 与f a 是密切相 关的，为使f s d 的研究有明确的针对性。目前，根据配电系统综合自动化的水平可以分 为两类。 1 传统配电系统综合自动化模式( 简称d a 模式) 在d a 模式中最主要特点是馈线自动化采用基于当地控制方式，或称基于重合器的 馈线自动化。该模式主要依靠装设在变电站内具有重合器的馈线断路器与分布在配电网 中的具有当地控制功能的分段器、重合器及柱上开关等，再通过对它们之间动作时间的 整定配合。在馈线故障时，按照规定的时闯顺序动作，实现配电网故障自动定位、隔离 及恢复处理的当地控制。d a 模式按其控制动作所依据的电气量可以分为电压控制方式、 电流控制方式以及电压、电流混合控制方式。如重合器与分段器组合当地模式，重合器 ( r e c l o s e ) 是一种自具控制及保护功能的开关设备，它能够按预定的开断和重合顺序进 行操作，并在其后能自动复位或闭锁，将重合器定义为具有多次重合功能和自具功能的 断路器；分段器( s e c t i o n a l i z e r ) 是一种与电源侧前级开关配合，在失压或无电流情况下 自动分闸的开关设备。当发生永久故障时，分段器在预定次数的分合操作后闭锁于分闸 状态，从而达到隔离故障线路的目的。若分段器未完成预定次数的分合操作，故障已被 其他设备切除，则其保持合闸状态，并在延时后恢复预先整定的状态。分段器一般不能 第一章绪论 设备的容量约束和用户的电压质量，这是d a 的恢复所不能达到的。 ( 2 ) d a 模式主要采取开关试投的方式，这样多次开关试投势必造成短路电流对设 备的多次冲击，影响设备的使用寿命。同时，开关多次动作亦会有冷负荷启动，对配电 网造成不利的影响。而d m s 模式利用智能判断，对故障区一次性定位、隔离，避免开 关多次分合闸，避免了断路电流对设备和电网的多次冲击。 ( 3 ) d a 模式不能从总体上把握实际网络的恢复状态，不能处理特殊情况及复杂网 络；而在d m s 中，由于能获得网络的实际运行情况，灵活地提出可能不同的优选恢复 方案。此外还可以在恢复过程中引入调度员的合理建议，以应付一些无法预料的情况发 生。这样，d m s 模式可以从整体上控制恢复进程，避免“因小失大”的情况出现。 总之，d m s 模式是自动化发展的必然趋势，它运用智能软件控制配电网的故障定位 和恢复，能够从全局来规划和考虑配电网的故障定位和恢复进程，在一定程度上应付一 些不可预料的情况，能够适用于各种复杂的配电网络，并对故障进行一次性定位、隔离。 然而，在具体工程实施过程中，d m s 故障恢复系统一方面对硬件自动化水平和通信系统 要求较高，要求配电网的s c a d a 系统能够提供必要的实时信息和控制手段；另一方面， 软件总体结构复杂，影响可靠性的因素较多，因此需要周密规划、详细考虑。 本文配电网故障定位的研究是针对d m s 模式进行的，并在国内外已有的研究基础 上，针对所存在的关键问题和局限性，研究和提出基于新原理的模型和新算法，可以提 高故障定位的容错性能、准确性和快速性。 卜3 配电网故障定位诊断概述 本节对国内外再配电系统故障定位诊断方面的已有的研究做出了深入的分析，在此 基础上，更加清晰和明确本文研究的目标和关键问题。目前配电网故障定位的实现方法 有很多，下面主要介绍几种比较典型的方法。 1 3 1 基于故障投诉电话的配电网故障定位“1 “ 故障投诉电话进行配电网故障定位的基本原理是较初期的原理，它是根据用户电话 号码或用户代码搜索到与终端配电变压器连接的资料，大致确定故障的位置。这种方法 简单经济。目前在我国城市中，家庭电话拥有率逐步升高，另外，供电局的营业管理系 统中保存有用户的有关信息，如电话号码、用户代码与终端配变连接的资料，从而得到 故障的信息。但如仅接到一个用户投诉电话仅能确定该用户的自身设备发生故障，接到 多个投诉电话则可确定关联配电设备发生故障，但实际上电话的更改、投诉电话的打或 不打都可形成不确定。所以该方法简单，但定位结果不精确。 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) 技术的发展，如：专家系统( e x p e r t s y s t e m e s ) 、模糊理论( f u z z y t h e o r y f t ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s - a n n ) 、 优化算法等，为投诉电话或其它的故障定位诊断开辟了新方法。目前，利用故障电话的 第章绪论 信息进行故障定位较多采用建立专家系统或基于模糊理论的方法。 上游追溯法 9 】是故障投诉电话f s d 中应用最广泛的基本原理，它依据配电网都为 辐射网结构特点和网络设备间的拓扑连接关系，接到投诉电话后层层向上追溯，认为最 后的投诉电话所属的区段为故障区段，主要缺点是对投诉电话中不确定性因素仍然得不 到正确处理。 文献【1 0 基于模糊集理论的方法，利用了用户电话号码与配变之间的连接关系以及 配变与开关等设备之间的拓扑关系。接到投诉电话以后，由配变向上游追溯，找到其上 游的所有可能开断的设备( 如熔丝、开关等) ，并将它们组成一个模糊子集，给这个集合 中所有元素( 设备) 赋以一个隶属度，表示其故障的可能性，隶属度最大的区段认为是 故障区段、模糊理论有利于处理投诉电话中的不确定信息，但在隶属度函数及模糊算子 的选择上还有待研究。 文献 1 1 】结合配电系统保护的配置、动作的选择性及可能性建立了投诉电话故障定 位的数学模型，采用t a b u 原理搜索最有可能动作的保护设备，提高f s d 的有效性。 文献1 1 2 将配电网投诉电话f s d 看作模式分类问题，并与地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m - - - g i s ) 结合，n n 的输入为投诉电话的在g i s 内的坐标位置，输出 为失电设备。该方法不需要知道网络的拓扑连接就可完成，快速有效。主要缺点是，由 于网络的复杂性导致训练样本的完各性难以保证。 我国电话的普及率与国外有一定的差距，且电力用户参与意识不太强，故在我国可 作为故障定位诊断的辅助参考部分。 1 3 2 基于电流越限报警信息的配电网故障定位“”。 依据电流越限报警信息的配电网故障定位诊断在我国研究较多，它也是在d s 中配 置具有s c a d a 系统、开关远控和通信功能的f t u 后提出的故障定位诊断方法。在配网 电气设备发生故障时，通过f t u 向s c a d a 系统上传分段开关的故障电流越限报警信号， 上传给管辖所属监控站的s c a d a 系统，f s d 就可在获取相关故障信息的基础上完成判 断。 对于辐射状网、树状网和处于开环运行的环网，判断故障区段只须根据馈线沿线各 _ 玎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。 随着城网改造项耳的普遍开展，f t u 等现场监控终端大量应用于配电网中，基于电 流越限报警的配电网故障定位成为了可能。它的基本原理：假定故障是单的，若某区 段相连的所有分段开关中仅有一个有电流越限报警信号，则该区段为故障区段。 文献【1 3 首先根据网络中开关的连接关系和假定的方向建立一个网络描述矩阵d 。 从f t u 得到有关故障电流及f t u 的信息，并加入到d 中对角线元素上，就可以得到故 障判别矩阵d p 。依据d p 中的相关元素的值就可以快速而有效地判别出故障区域。该算 第一章绪论 法无需进行矩阵相乘的繁琐运算，适用于单电源树状网或多电源复杂配电网，但仅限于 单一故障下的故障定位，但当上传信息中有畸变时f s d 的准确率较差。 文献【1 4 将配电网的馈线看作弧，将开关看作顶点，则馈线供出的负荷可以看作弧 的负荷，开关流过的电流可以看作是顶点的负荷。定义归一化负荷为弧负荷与额定负荷 之比再乘以1 0 0 ，则故障区段显然是归一化负荷远大于1 0 0 的那些弧，这些弧称为过热 弧。于是问题被归为过热弧搜寻问题。文献将配电网络的描述矩阵分解成只含耦合点矩 阵和不含耦合点矩阵的方法，方便了过热弧的搜索方法，便于计算机实现，但没有考虑 树状分支末端情况。 文献 1 5 1 提出了一种新的统一矩阵算法。算法需构造网络描述矩阵d ，故障信息向 量g 及源点分布向量m ，并根据d 和g 间相应元素的运算构造向量q ，同过分析p 、q 定位故障区段。该算法适用于放射状网络、双电源及多电源并列供电系统，对网络中任 何区段的故障都能做出判断，但原矩阵算法f s d 准确率较低的不足仍存在。 现有的方法在故障判断过程中存在有盲目搜索，当网络拓扑结构复杂时会使搜索时 问过长，不能适应快速性的要求；并且容易误判，漏判，扩大判，使故障定位的容错性 差，直接影响了供电可靠性指标，如何在任何情况下都能确保故障定位的准确性，是有 待深入研究的关键性问题，也是本文的研究重点。 1 3 3 基于其它智能原理的配电网故障定位“”“ 各种a i 技术依其原理从不同的角度，不同的途径去解决配电系统的故障诊断问题， 都取得一定的成就，但也都存在自身原理难以克服的弊病。如e s 可基于专家的经验和 启发性知识完成故障诊断，但在具体的实现中知识获取、知识库修改和可维护性都有难 度；自学习能力和容错性能差，致使在所依据的信息发生畸变时，使知识推理和搜索陷 入困境。f t 虽可与其它a j 技术相结合来增强处理不确定性问题的能力，在一定程度上 提高诊断系统的容错性，但仍无法从根本上解决克服。a n n 具联想和学习能力、鲁棒性 强，但因是有导师的n n ，其知识蕴涵于n n 的训练样本中，为此需要构造相应知识范 围内的具代表性的样本对n n 进行b p 算法的训练，学习收敛速度一般较慢；诊断的结 果缺乏解释；用于故障诊断的前馈神经网络( f e e d f o r w a r dn e u r a ln e t w o r k - - f n n ) 它的 泛化和外推能力是有限的，当系统的结构或保护配置发生变化时，需要对n n 模型进行 重构和训练，但当所依据的实时信息发生畸变时，当超越n n 的泛化能力时可能会引起 错误的诊断，这也是基于f n n 原理在外推能力上所限，影响n n 的容错能力。基于g a 的故障定位虽能有一定的容错性，但在构造故障诊断数学模型及确定交叉和变异等参数 方面，还存在受具体问题中研究深度的影响。 文献 1 6 提出了基于遗传算法的配电网故障定位和隔离，能进行全局寻优求解，并 通过对实时信息进行0 、l 编码和构造评价函数实现寻优。当实时信息中出现畸变信息时， 对自动纠错和进行准确故障定位，具有有一定的能力的容错性能，适用于环网单电源运 第一章绪论 行方式。文献【1 7 】提出的高级遗传算法考虑了电流的方向性，既可用于单一电源的情况， 又可用于多电源并列供电时单一故障或多重故障等复杂情况。 基于各种智能原理进行配电网故障定位，在国外的2 0 k v 配电网应用的较多。在国 内鉴于硬件投资较大、保护配置和整定都较复杂等原因，实际上很少应用，在新建的配 电网尤为如此。 卜4 本文的主要工作 由于我国经济发展时期的特殊性，城乡d s 中电气设备和自动化技术比较落后，几 年的改造工作取得到了有效的成绩，积累了经验，供电可靠性明显提高，网损得到了降 低：我国的配电综合自动化技术也得到了大力推广。配电网f s d 是配电自动化系统的核 心功能之一，也是本文的研究课题。根据d s 拓扑结构的复杂性、运行模式的多变性、 故障时保护和馈线开关设备不对应性等特性，导致配电系统故障定位诊断研究原理应用 受到限制，基于p e t r in e t s 的故障定位诊断在电网、配电变电站、变压器的的故障诊断早 已有研究，但在配电系统尚是空白。针对国内外相关文献在该领域研究存在的问题及局 限性，本文提出了新的原理和新的方法，并突出对提高故障定位诊断的容错性能给予突 破，通过具体配电网络的仿真和测试，与文献中的相关方法做了比较，证明所研究的基 于p e t r in e t s 和冗余纠错技术结合的故障定位诊断的新方法有效、可行性：且具有强的适 应性和通用性；有高的实用价值。 本文的主要研究工作及成果如下： 1 通过对国内外配电系统综合自动化技术的现状及主要研究内容的了解和概述，掌 握了本文研究课题与配网中电气设备和f t u 性能、通信结构、配电自动化s c a d a 系统 等之间的相互关系。在对目前国内外配电网故障定位研究现状深入掌握的基础上，进行 了归纳和概述，它为本文的研究工作奠定了重要的知识基础。对各种原理所存在的问题 作了深入分析，说明了本文研究工作对配电网自动化技术发展、实际运行的必要性和重 要意义。 2 根据适应本文所提出基于p e l r in e t s 原理的f s d 的要求，本文d s 的拓扑数据库 结构是在文献【6 1 的基础上作了改进，由于本文的f s d 原理是面向f r u 的，所以其突出 点是面向f t u 来建立静态和动态关联数据库：在正常运行方式下自动地依据s c a d a 所 获取运行方式的实时变化，对配电网进行动态拓扑逻辑等效解耦与分区的原理和算法。 经过两级分解可将任何复杂的网络转换为简单的树干网集合来求解，可大大地简化算法； 由于正常运行模式与故障时的情况具有继承性和相关性，确保了故障分析处理的快速性、 高效率、实用性和通用性。该面向f t u 的数据库结构易于表达基于f t u 配电系统正常、 故障后的拓扑结构的变化，易于用可视化界面实现。 3 本文首次提出基于f t u 构造p e t r in e t s 模型的配电网f s d 。它克服配电系统运行 第一章绪论 拓朴结构的多变性而导致故障定位模型随机性的限制，在自适应获取故障拓扑结构( f a u l t t o p o l o g ys t r u c t u r e f t s ) 的基础上，将故障定位诊断问题转换为通用的p e t r in e t s ，模型求 解，求解锁定在f t s 末端的、单一的f t u 上，并建立其p n 模型使故障定位诊断的求解 具有很强的通用性、高的实时性、快速性；它可以使搜索以f t u 进行，而不是按所有的 馈线区段进行，大大地提高搜索的速度。 4 由于在f s d 过程中，首次提出了经两次冗余纠错技术，有效克服了由于信息受 畸变而引起的误判，提高了配电系统的故障诊断性能，确保故障定位诊断的高容错性能。 j 本文在文献 1 3 1 5 ，4 6 ，6 2 算法的基础上提出了故障拓扑结构末端f t u 的锁定 的辅助算法，这样有助于系统进行正确的f s d ，为下一步进行的面向f 1 u 的p e t r i 网故 障模型的建立打下良好的基础。此算法作为s c a d a 系统中f s d 的一次冗余锁定故障术 端f t u 的辅助算法，对锁定的结果进行核实和及时纠错。 第二章构造面向兀u 的故障定位诊断的拓扑结构数据库 第二章构造面向f t u 的故障定位诊断的拓扑结构数据库“” 2 1 引言 在研究d s 的故障定位诊断、隔离及恢复处理过程中必然要涉及到d s 的电气设备 及它们间拓扑结构的连接关系的分析。因此，对d s 的拓扑结构数据库的构造是与f s d 性能是有着极其重要的关系，d s 的拓扑数据结构直接影响着对应故障区间数据的搜索 和存储效率，因此直接影响f s d 的快速性能。当然，数据库的结构也必须是与研究原理 及求解方法相结合。所以合理的数据库结构可使知识表示清晰，为求解问题的推理、搜 索及拓扑分析数据操作提供灵活和方便，使研究的问题在某种程度上得到简化并提高问 题的求解效率。因此，为清晰说明本文的研究，必须先从数据库结构分析着手。 为了能全面实现d s 的事故辅助处理决策系统，在建立配电网拓扑结构数据库时， 除了要满足配电网知识表示简洁、有利于提高事故分析推理和搜索效率等基本要求外， 数据库结构还应：满足配电网故障定位分析、恢复决策分析的需要，使之统一为有机 的整体；操作灵活、维护方便：强通用性，即能够适应各种典型d s 的拓扑连接及 设备组成情况；采用面向对象的方式；考虑从d s 中各种故障信息的来源( 来自f t u 和相关变电站端s c a d a 系统) 及构成。 从国内外已有的d s 的故障定位诊断、隔离及恢复处理系统的分析和研究可知，要 实现高效、快速的网络拓扑分析算法、对网络结构进行实时跟踪，合理构造配电网故障 处理处理数据结构是其中的关键问题，它也是本文研究的重要问题之一。因此结合本文 在研究f s d 中所提出的原理，对已有的各种拓扑结构作了深入分析的基础上，本文在文 献 6 1 】数据库结构上进行了改进，提出了配电网面向f t u 的来建立静态和动态关联数据 库。文献 6 u 提出的配电网拓扑逻辑等效解耦及分区的原理和相应的算法，其最突出的 优点是可将任意复杂配电网拓扑结构经多次拓扑逻辑等效解耦与分区分解成单一的树干 网集合，对网络的分层分解，通过动态拓扑逻辑等效解耦及分区算法实现。 2 2 配电系统中设备组成及其基本结构 配电系统中的故障定位诊断、隔离及恢复处理系统的快速性和有效性，在很大程度 上依赖于数据库结构灵活性与智能程度。根据前面所述，d s 中故障定位诊断、隔离及 恢复处理系统数据库首先应该是面向对象方式实现的、操作灵活的、分层功能调用的智 能数据库，其智能性的表现为网络动态拓扑自动识别和跟踪，以节省故障处理分析的时 间。这些在数据库构造时应予以重视。 d s 的故障定位诊断、隔离及恢复处理系统研究对象主要为1 0 k v 或6 k v 电压等级的 配电网。d s 中的基本电气设备组成包括：馈线( 电缆或架空线) 、进线断路器( 是指给 第二章构造面向f t u 的故障定位诊断的拓扑结构数据库 d s 作供电电源，一般来自变电所的出线) 、分段开关( 包括常闭分段开关及联络开关， 它们只能断开负载电流，不能遮断短路电流) 和负荷变压器等。 。 在构造配电网数据库结构时，必须综合考虑设备的相关属性和f s d 及f s r 的实际 要求的关系。由于d s 中所包含的设备数量较多，从经济及技术性的综合角度考虑，每 个非开关设备不一定都配备开关设备，往往一组非开关设备由一台开关设备集中控制。 同时，故障辅助分析主要进行网络的连通性分析：配电网f s d 的最终目的是要确定发生 故障的区域；因此，从简化问题的角度出发，提出“区段”的概念。“区段”是配电网的 最小可控单元，它是作为整体由开关设备控制的非开关设备的集合。因此，将“区段” 作为f s d 的“基本分区”，在“区段”级别上进行网络连通性分析，不但满足了求解问 题的基本要求，并可缩小f s d 的搜索空间，是提高求解快速性的方法。 在d s 中各进线断路器相关的保护启动、开关状态及刀闸位置信号是故障分析处理 软件模块的启动依据，分段开关处的所有信息由f t u 上传反映，分段开关在故障处理中 居于核心地位。据此，可以将配电网络故障处理拓扑数据库进行有效简化，仅以包含“区 段”、分段开关和进线断路器三个基本的“区段”对象来描述，在本文中提出网络拓扑结 构关系分解为：以面向f t u 节点间形成的互关联的区段级拓扑关系，以及各f t u 节点 的设备级拓扑关系两个层次来描述和构造数据库。区段级拓扑关系主要反映区段级的关 联设备：“区段”、分段开关和进线断路器之间的拓扑连接，它可满足f s d 及f s r 各目 标搜索的需要；而设各级拓扑关系主要反映“区段”的设备构成，因此它可使f s d 得到 最终的解。 我国在1 9 9 0 年全国城市电网工作会议制定了配电网接线模式应遵循的基本原则： 对于中低压配电网要避免电磁环网运行，尽可能分区运行，相邻的电源互为备用；线路 保护一般按单端电源配置，同时供电的可靠性采用两个或两个以上的独立电源互为后备 的方式来实现。并推荐双电源的单环网和多电源端的多分段多联络辐射网接线方式，以 c i 2 s 4s 5 s 6 _ i _ - 一 s a l s a 2s a 3j 工。工。i 。 ( a ) 双电源的单环网示意图 ( b ) 多电源的多分段多联络辐射网示意图 图2 - 1 配电网典型接线方式 豁 謦l | 一、j沁； 娜 踮 娜 一 泖 一 t十渖汀 吾 g 卜飘h川 第二章构造面向f n j 的故障定位诊断的拓扑结构数据库 其供电可靠性高、投资少等众多的优点成为我国当前配电系统的标准接线。这两种典型 的配电网接线形式如图2 - l ( a ) 和( b ) 所示，在图中黑色矩形为电源断路器、黑色圆点为f 1 u 节点，可根据f t u 编号的关联性建立数据库，也可知对基于f t u 的搜索要比对基于设 备搜索快。 在d s 与t s 的比较中已提及在拓扑结构和运行方式方面有很大的差异，所以配电网 故障处理数据库应结合配电网接线及运行方式特点来构造。如：配网的拓扑结构可归纳 为单环网及辐射网两种基本的网络结构；配电网大多仅在1 0 ( 或6 ) k v 的电源进线端( 进 线断路器) 配置电流保护和重合器，面分段开关、联络开关等则一般不具有故障电流遮 断能力；配电网运行方式具有多变性：其运行方式大都遵循闭环设计、开环运行的基本 原则；设备间的连结、拓扑结构随运行方式发生变化。 根据上述分析，构造配电网故障处理数据库时，应结合上述特点，使数据库对配电 网的各种网络拓扑、保护配置及运行方式具有广泛的适用性。在设计数据库时，可将上 述属性划分为静态参数和动态参数两类分别构造：静态参数反映网络的物理接线连接关 系：动态参数反映开关设备状态变化后网络拓扑及参数的变化。 2 - 3 配电网基于f t u 的故障定位拓扑逻辑等效解耦及分区原则 我国早先的城网结构很乱，在近几年所建的中、低压配电网的拓扑结构大多采用双 电源的单环网或多电源的多分段多联络辐射网；或由这两种典型网络拓扑组合而成的复 杂网络。由于配电网具有闭环设计，开环运行的特点，因此，任何复杂的配电网都可根 据进线断路器( c b ) 、分段开关( s s ) 、联络开关( t s ) 的运行状态进行网络动态拓扑逻 辑等效解耦及分区，分解成若干个呈辐射状的独立供电区。对图2 一l ( a ) 单环网接线的示 意图，如图中t s 处于“分”状态，而其它开关及断路器均处于“合”状态，即各节点 ( 黑点) f t u 网络的动态拓扑逻辑等效解耦及分区结果如图2 2 所示。对图2 1 ( b ) 的多 分段多联络结构的辐射网，某一时刻开关s s l 、s s 3 处于“分”状态，而其它开关及断 路器均处于“合”状态，此时，基于f t u 的网络动态拓扑逻辑等效解耦及分区结果如图 2 3 所示。图2 2 和图2 - 3 是配电网动态拓扑逻辑等效解耦及分区的两种典型拓扑结构， 图2 2 为树干网，图2 3 为辐射网。由所举例说明在网络动态拓扑逻辑等效解耦时，仅 围绕f t u 来分解，到最后才集中到某节点f t u 所关联的设备上。 对图2 3 所示的辐射网，在故障定位诊断时，当一个树支发生故障时，仅相关树枝 和主干线上有故障电流，其它树枝无故障电流流过，在主干线上发生故障时，所有树枝 均无故障电流流过。但考虑在基于f t u 通信上传信息受畸变的可能性，所以仅限于用故 障电流越限报警信号来确定是不可靠的，在本文中采用两次的冗余信息纠错技术，首先 是引入各f t u 接点的电压量，它按随着白电源到故障点的靠拢而其值应逐渐递减的规律 来校核报警信息的准确性，它们是动态拓扑结构等效解耦的重要基础。如图2 3 辐射网 第三章p e t r i 网的基础理论及其模型的建立 第三章p e t ri 网的基础理论及其模型的建立 3 1p e t ri 网的基本概念啪1 4 3 p e t r i 网络( p e t f in e t s ) 是在1 9 6 0 年1 9 6 2 年间由德国数学家c a p e t r i 提出的 一种通用数学模型，它以描述系统中各元件之间的关系为基础，用网络来表示系统中同 时发生、次序发生或循环发生的各种活动。 其中节点可以被分割为两个非空有限集合， 简单地说，p e t r i 网络是一个加权有向网络， 分别称为位置( p l a c e ) 和跃迁( t r a n s i t i o n ) 。 这些节点之间用加权有向弧连接起来。网络结果是静态的，网络的动态性质是由位置中 令牌( m a r k i n g ) 的数目及其跃迁体现出来的。p e t r i 网络的输入函数用来确定网络为之 中令牌的初始数目，此时