（电力系统及其自动化专业论文）基于最小生成树理论的配电网故障恢复算法.pdf

另外在文中也相应研究并介绍了本算法对配电网一些特殊问题( 多端电源、特殊t 型接线、故障排除及再次发生等) 的解决方法，以使算法具有更广泛的适用性。基于最小生成树理论的配电网故障恢复算法具有简单、实用、实时性强等特点，在配电自动化系统中有很强的适用性。算法经过实例测试，证明了其优越眭。文章最后分析了配电网络发展的进一步要求，在其规模不断扩大、复杂化的陪况之下，故障恢复系统必须具有较强的适应能力和可维护性，以适应配电网络结构的变化。本算法的研究为配电故障恢复系统算法的形成提供了一种有效的方法。关键词：配电网络故障恢复图论最小生成树算法次优解ad 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 na l g o r i t h mb a s e do nl e a s tw e i g h tt r e ef o rs e r v i c er e s t o r a t i o na f t e rf a u l t sm a j o r ：e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o np o s t g r a d u a t e ：h u a n gz o n g i u na d v i s o r ：j i n gd o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd a i l yl i f ea n dp r o d u c t i o n ，t h ec u s t o m e r sr e q u i r eh i g h e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fad i s t r i b u t i o nn e t w o r k t om e e tw i t ht h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t sa n dr e d u c et h el o s so ft h ef a u l t so fad i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n 也ep o w e rs y s t e m ，t h e r ec o m e st h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma san e wa n de f f i c i e n tm e a n so fm a n a g e m e n ta n dt e c h n i q u e t h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mc a ni m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y , t h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y t h i sc a nb r i n gb e n e f i t st ob o t ht h ec u s t o m e r sa n dt h ep o w e rc o m p a n i e s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tj o b so ft h ed 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 of i n dt h ef a u l tl o c a t i o ni nt i m ea n dc o r r e c t l y , i s o l a t et h ef a u l tq u i c k l ya n dr e s t o r et h ep o w e rs u p p l yw h e nt h e r ei sf a u l ti nad i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i e s e r v i c er e s t o r a t i o na f t e rf a u l t s s e r v i c er e s t o r a t i o na f t e rf a u l t si sm u l t i o b j e c t i v e ，m u l t i s t a g e ，m u l t i c o n s t r a i n ta n dn o n e l i n e a lo p t i m a lp r o b l e m i t sa n s w e ri sas e r i a lo fs w i t c h i n go p e r a t i o n st og i v eas u p e r i o rs c h e m eo fs e r v i c er e s t o r a t i o nw i t hl e a s tt i m e so fs w i t c h i n go p e r a t i o n s ，h i g h e s tr e l i a b i l i t ya n dl e a s tn e t w o r kl o s si nt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fn e t w o r kc o n n e c t e d ，n e t w o r kr a d i a t i o na n df e e d e rn o n e o v e r t a x i n g h e u r i s t i cs e a r c ha l g o r i t h ma n do t h e ra p p r o x i m a t em e t h o d st h a th a v eb e e ni n t r o d u c e di nm a n yl i t e r a t u r e so nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ks e r v i c er e s t o r a t i o nn o w a d a y sa r es t i l la f f e c t e db a d l yb yt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o no rh a v es u c hl i m i t a t i o n st h a tt h ec o n d i t i o n si nc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hc a n tb em e e ta tt h es a m et i m e a l lo ft h o s ec a l l tm a k et h es e r v i c er e s t o r a t i o nd o n eq u i c k l y s ot h o s ea r en o tc o m p l e t e l ya p p r o p r i a t ef o rm ec o n d i t i o no ft h er e a l t i m er e q u i r e m e n ti np r o g r a m m i n gs e r v i c er e s t o r a t i o n i nt h i sp a p e rad 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 na l g o r i t h mb a s e do nl e a s tw e i g h tt r e ef o rs e r v i c er e s t o r a t i o na f t e rf a u l t s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad 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 na l g o r i t h mb a s e do nt h et h e o r yo fl e a s tw e i g h tt r e ei ng r a p ht h e o r y a f t e rs i m p l i l y i n gt h er e a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r ko ng r a p ht h e o r y , t h i sm a t h e m a t i c a lm o d e lc o n s i s t so fm i n i m u mn e t w o r kl o s s ，m i n i m u ms w i t c hl o s sa n dt h eh i g h e s tn e t w o r kr e l i a b i l i t y ；m e a n w h i l e ，i ta l s oi n v o l v e st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fd i s t r i b u t i o nc o n n e c t e d n e s s ，r a d i a t i o n ，a n dp o w e rs u p p l y i tc a ng i v ea l lo p t i m a ls o l u t i o na n ds e r i a ls u b o p t i m a ls o l u t i o n sf o rr e c o n f i g u r a t i o n t h ea l g o r i t h mc a nu s ea d e q u a t e l yt h er e a l t i m ei n f o r m a t i o ni ns c a d ao ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt oc o n t r o lt h es w i t c h e sd i r e c t l ya c c o r d i n gt ot h es c h e m ec o m p o s e do fa no p t i m a ls o l u t i o na n ds e r i a ls u b o p t i m a ls o l u t i o n s i tc a nb em a n i p u l a t e dc l e a r l ya n di ti sa l s oa c c u r a t e ，q u i c ka n dr e l i a b l e a b o v ea l l ，t h ea l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g e so fe c o n o m i ce f f e c t ，h i g he f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a b i l i t yt of i ti nt h es u r r o t m d i n go ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n a n dp r o v i d ee f f i c i e n ta n de c o n o m i cd e c i s i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs h o w st h es o l u t i o no fs o m es p e c i a lp r o b l e m ss u c ha sm u l t i t e r m i n a lp o w e rs u p p l y , t w i r ec o n n e c t i o na n df a u l t a f t e rf a i l u r er e c o v e r y ，w h i c hm a k e st h ea l g o r i t h mh i g ha d a p t i v ec a p a c i t y t h ed 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 na l g o r i t h mb a s e do nt h et h e o r yo fl e a s tw e i g h tt r e ei ng r a p ht h e o r yi ss i m p l e ，p r a c t i c a la n dr e a l t i m e i t sc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e np r o v e db yt h el i v i n ge x a m p l et os h o wt h i sa l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h ec u r r e n ta l g o r i t h mo nt h es e r v i c er e s t o r a t i o no f ad i s t r i b u t i o nn e t w o r k i nt h el a s tp a r t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h em o r er e q u i r e m e n t si nt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i s t r i b u t i o n i nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k sc o n t i n u o u s l ye x p e n d i n ga n dc o m p l i c a t i n g ，t h es e r v i c er e s t o r a t i o ns y s t e ms h o u l db ev e r ya d a p t i v ea n dm a i n t a i n a b l et om e e tw i t ht h ec h a n g i n go ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sa l g o r i t h mi nt h ep a p e rp r o v i d e san e ww a yt os o l v et h es e r v i c er e s t o r a t i o no fad i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn c t w o r k ，s e r v i c er e s t o r a t i o n ，g r a p ht h e o r y , m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ，s u b - o p t i m a ls o l u t i o n四川大学硕士学位论文第一章绪论1 1 概述众所周知，电力作为社会生产和日常生活的必需能源，已经成为一个国家经济发展的前提和基础。因此，电力系统的安全、稳定和经济对国民经济的发展有重大的直接影响。根据电力系统组成特性，电能从发电厂送出，经输电网，最后通过配电网向用户供电。长期以来，电力系统的建设都是偏重于电源、输电部分，而对配电部分的建设一直得不到适当的重视。但是，随着国民经济迅速的发展，社会生产和人民日常生活对于电能的需求急速增长，薄弱的配电网建设造成的不良后果日益显现，尤其在用电高峰期和恶劣的环境时，不仅配电网故障频繁，正常的供电得不到保证，而且出现了拉闸限电的现象，严重影响了用户的用电，降低了供电可靠性，也使电力企业蒙受了损失。配电网作为电力系统最后一个环节，直接联结着各类电力用户。为了满足日益增长的电力需求，保障用户正常生产和生活，缩短故障停电时间，提高故障恢复速度和供电可靠性，减少用户和电力企业的损失，使电力生产和消费成比例增长，形成良性循环，促进经济建设的快速发展，配电网的建设必须得到加强，在改造现有配电网络的同时，也需改造传统的技术和管理系统，引进先进的配电自动化管理系统。1 2 配电网发展状况配电工程投资巨大，发达国家输配电工程投资常常占整个电力系统投资的5 0 以上，而在各区域电力公司中配电系统投资通常占预算的6 0 。在我国，过去几十年缺电的困扰导致了电力建设存在“重发，轻供，不管用”的偏向，配电网长期缺乏合理的规划与资金投入。因此，当近几年城市经济的发展和人民生活水平的提高，城市负荷密度不断增加，用电量在不断的迅速增长，一般增长率都在1 5 左右，而配电网建设资金投入不够；并且电网建设受规划、交通、环保等因素的严重制约，发展的步伐普遍缓慢，严重落后于电源建设和用电的需求，致使配电网受到了很大的压力。配电设备出现过负荷甚至烧损，些地区还严重缺电。如前所述，各地配电网出现的问题并不是偶然的，而是长年积四j i l 大学硕士学位论文累下来的，如不及时采取有效措施，不但每年夏季、冬季高峰负荷时会出现问题，影响供电可靠性，也影响了电力部门的经济效益和社会效益，甚至会给改革开放和社会安定带来不应有的障碍和干扰。为了改善我国配电系统的现状，“八五”以来输配电工程投资已提高到整个电力系统投资的3 i 5 。而1 9 9 8 年至2 0 0 0 年，国家投资几千亿元进行一批城市的配电网改造。配电网改造的一项重要内容就是实现配电自动化，以保障配电网安全、稳定、经济的运行，并能在运行故障后及时恢复供电提高其可靠性，减少用户和电力公司的损失。而且，随着我国加入w t o 之后，电力供应将逐步从卖方市场走向买方市场，国家和电力公司对电能供应提出了更高的要求，建设一流电力企业的供电可靠性指标要求一般城市用户不低于9 9 9 6 ，重要城市用户不低于9 9 9 9 。要实现这一目标，传统的配电网结构、运行和管理方式已经不适应电力市场发展的需求，迫切需要新的配电自动化及管理系统来解决这个矛盾。因此建设符合配电网发展和特点的配电自动化系统成为当务之急。1 2 1 国外配电网自动化发展配电网自动化在世界各国如美国、日本发展很快。配电自动化网架结构、通信技术、计算机系统、操作电源和操作机构等方面都有很大突破。在节能、供电可靠性、供电质量及增加供电量等方面部有很好的效益。上个世纪9 0 年代，美国配电自动化技术已达到相当高的水平，设备都比较先进，大量采用远方监控设备和先进的通信设施。比如，在南加州两座箱式变电站中，都安装配备了小型卫星无线接收、发射信号装置与调度监控设备，极大地提高了配电网整体自动化水平。因此其完成故障区间隔离和非故障区间的自动恢复送电所用的时间极短。日本在9 0 年代中期全国基本上实现配电自动化。比如，东京电力公司的配电自动化系统是在以往的时限式事故搜索方式的基础上，附加开关和远距离控制装置，并通过营业所设置的计算机，利用配电线进行信号传输( 配电线载波方式) 的操作系统，可遥控操作开关，从而大大缩短了开关操作时间，提高了供电可靠性。与之相比，中国的配电网由于资金投入不足，配电自动化建设缓慢，自动化程度不高，因此，今后的建设应该能吸取国外的经验，增大投入，以改变现四川_ 人学硕士学位论文状，并加大科研力度，使配电网自动化研究工作达到国际水平。12 2 我国配电网自动化发展我国配电自动化工作相对来说起步较晚。配电网建设资金一直有限，缺乏优化的设计规划，配电网结构薄弱；并且硬件设备落后，不具备实现配电自动化的条件。近几年，国家实行城乡电网改造，投入了大量资金，但是各地配电网络结构不尽相同，设备老化程度各异等多种困难，只加强了城市电源建设以及改造配电网的低压网架和更换旧设备。而对于真正意义上的配电自动化建设工作的展开，自上个世纪9 0 年代中后期开始，就随着城市电网的建设与改造，每年都有不少城市开始进行配电自动化系统工作逐步发展实现了一批功能独立的区域自动化。但到目前为止，国内配电自动化工作大多是试点性的，其开拓研究、推广和实用仍有许多工作要做。相信不久随着电力市场化的进一步改革，配电自动化建设将逐步深入展开。我国配电自动化系统具有自身的特点，其内容广泛，网络复杂，硬件配置要求高，由于各地网络各异，投入资金有限，待解决的问题也很多。而且，我国的配电网特点是中性点不接地，在发生单相接地时，仍允许供电一段时间，这一特点使得我国配电网自动化系统不能直接引进国外设备，而必须结合我国配电网的实际情况加以改进。因而应该发展结合配电网现状的配电自动化系统，充分应用于实际运行。所以，针对我国配电网的具体情况，配电网自动化的发展模式应该是分期分批逐步发展完善，实现对配电网资源的充分利用，建立起高效实用的配电网自动化管理系统。1 2 3 配电网自动化系统配电网( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 是把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络。它由架空线路或者电缆线路、配电所或者柱上降压变压器并接入用户所构成。配电自动化就是针对配电网设备进行远方实施监控、协调和控制的一个合成系统。配电自动化是上个世纪9 0 年代在美国提出的。通常把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统，称为配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) 。配电管理系统包括配电自动化系统、网络分一璺! ! i 查兰堡主兰堡堕壅析与优化、工作管理系统和调度员培训模拟系统。其中，配电自动化系统是配电管理系统的最重要的内容。配电管理系统的内容如表卜l 所示。d m s表卜1 配电管理系统的内容配电s c a d a 系统配电自动化 地理信息系统进线监视l o k v 开闭所、变电站自动化馈线自动化变压器巡检与无功补偿需方管理系统 三凳嚣蒌三荨誓自动化网络分析和优化工作管理系统调度员培训模拟系统从表中可以看出，配电自动化是d m s 中一个涵盖内容最丰富极其重要的系统，它是d m s 的核心，也是保障配电网络正常运行的基础。对于配电自动化的详细定义是：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 l ls y s t e m ，简称d a s ) 是一种可以使配电企业在远方可以实时监视、协调和操作配电网络设备的自动化系统，其内容包括配电网数据采集和监控( s c a d a ) 、配电地理信息系统( g i s )和需方管理( d s m ) 三个部分。从配电自动化在运行中所承担的具体工作来看，它有三个基本功能：即对配电网进行安全监视、控制和保护。配电自动化系统能在正常情况下，通过监视配电网运行工况，优化配电网运行方式；当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障失电区域的供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面积；根据配电网电压合理控制无功负荷，改善供电质量，达到经济运行的目的；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄表计费，保证抄表计费的及时和准确，提高了企业的经济四川大学预士学位论文效益和工作效益，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。从配电自动化本身作为一个完整的系统来看，它又可以划分出一系列相对独立但相互作用的管理子系统，一般分为：信息管理、可靠性管理、经济性管理、电压管理和负萄管理五个部分。信息管理子系统是一个描述性的数据库，通过这个数据库使配电自动化系统中所采集的配电网运行状态的信息和控制对象建立对应关系，这是整个配电自动化系统管理的基础，其具有准确和实时的特点。可靠性管理子系统目标是监视配电网状态，通过控制馈线开关，进行故障的迅速判断处理与故障恢复来提高供电可靠性，缩短停电时间和范围。经济管理子系统目标是监视配电网的负荷、无功等信息，通过控制配电网中电容器和用户负荷的投切，来调整馈线负荷分配，以降低整个配电网网损，提高了配电网的运行效率。电压管理子系统目标是监视配电网关键节点电压，通过控制配电网电容器的投切和有载调压装置，来改善用户电压的质量。负荷管理子系统目标是控制用户负荷，来抑制高峰负荷，减轻配电网在特殊供电情况下的负担。从上述综合可以认为，广义上讲配电自动化是利用计算机和通信技术，实现对配电网运行监视、保护和故障处理以及配电的生产管理、设备管理的自动化。狭义上讲就是配电自动化的核心，即故障检测，故障定位、隔离和非故障失电区的供电恢复整个过程。这也就是本文研究的主要内容。1 3 配电网馈线自动化配电网馈线自动化系统的基本任务是在故障发生后，及时准确地确定故障区域，迅速隔离故障区域并恢复对非故障失电区域供电。它是配电自动化最重要的内容之一。配电网最早采用的是在配电馈线上安装重合器或断路器与分段器、熔断器，其互相配合操作来实现故障区段隔离与供电恢复。在配电网规模不大，复杂程度不高的初期，依靠这种组合方式可以基本满足馈线的自动化要求，能够提高供电可靠性、降低故障损失：但是随着用电环境的变化，配电网络日趋复杂化，这种原始的基于重合器的馈线自动化已经不能保证其优越性，它的不足f | 益显四川大学硕士学位论文现，简单说来，基于重合器的馈线自动化不能在线路正常运行时监视线路负荷，也不能在远方遥控馈线开关；在复杂的配电网络在故障恢复时不能选择调整最优的恢复开关操作方案。为了适应配电网的迅速发展要求，在户外分段开关处安装柱上f t u 装置，用于采集开关的运行状态数据，通过高性能通信网络，连接到配电网s c a d a 系统，同时，f t u 装置也可以接受控制中心的指令，执行相应操作。这种基于f t u的馈线自动化系统能b l z 艮好地实现复杂配电网运行的监视、保护和故障恢复，其优越性能使其成为馈线自动化的发展趋势，成为配电网自动化建设首先采用的技术方案。本文所研究的算法针对的实际配电网也同样是具有这种基于f t u 的馈线自动化的配电系统。1 31 配电网馈线自动化的内容及要求基于f t u 的馈线自动化是一种高性能的故障处理系统，它是由馈线终端f t u和配电网监控中心的配电s c a d a ，以及联结二者的通信网络所组成。这种配电网故障处理系统模式，综合利用了f t u 信息和系统中其他信息，在某些文献中也被称为面保护式的分布处理模式”1 ，集中智能模式。1 或者d m s 方式“1 。其具有故障处理速度快，可靠性高，不仅适用于简单配电网，还适用于双端电源环网和多端电源网络。基于f t u 的馈线自动化主要内容是根据配电s c a d a 中心采集存储的开关信息和故障信息，通过软件系统对配电网馈线中发生的故障进行实时分析和判断，准确确定故障位置，并隔离故障区域，并提供优化的停电恢复方案，将故障损失降到最低“。基于f t u 的馈线自动化系统如图卜l 所示。簪if；母甥匡摘i 一一峄。磊l母蛾口o圃一一断踌器分段开关联结开关f t u馈绩通信战路图卜1 基于f j u 的馈线自动化系统组成6四川大学硕士学位论文馈线自动化的关键设备就是馈线终端单元f r u ( f i e l dt e r m i n a lu n i t ) 。f t u 的基本功能是采集相应开关的运行状态信息：开关位置、电流、电压和功率等，并将这些信息传送给区域工作站，最终传入配电s c a d a 系统；同时，f t u也可以接受配电s c a d a 系统传送下达的指令，执行相应的操作，包括开关分合。根据前述基于f t u 的馈线自动化的内容，它对于网络硬件设备性能要求相对较高，即f t u 信息的上传和控制指令的下达接收均依赖于通信网络，因此对通信网络的可靠性要求高。同时由于f t u 设备的重要性和其安装工作环境的影响，f t u 自身的可靠性也必须得到保证，即有可靠的工作电源、对环境有较强的抗干扰能力。而作为监控中心的馈线自动化处理系统，对于所收集的f t u 信息和对故障的处理能力也必须做到精确判断、优化恢复与正确指令。1 3 2 配电网馈线自动化的特点及问题在具备了高性能的通信网络和可靠的f t u 设备之后，一个稳定高效的配电网馈线自动化处理系统就显得尤为重要，因为该系统承担着配电网故障处理、故障隔离和对非故障失电区恢复供电的任务。馈线自动化系统的核心就是故障区段定位与故障恢复，其主要特点是能够在综合考虑开关操作次数、网络约束、馈线裕度、负荷恢复量、用户级别等因素下，提出优选的供电恢复方案。因此对于能适用于配电网故障恢复的理论与策略问题就成为现在要研究的重要课题。配电网故障恢复是一个多目标、多阶段、多约束的菲线性优化问题。根据这一问题的特点，目前，配电网故障恢复大部分是基于开关操作的启发式搜索算法。但是大多数文献在研究时，或者将网络结构限定，或者只能满足部分约束条件的求解，并不能完满的解决这个多约束的复杂问题。本文在考虑了现有研究的基础之上，提出了能够综合解决多目标多约束的理论和算法。1 4 本文的工作综上所述，由于配电网故障恢复在配电自动化中具有重要地位，当前研究只部分解决了该问题，所以本文试图采用新的理论和方法，提出了基于最小生成树理论的配电网故障恢复算法。四川i 大学硕士学位论文图论是数学的一门分支，主要研究各种边与点组成的图结构，随着近5 0年来计算机科学的发展，其应用不断拓展，在自然科学和社会科学中得到许多应用，解决实际问题的优点日益显现。具体说来，应用了计算机分析的图论是针对各种网络结构进行研究的一种新方法，它具有不受网络性质约束，拓扑结构丰富等优点。利用图论方法，许多实际问题的很容易得到表述，对于配电网络这种结构，可以方便地进行图论表达，并建立图论模型，实际也证明它在简化问题、兼顾约束及寻求最优解方面具有很好的适用性。本文利用图论中最小生成树理论对各种实际的配电网络进行了的简化，建立的图论模型，便于在配电s c a d a 系统数据库中存取分析。在此基础之上，充分考虑网损最小、开关动作次数最少、电网可靠性等目标，综合后作为目标函数，同时将配电网连通性、辐射状运行、电源容量等约束条件融合成约束函数，与目标函数一起求解，最后得到配电网故障恢复的最优解和一系列次优解。该算法充分利用配电s c a d a 系统中的实时信息，能提供最优解和系列按优先级排列的次优解组成的多种可行方案，直接控制相关开关动作。算法的优点在于：图论模型简化快速的特点，使该算法的解能够迅速地在故障之后就计算得到；最优解反映了故障恢复系统在综合分析目标与约束之后作出的最佳恢复选择方案。同时，一系列按优先级排序的次优解是在充分考虑开关拒动和降低开关操作次数的情况下作出的最优化恢复方案。这种最优解与次优解的组合能有效降低故障导致的各种损失。为了使算法具有更广泛的适用性，本文也相应研究并介绍了对配电网一些特殊问题的解决方法，例如：较复杂的多端电源配电网络，具有特殊t 型接线的配电网络，以及在配电网络故障恢复之后再次发生故障等问题。本文对配电网故障恢复的研究具有一定的广泛性和深度，算法具有一定的优越性，在配电自动化系统中有较强的适用性。8四川大学硕士学位论文第二章配电网故障恢复研究2 1 配电网故障恢复问题的提出随着电力公司的改革，电力市场逐渐从卖方市场转变为买方市场。为了给用户提供优良的供电服务并为自身获得更好的运行效益，作为直接连接用户的配电网络已经成为电力公司大力建设和改造的重点。自从1 9 9 8 年开展城乡电网建设与改造以来，城乡电网得到极大改善，大大地提高了城乡电网的供电可靠性和供电能力。一个可靠的自动化系统成为提高配网供电水平和服务质量水平的基本保证。近几年配电网故障恢复的研究十分活跃，如何研发能够广泛适应并解决不同配电网条件下故障恢复的理论与系统，是一直以来比较热门的课题。虽然现有各配电网因为历史和地域等原因各有特点，并不完全一致，但是在发生故障后，为切除故障，尽可能恢复用户供电，所采取的措施却是一样的，即隔离故障区、恢复非故障失电区供电，保证配电网恢复后正常运行。本章将对配电网进行具体的分析，详细阐述故障恢复的重要内容。2 1 1 配电网运行特点配电网络结构一般可分为三种：辐射状、环状( 开环运行) 和树状网络。如图2 - 1 所示。图2 - 1 配电网络结构( c ) 树状四j i l 大学硕士学位论文配电网的一般特点是：1 、配电网络深入用户区域，负荷密度分布不均衡，馈线承担负荷大小随机性高；2 、用户性质以及对供电质量和可靠性的要求不尽相同；3 、开环运行；4 、配电网中性点不接地，在发生单相接地故障时，允许带故障供电一段时间。根据配电网络结构的划分，不同的配电网络结构还具有各自的特点。：( a ) 辐射状i 、完全辐射状接线，该接线比较适合当负荷集中在电源附近的情况，其特点是接线简单，只要采取适当的措施( 比如变压器采用低负荷率，和t 形接线模式相结合等) ，可靠性即可达到要求。当变电站的仓位允许时，由于电源和负荷之间采用直线连接，其投资也是较省的。但同时，由于负荷直接接在变电站出口，可能会造成其出口仓位紧张，投资也会相应增加。2 、经中介点的辐射状接线，这种接线是完全辐射状接线模式的变形，适用于负荷分块集中情况。如果网络中使用的线路载流量较大，比如一条线路可带2 台或2 台以上变压器时，若采用经中介点的辐射状接线，则可以在不增加电源点至中介变电站问线路回数的情况下，由距离终端变电站较近的中介站供电，以缩小线路长度，同时又减少了电源站的出线仓位，提高了经济性。但是和完全辐射状相比，该接线方式增加了中介站的投资。具体哪种方案的投资更省要视具体网络情况而定。( b ) 环状这种接线适合负荷点沿电源的某1 个或几个方向分布情况，通过几条干线向沿途负荷供电。虽然是环状，但配电网运行的特点是一条馈线由一个电源点供电，开环运行。( c ) 树状这种接线方式适合于城乡架空线，非重要用户和郊区。干线可以分段，其原则是：一般主干线分为2 3 段，负荷密度大的地区i k m 分一段，以缩小事故和检修停电范围。212 故障恢复问题的提出配电网的结构日趋复杂，简单的重合器或断路器与分段器、熔断器，其互相配合操作的方法不再适应解决故障恢复问题。当配电自动化的水平提高，采1 0四川大学硕士学位论文用了高性能的通信网络和可靠的f t u 作为监控、测量和保护手段之后，适应于这种新环境的故障恢复问题研究得到了广泛的关注和发展。为了在新的配电网环境下，能够充分发挥设备资源，更好的提高配电网可靠性，加快对用户的恢复供电速度，故障恢复算法的新发展和新研究也应该同步提出。当然，尽管故障恢复的手段会因配电网不同而不同，但故障恢复问题的实现目标和步骤都是一样的。2 。1 3 故障恢复的基本方法及要求当发生永久性故障时，配电网故障恢复的阶段分为：l 、故障检测与分析。f t u 将检测到的故障相关信息上传给配电s c a d a 系统，由系统分析判断故障区域，确定故障相关的开关位置，以及相邻正常区域信息；2 、故障区段。根据故障分析，配电$ c a d a 系统指令确定的故障相关开关断开以隔离故障区域，并确定非故障失电区域的网络结构、负荷大小和联络开关位置等信息；3 、非故障失电区恢复供电。配电s c a d a 系统综合采集到的故障信息并依照预先由程序设定的算法进行恢复方案的求解。因此，配电网故障恢复必须做到：故障检测准确；故障区段隔离迅速；供电恢复最优。虽然配电网故障恢复的最终目标是操作一系列分段开关和联络开关，但在故障恢复算法中必须运用数学和人工智能的技术，分析所采集到的故障相关信息，在诸多目标和约束条件之下，得到最终结果，因此要作到检测准确、故障区段隔离迅速、恢复最优是一个很复杂的问题。解决配电网故障恢复问题的研究方法很多，数学模型和求解过程也各异，但围绕着恢复问题的物理特性，所有的方法所考虑的目标函数和所受的约束条件都是相同的，即恢复时操作的开关次数最少、恢复的供电量最大、恢复后配电网运行的网损最小、恢复后电网可靠性最高为目标；而在追求前述诸多目标最优的同时，必须保证配电网运行的基本条件，即恢复后配电网仍然保持连通性和辐射状运行、电源容量( 馈线不过载) 、电压维持等约束条件。以下本文就将对故障恢复的目标函数和约束条件进行详细的阐述分析。2 2 故障，恢复目标函数四川大学硕士学位论文配电网故障恢复是一个多目标、多阶段、多约束的非线性优化问题，依据恢复的目标和约束，建立的目标函数如式2 - 1 所示：m i n w = p + l + r + s( 2 1 )由于开关操作次数、供电量、可靠性这些指标的度量并不一致，所以为了建立统一的度量模型，可将这些指标全部按照各自的折算关系换算成损失指标。p ；除了保证用户能及时恢复供电，减少损失保障利益外，同时也必须保障恢复后配电网运行时的网损仍然是恢复后网络结构中最小的，使电力公司在故障发生后受到的损失降到最小，保障电力公司的利益。所以应使配电网络故障恢复后运行时的网损最小。p 是恢复运行后的网损造成的损失。三：在对非故障失电区恢复供电过程中，由于电源裕度和配电网结构所限，可能会有部分负荷不能恢复，但是为了保证优先级和大多数用户，应使恢复供电量最大，所以在目标函数中加入此项，即由于限制不能恢复供电的负荷量是最小的。三是不能恢复供电的负荷量造成的损失。7 _ ：开关操作一次会造成的开关磨损和寿命缩短，因此为使开关动作次数最少，必须在目标函数中加入此项。r 是开关动作造成的损失。s ：配电网因为发生永久性故障要进行故障恢复，所以在恢复后运行时，也要考虑此时的配电网运行可靠性问题，防止故障发生后导致的连锁反应。使恢复后的配电网仍然具有一个较高的可靠性运行，用户和电力公司都能从中获得利益保证。s 是配电网可靠性指标损失，即元件故障率。目标函数就是使上述四种损失之和最小，即r a i n 矿最小值。下面详细介绍这四种损失的产生和计算方法：a 、恢复后配电网的网损。配电网网损是电能在配电网传输过程中的损耗量，它是由固定损耗、可变损耗与其他损耗等组成的。固定损耗可认为是空载损耗，与元件和配电网的负荷情况无关；可变损耗可认为是负荷损耗，它与元件和配电网的负荷情况有关，随负荷的变化而变化”3 。以往的配网线损计算是从馈线线路首端运行数据，如电压、电流和功率等，所以都只能是以整条馈线为单位进行计算的，如传统的均方根电流法、平均电流法等，计算精度较低。随着配电系统自动化程度的提高，配备了具有测量功能的馈线监控终端( 如馈线监控终端f t u ，配变监控终端t t u ) ，给理论网损的计算带来新的局面。因为现场数据采集的及时和准确，1 2四川大学硕士学位论文配电网网损的计算不再以整条馈线为单位，而是利用f t u 来分段计算网损，提高了计算的速度与精度，细化了计算内容，对于每一区段馈线的支路损耗、配变损耗和管理损耗都能够计算统计出来。这种充分利用馈线f t u 和刑的网损计算和本文所讨论的故障恢复算法的对象是同一馈线自动化系统，即基于f n j 的馈线自动化系统，且因为其计算具有前述的优越性，所以本文的目标函数内容之一的网损也就采取这种用f t u数据分段求取网损及其细化内容的计算方法。由于本文重点是讨论故障恢复，网损求解方法在此只是一种应用，所以这 o o - ；- i 一算方法详细分析过程有文献 7 提出。下面介绍本文所采用的这种利用现场监控终端数据来计算配网线损方法的主要内容及步骤”1 。l 、配电网络拓扑分析根据配网系统的网络结构和开关运行状态，对要进行线损计算分析的区域进行网络拓扑分析，将区域中的节点和支路，按其电气连接状态的不同形成相应的子系统。为便于在计算时读取系统实时或历史运行数据，拓扑分析的结果中还应给出相关遥测点的f t u 号和遥测点号。2 、段内参数准备包括段内结构参数的筛选和段内运行参数的计算。段内结构参数筛选的任务是从网络拓扑所获得的信息中，整理出因f t u 分段而形成的区段节点、配变、支路、补偿节点等信息。段内运行参数的计算主要用于历史线损的计算，包括各计算区段的波形系数计算以及段内负荷参数的等效运算。将各节点的实际有功无功负荷乘以波形系数，即可得到用于实际计算的节点等效负荷，通过节点负荷的等效分析，历史线损的计算即可转化成实时线损的计算。波形系数k 计算公式为：k = f + 1 f ) 3( 2 - 2 )式中厂是每个区段的负荷率，可按每个区段首监测点代表日的电流数据( 平均电流，。，和最大电流，m 。) 计算：f = ，。，一( 2 3 )3 、馈线段功率统计以各f t u 分段区间为单位，按各节点的等效负荷、补偿容量、电源出力情四j i i 大学硕士学位论文况，统计出各节点实际注入配网的有功、无功负荷，按下述方法形成节点容量矩阵：( 1 ) 矩阵行号为馈线段始端节点号，列号为馈线段末端节点号；( 2 ) 主对角元素为节点负荷，无负荷节点其值为0 。由于馈线段末端节点唯一对应网络中的一条馈线段，所以按上述方法形成的节点容量矩阵中每列只有一个非0 元素。根据上述节点容量矩阵可以形成馈线段负担容量矩阵，馈线段负担容量矩阵为严格的上三角阵，变换公式为：s l = d u + sj k( 2 4 )式中：d 。为节点容量矩阵中第，行主对角线元素；m 为分段中的节点数；s ，。为列号大于，的非对角线元素，非对角线元素的个数等于节点j 的出线数，s _ 。的值可从，= m 开始计算。通过馈线段负担容量矩阵对应的首节点号和末节点弓以及褶应的非对角非零元素，即可获得各馈线段的负荷容量。4 、线损计算该模块包括分段内各节点电压的计算、线路损耗计算和配变损耗计算三部分。由于首节点电压可由段首f t u 的监测数据获得，因此段内其它节点的电压可由下式计算：u一苎：堡鱼i=uiu( 2 5 )式中、u ，分别为节点i 、节点，的电压r 在推算时u ，为已知，弓、o j分别为馈线段弘上流出的有功、无功负荷；、x t j 分别为馈线段蓼的电阻和电抗。取得各节点的电压数据以后，各馈线段的功率损耗就可以通过下两式计算得到：嵋= 警卜沼s ，肾( 警卜协，式中屿、岛分别为馈线段妒上的有功、无功损耗。各配变的损耗为：四川大学硕士学位论文蛾= 华即只( 2 8 )锄= 错u k + i o 。( 2 _ ，)式中