（电力系统及其自动化专业论文）面向对象的配网故障分析和处理技术.pdf

是一类优秀的通用性强的重构算法。 在本文的最后，重申了配电网络故障隔离和故障后网络重构的重要性和迫 切性，并通过分析本文所提出的模型和算法与传统的模型和算法相比的优缺点， 阐述了本文提出的算法在配电网络系统的广泛应用前景。 关键字：中压配电网故障隔离故障重构弧结构矩阵遗传算法模糊算 法 o r i e n t e d - o b j e c td i s t r i b u t i o nf a u l t a n a l y s i sa n d m a n a g e m e n tt e c h n i q u e m a j o r ：e l e c t r i c a lp o w e rg y s t e m a n dj l sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：l uy i a d v is o r ；z h u ob ux i a n g m e d i u m v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki s a ni m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n do n eo ft h en e c e s s a r yi n f r a s t r u c t u r e sf o rm o d e r n i z a t i o n t oi m p r o v et h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki r to u tc q u 姒玎，s o r ea d v j c eg fr e f o r m s r i g m e d i u m - v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kw a sp r e s e n t e db yt h es t a t ee l e c l n cp o w e rs y s t e mi ns e p t e m b e r 19 9 8 ，a n dw a s w i d e l y u s e d s u b s t a n t i a l p r a c t i c e s h o w st h a td i s t r i b u t i o nf a u l t m a n a g e m e n ts y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f d m s am e t h o df o rf a s t f a u l t - l o c a t i o nr e q u i r e da l la r c t r u c t u r em a i xa n di sb a s r a o nt h e p r a c t i c a li n f o r m a t i o na c h i e v e db yf t u ，a n d t h e nw ec a ng e ts o m es o l u t i o no f “l a r g ea r e ar e s t o r a t i o n ”o nb a s i so f t h e f i v eo b j e c tf u n c t i o n sm e n t i o n e di nt h i sp a p e r b e c a u z et h i sm e t h o di san n 。i 酶a r r 媳a - d i i i e r e n t i 塔a 珏d c o m b i n a t o r i a l c o n s t r m n e dt 、p t i m i z a t i o np r o b l e m ，m a t h e m a t i c a lo p t i m a la p p r o a c h e s a r en o ts u i t a b l ef o rs o l v i n gt h i s p r o b l e m t h eg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nn a t u r a l s e l e c t i o na n dn a t u r a lg e n em e c h a n i s mi s p r e s e n t e d i nt h i sp a p e ri ts i m u l a t e st h e n e t w o r k 订n ，c t 峨o p t i m i z a t i o nb ys i m p l ee n c o d i n gt e c h n i q u e a n d p r o p a g a t i n g m e c h a n i s m a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fd i s b u t i o nn e t w o r k am e t h o df o r f a s t - f a u r l o c a t i o r l 沁p r o p o t e d t h i sm e 西o dr e q u i ；弓da ni t t l 。| e , 一s t n 孵t u 站m a t r i x 脚证k b a s e do nt h ep r a c t i c a li n f o r m a t i o na c m e v e db yf t u i ti s a p p l i c a b l e t ov a r i o u s s t r u c t u r a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k s w h i l er e s o l v i n gt h g “l a r g ea r e ar e s t o r a t i o n ”，t h eg e n e t i ca l g o r i t h me x c u k t h r e es a m e 神d s i m p l eg e n e t i co p e r a t m s ；e l e c t i o n ，c w g i n ga n dm u l a t i n g i tm a k ea s e l f - a d a p t a b l ea n dp r o b a b i l i t yo v e r a l ls e a r c h i n gu n d e r t h e l e a d i n go f f i t n e s sv a l u ei n t h ew h o l es e a r c h i n gs c a l eu n t i la c q u i r i n gt h eb e s tr e s u l t t h er u n n i n gr e s u l t o f p r a c t i c a le x a m p l ea p p l i e di nt h i sp a p e rs h o w t h a tt h eg e n e t i ca l g o r i t h mi sak i n do f e x c e l l e n ta l g o r i t h mb e c a u s ei t sr u n n i n gc o u r s ei sv e r ys i m p l ea n dt h eo p t i m a lr e s u l t i se n o u g ha n di tc a nb ea p p l i e di nm a n yd o m a i n s i nt h ee n d t h ep a p e rr e a f f i r mt h ei m p o r t a n c ea n di m m i n e n c eo fam e l h e df d r f a s t f a u l t 1 0 c a t i o na n dt h e “l a r g ea r e ar e s t o r a t i o n ”，a n dd i s c u s st h ew i d ef o r e g r o u n do f o n t h e nb a s i so fc o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n go fi ta n dt r a d i t i o n a l a l g o r i t h m i n d e xt e r m s ：d i s t r i b u t i o n ，f a u l t l o c a t i o n ，m a t r i xo fa l e ，l a r g ea r e ar e s t o r a t i o n ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，f i t n e s sf u n c t i o n 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 】 第一章绪论 1 1 目的和意义 随着国民经济的发展和人民物质生活水平的不断提高，对电力的需求越来 越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性 的要求越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。“电力法”及承诺制 的公布和贯彻执行，更要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电 力。传统的技术和管理手段已经无法适应新的形势，配电网络故障管理技术就 是为了这一目的提出的。 目前我国电力工业的发展速度已由过去的主要取决于投资规模逐步转变为 由市场需求来决定，电力市场也将逐步由卖方市场向买方市场转变。而长期以 来，我国配电网基础设旌较差，供电可靠往低、能耗大、供用电间矛盾突出a 近几年，经国家大规模电网改造工程，配电网的基础设旅得到了很大程度的改 善，配电线路大量采用了s f 。开关及其它真空设备。3 5 k 、变电站逐步实现了四 遥功能，为实施新的配网故障管理技术创造了客观条件。同时，随着国家电力 体制改革的推进，电力企业化模式逐步形成，建设高效率、现代化的供电企业 的需求，也极大地推动了配网故障分析和处理技术的建设。另外。加强配网故 障分析和处理技术的建设不但具有社会效益，也有相当的经济效益。它的主要 意义在于：当配电网络发生故障或异常运行时可毗模拟出要隔离的区域和所要 操作的开关。然后，给出故障隔离后最佳的网络重构的方案。它将有助于配电 羁的潜力褥至q 最大限度的乖j 用，显著的减少用户停电时阍，降住配电网络的线 路损耗，并且可以确保提供给用户的电能质量满足要求。随着城、农网改造的 迸一步深入、完成和计算机技术、通信技术在电力领域日益广泛的应用，咀及 电力市场化这一深刻的变革，如何提高电能质量、可靠性以及赢效率的管理是 电力系统的当务之急，尤其是作为电力系统的末端配电网络由于它直接将 高压电源变为工农业生产、城市居民及商业用电，覆盖面广，直接关系到人民 的社会生活及行为，它的重视和发展程度直接影响供给用户的电能质量。因此， 更是保证用电质量、安全的重要部分。此外，配网故障分析和处理技术是配电 网络管理系统中的重要组成部分，加强它酌建设也有利于今后配电网络管理系 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 统的迅速建立。 1 2 国内外研究动态 自1 9 9 8 年以来，我国的电力部门投入了大量资金用于配电网络自动化的建 设。随着配电系统中硬件设施的逐步改善，配电网络故障处理作为配电自动化 中的高级应用分析功能，日益受到人们的重视，其原因在于：它并不需要大量 的硬件投资，却能在故障恢复过程中有效的降低用户停电时间，而在配电系统 正常运行时也能显著的降低有功网损，从而可以提高系统的安全性和经济性。 当前在配电网络故障管理中要解决如下几个问题： 建立配电网络表示方式： 进行网络拓扑分析： 潮流计算； 故障隔离； 故障网络的重构。 目前对于这些问题的解决方法很多也各具特色。下面就加以详细介绍： 1 2 1 配电网络表示方式的建立 当前配网地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 和电 子地图的不断发展和完善为配电网络表示方式的建立提供了一种新的方式， g i s 系统为配电网络数据库( 包括地理信息和元件信息数据库) 的建立提供了 一种新的环境i l l 。它可以提供对配电网络上各种元件进行管理和网络运行方式 的改变提供良好的人机界面( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 。但地理信息系统 的价格高昂且电子地图更新时间很短，使得整个g i s 系统的投资和维护费用十 分高昂。针对这个情况我们提出了一种新的配电网络表示方式，它也可以提供 良好的人机界面并将配电网络上的各种元件和网络运行方式在上面加以显示。 并且有简单的地理位置信息，可供运行人员参考。下面的网络拓扑分析也要以 此为基础来进行。 1 2 2 潮流计算 目前国内、外对配电网络的潮流计算有很多的方法，也作了大量的研究工 作。但由于配电网络的三相不平衡、r j x 比值很高和测量不足使得配电网络的 2 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 潮流计算十分复杂且难以收敛，至今还没有得到一种满意的解决方案。它的方 法大致有以下几类： 牛顿拉夫逊算法及其引申算法，牛顿拉夫逊算法【2 1 ，这种方式由于配电网 络的大r x 比值特性会导致雅可比矩阵的主对角元素不占优。使得该算法的稳 定性比较差。 y b u s 或i m p l i c i tz b u s o ! ，这种方式难以快速解算大型复杂三相配电网络 潮流。 基于拓扑扩展和矩阵增广的复杂配电网络三相不对称系统快速潮流算法 m 】，这种方法是以解决复杂配电网络( 大r x 比值、辐射或弱环结构、含p v 节 点等) 三相不对称系统为目的的。该算法基于配电网络通常情况下的辐射( 开环) 结构运行特性，利用“降阶的节点，支路关联矩阵”一。建立单相辐射网络的拓扑 约束和元件约束方程，根据4 。是稀疏矩阵且主对角元素为1 的上三角阵的特点， 潮流方程就能快速求解。当配电网络弱环运行时，在系统解环后的断点处补偿电 压和电流的边界条件，形成网络增广矩阵方程，并综合戴维南多端口等值电路迭 代求解潮流。此外，本算法还采用了高裁赛德尔恒电压幄值迭代补偿技术解决 p v 节点问题。这种算法有以下几个优点： 精确性该算法推导满足配电网络拓扑和元件约束，采用了迭代进行求 解，可以满足配电网络分析，运行的精度要求。 快速性该算法充分利用配电网络的辐射结构特征、拓扑理论和数值方 法，具有很高的计算效率。可以满足各种实时任务的需要。 稳定性理论上认为，算法的收敛性与稳定性成反比，且稳定性越高迭 代收敛受初始变量的影响也越小。该算法采用线性公式进行推导，具有一阶收 敛性，因而具有较高的收敛稳定性。 适应性该算法能够解决配电网络的参数和负荷的三相不平衡、大范围 的r x 比值、辐射或弱环结构、含p v 节点等其它潮流算法不能解决的问题。 但该算法也有一些不足，如；使用矩阵进行潮流计算使得整个潮流计算的 时间大大加长，有可能不能满足在线潮流计算的要求。且该算法使用的矩阵十 分庞大，这就要求服务器的配置很高，且影响服务器对其它访问要求的回复速 度。另外，它对计算合环运行网络的收敛情况还要加以迸一步的研究。 回代法：回代法是在已知各个节点负荷的情况下采用前推或是后推回代的 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 方法来进行网络潮流计算的。并且可以根据实际的运行情况忽略掉一些项，因 此回代法应用起来十分简单，计算速度很快，完全可以满足在线潮流的计算要 求。 p q 分解法：p q 分解法是现在e m s 系统中应用十分广泛且也十分成熟的 算法。它是从改进和简化牛顿法潮流程序的基础上提出的。它的基本思想是： 把节点功率表示为电压向量的极坐标方程式，抓住主要矛盾，以有功功率误差 作为修正电压向量角度的依据，以无功功率误差作为修正电压向量幅值的依据， 把有功功率和无功功率的迭代分开进行。但是由于p q 分解法对r x 的比值很 敏感，使得p q 分解法用于配电网络系统中的收敛性很差。由于该原因，国内、 外对p q 分解法的改进研究很多。改进的方法如下：可以将t a p 带入到q - v 迭 代公式中去以代替r x 比值高的线路。使用电压普通化( v n m ) 方法来解决电 压凹陷的问题。【5 】这种改进算法可以很好的解决r x 比值高和电压凹陷造成的 p q 分解法不收敛。但是它没有考虑配电网络中三相不平衡的问题。 树状网络潮流的计算方法：配电网络具有闭环设计和树状运行的特点，针 对树状网络无环的特点可以提出一些新的潮流计算方法。目前，对树状网络潮 流计算的方法研究很多下面列出几个： 电流型和功率型潮流计算方法【6 】，在计算过程中需要对支路和节点按照一 定的规则进行编号，且需要对关联矩阵进行预先处理，增加了程序编制和使用 的难度。 “二次设压”法i ”，具有计算速度快的特点，但其精度低，为1 0 _ 2 左右， 在有些场合不太实用。 d i s tf l o w 法l ，在计算带子馈线的树状网络潮流时，处理方法较为复杂， 而且当某个主馈线节点有一条多余的分支线时，需要添加零阻抗线路，将其预 先处理，应用起来不太方便。 树状网络潮流计算直接解法【9 】，需首先对网络进行编号，通过添加零阻抗 的方法将配电网络变成标准结构，即：网络中任一节点的支路不能超过3 条， 只允许1 条支路进，最多2 条支路出，这给程序设计造成了很大的不便。 树状网络潮流计算的交替迭代算法1 1 0 l ，该种算法以电压和线路损耗功率交 替迭代进行。在每次迭代中，先计算各个节点的电压，然后计算每条线路的功 率损耗，进而求出每条线路功率。它具有较少线性的收敛阶，并且对线路和节 4 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 1 点的编号可以随意进行。 1 2 3 故障定位和隔离 故障定位是指确定可能发生开断动作的开关，确定故障区域。由此可见， 故障定位是故障隔离和恢复供电的基础，如果能快速、准确的进行故障定位， 对于减少停电时间有重要的作用。 从故障定位的角度出发，配电网和输电网的区别有以下几点： 配电网运行时多采用辐射状供电方式，而输电网则是网络结构； 与输电网相比配电网运行时电网结构经常发生变化； 输电网的s c a d a 和继保信息基本齐全，而配电网中这些信息很难获 得。 由于以上不同点，配电网的故障定位方法和输电网中的有很多不同，并且 受到很多的限制。 配电网故障定位的方法主要可以分为两大类：一类利用继电保护装置、配 网监控系统和其它专门装置提供特定的信息：另一类不需要专门的装置，而只 利用用户打来的投诉电话的信息。第一类方法判断比较准确，但需可观的硬件 投入。第二类方法基本不用新的投资，但利用故障电话的信息进行故障定位目 前多采用专家系统的方法，它需要获取专家知识，这些知识只适合于一个特定 的配电网络，因而它的适应性不好，而且建立和维护一个专家系统也是一个非 常繁琐的任务。 利用继电保护装置、配网监控系统系统和其它专门装置提供特定的信息进 行故障定位。目前，这种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，另一类是以人工智能为基 础。他们分别讨论如下： 以图论知识为基础 基于配电网络结构矩阵和配电网络故障矩阵的配电网故障区段判断和隔离 算法【l ”，它对各开关的故障信息状态采用异或计算，经规格化处理后确定故障区 段。这种算法采用故障电流判别法。该方法假定故障是单一的，若流经故障电流 开关的相邻开关中有一个未流经故障电流，则认为这两个开关之间的设备即为故 障设备。显然，该方法对联络开关处的故障存在盲区，对网络拓扑多变方式的 适应能力差，特别是所采集的实时信息中存在畸变时容易误判。 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 文献【1 2 1 通过对文献】的网络描述矩阵进行分块处理以节约内存： 采用过热弧搜寻算法 1 3 , 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。因此故障区段的问题实际上是 过热弧搜寻问题。文献f i 3 】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f l5 】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。 人工智能为基础 基于遗传算法( g a ) 的故障定位和隔离【1 6 】，能进行全局寻优求解，并能对实 时信息中的畸变进行纠错。它具有高容错性能，适用于网络拓扑的多变方式， 开放性强。但它的程序编制复杂且运算速度慢应用于实时系统还需要进一步的 研究。 采用遗传算法，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i l ”，必须修改评价函数； 采用神经网络和模式识别算法【馆】，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； 基于分层拓扑模型的配电网故障定位优化算法【l ”，该算法充分考虑配电网 故障定位的特点，采用分层拓扑模型，利用对分法，通过计算某一区间中间层顶 点故障信息状态组合情况，以确定故障所属的更小区间，逐步压缩并逼近故障 所属区间，实现故障的快速、准确定位。 利用故障电话的信息进行故障定位： 使用电力用户向供电部门或配电控制中心报修提供故障信息来进行故障定 位和故障隔离的算法1 2 们。 两种方法结合进行故障定位： 实现故障定位的混合算法】，它采用了两种不同的子算法，即模糊推理算 法和基于启发性规则的专家系统算法。在配电网的主馈线或长分支线上一般配 置了f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t 馈线终端单元) 。因此，当故障发生在这些位置 时，可以从配网监控系统获得一些实时故障信息。而在配电网的短分支线或细 分支线上，由于没有配置柱上f t u ，也就不可能获得一些实时故障信息。这时， 6 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 就往往需要电力用户向供电部门或配电控制中心报修提供故障信息。该混合算 法针对系统获得故障信息的不同类型自动选择不同的子算法一模糊推理算法 和基于启发性规则的专家系统算法进行故障定位。两种子算法都是基于调度员 经验得来的启发性规则，实现故障定位时不需进行一些繁琐的计算，大大缩短 了对故障的定位与隔离对阃。 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 个自动化程度不高的网络，使用故障电话的信息进行故障定位的方法，就可以 快速地找出故障位置，如果使用继电保护装置、配网监控系统和其它专门装鬣 提供特定的信息进行故障定位的方法，定位的准确性很难保证，可能会扩大故 障范围。相反，对于一个自动化程度很高的网络，使用继电保护装置、配网监 控系统和其它专门装置提供特定的信息进行故障定位的方法，定位的准确性就 很高，而使用故障电话酌信息进行故障定位的方法的准确度就不足且它的处理 时间也比较长限制了它的使用。目前，出现的将两种算法相结合的趋势。此类 混合算法有助于克服单个算法自身的不足，有利于求取更加准确的隔离方案。 1 2 4 故障网络的重构 基于配电网网络结构的调整称为配电网网络重构。按侧重面不同，可分为故 障后重构( 故障恢复) 和网络优化重构。 配电两发生故障后，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 故障网络的重构( 故障恢复) 。配电网的故障网络的重构( 故障恢复) 大致可以分为 3 种恢复模式： 早期的故障恢复模式在自动化水平较低的早期，故障恢复主要依靠装设 在配电线路上的故障指示器。故障发生后，工作人员依靠故障指示器找到故障 位置，利用柱上开关设备手动隔离故障区，人工恢复非故障区的供电。这种早 期模式自动化水平较低做障处理时间较长。 配电自动化的故障恢复模式这种模式( 本文简称为d a 模式) 主要依靠装 设在配电网中的分段器、重合器及柱上开关等具有一定智能的硬件设备，通过 开关功能和保护时阃配合，实现故障的包动诊断、隔离帮恢复。这种恢复模式 的特点是依赖于配电网的早期规划、配网结构及配电设备的自动化程度，但一 7 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 般只适用于简单结线网络，而且不能考虑实际负荷水平和网络运行约束。 配电管理系统的故障恢复模式这种模式f 本文简称为d m s 模式) 主要应 用配置在配电控制中心的故障恢复软件实现故障检测、隔离和供电恢复。它是 指当系统某些元件发生故障后，配网监控系统根据故障电流信号、电压信号或 故障指示器信号迅速识别故障元件并发生隔离故障指令，切除故障元件。故障 元件被隔离之后，非故障部分被分为与电源( 变电站) 连通的和与电源隔离的2 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( 分段开 关和负荷开关) 可恢复供电。为保证开环运行和运行的约束条件及满足目标的 要求应该闭合哪些开关和应该断开哪些开关来恢复供电是供电恢复研究的重 点。 故障网络的重构的约束条件如下所述： 恢复策略必须是实时的，即越快越好； 恢复过程不能出现环网( 暂时性的除外) ； 恢复过程中和恢复后不能有设备过载。 故障网络的重构的目标函数如下所述； 故障网络的重构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 构尽可能多迫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，因此不同方法的恢复策略满足的目标大致如下： 应尽可能多地恢复停电的负荷： 开关的操作次数越少越好； 恢复后网络的线损应该尽量小。 由上可以看出由于配电网的故障重构是一个复杂的多目标、多时段、多组 合、多约束的非线性最优化问题，最终得到的解是一系列开关动作组合。然而， 该问题的复杂性决定了难以单纯从数学优化问题的角度求解，并且得到满足要 求的可行解需很长时间。在实际应用中，调度员往往根据工作经验和一些启发 式的规则寻找可行方案，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，因此完全适用于故障恢复过程并具有其应用上的潜在优 势。目前对于故障网络的重构的解决方法目前已有很多文献加以研究。他们研 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 究的主要方向是通过故障网络的重构来实现故障恢复及降低运行损耗，大多是 基于潮流计算结果或调度经验规则，通过启发式搜索策略来得到故障网络的重 构的措施。他们的方法大致有以下几类： 基于潮流计算结果的故障网络的重构： 在实际运行中，出于经济性的考虑，运行人员还会要求故障恢复后配电网 能在网损最小的情提下运行 捌，因此定义了3 个包含电压踔和线路参数的开关 指标，通过开关指标的计算实现以网损最小为目标函数的故障恢复。 由于进行一次开关操作需要投入较多的时间与人力，因此很多故障恢复算 法都以开关操作次数最少为耳标【2 3 2 4 】。 两步方法【2 刊，第1 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。 基于自动分段开关的负荷转供算法【2 扣2 9 l ，并计及了变压器和馈线容量的限 制。随后还避一步考虑了电压约束、龟流约束和用户的优先缀等因素，优化方 法采用简化梯度法。 基于启发式规则的最优搜索树方法【3 0 1 。 文献p ”提出了首先对联络开关的备用容量，母线阃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，其它的搜 索方法还包括：爬山法，模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 和t a b u 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。 应用遗传算法实现了多日标下的优化方案( 3 2 j 。遗传算法具有较强的鲁棒惶 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。其优点是可以适用于不周趵网络，不足是实时性不够。 将p e u i 网应用于故障恢复的新方法哪! ，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 f i 网的库表示，开关的拉闸操作和合闸操作用变迁表示，另外，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t 在p e r t 蹰匏初始状态孛往往存在多伞令牌，且某些迁移点存可麓 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 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。该算法的不足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。 基于调度经验规则的故障网络的重构： 基于调度经验规则的故障网络的重构有以下几个方法： 固定逻辑法【3 4 】，它是针对特定网络中所有元件故障后的供电恢复操作进行 逻辑编程。这种方法对于解决常开联络开关较少的配电网络( 如农村架空配电 网) 的供电恢复问题十分有效且简单、实用。 由于不同等级负荷的重要性不同，而重要的负荷应优先恢复供电。口5 】采用 分级搜索的方法恢复具有优先级别的负荷的供电。 提出网络简化法p 6 l 进行配电网的故障恢复。 提出采用“兴趣树”的方法【3 。7 】进行配电网的故障恢复。 基于搜索树的算法幽j ，实现了可由调度员定义的开关操作表。 专家系统( s r e s ) 口”删，可以运用专家系统技术，构建规则库并进行推 理。它的主要原理如下：当配电网中发生故障后，s r e s 首先从d m s 获取故 障的类型、停电区域、网络状态、潮流信息和短期负荷预测的结果，并根据以 上信息在故障的历史纪录库中查找具有相同或相似恢复任务的故障。如发现则 提取校验模块，经模糊校验后生成操作票，发往d m s 系统执行该方案的操作。 如未发现有相匹配的故障模式或上述方案经校验不满足约束条件，则将以上信 息模糊化后送往模糊推理机：模糊推理机根据输入的信息为该故障恢复问题进 行难易程度评分，并从算法库中选择与该闯题相适应的算法加以执行。被选择 的算法从s r e s 系统获取信息后，将产生的一系列可行方案送交s r e s ：s r e s 评估并校验新生成的方案，如找到最优方案，则将其故障模式和恢复方案一起 保存下来以备将来使用。否则选择下一算法继续上述操作。s r e s 能够在综合考 虑开关操作次数、馈线裕度、负荷恢复量、用户优先级、网络约束等因素下自 动从算法库中选择合适的算法，提出优选的恢复方案，实现故障的自动恢复。 它的优点有：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 它的不足有：虽然它可以解决复杂网络的供电恢复问题，但由于解决供电 t 0 明川大学硕上毕业论文( 2 0 0 3 ) 恢复问题知识的获取比较复杂，所以开发通用的决策计算软件比较困难。且这 种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。 运用启发式搜索法寻找可能恢复方案，并经数值计算确定可行的或优选的 恢复方案。文献【4 0 】提出了适用于实时控制的供电恢复决策计算方法一节点一阶负 荷矩阵法。该方法在实时网络结线分析的基础上，求出各予系统所有可能的恢 复供电路径，在故障元件被隔离之后，由“孤立岛”需要转移的负荷到各联络 节点的一阶负荷阵的大小，确定最佳恢复方案。 面向图论的方法 基于线性系统模型的面向图的控制算法【4 “，利用混合整数规划求解控制策 略。 文献【4 2 l 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。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。 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 本文的主要工作及技术路线 本文在详细研究了配电网络现有的故障定位、故障隔离和故障后网络重构 的各种方法的基础上，结合现有的配电网络故障管理方式的实际情况和特点， 提出了一种基于数据库服务器的配电网络故障定位、故障隔离和故障后网络重 构系统，它主要完成了如下工作： 结合现代配电网络的运行特征，以该系统的实际需要为切入点，在总结现 有的g i s 系统的优缺点的基础上，提出了一种新的配电网络表示方式，并定义 了这种配电网络表示方式及其主要功能。 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 在此基础上，进一步详细分析和介绍了该系统的数据算法，包括：拓扑分 析、故障隔离和网络重构功能的相应的理论基础和实现算法。通过对这些方面 的研究，可以论证了该系统的有效性和可行性。 结合本文提出的配电网络故障定位、故障隔离和故障后网络重构的理论和 算法，设计了一套配电网络故障定位、故障隔离和故障后网络重构系统。经过 该系统的实际运行，现已经初步实现了配电网络故障处理效率的提高，极大的 提高了配电网络运行的可靠性和安全性。 随着我国配电网络的不断发展，配电网络的结构将进一步区域化、大型化、 复杂化，将对配电网络管理提出更高的要求，本文提出的配电网络故障定位、 故障隔离和故障后网络重构的理论和技术，可以使配电网络系统的建设具有统 一的理论基础，降低了系统的整体投资，具有较大的实用价值。 最后，通过对配电网络故障定位、故障隔离和故障后网络重构系统的实际 应用过程的研究，进一步论证了该系统的可靠性和实用价值。 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 第二章面向对象的配网故障分析和处理技术算法 通常将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，称为配电网( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。它由架空线、电力电缆、配电变压器、 开关、变电站等设备组成，其功能是将电力安全、可靠、经济、合理的分配到 用户中去。 面向对象的配网故障分析和处理技术作为一个完整的系统应包含如下三个 主要部分： 基础数据： 配网监控系统； 配网故障管理的分析和应用系统。 基础数据是整个配网故障分析和处理技术的基础信息和应用平台。配网监 控系统给配网故障分析和处理技术提供了实现的机能。最后，配网故障分析和 处理技术的分析和应用系统是一系列能够使调度运行人员和各个运行班组更加 有效的管理配电网络上的各种故障和对故障进行分析的软件和算法。 当前，配网故障分析和处理技术的基础数据和配网监控系统已经得到了充 分的发展并在实际工作中得到了很长时间的应用。但是，配网故障管理的分析 和应用系统则一直没有一个统一的标准，因而没有得到广泛的应用。这里有以 下几个原因： 由于电力市场和各个供电集团建立以前，电力供销上并没有商业化的竞 争，这导致了各个供电部门对员工进行培训兴趣的下降。 配网故障管理的分析和应用系统在很大程度上和现行的能量管理系统 的故障管理方式有所不同。 许多在能量管理系统上发展出来的行之有效的故障算法在配电网络上 却是无效的。 配网故障分析和处理技术的分析和应用系统的各种算法并没有得到协 调的发展，而配网故障分析和处理技术的分析和应用系统的各种算法又是相互 关联缺一不可的。 但是，当前大量配网设备复杂的、多部门的管理和电力市场的竞争却要求 1 3 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 配网故障管理各种算法的实现。 在这里提出的面向对象的配网故障管理的理论主要是解决如下几个问题 建立配电网络模型： 进行网络拓扑分析： 进行潮流计算； 实现故障隔离： 实现故障网络的重构。 2 、1 配电网络故障隔离和网络重构问题的提出 1 9 9 8 年9 月，国家电力公司提出了加快城市电力网建设改造的意见，目标是： 提高城市电网整体供电能力：提高电能质量，降低线路损耗，提高城市电网安 全运行水平，将供电可靠性提离到9 9 9 一9 9 ，9 9 。两配电网络故障管理是否合 理将直接影响配电网络的供电可靠性。本章对配电网络的故障管理进行了细致 的分析研究，为后面的系统实现打下了坚实的理论基础。 2 、1 1 配电网络故障隔离和网络重构问题的提出 配电网络的故障隔离和故障重构是调度中心的调度人员一项很重要的任 务。故障隔离是指根据遥测设备上传的遥测信息确定故障位置，从而确定切除 故障所要操作的开关。网络重构是指在维护配电网络系统安全运行的条件下， 恢复尽可能多的非故障区域的停电用户。在实际运行操作中，调度运行人员大 多是通过经验来进行网络重构的。但是，随着配电网络系统的逐步复杂，供电 路径的增多使得这种凭经验来进行网络操作的工作方式已经不能满足当前配电 网络运行的需要，特别是对于新的调度运行人员来说更是如此。因此，需要有 一种工具来作为运行人员的辅助工具。本文提出的故障隔离是基于配电网络拓 扑关系所形成的弧结构矩阵，而对于网络重构采用的是交互式模糊遗传算法。 为了解决上面提出的这些问题，在这里首先要对整个配电网络各种信息、数据 和功能的组织形式加以阐述。 2 ，2 面向对象的配网故障管理信息及其组织形式 1 4 四川大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 在该系统所中，要使用的信息主要指的是包括配电网络上各种元件的图形 信息、拓扑关系信息、基础资料信息、运行数据、中间计算的结果等信息。而 在配电网络中，由于配电网络结构复杂、设备众多并且这些设备都由不同的生 产运行部门分别进行管理，使得这些信息量巨大且管理复杂。因此，要使用一 种完善的信息组织形式才能够使得系统更加可靠、安全、方便的运行。在我们 提出的配电网络故障管理系统中，主要是将这些信息按照三种模式进行组织( 即 按分层次结构进行信息数据库的组织、按信息功能来进行信息数据库的组织、 按数据库的运行组织模式来组织信息数据库) ，下面就分别进行讨论。 2 2 1 按分层次结构进行信息数据库的组织 整个系统按照配电网络的特点和各个部门管理的范围可以分为四个层次， 按照这种分层次的结构和方法将配电网络中的大量复杂的信息进行分别管理， 并按照此结构将功能画分为几个层次。使得各个层次中的功能所使用的信息量 大大减小，提高了系统的运行效率。其各个层次的内容如下： 第一层为1 0 k v 配电网络结构图，它反应了配电线路、断路器、隔离开关、 分段开关、开关站母线、变电站母线、重要负荷、环网柜、l o k v 电缆之间的地 理连接关系，并将它们进行拓扑关联，使其可以反映1 0 k v 配电网络的运行状态 和重要负荷的供电情况。在这里还反映了配电元件的型号等基础信息，以便进 行管理和计算。 第二层为配电线路杆线图，它具体反映了每条配电线路上的杆线图，及其 上面的电杆、配电变压器、开关等元件的各种基础信息、具体的运行状态和遥 测元件上传的遥测信息。 第三层为配电变压器供区图，它反映了各个配电变压器的供区图。 第四层为户表信息，它反映了户表的统计数据。 由此可以看出，各个层次的各种信息都是以第一层配电网络图为基础来进 行关联的，并且相邻层次之间都是有着关联关系的( 上一层次的某些元件和下 一层次的某些内容存在着一对多的关系) ，这样就为整个信息系统的检索工作提 供了途径和可能。另外，整个配电网络系统的数据和功能被各个层次分成了四 个部分，这些部分不是对所有的部门开放的，每个部门都只能管理本部门的数 据和功能，通过分层的方式将配电网络管理部门形成了相互独立又相互关联的 四川大学硕上毕业论文( 2 0 0 3 ) 关系。配电网络管理系统的分层结构如图2 1 第一层整个配电网络圈 建立配电网络图( 变电站，开闭所，配网开关，配电线 路，重要负荷) 配电变电站和配电开关的设备台帐 配网开关的投切 j r 第二层配电线路杆线图第二层配电线路杆线图第二层配电线路杆线图 每条配电线路的杆线躅每条配电线路的杆线舀每条配电线路的杆线胬 每条配电线路上的配变的每条配电线路上的配变的每条配电线路上的配变的 台帐等信息台帐等信息台帐等信息 r 第三层配电变压器供区图第三层配电变压器供区圈第三层配电变压器供区图 每台配电变压器的供区图每台配电变压器的供区图每台配电变压器的供区图 j r 第四层户表信息第四层户表信息第四层户表信息 户表统计数据户表统计数据户表统计数据 图21 系统分层结构 2 2 2 按信息功能来进行信息数据库的组织 当前，用户对应用系统的人机界面要求越来越高且系统界面的可视化也成 为配网管理系统的基本要求。因此，在这里我们提供了一种面向对象的配网故 障管理数据库组织模式。首先，我们要建立一种包括图形数据和设备信息数据 的配电网络数据库的设计环境。该数据库可以用来进行设备遥测信息管理、设 l q ) l l 大学硕士毕业论文( 2 0 0 3 ) 各运行情况管理、网络分析和存储简单的地图信息和配电网络主接线图的走向 等。设备遥测信息数据和网络模型数据可以从该数锯库中的数据直接得到或是 间接变换产生。这些提出