（电力系统及其自动化专业论文）配电网故障自动处理算法的研究及软件开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学 大学或其它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。 研究生签名 秀坌 时间：1 店蛇年3 月 f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 像丑帆沙南砘 杨以c 2 时间：年 月日 1 弓l 言 1 绪论 配电瓣壹接蟊离电力企涩最终客户，并壹接服务子广大鞠户。它覆盖着城市的每个角 落并通过低压配电网延伸到千家万户，承担着向城市中小用电客户的供电功能。据有关 统计f 1 1 ，城市的9 9 。9 7 的照电客户数都是逶过城枣中低搓酝电网接入的，占城市静售窀鬟 7 5 之多。但是这样重要的电网，由于在其长期发展的过程中没得到应有的重视，与输电 网相比自动化水乎低。形成发展相对滞后的局隧，主要表现在：停电次数多，停电时闻长， 供电蔟量达不到与舀俱增酌要求。 随着配电网的重要性与其自动化程度落后的局面的矛盾加深，社会和业界也逐步重视 配电嬲爨动化均建设，在国内，尤其避几年采，在政策支持下，我国配电自动亿发袋较快。 并且在一些经济发达的地区建立起了不同程度的配电冈自动化系统。由于备地配电婀情况 不同，所以配电自动化程度和采用的模式瞧不尽相同。 配电自动亿定义分广义和狡义两种。广义上，是指利用现代先进的电子技术、计算机 网络和通信技术，实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时的快速处理( 故障检测， 故障定位、隔离帮 故障区的恢复供电) ，跌及配电的生产管理、设备管理酌自动纯，群 s c a d a d m s 系统。狭义上，是指配电网故障的自动化处理，即包括故障检测、故障定位、 教障隔离和非故障区的供电恢复几个过程，也称馈线爨动化。配电馈线皂动他是一颂离科 技、高投入、商回报的系统工程，它可以大大磁高配电网供电可靠性，提高供电质量，降 低劳动强度却充分剥用现有设备的资源，能为用户倦来可观的效蘸。实践诞明，实撞醚电 自动化可以大大提高配电系统的可靠性和安全性，提离供电质蠡，丽时提商供电企韭的经 济效益和社会效益。 1 2配电鼹故障处理的实施和识究现状 1 2 1 配电网的故障处理模式 统计表明i ”，架空线路发生瞬时故障占所有故障的2 3 以上，而发生永久性故障则少于 硕士学位论文 绪论 l 3 。因此。架空线路的故蹲处理一定要区分瞬时敬蹲鞣永久数障。对予瞬时敏簿，遴过变 电站出口断路器的一次重会闸予以消除。嚣对于永久性故障，重舍幕失黢，器始进符配秘 故障处理。电缆线路常见的供电方式有嚣种：环月柜秘开耀所方式。电缆线鼹发生瓣嚣孝敬 障的可能性比较小，一旦发生故障就是需要处理的永久性故障。但是，为了及对恢复供电， 变电站出线端断路器应该具有莺合闸的功能。 配电网故障处理韵基本原理是将环网结构开环运行的配电线路通过分段开关凳害4 成各 个供电区域。当某区域发生故障时，及时将分割该区域的开关跳开隔离故障。然后对非故 障停电区域迅速恢复供电。从而避免了因线路出现故障而导致蹩条线路连续失电，减少了 停电范围，提高了供电可靠性。 在其备不同硬件设备的条件下，配电故障自动化处理模式的具体要求也不一样，主要 有戮下三种模式： 1 ) 裙期模式 这静模式在手动受蓠开关经箴线路分支楚加装敢簿指示器，当故障电流流过该负荷开 荚时赦障指示器裁会动嚣，表爨鼓障煮在开关嚣下游嚣。模式憝壶工作人员谖羁蜣场故障 糖示嚣状态来壤定披障区段。运转援式鸯动纯水平较低。出于入工静舟入，这种敲薄处理 赝露总的射闻 b 较长，但是瞧于投资不寒，星翦在我星城乡靛毫耀中甥然广泛采用。 2 ) 分布智自e 模式 分布智能模式主要设备是f t u 结合断路嚣或负荷舞关捣成鲍具蠢重仑功能的分毁器。 它是指现场的f t u 具备自动故障判断隔离及供电恢复的能力，不辩要邋信与主站系统参 与。主要有电压时阐型( 根据变电蛄出线保护重合闸到再次出现失压的时闻确定故障区域2 和电流计数型( 根据霾台器开断故障电流动作次数确定故障区域引) 两种。此类方法的显著优 点是成本低，不需要通信与生站参与。但是，受原理的局限，不可避免地具有以下缺点： 故障处理及供电恢复速度馒，对系统及用户冲击大。 需敲变变电站速断保护定值及藿合闸次数。 - 故障恢复网络重构后需改变重台器的整定参数，多电源多分支的复杂网络，其参数 配合比较困难。 故障点下游分段器韵蓬舍闭锬溪依靠检测敲障时的异常电压来作为闭锁条件，当故 障情躐不溺时，异常电嚣特锤也变纯较大，因此 i j 锁条件较复杂。 缘上氍述，这种方法遗会予弼粲结构毙较簿擎、圭要建双电源供电靛“手拉手”线路，比 螺农毒孝或城市郊区静配电霹，鞋及不其备巍信手段袋逶信条件不完善、可靠注要求不嵩静 场合。 3 ) 集中智能模式 集中智能模式的主要没备是有遥控功能的负萄开关、故障指示器、有避售功能的f t u 、 - 2 一 硕士学位论文绪论 通信信道和主站系统。它是通过现场的f t u 将检测的故障信息通过通讯设备上传给主站， 由主站通过接收到的故障指示信息和配电网的实时拓扑信息，按照一定的算法确定故障区 域，下达操作指令给相关的f t u 跳闸隔离故障。然后，主站通过供电恢复决策计算，确定 恢复方案，对非故障停电区域恢复供电，完成负荷转供，这也叫d m s 处理方式【4 1 。这种模 式的特点是自动化水平高。适用于复杂结构的配电网，并且可以考虑实际负荷水平和网络 约束。同时，该模式应用智能软件能够次定位和隔离，避免了开关的多次试投，以减少 设备的损耗。这种方法的缺点是投资大，对通信系统的可靠性和通信速率要求很高。但是， 随着国家投资力度的加大，配电自动化在全国范围逐渐推广，许多地方自动化系统的通信 条件得到极大改善，有很多城市已具备光纤通道，因此，通信可靠性有了保证。这样，通 信速率在9 6 0 0 b i t s 的情况下，从故障发生到故障隔离及恢复供电整个过程只需l m i n 左右 即可完成。由于主站的故障处理算法是在配电网的实时拓扑结构基础上完成的，因此，即 使是多电源复杂的网络同样适用，并且时间上几乎相同。 随着我国城市中低压配电网的大力改造为集中智能故障处理模式的实施创造了条件。 集中智能模式依靠智能软件对全网作出实时分析和判断，得到可行的、优选的故障处理方 案，并且能够保证满足网络的拓扑约束、设备的容量约束和用户的电压质量。所以，基于 集中智能模式的故障自动处理的算法就成为当前的研究热点。 12 2集中智能模式算法的研究现状及发展 配电网故障自动处理的算法在过去的几年得到了较大的发展，所研究的问题可以归纳 为以下三个方面： ) 馈线电网模型的研究 中压配电网的数学模型是馈线自动化的基础，不同的模型建立方法将严重影响配电自 动化实施过程。针对配电网故障自动处理，已经有文献提供了相关建立模型的方法： 文献 5 1 提出了利用柱上开关的量测信息进行故障区段判断和隔离的统一矩阵算法，但 是，提出的配电网数学模型是一种非赋权无向图，既不能反映很好地描述配电网的潮流方 向，也不能很好地描述配电网的运行情况。文献 6 对上述模型进行了改进，但其效果有限。 文献【7 提出了采用等长邻接表来描述配电网的模型，是一种比较好的方式，但它把结构连 接表和负荷连接表分开描述，导致了引入变量扩大，在实际的配电自动化过程中是没有必 要的。文献 8 卜 1 3 都是采用的简化网络模型，这种模型是将馈线上的端路器、分段开关和 常闭联络开关作为节点进行编号，以节点为支路的分界，然后按照一个方向确定这些节点、 支路的连接关系，最后根据各节点的有向连接关系构造网络描述矩阵。文献( 14 】中采用网 3 硕士学位论文绪论 络模型是用一个关联矩阵来描述网络结构，其节点和支路简化模型中的节点、支路表达同 样的对象，只是节点和支路间关联关系表达不同，它是用矩阵的元素来表示两节点问是否 存在支路相连，如是为1 ，否则为0 ：这种矩阵比较稀疏，在计算处理过程中占用内存。文 献 1 5 采用了等长邻接表来描述配电网的数据结构，这种方式采用5 个矩阵来表示网络结 构，表现起来并不方便。 上述文献中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的稀疏的。文献f 7 】提出了配电网的变结构耗散网络模型， 解决了上述不足，即采用无向图描述配电网的潜在连接方式，采用赋权有向图描述配电网 的当前运行方式，将线路上的分段开关和联络开关看作节点，节点的权为流过该节点的负 荷，将相邻的2 个节点间的馈线和变压器综合为耗散元件，其权为该条边上的所有的变压 器所带的负荷之和。 到目前为止，所有模型存在共同的问题是只把供电线路及其它附属设备作为支路，网 络中的开关( 包括断路器、负荷开关) 作为节点，而没有考虑实际馈线上没有负荷开关的 分支处所加装的故障指示器。 2 ) 故障定位算法的研究 集中智能模式中的故障定位是故障处理过程中一个重要的方面，如何根据s c a d a 系 统采集的全网络信息准确的定位故障区段是故障定位算法需要研究的问题。目前故障定位 算法主要分为三类。 故障定位的第一类算法是是矩阵法m h 2 ，这类算法的基本思路是生成对称的网络描述 矩阵和故障信息矩阵，将两矩阵相乘，为防止误判还需将相乘的结果进行规格化处理，根 据最后判别矩阵中的元素的异或运算结果确定故障区段。此类算法适用与任意多个电源的 复杂系统，但矩阵相乘导致运算量大，处理时间长。第二类嘲 f 】目是短路电流特性判据法， 该类算法的原理是：如果故障过电流从支路的- n 流进而没有从支路的其它节点侧流出， 则该条支路发生故障。这种算法原理简单，容易编程，计算速度快。但是不适用于弱环或 有分散电源的配电网络。 上述两类算法都是以故障指示信号准确为基础的，如果控制中心不能准确地接受到故 障指示器信息，故障定位就会出错。文献 2 l 】首先提出用比较支路发生故障概率来定位故 障，为用软件解决故障指示信号畸变的问题提供新的思路，但是文中没有给出准确的数学 模型和具体的计算方法。 2 ) 供电恢复算法的研究 供电恢复算法是故障自动处理的重要环节，目前存在的算法大致可以归纳为以下三类 - 4 硕士学位论文绪论 固定逻辑法【7 】【8 】：它是针对特定网络中不同元件故障后的供电恢复操作进行的逻辑编 程。当一条馈线上出线故障时，记录下预先确定的恢复操作，在校验实际拓扑与记录相匹 配时，将操作指令传送下去。这种方法对于解决常开联络开关较少的简单配电网络( 农村 架空配电网) 的故障处理比较有效、实用。但是这种方法没有通用性，而且还存在对于复 杂的配电系统，当系统运行方式发生变化时逻辑关系难以描述的问题。 专家系统【1 1 2 1 法：上个世纪的9 0 年代后期，人们将专家系统用于解决配电系统供电 恢复问题。所采用的方法主要是将停电区域划分成几个组，力图按组恢复供电；如果运行 约束不能恢复某一个或几个区域组的负荷，则采用按区域恢复供电的方案，如果按区域恢 复供电也会引起运行的约束越限，则考虑将馈线的负荷进行转移，力图尽可能多的恢复负 荷。这种方法便于解决复杂配电网络的供电恢复问题，但是开发周期较长，而且开发通用 的决策计算软件困难比较大。 自动优化决策法：这类算法采用优化技术在全网络范围内对供电恢复方案进行决策。 文献1 3 1 提出的一阶负荷矩法就是一种优化算法，该算法以非故障停电区域转移负荷功率 来进行供电恢复优化计算。然而实际配电s c a d a 系统中馈线支路上几乎没有功率量测， 所以该算法还需结合实时潮流计算才能应用。目前安装在负荷开关处的f t u 一般都有电流 量测，因而如何利用电流量测量来进行决策优化是需要解决的问题。 1 3 存在的问题 综上所述，在配电网故障自动处理算法计算方法的研究中还存在以下需要解决或改进 的地方： 1 ) 实际馈线上没有负荷开关的分支处所加装的故障指示器对于更准确的定位故障位 置是十分重要的，如何在网络模型中考虑这种元件是一个有待研究的问题。 2 ) 利用支路发生故障概率来定位故障解决由于故障指示信号不准确而导致故障定位 出错的问题还需要进一步研究。 3 ) 如何充分利用负荷开关处f t u 测量的电流信息进行供电恢复优化是一个需要解决 的问题。 4 ) 在算法的工程应用时，还应考虑配电网的不同馈线存在同时出现故障的问题。 5 - 硕士学位论文 绪论 1 4 本文的工作 在总结已有的技术和资料的基础上，并针对存在的问题，本文旨在完成以下工作： ( 1 ) 建立面向中压配电网络的集中智能式故障处理的配网模型，该模型用扩展的节 点来描述故障指示器，使得节点支路网络结构更适合配电网故障处理的需要。 ( 2 )为解决故障指示信号畸变时的故障识别的问题，本文建立了基于支路故障概 率的识别模型和具体的计算方法。 ( 3 )提出用直流电压降来优化供电恢复方案，并给出理论证明；并形成一套供电 恢复方案的形成原则。 ( 4 )开发配电网故障自动处理的软件，并用时序设计和实时网络接线分析来实现 了故障处理。 6 2 1 引言 2 故障自动处理的网络模型 目前在我国配电线路的负荷开关处以及某些没有负荷开关的馈线分支处安装了故障指 示器。在已经提出的故障处理网络模型中，没有考虑非开关处的故障指示器，仅将负荷开 关作为节点，即每个节点既具备故障指示器功能，有具备远方分断馈线的功能。然而非负 荷开关处的故障指示器对于更准确的定位故障极为重要，因此本文用扩展的节点概念来考 虑非开关处故障指示器的存在及其作用，建立了基于节点和支路的网络信息矩阵模型。 2 2中压配电网简化模型 2 2 1网络简化 在文献 7 】提出的网络简化基础上，作网络模型简化如下： “节点”为馈线中断路器、分段负荷开关、联络负荷开关以及非开关处故障指示器( 扩 展节点) 。图2 1 ( a ) 中节点1 、2 、3 、4 为分段负荷开关节点，节点5 为扩展节点，节点 6 为联络负荷开关节点。 “支路”是两节点f 司没有被节点分隔的连通的供电线路和沿途的各种配电设备的集合。 根据线路类型，可以划分为电源支路、边缘支路( 在网络中只与一个开关连通的支路) 及 其它支路。图2 - 2 ( a ) 是电缆网的简化，其中母线作为支路，图2 2 ( b ) 是架空线的简化， 虚线框内所有设备都是属于同一条支路。 7 常开开关常合开关 c d 负荷变压器。 故障指示器 2 2 2 网络信息矩阵模型 ( b ) _合状态节点口合状态节点 i l 扩展节点 图2 1 简化网络模型 用以描述故障处理的网络信息包括：节点和支路的编号及其关联关系、节点的属性、 开关节点的状态以及开关和线路元件的电流限值。这些信息可以用节点信息矩阵d 和支路 信息阵c 来描述。 i ) 节点信息矩阵 假设网络的节点数为n ，编号后的网络可以用基于节点的矩阵d 来描述，d 是一个n x5 的邻接矩阵。 d = d 1 1d 1 2 d l3d 1 4吐5 d id 2 d 3d 4d 5 ( 2 1 ) 式中d 是节点i 的状态，l 表示“合上”，0 表示“打开”：d ，2 表示节点i 性质，若d 。2 2 i 则表示该节点是可操作的负荷开关，d 。2 = 2 则表示该节点是用于故障监测的不可操作的扩 8 阿? r。，扦 展节点：d 3 和d ，4 分别表示节点i 关联的两个支路的支路号：d d 表示节点i 的电流限值。 例如，图2 - 1 ( a ) 中的馈线网络的节点信息矩阵d 如下 d = l1121 0 1123l o 1l2 41 0 12451 0 l1561 0 ol57 1 0 注意到节点4 为扩展节点；节点6 为联络开关节点，它是由实时开关状态和节点类型 决定的，开关变位时，每个开关节点都可能是分段开关或联络开关a 2 ) 支路信息矩阵 假设网络的支路数为m ，支路的信息用矩阵c 来描述，c 是一个m x 5 矩阵 c = c m tc m2 c m3c m 4c m ( 2 2 ) 式中c , i 是支路i 的实时电流；c 。2 表示支路i 的性质，若c ，22 1 则表示电源支路，若c 。2 2 2 则表示边缘支路，若c 。2 = 3 则表示其它支路：c ，3 为支路1 的电阻( q ) ；c 。4 表示支路i 的 电流限值：c 。5 表示支路i 故障时对应的隔离支路号。 例，图2 - 1 ( a ) 中的馈线网络的支路信息矩阵c 如下 c = 7 2 3 2 30 0 5 2 91 0 1 7 1 2 5 30 0 6 2 51 0 2 6 3 4 5 2o 0 7 3 11 03 7 2 0 4 30 0 6 2 81 0 4 6 4 9 1 30 0 6 1 91 0 5 5 3 9 02 0 0 7 9 11 0 5 6 2 6 430 0 5 5 9 1 07 注意到：支路6 为扩展节点下游支路， 离，所以应与支路5 看成一个整体来隔离， 当支路6 故障时，该支路不能被扩展节点5 隔 即c 6 5 = 5 。 - 9 硕士学位论文面向馈线自动化的配电网模型 2 3 本章小结 本章通过对配电网络中的断路器、负荷开关或故障指示器和供电线路的抽象来简化网 络，用扩展节点表示配电系统中非开关处的故障指示器，并建立了基于节点和支路的网络 信息矩阵模型。该模型更全面地描述了配电故障处理的实际设备和所有相关信息。 - 1 0 3 基于条件概率的故障谈别算法 故障识别是配网故障处理的最基本也是摄重要的环节，它的任务是确定馈线的故障区 段。以往的故障识别算法都是以主站收到的故障指示器信息完全正确为藏提，然丽在实昧 配电自动化系统中，主站接受到故障指示信息出错的可能总是存在的，致使常规算法在实 际应用中受到限制，为此本文采用概率计算的方法，建立识别故障支路的概率模型，并给 出了基于支路故障概率的故障识别计算方法。 3 1支路故障概率模型 为了便于闰蘧酶籀述，结台匿3 1 对关键名词进行定义。 ( 1 ) 边缘支潞：涂电潦支鼹外，坟与一个处于“禽”状态开关荚联鹃支貉称为边缘支 路。魏翌3 - 1 中的b 4 ，b ；，b 6 ，b 3 ，b ，都是边缘支潞。 ( 2 ) 围路：嗽源节点肉边缘支路供电途径的辑毒支黠的骞穿集为回鼹。妊匮3 - t 掰示 瞧电源点到边缘支路所形成的回路为b 。= b o 、b t 、b 2 、b e 、b mb t t ( 3 ) 回路故麟指示堵号序列：s c a d a 主站接受到某凰路备节点的故障捞示嚣信号魄 有序嶷，用向量矩阵a 来表示，假设回路节点数为k ，则a 。 a ，ta 2 ，a k ，如果a i 为 “1 ”表示故障指示信号动作，为“0 ”表示没有故障指示信号。 图3 - 1 潮终| 磊拎麓纯圈 出于实酝配电网一般采震馈线出霜凝黠器来瑟断短路滚漉，所以在一条续线上羼射出 现两个及以上故障点的概率非常小可以忽略( 这里并不排斥在不同的馈线上出现多故障 的可能) 。据此， 假设1 ：在一条线路上同时出现两个及以上故障的概率为0 ，在此条件下，主站接受 到故障指示信号时，故障支路必然在该故障指示节点所在的回路上。 假设2 ：每一个故障指示信号出错的概率相等，记为p ，且p 1 。 下面推导支路的故障概率模型。 设主站接收到回路b l ( b l = b i ，b 2 ，b n ) ) 上的故障指示信号序列a = ( a l ，a 2 ， a | - ， ，此时故障识别问题可以描述为：求在主站收到故障信号为随机事件a 的条件下，回 路b 。中各支路出现的概率，认为其中故障概率最大的支路为故障支路。设支路b ，在回路中 的序号为i ，则在a 条件下，支路b ，的故障的概率为 尸( 6 ，i )-p善a p 己+ 萎“( 1 一p ) 茎“+ 耋露【1 一j 惫急 ( 3 t ) 若p ( b ，i i ) 满足 p ( b ，i a ) = m a x ( p ( b lf a ) ，p ( b 2f 一) ，p ( “f a ) ) ( 3 - 2 ) 则b r 为故障支路。 注意到作为各回路首支路的电源支路是变电所母线，它的故障由所内保护装置识别， 冈此故障概率从第二条支路开始，a 中的首节点信号为出线断路器跳闸信号。 例1 ：设图3 - 2 所示配电网的s c a d a 系统主站收到回路 b l ，b 二，b 3 ，b 。，b s ，b s 对 应的回路故障信号序列为a = 1 ，1 ，1 ，1 ，o j ，则故障支路为 p ( b ，f 爿) = m a x p ( b ：1 爿lp ( b ，1 爿lp ( 6 。 爿l p ，1 一) ，p ( 6 。1 _ ) ：m a x 易3 ( 1 一p ) 二，p2 ( 1 一p ) 3 ，p ( 1 一p ) 4 ，( 1 一p ) 5 ，p ( 1 一p ) 4 = | d ( 以fa ) 路为 设备 图3 - 2 故障定位网络图 例2 ：上述系统s c a d a 接受到信息的故障信号序列a = 1 ，0 ，1 ，1 ，o 】，这时故障支 1 2 p ( b ，j 爿) ：m a ) ( p ( 6 ：l 彳l p ( b ，i 爿l 尸( 6 。l 彳lp ( 6 ，1 4 ) ，p ( 6 61 4 ) ：m a x 易z ( 1 一p ) 3 ，p3 ( 1 一p ) 2 ，p 2 0 一p ) 3 ，p ( 1 一p ) 4 ，p 2 ( 1 一p ) 3 = p ( b ，a ) 由例2 可以看出当b 5 发生故障主站收到有畸变的故障信号时，这种方法仍能够正确 的识别出故障支路。 3 2 故障概率的计算方法 下面首先介绍回路支路阵和回路节点阵，以及它们的计算方法，然后介绍求供电子系 统的网络拓扑分析方法，以及供电网络的计算和回路支路阵和回路节点阵的形成。 3 2 1回路支路阵和回路节点阵 全网络中各回路的所有支路号顺序集用回路支路阵n _ b 来描述，回路的节点号顸序集 用回路节点阵n 来描述。 1 ) 圊路支路阵nb 假设配电网络有m 个回路，每个回路的支路数为m ，( i = 1 ，2 ，m ) ，取m 2 m a x m ， m 2 ，m 、i ，则回路支路降为 n8 b l ： b 。】 ： 8 b 1 ： b u ： p b 】。 ： b ，。 ： _ b ( 3 - 7 ) 式中元素b 。为支路在网络中的支路号，i 为该支路所在的回路编号，j 为该支路在回路 中的序号。 图3 - 1 所示网络的回路支路阵n b 为 1 3 - 硕士学位论文 基于条件概率的故障识别算法 nb = 0 岛 0 0 o 2 ) 回路节点阵nn 假设配电网络有m 个回路，每个回路的节点数为n 。( i _ l ，2 ，m ) ，取n = m “ n 1 ，n ： n m ) ，则回路支路阵为 n = l lv l ，l 。 n ? 1 n ，- n 。 n m 、n n ( 3 8 ) 式中 元素b i 为节点在网络中的编号，i 为该节点所在的回路编号，j 为该节点在回路 中的编号。 图3 一i 所示的网络的回路节点阵n n 为 n = 3 2 2 网络接线分析“5 】 v 1 月6n 7 00 胛i门2门8疗9胛1 0 i l ”2n 3n f i o n lh 2h 3h 4 0 ”ly 2 玛 5 0 在进行网络接线分折之前，先介绍子系统的概念。 子系统二网络中，由闭合节点所连通的支路集。记为s u b ，其中关联电源支路的子系 统称为供电子系统。 由于配电系统为开环运行方式，在整个网络中有几个电源就有几个供电子系统。网络 中子系统之间由联络开关相互连接起来形成环网结构。如图3 - 3 所示的网络中有3 个子系 统通过联络开关节点n ；和n 。相连接，其中有两个供电子系统，一个无源子系统。 本文采用文献 1 5 介绍的“边缘支路搜索法”求子系统，该算法的基本思想 是以边缘支路为搜索出发点，根据节点一支路关联关系和节点状态进行循环搜 索，找出所有的子系统，再根据它们的连接关系进行整理合并，以划分出相互 独立的子系统。 1 4 0跏跣岛觑 隗岛岛胁一易胁如如如如 西西鱼阢岛味赫赫孙 由该方法求得图3 - 3 所示网络的三个子系统为 s u b l ： b o ，b 1 ，b 2 ，b 7 ，b 8 ，b 9 ，b l o ，b l j ) ，供电子系统 s u b 2 ： b 6 ，b 1 2 ) ，为无源子系统； s u b 3 ：( b 4 ，b 3 ，b 5 ，为供电子系统。 电源1 口常开开关i常闭开关 囤3 - 3 电缆馈线网网络结构 3 2 3供电回路的计算 2 供电回路的搜索方法如下：在第二章介绍的c 阵中寻找电源支路，然后从电源支路开 始，顺潮流方向搜索其下接支路，判断下接支路是否为边缘支路，如果是，则得到一条回 路，顺亭将支路号写入nb ，节点号写入n n 并返回上接支路；否则，再搜索其下接支 路。直到退回到电源支路为止。 n l z t l ，对图3 3 中电源l 所在的供电子系统求供电回路的搜索过程如图3 - 4 所示。从 电源支路b 。开始，由b 。所关联的唯一开关1 1 。开始搜索下接支路b ，b l 有两个下接支路， 首先搜索n 。所关联的下接支路b ，b ，的下接支路b 。为一边缘支路，所以得到一条回路；返 回上接支路b ，直到返回b 。时，b ，还有另外一个未搜索的下接支路b z ，由于n ，为联络开关， 不搜索其关联的下接支路，接着搜索n 。关联的下接支路b ，直到搜索到b 判断b t - 为边 缘支路，故又得一条回路。这时返回上接支路，直到返回到电源点时停止。其搜索结果为 一b = 乏复也b 7 乏：， - 1 5 - 3 3 故障识别的步骤 图3 - 4 供电回路的搜索过程 为了提高计算速度，本文采用故障识别两步法。即首先用“短路电流特性判据法”识 别故障支路，当该方法失效时( 一条馈线上出现多于一个故障点) ，再用概率法识别，具体 计算步骤如下： 步骤l ：求n _ n 和n b 矩阵 正常运行状态下，利用实时网络信息，进行网络接线分析，形成该网络的回路节点矩 砗n h 和圆路支路矩阵n b 。当网络运行方式改变时t 要重新求取矩阵。 步骤2 ：初步定位 初步定位采用“短路电流特性判据法”：对所有支路分别判断所关联节点的故障识别 信息，若某支路所联接的开关中有且仅有一个故障指示器指示信号则该支路为一个故障支 路。 步骤3 ：计算故障信号序列a 若一个供电子系统( 一回馈线) 有多个故障点。这时由故障信号对应的节点号，在回 路节点矩阵n h 中确定故障回路，以n j n 中对应回路的节点为序排列故障信号得到故障 - 1 6 - 1j o o 嘶傀 m m ” 阼 、l = 一 信号序列a 。 步骤4 ：计算各支路故障概率 由式( 3 1 ) ，计算在事件a 的条件下各支路发生故障的概率。 步骤5 ：确定故障支路 根据式( 3 2 ) 比较故障回路中在a 事件条件下发生故障的概率，确认概率最大的支路 为故障支路。 故障识别的流程图如图3 5 所示。 3 4 本章小结 图3 - 6 故障定位的流程图 本章分析了故障识别的过程，建立了识别故障支路的条件概率模型并给出了通用的计 算方法。这种基于条件的概率故障识别算法较好的解决了当配电自动化s c a d a 系统收到 故障指示信息发生畸变时识别故障区段的问题。 1 7 硕士学位论文 供电恢复及其优化 4 供电恢复及其优化 供电恢复算法是故障自动处理过程中最后一个也是最重要的环节，其任务是在故障定 垃、隔离完成以后，在满足约束条件的前提下尽快地、经济地对电网中非故障停电区域恢 复供电，同时不扩大停电区域。由此看出，故障后的供电恢复问题是个多目标、多约束、 离散寻优的问题。 4 1问题的描述 首先，定义算法中所涉及到的有关名词： 孤立岛：不与任何电源相关联的无源子系统称为孤立岛。 供电恢复路径：由电源点到联络开关，恢复供电功率流经的支路集，记为，。 假设某个子系统有n 个联络开关与其它子系统相关联，则该子系统有n 个供电恢复路 径，它的供电恢复路径集可以用下式表示 上= f l ，：，】 式中，为第i 个供电恢复路径。 供电恢复问题可以描述为：当某个供电子系统中的故障支路隔离以后，在节点电压不 越限和元件不过载的前提下，选择一条或几条供电路径以最少的操作次数、最小的功率损 耗增量对这个供电子系统的非故障停电区域( 孤立岛) 恢复供电，同时确保电网开式运行 并且不扩大停电区域。 设转移负荷后损耗增量最小的最佳供电路径为k ，则该路径增加的功率损耗为 邮，= m i n ( a 只，凹：，屹) _ ，l o p , 式中 凹为转移负荷后沿供电路径所增加的功率损耗。 - 为支路j 转移负荷前的电流； 。) 4 j 姗j 允许的最大输送电流； 1 8 ( 4 1 ) “ h m p + 1 件条柬约足满且 ，。为孤立岛需要转移的负荷电流： k ，。分别为供电路径末端节点的电压和电压下限。 4 2 直流电压降法 1 ) 目标函数 设某子系统为孤立岛提供的供电恢复路径为，它有m 条支路，由该供电路径转移的 负荷电流为j 。，负荷转移后沿f ，的功率损耗可以表示为 ( 4 4 ) 式中 r j 为支路j 的电阻，o ，为支路j 转移负荷前的负荷电流。 假设备节点转移负荷前后，电压为额定电压，功率因数近似相等，则转移负荷后沿l 的功率损耗可以近似表达为 a p ，z ：萎mr ，c ，。十，。，) 二= 善r ，。，2 + ：! ：薹! ! ! ：! ：! ：! ! ! 4 5 ) 式中第一项为转移负荷前沿的功率损耗，第二项为转移负荷后沿的线路损耗的增量。式 中忽略了转移负荷后线路损耗的增量引起的线损。 由于在式( 4 5 ) 的第二项中转移的负荷电流1 。是一个定值，所以欲使负荷转移后的 网络损耗最小，只需转移负荷后引起的线路损耗奶，最小，叱可以用下式表示 + ，。r j ) ( 4 6 ) 2 ) 直流等值电网 作直流等值网如图4 一l ：网络结构与故障隔离后的配电网络结构相同，用支路电阻来代 替支路阻抗，流过各条支路的直流电流等于原网络支路电流j q 的有效值。 1 9 o ，+ _ ， r 。川 = b 足 m ， ，一 十 l ，捌 2 = 鸩 k 。一 ( + l k 。一 i l 设对孤立岛恢复供电路径为( m 条支路) ，转移负荷电流为。，则在支流等值网中 沿的功率损耗为 蝎，= r ，。+ i o j ) 2 ( 4 7 ) 注意到式( 4 - 7 ) 与( 4 - 5 ) 相等，所以称之为“等值”网。 设供电路径首端( 电源端) 到末端( 转移负荷的联络开关) 的电压降为u ，则 a u = i ，r ， ( 4 j e 在图4 1 的直流电网中，由基尔霍夫电压定律，从k 。点到k 。点的电压降为 a u = 1 1 r l + 1 2 r 24 - 1 5 r 5 + 1 6 r 6 ii 卜一u 一 图4 - 1 等效直流电路 设u 和a u ( t 分别为直流等值网络中转移负荷前后的直流电压降，则有 a u = 弓矗， a u “1 _ r j ( 1 。，+ ，。，) 这时转移前后所引起的损耗增量为奶式( 4 6 ) 可以表示为 4 9 ) ( 4 一l o ) mm 奶= 2 ，r + ，。r ，= a u + a u “1 ( 4 - 1 1 ) = 】，= l 有此可见，转移负荷后线路损耗增量与转移负荷前后供电恢复路径的直流压降之和成 正比，即为了使损耗增量最小，只需使转移负荷前后供电路的电压降之和最小。 2 0 硕士学位论文供电恢复及其优化 4 3 供电恢复的计算 431供电路径的计算 供电恢复路径也是按电源点到联络开关进行搜索计算，即从电源点对网络进行深度搜 索，求出每一个子系统可能为其它子系统提供的供电恢复路径。 具体的过程如下：在支路信息表中寻找电源支路，然后从电源支路开始，顺潮流方向 搜索其下接开关和支路，判断下接开关是否为联络开关，如果是，得到一条供电恢复路径， 否则，判断下接支路的支路类型是否为末端支路，如果是则返回上一支路；再搜索该支路 的其它下接支路，如此循环往复，直到搜索回到电源支路，这样就可以确定该供电子系统 有几条可以为其它子系统恢复供电的路径。 ( ：d负荷变压器口分闸开关i 合闸开关 图4 - 2 可恢复孤立岛确定 对图4 - 2 所示系统中的子系统s u b i 的供电恢复路径的搜索过程如图4 - 3 所示。求得s u b 的恢复供电路径为 l ，：( 1 ，4 ，7 ，1 3 ，1 6 ，2 2 ，2 5 ) ；它通过节点2 5 与s u b 3 相连； l 2 ：f 1 ，4 7 1 3 ，1 6 ，2 2 ，2 5 ，3 1 ，2 4 ，4 0 ：它通过节点3 8 与s u b 2 相连： 2 i 图4 - 3 搜索供电恢复路径 由供电路径特点可以看出：一个联络开关把两个供电子系统连接了起来，并在各自的 子系统形成一条为其它子系统恢复供电的供电恢复路径。如图4 - 2 中2 5 号开关为联络开关， 它连接着供电子系统s u b i 和s u b 3 ，形成两条供电路径 f l ，4 ，7 ，13 1 6 ，2 2 ，2 5 ；它属于s u b i ； 3 ，6 ，9 ，1 5 ，18 ，2 4 ，2 7 ，3 3 ，3 6 ，4 1 ) ：它属于s u b 3 。 4 3 2 可恢复孤立岛和可恢复供电路径的确定 故障隔离后，配电网络将形成几个非故障停电区域，其中与电源支路关联的孤立岛当 首端断路器合闸时即可恢复供电，其它孤立岛称为下游区孤立岛。并不是所有的下游区孤 立岛都可以恢复供电，只有那些通过联络开关与其它供电子系统相连的孤立岛才能恢复供 电。 判据l t0 4 l ( 可恢复孤立岛判据) ：若孤立岛首支路属于某条供电恢复路径，则该孤立 岛为可恢复供电的孤立岛。 判据2 ( 可恢复供电路径数) ：经过可恢复孤立岛首支路的供电路径数等于该孤立岛的 可恢复供电路径数。 2 2 硕士学位论文供电恢复及其优化 证明： 充分性：设有1 1 条供电路径经过某孤立岛首支路i ，由于每条供电路径末端都是联络 开关，所以有1 1 个联络开关与该孤立岛连通，即该子系统有n 条供电恢复路径。 必要性：假设有n 条供电路径经过某孤立岛首支路i ，而供电恢复路径数小于1 1 。那么 至少有一个联络开关不能使该孤立岛与其它的供电子系统相连，则至少一个联络开关只与 故障子系统原供电电源相连通因而该联络开关仅连接了一个供电子系统，因而该开关不 是联络开关，所以原供电子系统的恢复供电路径数至多有n 1 条，与假设相悖，所以命题 得证。 例，如图4 - 3 所示网络中支路1 6 发生故障，当故障隔离之后，形成两个下游孤立岛 分别为：孤立岛1 1 9 ) ，孤立岛2 2 2 ，2 5 ，3 1 ，3 4 ，3 7 ，4 0 。故障支路的下接支路分别是 支路1 9 和2 2 。 由判据1 可知，孤立岛1 的首支路1 9 不属于任何一条供电路径，故不可恢复供电。孤 立岛2 的首支路2 2 分别属于以下两条供电路径 小 1 ，4 ，7 ，1 3 ，1 6 2 2 ，2 5 ，3 1 ，3 4 ，4 0 ) ： 1 ，4 ，7 ，1 3 ，1 6 ，2 2 ，2 5 ) 所以对孤立岛2 进行供电恢复的恢复供电路径数为等于2 。 4 3 3 供电恢复方案优化 1 ) 供电恢复优化原则 故障隔离完成后，对下游区非故障停电区域恢复供电采取的优化原则如下： ( 1 ) 若一条供电路径可以转移负荷，则在所有供电路径中选择最优路径。 ( 2 ) 若需要多回供电路径来恢复则优先考虑两条最佳路径，如果两条不能满足t t j i g 择三条、四条等。 ( 3 ) 如果投入所有供电恢复路径仍过载，则考虑过载1 0 强送；如果过载超过1 0 以 上，则甩末端负荷。 2 ) 算法 供电恢复方案的计算步骤具体如下： 步骤1 ：在正常运行情况下，当开关变位时求供电恢复路径和各路径的电气长度 y r ，按式( 4 9 ) 实时计算各路径的直流电压降u 忡。 j = 1 步骤2 ：故障隔离完成后，确定网络中可恢复孤立岛以及可恢复供电路径和数目a 步骤3 ：按式( 4 1 1 ) 求取奶，对各可恢复供电路径的鹋，由小到大排序，由原则( 1 ) 2 3 - 选取d 只最小且满足式( 4 1 ) 中约束条件的路径。 步骤4 ：若任何一条供电路径都不能承担孤立岛的恢复，则由原则( 2 ) 选取d p 之和 最小且满足约束条件的两条路径供电，三条，。 4 4 恢复过程的总体结构 供电恢复过程的总体结构如图如图4 - 4 所示。 4 5 算例 搜索 直流 压降 虽小 路径 搜索可恢复孤立岛 供电路径数，1 确定多条路径供电 打开供电回路 ( 优化过程) 确定操作开关 电流是否越限 土型皇 甩末端负荷 n o 放 弃 恢 复 此 孤 立 岛 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图4 - 4 供电方案形成流程图 本文对文献 1 4 】介绍的算例作了供电恢复优化计算，系统原始参数如表4 - 1 所示。某 1 0 k v 电缆配电系统有1 6 台配电变压器和1 6 个组合式环网开关柜，分别由两个变电站的两 - 2 4 精签 硕士学位论文供电恢复及其优化 条不同线路段供电，系统图如图4 - 5 所示。图中的标号为支路号。为方便起见，四条馈线 所形成的四个子系统的编号与各个子系统电源支路的编号相同。 l i l l 一：i 。i i 一1 ： 8 ；h ：i b ： 一 li 萨衅0 1 l 2 0i ；m 2 f l2 t ，； 2 2 i j 竹i 蹲隔f匐 ：3 0 习j 瞎i ：睁辟型： 矧 i 3 6 。 3 k ：一i： i 一一+ 一一一一一一一一一i ，一一一一一一一一一一一一一ll 一一一一一一一一一一一il 一一一一一一一一一一一 ( d负荷变压器 口分闸开关_ 合闸开关 图4 - 5 某1 0 k v 电缆配电系统图 图4 5 所示运行方式下，系统所有供电路径及其支路电阻计算结果列于表4 1 。 表4 - 1系统所有供电路径及其支路电阻 路径号电气距离支路号 ( 0 ) 10 4 3 3 0 4 i591 31 72 3 20 5 9 7 9 0 l9】3f72 32 73 1 3 o 3 5 3 0 4 261 01 41 8 4 o 5 5 6 1 0 261 0】41 92 4 0 5 1 5 2 2 261 01 41 92 42 83 2i3 5 6 0 3 7 7 3 3 37 j 】1 5 7 0 5 5 5 9 1 371 11 52 12 52 0 8 0 6 9 2 0 8 371 11 52 12 52 93 3 9 0 3 9 4 2 5 481 21 63 7 1 0 0 5 8 2 4 4 481 21 62 22 63 03 4 3 6 假设支路1 l 在某时刻发生故障，故障定位和隔离完成之后，则支路1 1 两端的开关断 开。由s c a d a 采集得到的故障前一刻的各个支路的实时电流分布和剩余容量列于表4 2 ， 由该表可以看出孤立岛需要转移的负荷电流为8 64 3 9 安培。 2 5 - 表4 - 2 支路时实潮流分布和冗余电流容量( a ) 支 r j i ji q 支 r j i ji f y 路路 10 1 6 1 2 31 1 75 6 07 93 1 93 60 1 6 3 7 301 2 5 0 0 0 20 1 5 9 6 21 2 0 8 3 97 60 9 33 70 1 5 9 7 00 1 2 5 0 0 0 30 1 5 5 3 i1 6 84 6 88 03 6 93 80 1 6 0 3 92 94 4 43 92 6 0 40 1 6 0 1 61 2 90 8 06 77 9 73 90 1 5 8 9 72 80 0 l4 07 0 3 90 1 5 0 4 38 78 5 31 0 90 2 34 00 1 6 0 7 43 27 6 43 59 4 l 1 00 1 6 1 2 49 14 5 01 0 50 7 74 l0 1 5 8 8 62 60 2 l4 2 6 8 3 l l0 1 7 1 5 28 64 3 91 1 0 4 3 74 20 1 5 5 4 32 88 8 54 05 7 3 1 20 1 6 3 9 l9 4 8 3 91 0 20 3 74 30 1 5 7 7 03 0 9 9 23 82 5 4 1 70 1 6 5 9 05 98 3 36 59 1 64 40 1 5 5 1 03 28 8 63 58 l 1 80 1 6 2 7 20 1 2 5 0 0 0 4 50 1 6 1 8 52 6 5 5 84 20 9 4 1 90 1 5 7 8 35 98 5 06 54 3 44 60 1 6 3 2 93 0 4 3 74 40 2 0 2 00 1 5 8 2 901 2 50 0 04 70 1 6 1 2 92 6 0 6 24 62 5 8 2j0 1 5 9 9 76 06 3 06 49 7 94 80 ，1 6 0