（电力系统及其自动化专业论文）基于禁制搜索理论的配电网故障处理系统.pdf

d i s 咧b u t i o nf a u l td e t e c t i o n ，i s o l a t i o n a n d r e s t o r a t i o ns y s t e mo nt h et a b us e a r c ht h e o r y d e p a r t m e n t o fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m g r a d u a t ec h e np e n ga d v i s e r t e n g h u a n d i s t r i b u t i o nf a u l td e t e c t i o n ，i s l a t i o na n dr e s t o r a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r t i nt h ed i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ( d m s ) n o w w i t ht h eg r o w i n gn e e do ft h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，e l e c t r i c i t yu t i l i t i e sp a ym o r ea t t e n t i o nt o t h ef a u l t d e t e c t i o n ，i s o l a t i o na n d r e s t o r a t i o n o n eo ft h e i m p o t a n tp r o b l e mi n t h e s y s t e m i s c o n n e c t i v i t ya n a l y s i s ，s o a s i m p l i f i e dm o d e l i si n t r o d u c e dt oc h a r a c t e r i z i n gd i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h es i m p l i f i e d m o d e lt h ef e e d e rs w i t c h e sf i l er e g a r d e da st h ev e r t e x e sa n dt l l ef e e d e rl i n e sa st h ea r c s o f a g r a p h am i x t u r ea p p r o a c hf o rd i s t r i b u t i o nf a u l tl o c a t i o ni s p r e s e n t e d i t sm a t h e m a t i c m o d e li sb a s e do nt h ef u z z ys e t s ，a n di tc a nl o c a t et h ef a u l ta r c si nd e s p i t eo ft h e u n c e r t a i n t yo f t h ef a u l ti n f o r m a t i o n as e r v i c er e s t o r a t i o nm o d e lw i t hp r i o r i t yc u s t o m e r si se s t a b l i s h e dt o o ，a n dt h e m o d e lt a k et h ef a c to f t h el o a d s p r o p o t i o n i n t oa c c o u n t a n a l g o r i t h mf o rd i s t r i b u t i o nf a u l tm a n a g e m e n ti si n t r o d u c e d ，w h i c hi so nt h e b a s i so ft a b us e a r c h t h e o r y t h ea l g o r i t h mi sh i g he f f i c i e n c ya n dh i 曲s e a r c hs p e e d f i n a l l y , t h ef u n c t i o na n dd a t a b a s ek e yp r o b l e m so fd i s t r i b u t i o nf a u l td e t e c t i o n ， i s l a t i o na n dr e s t o r a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；f a u l tl o c a t i o n ；f a u l tr e s t o r a t i o n ；t a b us e a r c h ；f u z z y t h e o r y ；s i m p l i f i e dm o d e l ； u 四大学硬士学惋论文 1 绪论 1 1 前言 人氏生活水平的提离和经济的发震也对供魄可靠性提出了受窝魄要求。褥我 国戆瓢毫弱建设帮不筢究全逶应骧毒经浇发震豹霉要，其覆嚣戆溅紊经滚逐速 增长两城市电阚相对发袋缓慢。近期国家投入臣资实施城乡配魄嘲的改造工程 以提高配电系统的供电能力和安全经济运行，配电网建设已经成为了当今电网 建设的重头戏。 隧黄城区自动化改造项曩的普遍开展，城区网络结构和硬伴设旋的进一步完 善，慰嚣毫霜戆霉靠毪蘩求瞧越来越裹。f 罩u 等襞凌整控终蠛戆大羹应蕊予琵 电潮中为提高配奄自动他、保簿供电可靠愁掇供了前提，现在许多城区配电弼 安装了s c a d a 设备，不仅能够得到开关的遥信和遥测信息，而且能够控制开 关的幼作，同时还具备敞障电流检测能力。艇映供电可靠性的用户年平均停电 时间等指标和配电部门对停电的处理效率密切相关。因此配电嘲故障处理系统， 毽攒缓薄定整、骧褰帮後笈，已经残秀了醚惫帮门遥韬爨要豹繁疆功躯之一。 教簿定位与滚复终为酝网管理系统( d m s ) 鹣重要特色功髓，在现场处瑾事放 时往往先要判断故障位鬣，然后才能提出恢簸措施。传统上放障定位与恢复依 靠调度员的经验和s c a d a 的报警信息由人工来解决。在我国，高压配电网是 弱环网，中压配电网是辐射状网，具有网状结构、开式运行的特点，因而故障 定俊麓恢复稷对来讲要麓攀褥多，可瑷掇撵s c a d a 夔掇警馈惑、继邀器窝拜 关豹旗作绩惠、豫护装鍪静放漳检测信惠馥及d m s 中瑰有静阙络络擒与保护装 置信息，推理得出具体的故障元件，提出恢复策略。本文基于一种灵活的网络 拓扑方法，充分利用现脊的技术手段所提供的信息，采用禁制搜索( t a b us e a r c h ) 的分析优化手段，提出了种能够满足在线鬻求的配电网故障处理系统。 。2 翔肉姊聚究动态 根据自动化水平不阍，配龟网故障处理大致可以划分为兰种敬障处理模式： 早期的故障处理模式、献电自动化的故障处理模式和配电管理系统的故障处理 模式。 1 在彝动讫水平较低鹣晕凝，故障恢复主受依靠装设在配电线潞上的鼓障指示 嚣。敌舞发生嚣，王捧入爨壤靠羧薅器零嚣我黧鼓簿篷嚣，蘩l 趱拄上嚣关设 璧型查兰鎏圭兰垒笙壅一一 备手动隔离故障区，入工恢复非敌障区靛供电。这萃啐l 早期模式自稳健水平较 低，故障处理时间较长。 2 配电翻渤化的故障处理模式( 简称自动化模式) 主瓣依靠装设在酉己魄网中的 分段嚣、熬金器及柱上开荚等舆有一定智能鲍戮传设备，通过开关劝鼹秘爨 轳霹漓聚合，实瑗鼗簿麓鑫动窥蹙、臻离襄恢笈。这释装复褛式蒋特点是蒎 赖予酝穰翳熬旱期戴越、醚礴缝拇及配奄设备瀚爨动亿程度，但簸其逶臻 予简嘏缡线网络，而且不r 考虑实际负荷水平翱网络运行约束。 3 配电臀理系统的故障处理模式( 简称配网管理横斌) 主要应用配置梅敞电控 制中心的故障恢复软件实现散蹲定诬、隔离和供电恢复。当配电恻中发生拔 簿靖，d m s 魏敲骧莰复较佟凝瓣& v 采集势经过逶售系统转遂戮酝窀控 裁孛心s e a d a 实簿数攥瘁审嚣蕺薄蔷塞避弦逻辑接理。爨凝数麟蕊鬟， 并且确鼹隔离故障和恢鬣供电的操作步骤。然厢以操作序列的澎式提交 s c a d a 蒙统，手动或自动执行。这种恢复模溅的特点是适用于任濑结构的 配电嘲络，可以处理一些特殊情况( 如多重故蹲) ，可以考虑实际负荷水平 器弼终约窳，毽专设备露靠性秘款待臻镌等袁饕密谈熬关系。 配毫囊勘纯躲兹簿整理攘式实瑷元襻级靛禺帮劝篾，蔻嚣骞限，数簿恢复过 程中，开最渤作完全按照事先蟪滋好的次序进行，黼不考感实际负荷水平和网 络状态；冀三凝采取开关试投的肖拽，这样多次开凝_ j 溅投势必造成短路电流对设 备的多次j 巾游，影响设各的寿命，同时开关多次动作亦会有冷负荷磨劝，对配 窀翔建或誉铡熬影鹃；不魏麸憨俸土恕摇实骣霸络黪恢复状态，不鼹她理特殊 锖嚣及复杂筑终。焉琵逛管理系统鹤蘸簿整莲模式壤据s c a d a 嫒寨弱抟实霹 信恳，或用餐能软件对全网做出实时分析和翔醑，拽难可行的和优逡鳓恢复方 案，因此能够保证满足网络的拓扑约束、设备的释爨约束和用户的电滕质量； 利用智能判断，对故障区一次性定位、隔离，避兔滞关多次分合闸，避免了短 路电流对设备髑电霹嚣多次狰蠢；垂手考瘩了弼络豹物理模墼窝实霹镑息，霜 魏麓最撂巍裁静实嚣穗嚣，灵活缝提蠢霹驻不露翳优选恢复方寨，诧终还哥敦 在恢复避强串弓l 入调度员静合糕熬浚，以匣悖一蹙瓮法颓料的情嚣发盎，这样 可以从整体上控制恢复进程，潞凳“因小失大”的情况出现。 总之，配电管理系统的故障她理模式是自动化发怒的必然。在配电阁硬件和 通蔼系统的是动能承平较高的情况下，经过弱密麴溉矧窝蚤秘测试可以实现赦 2 四川大学硕士学位论文 障处理的闭环模式。 配电网故障处理通常包括故障定位( 诊断) 、隔离与恢复三个功能部分，各个 部分共同形成一个整体又相对独立。由于故障隔离相对简单，所以以下重点介 绍故障定位和故障恢复。 1 2 1 故障诊断的研究动态 电力系统的故障诊断通常是指利用利用采集的信息，包括保护和断路器的动 作信息、f t u 等现场监控终端采集的遥信、遥测信息、滤波信息等，识别发生 故障元件或者故障区域和误动作的保护与断路器，其中故障元件或故障区域的 识别是关键问题。迄今已提出了多种故障元件的识别方法，从总体上可分为五 大类，即逻辑处理方法，专家系统方法【2 ，3 】，人工神经元网络方法【4 】，基于优 化技术的方法【5 “】，概率诊断方法【1 4 】。其中，专家系统方法和基于优化技术的方 法有较好的应用前景。这是因为随着电力系统规模日益扩大，其逻辑关系难以 描述，而运行方式改变，逻辑关系也随之改变。当意料之外的情况发生时基于 逻辑关系的诊断系统就不能工作，而专家系统能够有效的处理启发式知识和利 用专家的经验作出迅速准确的判断。人工神经元网络适用于那些难于描述故障 类型与故障信号之间的逻辑关系而又缺乏专家经验的场合，但是神经元网络一 般只适用在具有固定接线方式的小规模电网，不具备电网拓扑结构能力，难以 和s c a d a 系统直接相连，不擅长处理启发式知识和缺乏解释自身行为和输出 结果的能力，因此难以直接应用。最近提出的基于优化技术的方法有比较严密 的数学基础，且用常规算法可以有效地实现。最近，文献【1 5 】根据配电网的信 息来源和结构特点提出了以图论为基础的配电网故障区段诊断的统一矩阵算 法，文献f 1 6 1 发展了统一矩阵算法。 1 2 1 1 基于专家系统的故障诊断方法 专家系统一般由三部分组成：知识库、推理机、人机界面，而知识库又包括 数据库和规则库两部分。 数据库包含了推理机进行故障定位的数据信息，包括电网的网络结构、设备 属性、用户信息、故障记录、地理信息等。在数据库的各个部分中信息库的准 确完整是十分重要的，这是保证专家系统准确而迅速的进行故障定位的前提。 耩豫丈学疆学位论文 数据库又可分为静态数据和渤态数据两部分。规则库是根据调度员和逡行人员 的实际经骏制定的启发式规则集。推理机是专家系统的核心，它利用数据库和 规则库进彳亍推理，通过人机交赢界面获得故障定位的结果。基于专家系统的故 障定位是个动态搜索帮推瑷，逐步缩小赦障区域的过程。 嚣兹。专家系统在毫力系绕效骧诊甄已经致褥了广泛瓣应臻，毽受袋骞兹专 家系统存在以下闯题。 1 需事先建立设备故障模型。均故障样本的收燕样，故障模型要 焱到完备也 是相巍豳难的，当实际故障岛模型不匹配时，得不出正确的结果，所以有一 定的髑限性。 2 。哭避磐囊鼷麓辑爨鬃弱敖簿浚套熬蓬囱接理。缮甏戆霹戆馥漳设器铰多，霰 大蒙键阏僚护动作信息，使厢不便。 3 以报动断路器或继电保护对敞障假说的违背獠度计算可信度。然而，复杂的 故障彼徒是由继电保护或断路器的拒动造成的。这种方法不能保证真正的故 障设备w 信度也大，不利于快速确认故漳设备。 锋对以上翘惩，夔萋毫弼豹囊动纯零孚魏撬态，鹾究入爨提交了缀多解决戆 方法。鲡文献f 1 7 】幂l 用逑理僚憋萘统( g i s ) 强大斡篱毽功能，使设备穰激更加完 备，形成熬- tg 1 s 的专家系统。文献1 1 8 】提出了然予芷反向推理的专家系统， 文献 1 4 n 用了概率诊断的方法。 专家系统方法在近十多年来发展根快，在电力系统故障诊断中也融驳譬导了很 丈的发展。穗专家系统戆维护滋较困难，攘瑾速浚瞧不够蚨，难潋瀵足大娆模 电力系统程线应震的需要，露越主要应餍予离线赦障分橱。秀了滚是在线应震 的需要，形成了专家系统与优化技术相结合的故障诊断方法，同时也出现了人 工神经网络和专家系统结合运用的电力系统故障诊断方法。 l 。2 。1 2 基于甓匏技术鳞蔽簿诊凝方法 基俊纯瓣方法善先器要建立电力系统敖障诊瑟瓣解析攘鼙，最终都弱结兔 无约束的0 - 1 整数规划问题，弗分别采用了b o l t z m a n n 机、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m g a ) 、模拟退火算 蠢( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m s a ) 和禁制搜索 ( t a u bs e a r c h t s ) 方法求解。b o l t z m a n n 机的方法只适用于二次函数，髑限性很 大，两遗传算法、模拟退火募法、禁裁搜索的方法缀理上适瑶予任意形式熬瑟 朋川大学硕士学位论文 标函数，理论上已经证明能够以较大概略求得全局最优解。 敖黠诊叛阏题可归结为目标避数的墩小化趣遂。文献1 2 0 构避了利用断路器 跳闸的分段时序信息的故障诊断的数学模型，文献 2 4 】建立了基于覆盖集理论的 救障诊龄模型，文献 1 4 1 构造了酉r 计及保护和断跋器动作雨靠性骢故障诊凝的数 学模型，文献【2 2 j 则建立了基予保护仿冀器的诊断模童，文献 2 1 】首次提出了 利用发嫩故障肘的告警信息对不可观察的保护( 即动作信息在墩力系统调度中 心中不可获取的保护) 状态进行谖掰的新概念，并构造了敌障诊断与傈护状态 识别的集成的数学模型，文献 2 5 1 还发展了利用实时网络拓扑分析方法识别故障 乎怠后的停毫( 被障) 区域的方法。 遗传算法、模拟退火算法和禁制搜索三种算法均能收敛于全局最优解，都能 够应霜予藏障诊断。三释算法都楚痘发式优纯舅法，箕中哭有遗传算法楚全局 搜索的算法，模拟退火算法和禁制搜索均是邻域搜索的算法，仪就搜索的速度 嚣言，禁髑鼗索楚最快瀚。 g a 是根据囱然遗传机理而设计的优化算法s a 是模拟晶体遐火过稷所得到 戆一耱舞法，嚣i 理菲豢篱莘，炎跫砖常娩豹迭戴竣善算法进蠢了一纛穆敬，允 许以一定概率接受比前次迭代更差的解。 数g a 、s a 秽t s 失童表蠡冬一类痘发鼗霞纯冀法只要求往纯弱越是霹诗算魏， 突破了对问题结构是否线性、连续、可微、单蜂、无噪声等各种限制，同时也 不受优纯准瑙甄数形式、毯耗交量等豹寒缚，对搜索空阉没毒特殊要求，妻接 在搜索绽间中避行自适应的概率性搜索，运行j 馥程简单而计算结果丰富，可以 解决豢媛寻往方法处理索疆难豹复杂翊题，溺忿其考优良熬逡痘缝、逶曩缝 和灵活性。这类方法的燕要问题在于其数学模型还有待进一步研究。 1 2 1 3 配电网的故障定位方法 配嘏阏的故蹲诊断瓣题常豢猕为故黩定位，救蹲定缀蹩配电爨动纯的关键功 能之一，是提黼供电可靠性的熬要保证，随着配电网蕊模的不断扩大，配电网 中的电源点和t 接点豹数量也掩不断增多，对酝电网故障定位鲍实对挫簧求也 将越来越高。嗣前普遍采用的方法是失压开断，合于短路时闭锁，反复开合开 关设备，直到隔离器不褥动作为止，这种做法不仅不能迅速排除放蹲，褥且多 次使电嘲受到神击并严踅降低设备的使精寿命。因此研究能够满足配电黼故障 四川大学硕士学位论文 定位的实时性要求的方法势在必行。 目前的配电网通常采用不具有故障电流开断能力的分段开关，而是由主站 统一控制，即在故障情况下，由主站的馈线断路器切除故障。配电网故障定 位和隔离是根据数据通信传到主站的相关实时信息序列进行判断，因此，f t u 采集的遥信、遥测和遥控信息是故障定位的主要信息来源。实现配电网故障定 位和隔离的算法主要有两类：一类是以图论知识为基础，根据配电网的拓扑结 构进行故障定位，文献 1 5 】先生成对称的网络描述矩阵和故障信息，将两矩阵 相乘，为防止误判还需要相乘的结果规格化处理，最后根据判别矩阵中的元素 的异或运算结果确定故障区域，这种方法需要矩阵相乘，运算量大，处理时间 长，对多电源复杂配电网的处理较繁琐：文献【1 6 提出了适用于任意多个电源 的复杂系统，运算处理简单的矩阵判别方法，基本原理是把f t u 检测的故障信 息计及故障电流的方向，作为网络描述矩阵的对角元素，形成故障判别矩阵， 然后依据判别矩阵确定故障区间，无需进行规格化和矩阵运算；用文献2 7 通 过对文献【1 5 】的网络描述矩阵进行分块处理以节约内存；文献 2 8 ，2 9 1 采用过 热弧搜寻算法，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。因此故障区段的问题实际上是过热弧搜寻问题。 文献f 2 8 将区域与一般弧同等对待，先要计算区域内各条弧的平均负荷，造成 了计算的复杂。文献 3 0 将区域与一般弧分别描述、分别判断，简化了故障定 位的计算。这类方法以网络的实时拓扑信息为基础进行故障定位，对实时的网 络信息的完整性要求很高，而对于缺乏实时监控数据的情况则难以正确的判定 故障区间。另一类是以人工智能为基础，如采用遗传算法【3 1 】、神经网络和模式 识别算法 3 2 1 等。文献【3 1 将网络拓扑信息通过评价函数反映出来，随着网络 拓扑结构的变化，必须修改评价函数：文献 3 2 通过神经网络训练识别，计算 时间长，同时网络拓扑结构的变化又需重新训练。这类方法和前面两节所讲的 方法类似，只是这里的主要信息不再是继电器和保护的动作信息而是f t u 的采 集的信息。配电网的元件多，分支多，网络结构复杂而且网络拓扑结构经常变 化，建立完整的数学描述还存在困难，因此只能采用简化模型。 四川大学硕士学位论文 l 。2 1 + 4 故障测鞭 故障测距按工作原理分为阻抗法和行波法瓶种，阻抗法对采样频率的要求相 对雩亍波法寒说较低，剥用赦障蒙波后念数据可以实现，势在电力系统中褥到广 泛的威闰；行波法对采样频率爱求极高，用当前的录波装置实现还有许多困难。 故障躐离媳计舞可以零侧测量信息进褥处理，也可以使用线路两端的信惠进行 处理，因此测距又分为单端测距和双端测距。单端测距在工程应用中实现简便、 费用较低，也不受系绫通信技术的限制，长期以来一藏越关注的焦点。 阻抗法的基本原理是根据故障时测量到的电压、电流最而计算岛故障网路的 阻抗从而计算如故障躐离。它的主要翊题在予测麓精艘不够离，影响阻抗法测 鼙精度的主要因素是故障点过渡电阻、。负荷电流和故障分量电流的分布系数， 而敌障分麓电流的分稚系数又随故障点的位置和系统运行方式酌变化丽交讫。 阻抗法主要脊解微分方程的方法h 3 。3 4 1 和基于工频基波量的方法3 6 j 。解微 分方程的方法割淆两个不同时刻的瞬辩采样德珂驻获得两个独立的方程。从而 解出故障回路的电感和电阻，进步求出故障距离。其优点廷响应时间短，珥 兼作保护帮测距，缺淼是在接恁邀阻较大时误差穰大，简时对予长线路算得的 臣抗离散性大。基于工频基波量的方法包括零蓐电流，电压和电流相位修正法、 解二次方程法。这类方法针对过渡电隧麴影确送行了褶寂静修歪_ 移於偿，徨楚 需要提供故障时的若干缀各序阻抗参数盈每组序朗参数应根据运行方式的交纯 嚣改交，方精淤的计算故漳鼹离，圈辩还出瑷了傍根豹海题。 行波法刚楚考虑分布参数的特点，嗣麓故障发生时新产生的行波来实璇测躐 鹣方法。这释方法有许多独特豹优点；数据不霭滤波楚瑗，系统运露方式j c | 耩 度的影响，j 、：行波法也存在固有的阀憨：测距算法本鸯无方离悭，出臼短路处 蠢死隳，不能嚣分本线路和橼铝。 襻波法主舞蠢驭下咒炎| 3 l 3 8 , 3 9 l ： ( 1 ) a 登测距骧褒悬教障点爨产生静暂态孬波梅在欺障杰鬏变电嫔母线之 阕形成来溜反射，行波缝返一次熬酵阏和数障距离成逛魄。潦确检测初始行波 葶珏故蹲点反射行波波必到达母线敬时耀茇，可以实现糖礁测躐。这类方法装爨 魄较麓攀，不受过渡影璃，霹潋达鎏| 较亵豹耩度。 ( 2 ) b 型测距是剩用教障点产生的簿波达到线路携端后缨助于通信联系实 现测躐。这种测距装整铡嗣鲍爨技障点产生数孬波第一次到达嚣端的售息，嚣 ? 四川大学碾士学位论文 此不受故障点透射波的影响，实现起来困难较小，但是这种装鬣要求线路两端 衡通信联系，并且必须实现同步采集数据。 ( 3 ) c 墼测距楚翔信瓣测距算法，焱散障发垒嚣垂装燮一辣渖搂号，稷据 脉冲绩号由装置到故障点往返时间进幸子裂4 距。这类装置原懋简单，耪度也高， 但是由于通道技术条件豹限制，脉冲信警强凌不能太强，氍此故障点发射脉冲 很难与千扰相区别，这就使装置的可靠性降低。 影响行波测距精度的因索主要表现在故障产生行波的不确定性、坶线接线方 式驰不确定性、效障点反射波豹识裂。 叛上的藏簿测躐暇疆和方法已经毙较成熟，许多已经转化必测距装置在电力 系统运行中发挥了藏要的作用。但是对于中性点不童接接地鼢3 5 k v 及以下魄毯 簿级昀系统，关于镄线故障测距的研究较少究其原因：小电流接地系统中 输电线路传输距离较短，测距误差较大时意义不大；系统分支结构复杂，运 行方式经常变化；以魏由予自动化水警等方蘧的局限性，雉默实现较高精度 瀚敬海煮定位。 近年髓着科技水平的发展及供电凄登爱求的提高，出现了诲多小电流接迪系 统中馈线故障测距的方法。文献【3 8 】基于多导体传输线理论掇出了壹配线路单相 按地故障的测距算法。该算法的测距方程是次非线形方程，保证在线区长度 肉纛伪根，方程收敛性好，翕于求解，方程不会过渡电阻变爨，理论上不依赖 予遗渡奄隧豹大小 嫒点在于需要攘据线路标称参鼗进行溯鼯，存程参数容疆 阏鼷。文献 3 9 】将模拱退火算法瘟用予l o k v 线路故障测躐中，但是戴方法在 参数调节、离散化及收敛慷等方面还有待予进一步研究。文献【4 0 】按照高遥输电 线路故障测距中阻抗测距方法的思想。猩小电流接地故障等效序网上导出含有 故障距离的二次方程，此方法但是此方法在等效网络简化以撼取基频分量、求 瓣等琢苓必然产生谖蒺，显嚣壤区鬃囊镑校懿淹蘧。文麸瑟l ，鸵，4 3 】捡涮窭鸯 敬障对，在线路始端施加一特有附加蓿譬，邋过检测她信号涞诊断赦潞点的往 溉。这种方法能够鹬决树澎线路的分支丽耀，并且采用分布参数电路模型避受 了原理性误差，但魑尚霈离线处理，而凰势必会到影响供电质量。利用次原理 的测距装霪的样机已经在一些投入配电系统中试用。还有应用小波神经网络进 行小瞧滤按逸系统黪馈线测耀载磅究。 四川大学硕士学位论文 1 ，2 2 配电网故障恢复的研究动态 配电网发生故障后，在现有条件下继电保护装置一般无法精确地隔离故障设 备，因此其动作的结果往往造成一条或数条馈线上的负荷全部失电。为了提高 供电可靠性，有必要将那些非故障停电区域的负荷先恢复供电，这类操作称为 故障后的恢复供电，简称故障恢复。故障被隔离之后，系统的非故障部分被分 为与电源( 变电站) 连通的和与电源隔离的两个或多个子网。前者通过闭合变电站 中相应的出线断路器即可恢复供电；后者是与电源隔离的“孤立岛”，通过闭合 与之相连接的常开联络开关( 分段器或负荷开关) 可以恢复供电。 故障恢复的首要目标是在允许的操作条件和电气约束下，通过网络重构尽可 能多地将停电区域的负荷转供到正常的馈线上。而在实际操作场合下，要求能 快速地恢复供电，另外，考虑到开关操作寿命和有限的人力资源，要求开关的 操作次数越少越好，因此恢复策略必须满足如下的多个目标：1 ) 应尽可能多她 恢复停电的负荷，同时，不同等级负荷应分别考虑，重要的负荷应优先恢复供 电；2 ) 开关的操作次数越少越好，并且优先考虑可遥控的开关；3 ) 恢复后网络的 结构变动应尽量少。同时，恢复策略还必须满足以下约束条件：1 ) 恢复策略必 须是实时的，即越快越好；2 ) 恢复过程不能出现环网( 暂时性的除外) ；3 ) 恢复过 程中和恢复后不能有设备过载。由此可见，配电网的故障恢复是一个复杂的多 目标、多约束的规划问题，单纯从数学优化问题的角度来求解十分困难，并且 得到满足要求的可行解的时间也很长。在实际运行中，调度员往往根据经验和 一些肩发式的规则来寻找可行方案，一般可以快速有效地实现恢复供电。人工 智能技术能部分表达人的经验和思维方式，因此，在实时性要求较高的配电网 故障恢复应用中有其潜在的优势。 自8 0 年代末起，故障恢复工作的研究取得了令人瞩目的成果，主要的方法 有四类：基于图论的方法、启发式搜索方法、专家系统方法和基于p c 缸网的网 络模拟的方法。 基于图论的方法是首先应用于故障恢复中的算法，文献f 4 4 于9 0 年代初提 出网络简化法。在此之前， 文献【4 5 提出了一种基于搜索树的算法，实现了可 由调度员定义的开关操作表。文献【4 6 】提出了一个两步方法：第l 步实现停电区 域的恢复供电；第2 步平衡各馈线的负荷。该方法使用快速解耦法进行潮流计 算并考虑了电气操作条件的约束。a o k i 等人提出了基于自动分段开关的负荷转 璺型盔堂堡主兰堡垒壅一一 供算法，并计及了变压器和馈线容量的限制1 4 7 5 。随后还进一步考虑了电压约 束、电流约束和用户的优先级等因素，优化方法采用简化梯度法。文献 5 1 】提出 了一种基于线性系统模型的面向图的控制算法，利用混合整数规划求解控制策 略。文献 5 2 1 e f l 方法采用图论的知识，需要获取在各种操作条件下从电源到负荷 的所有最短路径。文献 5 9 1 根据配电网的辐射状结构特征，把电源点和失去供电 的负荷点看作“兴趣点”，把寻找供电路径转化为求解给定图的“兴趣树”，从 而简化了问飚。此类方法一般无法考虑多目标优化问题，但其算法简单，能满 足实时要求。 故障恢复是一个非线性优化问题，解决该类问题的关键之一是如何确定最优 的搜索方向，较常用的是启发式搜索规则。文献【5 3 j 提出了种基于启发式规则 的最优搜索树方法。文献【5 4 】首先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相应的搜索策略。此外， 其他的搜索方法还包括：爬山法，模拟退火法和禁制搜索等。启发式搜索方法 得到的结果的优劣一般与网络结构有关，无法保证找到最优解。文献 5 6 1 应用遗 传算法实现了多目标下的优化方案。遗传算法具有较强的鲁棒性和较好的寻优 能力，将离散的开关状态或线路段状态用一系列二进制串表示，适于计算机处 理。此外遗传算法系用多点同时搜索，找到全局最优解的可能性较大。以上的 方法都是在系统备用容量充分的情况下提出的，在系统重负荷的情况下可能出 现找不到解的情况，由此文献【6 l 】首先提出了把模糊理论应用于故障恢复的启发 式模糊推理的方法。其优点是可以适用于不同的网络缺点是实时性不够。启 发式搜索的方法，特别是以遗传算法、禁制搜索等为代表的现代启发式搜索算 法，以其对复杂的非线性优化问题卓越的处理能力而成为了故障恢复研究中的 热点。 文献【5 5 】提出了一种专家系统方法来自动生成故障恢复时的开关操作列表。 专家系统使用范围较广，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，网络变化后只需修改相应的知识库。但专家系统方法处理约束条件 比较困难，且无法保证找到全局最优方案。 文献【5 7 】提出了一种将p e t r i 网应用于故障恢复的新方法。该算法主要由2 个部分组成：断开连接过程和恢复供电过程。其中，配网的开关状态和供电区 域的带电状态用p e t r i 网的库表示，开关的拉闸操作和合闸操作用变迁表示。另 1 0 婴型查兰堡主茎竺堡苎 外，还分别构造了一个目标库和目标变迁用来检验目标是否实现。目标变迁的 引发条件是所有表示可恢复供电区域的带电库全部获取令牌。基于启发式规则 设定的评估函数用于从同时激活的数个变迁中选出合适的变迁实现令牌传送， 该方法的优点是可以实现并行计算。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。因此，p e t r i 网适用于求解多 故障、网络备用容量不足条件下的恢复供电。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。 综上所述，目前常用的各类算法都有其优缺点和适用范围。例如，对于一个 简单网络，使用启发式搜索就可以快速而准确地找出最优恢复方案，如果使用 遗传算法来求解，未必有什么优越性。相反，对于复杂网络在多故障情况下的 恢复，启发式搜索的搜索树会变得过于庞大，很难找到最优解，而遗传算法却 可以较快地得到近似最优解。近年来，出现了将多种算法相结合的趋势，如遗 传算法与专家系统相结合，遗传算法与模拟退火法相结合，启发式搜索与模糊 推理相结合等。此类混合算法有助于克服单个算法自身的缺点，求取更好的恢 复策略，缩短形成方案的时间。 1 3 本文所做的主要工作和技术路线 配电网的故障处理是d m s 的重要功能，但同时又是一个没有完整解决的问 题。本文在总结前人的研究经验的基础之上，结合配电网的实际，探索了故障 处理的方法。 提出了故障定位的混合算法，以实时监控系统的遥信、遥测和录波的三层数 据为定位的数据来源，应用模糊理论建立数学模型，解决故障信息具有不确定 性情况的故障定位。 采用考虑用户优先等级的故障恢复模型，在对停电区域恢复供电的时候，考 虑配电网络的负荷均衡化。 采用禁制搜索进行故障处理，提出以线段为变量的搜索方法，提高了故障处 理的效率和速度。 最后，根据以上的工作提出了故障处理系统的实现方式。 四川大学硕士学位论文 2 配电网故障处理的模型 本章首先介绍了配电网的数学描述即把配电网描述为以馈线开关为节点、馈 线线段为弧的赋权图；然后简介了故障测距的加信传递函数法；紧接着提出了 故障定位的混合算法模型；最后，建立了考虑用户优先级的故障恢复模型。 2 1 配电网的数学描述 配电网的数学模型是配电自动化的基础，也就是实现故障定位、隔离与恢复 的基础。虽然电力系统建模技术已经很成熟，其模型化方法对于输电网是十分 实用的，然而在用来描述配电网时却十分不便，因为配电网的节点较输电网的 节点要多得多，导致导纳矩阵非常庞大。占用的存储空间和处理工作量也非常 大：配电网上量测点少，由于受到建设费用的限制，一般只有少数重要的配电 变压器得到测量，因此配电网的测量数据总体上不足，难以通过严格方法得到 配电网的潮流。 2 1 1 变结构耗散网络1 6 1 ，6 2 】 配电网络实际上是一种图，变电站和开闭所的出线开关、馈线上的分段开关 和联络开关可以看作顶点，馈线线段可以看作弧，其方向就是线路上潮流的方 向，一段线路的供电负荷可以看作弧的负荷即是弧的权，流经开关的负荷是顶 点的负荷即是顶点的权。 但配电网中经常出现t 接点，t 接点既不可控也不可测，将这样的顶点定义 为耦合点( t 接点) ；与某一t 接点直接相连的区段构成一个区域。耦合点( t 接 点) 定义为在配电网中经常存在三条或三条以上馈线交于一点情况，这一点不是 开关，所以该点不装备f t u ，因此这一点的状态既不可测也不可控，称其为耦合 点，对于没有安装f t u 的开关也可以看作耦合点。耦合点的负荷无法测量，即与 耦合点相连的三条线段，其负荷是无法区分的。区域是指与耦合点相联的若干弧 组成的子图，在一个区域中只能存在一条流入该区域的弧称为该区域的流入弧， 称流出区域的弧为流出弧，称其他弧为内弧。定义进入一个区域的弧的起点和 离开该区域的弧的终点为该区域的端点；称流入弧的起点为该区域的始点，称 流出弧的终点为该区域的末点；区域内的其他顶点为该区域的内点，内点是内 弧的端点。区域用p ( v ，”i ，v 。) 表示，其中v ，v f i ，v 。为该区域的端点， 四川大学硕士学位论文 并且v ，为该区域的始点，v f ，为该区域的末点。在配电网络中，除了耦合 点外，其余顶点的出度均小于2 。 与传统的图相比较，配电网络有以下的特点： ( 1 ) 传统的图论和网络理论讨论的是保守网络的最大流问题。对于保守网 络，流入某个顶点的流之和等于流出该顶点的流之和，但是对于配电网络，关 心的问题是流过开关( 顶点) 的负荷以及各段馈线( 边) 供出的负荷，不满足守恒条 件，因此配电网是一种耗散网络。 ( 2 ) 传统的图论和网络理论讨论的是给定结构的网络，并不关心各顶点的状 态。但是对于配电网，随着开关( 顶点) 状态的改变，网络的拓扑结构也发生变化， 因此实际上配电网络是一种变结构网络。 变结构耗散网络模型对配电作了适当的简化，适合于配电网故障的定位、隔 离与恢复等分析，但是这种方法难于计算出配电线沿线各处的电压降落和潮流 分布。 2 1 1 1 数据结构 变结构耗散网络模型将配电网看作一种赋权图，处理之后达到了简化节点数 的目的，简化模型如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 中所示的模型共有8 个节点、1 5 个元 件，而采用图2 1 ( b ) 中所示的简化模型则一共只有7 个节点和6 个耗散元件。对 于配电点越多的网络简化模型比传统模型减少的节点和元件数越显著。 合闸状态的开关口分闻状态的开关含状态的节点0 分状态的节点约盼支点 ( ) 佳境梗丑 c b ) 俺化棋墨 图2 1 配电网的传统模型和简化模型 配电网的无向图描述 将配电网的馈线当作无向边，采用n 行n 列的d 矩阵加以描述，称d 为网 基结构矩阵即是通常所称的邻接矩阵，其中n 表示配电网中节点的个数，即 四川大学硕士学位论文 d = d l ld 1 2 d 2 1d 2 2 d l _ d n n ( 2 1 ) 若节点i 和j 之间存在一条边，则d u = d j = 1 ，其余元素为0 。 网基结构矩阵d 描述了配电网的潜在连接方式，它取决于配电线路的架设， 这种潜在连接方式的配电网构成图被称为“网基”；具有潜在连通关系的一个自 系统被称为配网的连通系。 配电网的节点描述矩阵 ( 1 ) 建立1 行n 列的源点分布矩阵s ， 源点，则s 。= 1 ，否则岛= 0 。 ( 2 ) 建立1 行n 列的节点状态矩阵t ， 合状态，则t 。= 1 ，否则t ，= 0 。 即s = 丑，s 2 ，s n 】。若节点i 为电 即t = t l ，t 2 ，t o 若节点i 处于 ( 3 ) 建立1 行n 列的t 接分支点分布矩阵b ，即b = 【6 i ，b ：，b n 】。若节点 i 为t 接点，贝f j b , = 1 ，贝j j b , = 0 。 ( 4 ) 建立1 行n 列的故障信息矩阵g ，即f = 【蜀，9 2 ，g , v 。若节点i 有 过流为g ，= 1 ，无过流g f = 0 。 配电网的有向图描述 将配电网的馈线当作有向边( 也可称为“弧”) ，其方向就是线路上潮流的 方向，并采用n 行n 列的c 矩阵加以描述，c 矩阵称作弧结构矩阵，其中n 为配电网中节点个数，即 c = c 1 1c 1 2 c 2 1c 2 2 c n i - c n ；v ( 2 - 2 ) 若节点i 和j 之间存在一条由i 指向j 的弧，则如= 1 ，d j 。= 0 ：其余元素为0 。 弧结构矩阵c 描述了配电网的当前实际运行方式，称这样的图为“网形”。 四川大学硕士学位论文 显然，对于开环配电网络，入度为l 的汇点为网络的末稍点，入度大于1 ( 一 般等于2 ) 的节点为网络的联络开关，联络开关一般处于“分”状态。将上述关 系反映在网络的弧结构矩阵中，即 nn ( 1 ) 对于节点v 。，如果c 。，= 0 ，且e c 。= 1 ，则v 。是网络的末梢点： i = li = i n ( 2 ) 对于顶点v 。，如果c ，= 0 ，且c 。= 2 ，则v 。是网络的联络点。 i = li = i 配电网的负荷矩阵 ( 1 ) 建立n 行n 列的配电网负荷分布矩阵。在简化模型中，配电网的负荷矩阵 填写的是配电网中节点的权和边的权。节点v i 的权为流过该节点的负荷，边( v i ， v 。) 的权为该馈线供出的负荷。为简化起见，忽略三相不平衡因素和馈线沿线的 损耗，负荷可以采用电流的形式来反映，即 l = 厶： ，2 1，2 2 ( 2 ) 建立n 行n 列的配电网额定负荷分布矩阵r 丑= i 2 r 2 1 1 f 2 - 3 ) ( 2 4 ) 额定负荷矩阵r 的对角线元素为各节点的额定负荷；额定负荷矩阵r 的其 他元素为该元素所对应的弧所能供出的额定负荷；额定负荷矩阵r 中没有对应 弧的位置的元素为o 0 1 ，这样作是为了在计算时不至于使分母为0 。 ( 3 ) 建立n 行n 列的配电网归一化额定负荷矩阵l i l ，即 g n = ，m i ， ( 2 5 ) 雎 丝0l ， 四川大学硕士学位论文 l 。中的元素分别为k = 等和= 等。称配电网的归一化负荷矩阵l n 中归一化 负荷；最大的源点为网络的最热源点；称网络的源点中归一化负荷不为0 且最 小的源点为网络的最冷源点；称归一化负荷大于l 。的弧为过热弧，其中l 。t 为负荷极限值。 2 1 1 2 数学变换 a 1 基形变换 由网基结构矩阵d 、源点分布矩阵m 、t 接点分布矩阵b 和节点状态矩阵t 求得弧结构矩阵c 的过程，被称为基形变换。对于一个给定的n 点开环配电网 络，实际上其网基结构矩阵d 和源点分布矩阵m 是确定的，而其节点状态矩阵 t 是变化的，每一种t 矩阵形式对应一种网形，亦即对应一个弧结构矩阵c 。 因此可以认为弧结构矩阵c 是网基结构矩阵d 和源点分布矩阵m 在节点状态 矩阵t 作用下的投影，用t r 口表示，即 c = r 【d ，b ，t 】( 2 - 6 ) 基形变换的含义实际上是根据配网的潜在联接方式和各开关的当前状态求 得配网的当前运行方式的过程。 为了进行基形变换，需要采用如下步骤定义起点队列q s ： 第步根据源点分布矩阵m 将网络中源点的序号填入起点队列q s 中： 第步从起点队列q s 之首取出一个顶点作为当前起点，并判断该顶点是否 处于合状态，若是，则进行下一步，否则，进行第步； 第步：查阅网基结构矩阵d ，搜寻是否存在以当前起点为端点的边，若存 在这样的边，则考察弧结构矩阵c ，看该边的方向是否已明确，若尚未明确， 则网形中一定存在从当前起点发出的弧，将这些弧填入弧结构矩阵中，将它们 的终点中处于合状态顶点的序号填入起点队列中； 第步：起点队列q s 是否空? 若是，则退出，否则回到第步。 通过基形变换，可以达到动态跟踪配电网的拓扑结构目的。 b 1 点弧变换 1 6 鸡川大学硕士学位论文 已知配电网中各节点的负荷，根据弧结构矩阵c ，可计算出各条弧的负荷， 此过程称为点弧变换。 如果v 。为一组弧的起点，分别为这组弧的终点，则称v 。为v ，v j ，v k 分的父节点，称v i ，v j ，v k 分为v 。的子节点。对于一个配电网络，应满足如 下性质：父节点的负荷等于它所有子节点的负荷之和加上所有同父弧的负荷之 和，即 蜘。) = l ( v 。) + f ( v 。，v 。) ( 2 7 ) e 口( p j c a ( v ) 式中a ( v ) = ( v ， 1 2 f i ，v ) 是v m 的所有子节点的集合。 对于一个区域p ( v 。v j ，v k ) ，区域的负荷与其端点的负荷关系为 f ( v ，v ，- v 。) = f 。一z 。 ( 2 8 ) 区域的负荷与区域内弧的负荷关系为 ，( u ，_ 一，v i ) - - x 屯 ( 2 9 ) 口e 矗 式中n 为区域p 的末点的集合：口为区域p 内弧的集合。 如果区域p 的所有内点的负荷均未知，则可将该区域的负荷平均分配到区 域内的各条弧上，即 屯2 扣