曾欣強

(湖南省電力公司株洲電業(yè)局，湖南 株洲 412000)

1 引言

配電網(wǎng)自動化是減少停電時間、縮小停電范圍從而提高供電可靠性的重要手段，如何在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，及時準確地判斷出故障區(qū)域，并采取有效措施快速隔離故障區(qū)域、恢復非故障停電區(qū)域供電，即饋線自動化，是配電網(wǎng)自動化的關鍵技術之一〔1〕。

根據(jù)故障處理方式的不同，饋線自動化可以分為2種模式，即分布式處理和集中控制模式。根據(jù)故障處理時是否需要通信，分布式處理模式又可分成2種類型:無信道分布式處理和有信道分布式處理。無信道分布式處理方式只利用開關設備的自身檢測故障信息、利用預先設置好的定值參數(shù)實現(xiàn)出口斷路器和各個分段開關、聯(lián)絡開關的動作配合實現(xiàn)故障處理，因此又可稱為基于點保護的分布處理;有信道分布處理模式在故障處理時除了利用饋線開關FTU自身采集的信息外，還利用與其他FTU信息做出判斷和動作，又稱為基于面保護的分布式處理〔2〕。集中控制模式一般由FTU完成故障信息檢測上送到配電子站或配電主站，由配電子站或主站實現(xiàn)故障的定位、隔離和非故障區(qū)域供電恢復。

饋線自動化的前2種模式對通訊和主站建設要求較低，投資較少，目前在我國配電網(wǎng)中仍被廣泛應用。但隨著多電源、多分支的復雜配電網(wǎng)日趨增多，前2種模式已很難滿足故障恢復處理的要求。隨著配電網(wǎng)通訊技術的發(fā)展，集控控制模式逐步成為復雜配電網(wǎng)實現(xiàn)饋線故障處理的主要模式。此種模式下，對饋線非故障區(qū)段恢復可以區(qū)分上下游失電區(qū)域分別處理。故障上游停電區(qū)域恢復比較簡單，找到故障饋線的出口開關即是故障上游恢復方案，上游恢復方案是單一的，不存在過負荷問題。在饋線存在多聯(lián)絡的情況下，下游非故障區(qū)段恢復比較復雜，是一個復雜的多目標、多約束、離散化、非線性混合整數(shù)組合優(yōu)化問題，最終得到的是一系列開關組合。國內外學者對此提出了多種解決方法，大致可分為2類:傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和人工智能方法〔3〕。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是基于各種優(yōu)化技術來確定恢復供電策略，這類方法將待解問題用標準的數(shù)學形式表達成目標函數(shù)和等式、不等式約束條件，并用數(shù)學方法進行求解。人工智能方法主要包括:傳統(tǒng)啟發(fā)式算法、專家系統(tǒng)法、模糊算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、Petri網(wǎng)法、現(xiàn)代啟發(fā)式優(yōu)化算法。其中，現(xiàn)代啟發(fā)式算法又包括:遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索算法。另外，還有分布式人工智能技術的多代理系統(tǒng)，組合方法等。但是，由于配電網(wǎng)設備繁多，設備參數(shù)獲取困難，限制了上述算法在工程中的實際應用，另外我國大多數(shù)地區(qū)配電網(wǎng)一次設備缺乏對實現(xiàn)自動化的充分支持，不少開關無法實現(xiàn)遙控功能，也為饋線自動化的實施帶來一定困難。本文充分考慮我國配電網(wǎng)的運行特點和實施配電自動化的實際情況，提出了一種算法簡單、實用性較強的配網(wǎng)故障處理方法。

2 饋線故障處理基本原理

集中式故障處理的基本原理為，配電自動化主站系統(tǒng)根據(jù)FTU上報的故障信息或故障指示器上報的信息，結合配電網(wǎng)拓撲模型和連通性分析，對配電網(wǎng)中發(fā)生的故障進行實時分析和判斷，確定故障發(fā)生的位置，并提出正確有效的故障隔離方案和故障隔離后的停電區(qū)域供電恢復方案。

以典型的配電網(wǎng)部分結構圖為例，如圖1所示。假設在S2與S3之間的饋線段上發(fā)生永久性故障。故障發(fā)生后，F(xiàn)1饋線出口斷路器跳開，重合閘動作。由于是永久性故障，重合閘失敗，斷路器再次跳開，重合閘閉鎖，之后啟動故障處理程序，由FTU上報的故障信息判斷出故障位置在S2與S3之間，給出需要斷開分段開關S2和S3，隔離故障。

故障隔離后，除故障區(qū)段外，原饋線F1供電的區(qū)域被分成2部分，一部分為故障點上游饋線F1的出線開關和分段開關S2之間的失電區(qū)域，稱為上游失電區(qū)域;另一部分為故障點下游一直到各聯(lián)絡開關部分的失電區(qū)域，稱為下游失電區(qū)域。

對于上游失電區(qū)域只需合上饋線的出口斷路器即可恢復供電，而下游失電區(qū)域需要通過與其他電源相連的聯(lián)絡開關來恢復供電，并由分段開關來保持輻射狀供電。由于該區(qū)域可恢復供電的路徑較多，選擇哪一種恢復策略，在保證快速恢復供電的同時，又能使恢復供電后系統(tǒng)的性能最優(yōu)是一個值得研究的問題〔3〕。

圖1 配電網(wǎng)饋線部分結構圖

3 饋線故障處理模型設計

饋線故障處理的核心是故障定位和故障恢復方案的快速形成和評價，是以網(wǎng)絡連通性分析為基礎的。因此，為了有效地進行網(wǎng)絡連通性分析，為了有效進行恢復方案開關搜索，必須設計出合理的網(wǎng)絡連接模型。

從電網(wǎng)設備的外部連接特性來說，原始的配電網(wǎng)絡模型數(shù)據(jù)庫中電力設備可以分為單端、雙端和三端3種類型。單端設備包括:電源 (SO)、負荷(LD)、電容器/電抗器 (CP);雙端設備包括線路(LN)、饋線段 (SEC)、開關 (CB)、繞組(XF)、零阻抗支路 (ZBR);三端設備包括變壓器(XFMR)。設備之間的連接關系由設備的端點或它們的公共結點來定義，這樣就形成了基于結點的網(wǎng)絡模型。

另一方面，從設備的連通屬性來說，又可以將電力系統(tǒng)設備分為開關設備 (邏輯設備)和非開關設備2類。開關設備的狀態(tài) (閉合、斷開)決定開關兩端結點之間的連通性，因此決定非開關設備之間的連通性，并且最終決定網(wǎng)絡的連通性。原則上只要根據(jù)結點與設備之間的關聯(lián)關系，就可以執(zhí)行任何形式的連通分析。但是，由于配電網(wǎng)絡設備類型較多，并且數(shù)量十分龐大，在配電網(wǎng)故障處理過程中，如果直接利用最原始的結點與設備之間的關聯(lián)關系來引導搜索，不僅搜索效率和速度較低，而且難以建立相應的推理模型和控制策略。

在配電網(wǎng)中，1條配電饋線一般由饋線分段開關分為幾個區(qū)段，每個區(qū)段內部又包含多個饋線段(SEC)和用戶負荷 (LD)。饋線包含的設備數(shù)量十分龐大，但包含的區(qū)段數(shù)量較少，一般為2—4個。在故障處理過程中，區(qū)段是饋線的最小可控部分，其內部連接關系不變，可以作為一個整體來考慮。因此，在執(zhí)行網(wǎng)絡連通分析時，可以將區(qū)段作為一個具有多個結點的元件來處理，而不考慮其內部元件組成和連接關系;當需要進行詳細的分析計算時，例如當需要進行潮流計算以校驗候選恢復方案時，再考慮區(qū)段內部的具體結線。這樣，通過引入?yún)^(qū)段的概念，可以大大簡化配電網(wǎng)絡的物理模型，進而可以提高故障恢復的推理速度和效率〔4〕。

4 改進的饋線故障處理方法

由于配網(wǎng)的運行方式、自動化覆蓋程度以及在網(wǎng)絡參數(shù)獲取等方面存在很多復雜的因素，導致常規(guī)故障處理方法在工程上得不到很好的應用，本文根據(jù)工程實際情況，對常規(guī)故障處理方法進行了改進。

4.1 故障檢測

故障檢測的目的是根據(jù)SCADA收集的故障信息判斷故障發(fā)生的饋線及所在的區(qū)段，為形成故障隔離方案和故障恢復方案提供初始條件。

故障定位的原理比較簡單，配電網(wǎng)一般為輻射狀，故障電流從電源點 (或饋線首端結點)開始沿樹狀支路構成的連通路徑單一方向地流向故障區(qū)。因此，對故障饋線上的任一區(qū)段，如果故障電流不流入該區(qū)段的任何端點，或從該區(qū)段的一個端點流入并從一個端點流出，該區(qū)段是非故障區(qū)段;如果故障電流只流入?yún)^(qū)段而不流出區(qū)段，則該區(qū)段是故障區(qū)段。

根據(jù)上述原理，在假定饋線上所有開關均具備故障遙信功能的條件下，可以應用下列2條規(guī)則實現(xiàn)故障檢測:

a.IF饋線出口開關并監(jiān)測到故障指示信息;THEN故障就發(fā)生在這條饋線上。

b.IF在故障饋線的某一區(qū)段的各邊界開關中，有且只有一個開關監(jiān)測到故障電流;THEN故障就發(fā)生在該區(qū)段上。

在進行故障檢測時，首先應用規(guī)則a根據(jù)饋線首端開關是否跳閘并收集到故障信息，確定故障發(fā)生饋線;然后確定該饋線在故障發(fā)生前的連接區(qū)段(具體方法是從饋線首端結點開始沿閉合開關執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索)，并且根據(jù)區(qū)段與開關關聯(lián)表找到各區(qū)段的邊界開關，應用規(guī)則b確定故障發(fā)生區(qū)段，并將所確定的故障區(qū)段插入故障區(qū)段表〔4〕。

4.2 形成故障隔離方案

區(qū)段是饋線的最小可控部分。在故障檢測程序檢測到故障發(fā)生區(qū)段之后，從區(qū)段與開關關聯(lián)表中取出該區(qū)段的各邊界開關，形成故障隔離操作方案，并寫入故障隔離操作步驟表中。

4.3 形成故障恢復方案

形成故障恢復方案之前首先要進行網(wǎng)絡狀態(tài)分析。

1)網(wǎng)絡狀態(tài)分析的任務

a.帶電分析，分析故障發(fā)生后網(wǎng)絡的帶電情況，將整個配電網(wǎng)劃分為帶電區(qū)和停電區(qū);

b.網(wǎng)絡劃分，根據(jù)網(wǎng)絡結構和各區(qū)段相對電源點和故障點的位置，將停電區(qū)劃分為上游區(qū)、故障區(qū)和下游區(qū)，其中上游區(qū)是可由饋線首端開關立刻恢復供電的區(qū)域，故障區(qū)是不可恢復區(qū)，下游區(qū)是有待確定是否可由饋線聯(lián)絡開關恢復的區(qū)域;

c.統(tǒng)計分析，將停電區(qū)段、停電負荷、故障區(qū)段、故障負荷、上游區(qū)段、上游負荷、下游區(qū)段、下游負荷、已恢復負荷、待恢復負荷等情況進行統(tǒng)計，并分別寫入動態(tài)表中。網(wǎng)絡狀態(tài)分析是故障恢復的前提，其實質是根據(jù)SCADA提供的實時信息，不斷刷新網(wǎng)絡的最新恢復狀態(tài)，為恢復推理做好準備。

2)形成上游恢復方案

故障上游停電區(qū)域恢復比較簡單，方案也是唯一的。其步驟為:從故障饋線表中依次取出故障饋線，然后從饋線表中取出該饋線的首端開關，只要故障位置不在此開關后第一個區(qū)段，即可將此開關寫入恢復動態(tài)表中，否則無恢復方案。

3)形成下游恢復方案

下游停電區(qū)域恢復取決于連接下游區(qū)的可選聯(lián)絡開關和網(wǎng)絡運行約束。當下游停電區(qū)域有多個聯(lián)絡開關時，情況比較復雜，可能的恢復方案組合將急劇增加。形成下游區(qū)恢復方案的原則是先簡后繁、先近后遠，優(yōu)先考慮用最少的操作開關、最近的恢復電源，來恢復最多的停電負荷。本文根據(jù)配電網(wǎng)絡的結構和目前饋線自動化實際工程運行情況，搜索下游停電區(qū)域連接的聯(lián)絡開關，形成整區(qū)故障恢復方案。放棄了采用配網(wǎng)潮流計算來進行恢復方案過負荷校驗的常規(guī)方法，采用轉供饋線出口開關當前電流、轉供饋線容量和待恢復負荷來對恢復方案是否過負荷進行評價，供調度員在故障處理過程中參考，具有較強的實際指導意義。

5 隔離和恢復方案擴展及執(zhí)行策略

在形成了基本的隔離方案和上游、下游恢復方案后，還需要根據(jù)開關是否能夠遙控等條件對隔離方案和恢復方案進行進一步的處理。

1)去掉隔離方案中的分支線開關。由故障區(qū)段邊界開關形成的隔離方案開關，如果隔離方案開關與恢復方案的開關不存在供電路徑，則該隔離開關是連接分支線的開關，隔離方案中需要把該開關去掉。在圖1中，假設邊界開關為S3，S4，S13和S14的區(qū)段發(fā)生永久性短路故障，在最初形成的隔離方案中包含S3，S4，S13和S14開關，但是S14開關不與任何恢復方案開關形成供電路徑，所以隔離方案中需要去掉開關S14。最終，形成的隔離方案只包括S3、S4和S13開關。

2)如果隔離方案中存在兩遙開關 (無法遙控)，為了達到快速處理故障的目的，則應形成擴控隔離方案，供調度員參考。具體方法是查找隔離開關與恢復開關供電路徑上的一個最近三遙開關作為擴控隔離開關。擴控隔離方案的開關都是三遙開關，能夠由程序自動執(zhí)行或由調度員遙控執(zhí)行故障隔離，達到快速隔離故障、快速恢復非故障停電區(qū)域供電的目的。

3)故障恢復方案執(zhí)行時考慮轉供饋線保電特殊情況。饋線保電時不允許對其他負荷區(qū)域進行轉供電，當恢復方案開關連接的轉供饋線保電時，該恢復開關不能執(zhí)行遙控合閘，對調度員給出相應提示信息。

4)建立了聯(lián)絡饋線組的概念。聯(lián)絡饋線組是指通過聯(lián)絡開關連接在一起的饋線，是實施饋線故障處理的最小區(qū)域。一個聯(lián)絡饋線組具有統(tǒng)一的故障處理模式，不同的聯(lián)絡饋線組可以設置不同的故障處理模式和故障處理優(yōu)先級。發(fā)生多重故障時，優(yōu)先級高的故障饋線組優(yōu)先處理。隔離方案信息和恢復方案信息按照聯(lián)絡饋線組為單元來顯示和執(zhí)行。

5)聯(lián)絡饋線組的故障處理模式分為閉鎖、手工、半自動和全自動4種模式。閉鎖模式時該聯(lián)絡饋線組對SCADA采集的故障信息不處理，該模式主要適用于聯(lián)絡饋線組進行故障信號調試、保護信息調試的情況，以避免對饋線自動化功能的干擾;手工模式時故障處理程序給出隔離方案和對應的擴展隔離方案以及上游、下游恢復方案，由調度員確認后手工進行故障隔離和恢復操作;半自動模式時，故障處理程序自動執(zhí)行隔離方案或擴展隔離方案，由調度員確認故障隔離成功后，手工執(zhí)行上下游恢復方案;全自動模式時，故障處理程序自動執(zhí)行隔離方案或擴展隔離方案，隔離方案執(zhí)行成功后，自動執(zhí)行上游、下游恢復方案。

6 結論

通過對饋線自動化常用模式分析，總結出配網(wǎng)故障恢復常用的幾種算法，剖析了故障處理模型的設計和故障處理的方法步驟。根據(jù)工程實際情況，對常規(guī)故障處理方法進行了改進。改進的故障處理方法具有簡單、可靠性高、實用性強的特點。

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