王　迪，吳鑫強，王振浩

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；吉林省白山供電公司，吉林 白山 134300)

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基于改進遺傳算法的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位

王迪1，吳鑫強2，王振浩1

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；吉林省白山供電公司，吉林 白山 134300)

摘要：通過改進遺傳算法對含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位進行分析，解決了由于大量分布式電源的接入導致的配電網(wǎng)故障的復(fù)雜問題。結(jié)合實際情況搭建合理的數(shù)學模型，解決單故障點和多故障點定位問題。將復(fù)雜的問題化簡，提出配電網(wǎng)分區(qū)理論，將復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單化，提高了運算速度和運算效率。同時應(yīng)用改進的遺傳算法，對規(guī)劃的各個分區(qū)進行單獨的分析處理，提高了故障定位的效率，根據(jù)饋線終端反饋的電流信息，快速、準確的進行定位。通過算例分析故障定位和運算速度生成迭代與耗時曲線，驗證了算法的準確性和有效性。

關(guān)鍵詞：改進遺傳算法；故障分區(qū)；配電網(wǎng)；分布式電源；故障定位

目前，隨著人們對電能質(zhì)量需求的不斷提高，配電網(wǎng)正面向快速、穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保的趨勢發(fā)展。新型能源式的電源接入配電網(wǎng)勢在必行，為了更好的融入配電網(wǎng)，越來越多分布式電源(Distributed Generation，DG)新型環(huán)保型分布式電源(例如：太陽能、風能、水能、光伏等)接入到配電網(wǎng)中，使配電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成波動和影響，導致配電網(wǎng)變得越來越復(fù)雜。由于天氣等諸多的客觀因素，會導致故障定位的電流信息產(chǎn)生偏差，經(jīng)常會出現(xiàn)故障定位不準確或者無法定位的現(xiàn)象。基于此背景，考慮如何探索和開發(fā)分布式電源接入到配電網(wǎng)來符合當前社會發(fā)展的需要已經(jīng)成為當務(wù)之急。所以，分布式電源接入智能配電網(wǎng)的故障定位問題顯得勢在必行[1-5]。

目前解決故障定位問題的方法和算法有很多種，但是這些算法都有一定局限性和需要完善的問題。

簡單快捷的方法即矩陣算法(直接算法)，優(yōu)點計算速度快，能夠處理一些故障信息精度較高的問題，容錯性較差，常會受到錯誤信息影響。而常見的蟻群算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等雖然具有較好的容錯性，但是故障定位過程繁瑣，需要處理大量的信息及數(shù)據(jù)，并不能便捷快速的診斷故障定位問題。本文應(yīng)用改進的遺傳算法，其優(yōu)點是：(1)過程清晰，概念簡單，便于實現(xiàn)[6-10]；(2)能夠從全局中搜尋最優(yōu)有解，不具有隨機性，故結(jié)論具有可靠性；(3)計算速度快，且有很好的容錯性，具有實用性[11]。

本文考慮接入多個DG的配電網(wǎng)情況，根據(jù)智能配電網(wǎng)的實際需要建立適用的數(shù)學和物理模型，并應(yīng)用改進的遺傳算法來進行分析和定位。提出一種快速定位故障點的分區(qū)理論，對各個區(qū)域進行獨立監(jiān)測，提高了故障搜索的效率。本文通過監(jiān)測點的電流情況和分布式電源的接入情況進行綜合分析，對監(jiān)測點提供的信息進行診斷、修復(fù)、判斷實現(xiàn)故障定位。避免一些不良的反饋信息混入導致無法定位和錯誤定位的問題?；诟倪M的遺傳算法建立數(shù)學模型及算例分析，從全局搜尋最優(yōu)解，驗證了本方法的準確度，得出的結(jié)果不具有隨機性。本文對己有的遺傳算法進行改進，使得改進后的遺傳算法能適用于含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位，并通過仿真迭代次數(shù)驗證算法速度快、準確的特點，證明此方法具有一定的實用性[12-15]。

1故障編碼方法

1.1編碼

圖1　配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

首先，在配電網(wǎng)中建立饋線終端單元(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)監(jiān)測點，通過監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚潆娋W(wǎng)控制中心?？刂浦行膶π畔⑦M行分析處理，監(jiān)測配電網(wǎng)故障位置。在配電網(wǎng)中，由于分布式電源的接入會導致系統(tǒng)與DG之間的電流方向無法確定。監(jiān)測點的電流流向是由一級電源流向二級電源，一級電源為監(jiān)測點的上游電源，下游則為二級電源。以監(jiān)測點K為例(如圖1)，系統(tǒng)S為一級電源，DG為二級電源，電流由S流向DG。通過配電網(wǎng)中各個監(jiān)測點流過的電流情況進行編碼，規(guī)定當有故障電流流過且與FTU監(jiān)測點方向相同Ij為+1，相反為-1，沒有故障電流流過為0。

1.2建立監(jiān)測函數(shù)

在智能配電網(wǎng)中，自動化系統(tǒng)將FTU監(jiān)測故障信息(即電流越限信號)反饋給SCADA控制中心進行處理和分析。建立監(jiān)測點越限電流信號與故障位置的關(guān)系。應(yīng)用改進遺傳算法處理各個監(jiān)測節(jié)點的電流信息從而確定故障點位置。函數(shù)(1)可以反映各個監(jiān)測點的電流越限情況，且適用于含多個DG的配電網(wǎng)。定義的函數(shù)(1)如公式(1)所示。

(1)

式中:Ij*(K)為監(jiān)測點j的函數(shù)，表示期望狀態(tài)。根據(jù)各個監(jiān)測點的電流情況，“∏”為邏輯或運算；TDGi表示接入分布式電源個數(shù)，當有DG接入時其值為1，反之為0；Kju、Kjd為監(jiān)測點在線路上的故障狀態(tài)。應(yīng)用于單電源和多電源的拓撲結(jié)構(gòu)，具有一定的適應(yīng)性。

1.3建立評價函數(shù)

建立評價函數(shù)即將改進的遺傳算法與配電點網(wǎng)故障定位聯(lián)系起來。因此評價函數(shù)構(gòu)造的越合理越能更好的實現(xiàn)故障定位。根據(jù)上文提出的監(jiān)測點函數(shù)，需建立一個具有容錯性的評價函數(shù)。在基于改進的遺傳算法配電網(wǎng)故障定位時，若要準確實現(xiàn)故障定位，需FTU饋線終端檢測出故障線路信息，并將越線的電流信息反饋至SCADA控制中心進行分析處理。基于此思想構(gòu)造評價函數(shù)如式(2)所示。

(2)

(3)

如圖2所示，故障信息顯示在饋線L上發(fā)生故障點f，但是由于漏判情況，并沒有真實的反映出該點的情況，可能該點是正常狀態(tài)。流過監(jiān)測點K1、K2、K3、K4的電流分別為I1、I2、I3、I4。假定I1為1，I2、I3、I4為0，分析如表1所示。

圖2　饋線L上發(fā)生的故障f

表1　f點狀態(tài)對比表

圖3　遺傳算法流程圖

評價函數(shù)的改進能夠提高配電網(wǎng)故障定位的容錯性，提高容錯性就是將配電網(wǎng)各個監(jiān)測點的監(jiān)測電流信息做出判斷和處理，對采集上傳的信息進行篩選，將優(yōu)良的信息直接傳輸給SCADA，將一些錯誤不良的信息進行判斷和修復(fù)，從而提高配電網(wǎng)故障定位的容錯性，使其不會因為單一數(shù)據(jù)的缺失或錯誤導致無法定位或者不定位的現(xiàn)象。這樣不僅保持了信息的準確性，而且還提高了故障定位的穩(wěn)定性并排除了錯判、漏判等因素對定位的影響。

1.4遺傳操作

遺傳操作包括選擇、交叉和變異。通過選擇、交叉以及變異可保證遺傳算法快速而準確地收斂于全局最優(yōu)解，如圖3所示。

2故障分區(qū)

由于在配電網(wǎng)中，一旦某一點發(fā)生故障，由于監(jiān)測點多，數(shù)據(jù)復(fù)雜等原因，會出現(xiàn)監(jiān)測速度慢，信息誤差大等因素。為解決此問題，提出配電網(wǎng)故障分區(qū)理論?？紤]到配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行，呈輻射狀的結(jié)構(gòu)特點，以及DG接入后對配電網(wǎng)故障定位的影響，將配電網(wǎng)絡(luò)看成一個有向圖，將度(圖中與某個頂點相關(guān)聯(lián)的邊的數(shù)目)為1且以電源點為頂點的連通圖定義為有源樹，除去有源樹剩余的路徑稱為無源樹枝，這樣就把整個配電網(wǎng)絡(luò)劃分為一個有源樹和若干個無源樹枝。有源樹包含網(wǎng)絡(luò)中的所有電源，由于系統(tǒng)發(fā)生故障時各電源都會提供故障電流，所以在定位過程中有源樹包含的所有開關(guān)都應(yīng)予以編碼，參與運算；無源樹枝本身無電源，依靠有源樹提供故障電流，若某個樹枝無故障，那么整個樹枝的節(jié)點都無故障電流，在定位過程中可以不予考慮，縮短算法中解的維度，從提高定位效率。再應(yīng)用改進的遺傳算法對各個獨立區(qū)域內(nèi)由低到高依次求解。如圖4所示，Ki(i=1，2，3……31)為監(jiān)測點，S1，S2，S3為各個分區(qū)節(jié)點。

圖4　配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3算例分析

3.1單重故障

如圖4所示示，當多個分布式電源接入配電網(wǎng)中，搭建模擬實際情況的物理模型，含多個分布式電源的復(fù)雜情況。若區(qū)域1內(nèi)的f1點出現(xiàn)故障，根據(jù)上文定義的監(jiān)測函數(shù)(1)和評價函數(shù)式(2)和公式(3)。

(4)

根據(jù)上述原理依次計算出區(qū)域1內(nèi)其他各個監(jiān)測點的監(jiān)測電流函數(shù)值。正向電流的確定即是各個監(jiān)測點電流流向與規(guī)定方向相同。所得的電流的狀態(tài)值Ij為“1”，u一般取大于0小于1的數(shù)。本文取0.5。

(5)

式(5)所示，應(yīng)用遺傳算法的評價函數(shù)算出最優(yōu)值，并應(yīng)用改進的遺傳算法對其進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果故障定位點如圖5所示。

圖5　f1故障仿真結(jié)果

由圖5可知，當種群經(jīng)過51代的遺傳操作時取得了最小的評價值0.5，即最優(yōu)解，個體為3，3所對應(yīng)的位置為圖4中K3與K4區(qū)間段。說明仿真結(jié)果正確與假定的故障位置相同，且最優(yōu)解值也相同。證明改進的遺傳算法符合含分布式配電網(wǎng)故障定位的要求，達到預(yù)期目標。

3.2多重故障

對于多重故障而言，多重故障相對復(fù)雜。以圖4所示區(qū)域1中f1、f2同時故障。首先同單故障一樣，先計算各個監(jiān)測的電流情況，即Ij*(k)函數(shù)和Ij的值，對應(yīng)相應(yīng)狀態(tài)。生成故障信息表。如表2所示。Ij*(k)和Ij的值如表1所示。

表2　故障信息表

根據(jù)公式(2)計算評價函數(shù)值如式(6)所示。

(6)

圖6　f1、 f2同時故障仿真結(jié)果

如式(6)所示，同單故障點情況相同，根據(jù)故障越線信息，應(yīng)用遺傳算法的評價函數(shù)算出最優(yōu)值，并應(yīng)用改進的遺傳算法對其進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果故障定位點如圖6所示。

由圖6可知當種群經(jīng)過 52 代的遺傳操作時取得了最小的評價值 1.5，即最優(yōu)解。此時的最優(yōu)有2個。分別為個體3和4。3和4所對應(yīng)的正好是故障線路K3與K4區(qū)間段和K4與K5區(qū)間段，即圖4中f1、f2的故障位置，說明仿真結(jié)果正確與假定的故障位置相同，且最優(yōu)解值也相同。證明改進的遺傳算法符合含分布式配電網(wǎng)故障定位的要求，達到預(yù)期目標。

4故障信息分析

上文已對單故障和多故障定位問題進行討論，但是故障的準確性和定位速度問題還需要進一步探索。根據(jù)上文的故障定位方法探索速度與迭代次數(shù)問題，通過隨機的FTU監(jiān)測點信息，分別對單故障和多故障的耗時及準確率進行試驗。得出結(jié)論如表3所示。

表3　單故障與雙故障仿真結(jié)果

圖7　單、雙故障迭代次數(shù)與耗時曲線

圖8　相同最優(yōu)連續(xù)代數(shù)

如表3所示，根據(jù)表3通過100次配電網(wǎng)故障定位仿真，配電網(wǎng)單故障及雙故障定位誤差均為1%，準確性達到了99%。幾乎不會因為錯判、誤判、漏判等問題，導致無法定位現(xiàn)象。如圖7所示，為迭代次數(shù)與耗時的曲線，反映了迭代次數(shù)與時間的關(guān)系，可以看出速度十分迅速。適用于配電網(wǎng)快速、高效的要求。仿真結(jié)果驗證了改進的遺傳算法能夠應(yīng)用與含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位中，并具有高效性和準確性。

由圖7可知，隨著代數(shù)由10增大到70，正確率迅速升高，達到95%，但是當代數(shù)由70增大到100時，正確率基本無變化。因此，只要判據(jù)代數(shù)設(shè)置合理，本算法對于FTU信息畸變情況的故障定位準確率可以達到很高，且并不是隨著判據(jù)代數(shù)的增大一直增大，當判據(jù)代數(shù)達到一定值時，繼續(xù)增大不再影響正確率。

由圖8可知，隨著代數(shù)的增大，消耗的時間基本呈線性增長。因此，綜合正確率與耗時考慮，對于本算例，判據(jù)代數(shù)取70代最優(yōu)，正確率高且耗時短。根據(jù)所提出的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位模型，針對FTU信息正常、FTU信息有畸變?nèi)笔?、單故障以及多故障等情況，分別進行了定位仿真分析，通過算例驗證得出如下結(jié)論：(1)按照本文提出的監(jiān)測函數(shù)與評價函數(shù)，通過改進遺傳算法進行求解，能夠有效的實現(xiàn)不同情況下故障定位，而且速率與準確率都較高；(2)仿真顯示對于有畸變信息故障定位，判據(jù)代數(shù)存在一個最優(yōu)值，使其既滿足正確率的要求也滿足時間的限制。

5結(jié)論

本文建立改進遺傳算法開環(huán)模型在配電網(wǎng)故障定位中得以應(yīng)用，具有較高的準確性、快速性、容錯性。根據(jù)FTU反饋的監(jiān)測點電流信息，構(gòu)建了新的監(jiān)測函數(shù)和評價函數(shù)，適用于開環(huán)的配電網(wǎng)且適用于多DG的復(fù)雜情況。仿真結(jié)果充分的驗證了遺傳算法準確性和有效性，遺傳算法己經(jīng)成功地在配電網(wǎng)故障定位中得以應(yīng)用，理論證明其有較高的容錯性。本文對網(wǎng)絡(luò)中各個監(jiān)測點的正方向作了定義，并構(gòu)造新的監(jiān)測點函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)，進而將改進的遺傳算法應(yīng)用于含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位。改進后的遺傳算法能適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。仿真分析驗證了新算法的有效性。含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位的研究目前還處于起步階段，本文僅對新算法的有效性進行了有益的探索；由于配網(wǎng)復(fù)雜多變，算法的實用性還有待進一步研究。

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Fault Location for Distribution Network with Distributed Power Based on Improved Genetic Algorithm

WANG Di1，WU Xin-qiang2，WANG Zhen-hao1

(1.Northeast dianli university，Institute of electrical engineering，Jilin Jilin 132012；2.Jinli baishan power supply company，Jilin Baishan 134300)

Abstract：With the large scale new distributed generation connected to the power distribution network，the fault-location problem becomes more complex.In face of this problem，this paper stimulates the actual fault situation of distribution network and establishes the distribution network mathematic model including distributed generation，to solve the single fault point and multiple fault point problems.It also proposes the partition theory and handling method to simplify the complex distribution network structure.With the improved genetic algorithm，this paper makes separate analysis to each area，increases the efficiency of fault search，and conducts global optimization rapidly and accurately according to the electricity information feedback of the feed line terminal.The iterate time-consuming curve is generated through fault positioning by analysis of examples and operating rate，and the accuracy and efficiency of fault positioning are verified through means of this paper.

Key words：Improved genetic algorithm；Fault partition；Distribution network；Distributed generation；Fault positioning

中圖分類號：TM711

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0001-07

作者簡介：王迪(1989-)，男，吉林省長春市人，東北電力大學電氣工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向：配電網(wǎng)故障定位.

收稿日期：2015-10-12