吳成明，王毅，姜豐

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 孝感 432000)

基于GIS配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和控制區(qū)域故障定位方法的研究

吳成明1，王毅1，姜豐2

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 孝感 432000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力系統(tǒng)的故障定位和控制區(qū)域故障定位逐步走向圖像化、智能化，GIS(地理信息系統(tǒng))也逐漸成為了系統(tǒng)故障定位的新趨勢(shì)。本文簡要的介紹了三種常見的配電網(wǎng)故障定位方法，在貝葉斯公式的基礎(chǔ)上，對(duì)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型和分布網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并在貝葉斯公式的基礎(chǔ)上，建立了基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)故障定位算法，從而大大提高了配電系統(tǒng)的故障定位效率，保證了配電網(wǎng)的安全可靠性運(yùn)行。

GIS；配電網(wǎng)；故障定位；貝葉斯公式

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的日益提升，電力系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位變得倍加重要，由于人們的正常生活對(duì)電力需求日漸的急需性，因此導(dǎo)致了配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大。為了最小化斷電次數(shù)和減少斷電持續(xù)時(shí)間，配電網(wǎng)需要保證很高的電能質(zhì)量和電力可靠性，以便達(dá)到不斷提升供電的可靠性。在大部分情況下，導(dǎo)致用戶停電的原因是由于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，所以，當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)故障之后，如何進(jìn)行快速、有效地定位故障是尤其重要的。

電力生產(chǎn)部門已經(jīng)把GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)引入到配電系統(tǒng)的管理中，這樣不但可以在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)生產(chǎn)設(shè)施給予定位(如線路、設(shè)備)，而且還可以結(jié)合相關(guān)屬性，根據(jù)用戶需求，結(jié)合空間信息和屬性信息進(jìn)行圖形化顯示。同時(shí)利用GIS對(duì)配電網(wǎng)的空間分析功能，不僅可以迅速定位配電網(wǎng)的故障和實(shí)施快速隔離，還可以影響二級(jí)配電網(wǎng)的操作和管理人員的決策，即有效的處理事故，從而大大減少了停機(jī)時(shí)間，降低了配電網(wǎng)的線損，確保了用電的安全性和可靠性。

2 配電網(wǎng)故障定位的常見原理

配電網(wǎng)故障定位是當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后能快速、準(zhǔn)備的定位故障點(diǎn)或故障區(qū)域，目的是為了能夠迅速隔離故障區(qū)域，同時(shí)恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。目前，國內(nèi)的配電網(wǎng)故障定位有以下三種：

2.1 故障定位的開關(guān)重合與故障隔離

當(dāng)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)配電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)，首先，線路的自動(dòng)開關(guān)會(huì)檢測(cè)這時(shí)段流過的電流來判斷故障是否存在，若檢測(cè)出故障電流，線路上的斷路器自動(dòng)跳閘，然后過一定的時(shí)間后自動(dòng)重合閘。如果只是暫時(shí)的故障，檢測(cè)與判斷結(jié)果一致性，線路會(huì)重新恢復(fù)上電，但是如果發(fā)生的是一個(gè)永久性的故障，自動(dòng)開關(guān)會(huì)再次跳閘，重復(fù)上面的過程；當(dāng)一致性檢測(cè)重復(fù)的次數(shù)超過先前設(shè)定值時(shí)，則斷路器判斷為永久性故障，自動(dòng)開關(guān)斷開，不再閉合。

這種方法運(yùn)行簡單，不需要人工干預(yù)。然而，由于對(duì)設(shè)備要求高，未得到廣泛使用。同時(shí)，若發(fā)生多次一致性巧合的重合閘，尤其是當(dāng)發(fā)生永久性故障時(shí)，由于沖擊電流的影響，很可能造成饋線超過其負(fù)載極限，從而對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大影響。

2.2 FTU和SCADA結(jié)合的故障定位法

基于FTU(饋線終端單元)的配電網(wǎng)故障定位是一個(gè)FTU上傳的基礎(chǔ)參數(shù)，是一種計(jì)算故障定位的方法。在樹狀網(wǎng)絡(luò)或在開環(huán)運(yùn)行中，只需根據(jù)開關(guān)的開環(huán)沿途通過的故障電流即可確定故障區(qū)段。事實(shí)上，配電網(wǎng)是圖論中是樹，故障電流流經(jīng)連接組件的所有節(jié)點(diǎn)。電源點(diǎn)到問題區(qū)段的故障應(yīng)是在電源側(cè)從最后一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)到最后一個(gè)故障電流節(jié)點(diǎn)，故障電流則是流經(jīng)第一個(gè)沒有流過的開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的電流。顯然，若想檢查開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電流是否過載，需要安裝FTU來進(jìn)行電流的調(diào)整。環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)生短路故障后，電流應(yīng)該從每一節(jié)點(diǎn)流向故障點(diǎn)，對(duì)于這種情況取決于判斷饋線是否過電流即可，同時(shí)也確定了故障電流功率的方向。如果某段時(shí)間內(nèi)兩端的功率方向不一致，則在該范圍內(nèi)的故障點(diǎn)是就可以確定下來。

基于FTU的故障定位可以達(dá)到故障一次性隔離，它克服了自動(dòng)開關(guān)需要多次重合的缺陷，這種方法定位非常準(zhǔn)確。然而，由于FTU在實(shí)際應(yīng)用中通信成本很大，因此，只能在配電網(wǎng)絡(luò)中重要的節(jié)點(diǎn)安裝FTU來節(jié)省成本開銷。

2.3 電話投訴故障定位

這種方法不需要配備專門的設(shè)備，電力部門通過投訴報(bào)告故障位置，為用戶提供客戶服務(wù)系統(tǒng)。通過這種方式，電力部門僅通過一名用戶的故障投訴電話信息就能大致確定故障的位置，從而大大提高了定位故障點(diǎn)和修復(fù)故障的效率。隨著手機(jī)的廣泛普及，這種方法將在中國更廣泛的應(yīng)用前景。

3 基于GIS的配電網(wǎng)模型

配電網(wǎng)模型包含三個(gè)信息元素：空間信息、屬性信息和兩者之間的所屬關(guān)系。

在地理信息系統(tǒng)中，現(xiàn)實(shí)生活中的空間實(shí)體有各種各樣的抽象因素，“小”對(duì)象表示為“點(diǎn)”元素；“長”對(duì)象表示為“線”元素；“大”對(duì)象表示為一個(gè)“區(qū)域”元素。例如在配電網(wǎng)中，變壓器、電線桿、開關(guān)和其他設(shè)施可以表示為“點(diǎn)”元素，線路、電纜就可以表示為“線”元素。

配電網(wǎng)電源S、開關(guān)Ki、變壓器Tj可以由配電網(wǎng)頂點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示，所謂的線路Lk則為邊緣拓?fù)?，而配電網(wǎng)不允許閉環(huán)運(yùn)行，因此，配電網(wǎng)實(shí)際上是一個(gè)多變的環(huán)散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從這點(diǎn)來說，常見的地理信息系統(tǒng)可以分為幾何網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)。

幾何網(wǎng)絡(luò)可以存儲(chǔ)在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，具有一系列的接觸點(diǎn)和線特征。幾何網(wǎng)絡(luò)模型包含兩個(gè)觸點(diǎn)，一個(gè)觸點(diǎn)有無限多的邊緣(從幾何元素上來說的邊緣)連接到網(wǎng)絡(luò)模型中，同時(shí)，邊線在二維空間相交但不能接觸，例如，線路交叉。其中，被網(wǎng)路描述了有邊緣元素的觸體被稱為網(wǎng)絡(luò)元素，只有網(wǎng)絡(luò)元素才能參與到幾何網(wǎng)絡(luò)模型的建立。

在GIS中，通常有網(wǎng)格線、電氣設(shè)備分層的存儲(chǔ)空間和屬性信息。例如，所有變壓器在一行上屬于點(diǎn)功能類；將線路上的所有導(dǎo)線組成的導(dǎo)線段是一個(gè)線路的特征，因此，它屬于一個(gè)線功能類。在GIS中，可以選擇其中一個(gè)層創(chuàng)建一個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)，還可以進(jìn)行分層形成一個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)。幾何網(wǎng)絡(luò)的邊線表現(xiàn)的是各層的原始線性特征，觸點(diǎn)除了原來的電源、開關(guān)、變壓器等點(diǎn)功能特征外，還形成了一個(gè)新的線路交叉結(jié)點(diǎn)和線性模型形成的觸點(diǎn)，所以構(gòu)成了一個(gè)基于GIS的配電網(wǎng)模型：

M={Ji，Lj|i=1，2，3，…，m;j=1,2,3,…,n}

其中，Ji指GIS配電網(wǎng)中的所有觸點(diǎn)，Lj指連接所有觸點(diǎn)的導(dǎo)線段。

4 配電GIS監(jiān)控故障定位方法

配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行主要是以FTU提供的信息為基礎(chǔ)，用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)定位故障。然而，由于FTU運(yùn)行的環(huán)境比較差，有時(shí)會(huì)受信號(hào)干擾，會(huì)出現(xiàn)丟失信息或失真的可能，因此容易導(dǎo)致系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤或錯(cuò)失故障點(diǎn)，導(dǎo)致故障不能被及時(shí)、準(zhǔn)確地去除和故障隔離，給配電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來極大的傷害。因此，引入貝葉斯公式故障定位法能夠有效地屏蔽干擾信息，并通過一個(gè)熟練程度顯著性強(qiáng)的方式找到故障出現(xiàn)的大部分，從而大大縮減了計(jì)算，提升了故障定位的效率。

4.1 貝葉斯公式的應(yīng)用

貝葉斯公式是一個(gè)理論公式，在已知事件的情況下產(chǎn)生結(jié)果，并分析事件的原因。故障定位是指在已知信息中檢測(cè)到故障的情況下，如何確定故障的區(qū)段。因此，我們可以在故障定位方法中引入貝葉斯公式。

在概率論中，如果事件A發(fā)生，事件B也會(huì)發(fā)生，并且兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)有一定的概率，那么這個(gè)概率稱為條件概率。用B1，B2，B3，…構(gòu)成一系列互斥事件的一個(gè)完整事件組，且P(Bi)>0，i=1，2，3，…

貝葉斯公式：

(1)

其中，概率P(A)代表事件A的概率；P(Bi|A)表示在事件A出現(xiàn)的情況下事件Bi發(fā)生的條件概率。

4.2 配電網(wǎng)中的算法模型

在配電網(wǎng)中，由于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)眾多的分支，對(duì)于開關(guān)參數(shù)的設(shè)置是非常困難的，而且經(jīng)常發(fā)生一個(gè)接一個(gè)的故障后，出現(xiàn)開關(guān)還沒有跳但是其上級(jí)開關(guān)已經(jīng)斷開的現(xiàn)象。因此，在發(fā)生故障時(shí)，不能只根據(jù)開關(guān)斷開來確定故障區(qū)域。針對(duì)上述現(xiàn)象，本文決定通過節(jié)點(diǎn)過載信息和故障電流流經(jīng)的各個(gè)組合開關(guān)作為主要依據(jù)來確定故障區(qū)域。

S1，S2，S3，…，Sn指饋線開關(guān)，L1，L2，L3，…,Ln表示負(fù)載點(diǎn)，G={G1，G2，G3，…,Gn}表示SCADA系統(tǒng)從環(huán)線上安裝在饋線上開關(guān)序列的故障信息監(jiān)測(cè)裝置。如果電流通過Si時(shí)發(fā)生了故障，那么Gi=1；否則，Gi=0。

事實(shí)上，在配電網(wǎng)中，如果在一根饋線出現(xiàn)了故障，為了能夠迅速隔離故障和恢復(fù)非故障部分的用電供應(yīng)，所屬饋線的出口端保護(hù)裝置應(yīng)該迅速切斷故障。由于多個(gè)故障發(fā)生在一根饋線上的可能性非常小，當(dāng)要考慮這種情況時(shí)，我們可以做出如下的合理假設(shè)：

(1)假設(shè)多個(gè)故障發(fā)生在同一根饋線上的概率為0，開關(guān)Si在故障事件的負(fù)載點(diǎn)Li滑動(dòng)，那么S1，S2，S3，…，Sn構(gòu)成一個(gè)完整且有Si發(fā)生的事件組；

(2)假設(shè)在配電網(wǎng)中，每個(gè)開關(guān)滑動(dòng)失敗的概率是相等的，即P(Si)=p；

(3)假設(shè)任何一個(gè)開關(guān)，F(xiàn)TU報(bào)警和通信錯(cuò)誤的概率是q，且q<1；

基于上述三種假設(shè)，根據(jù)貝葉斯公式，可以通過故障信號(hào)饋線上開關(guān)序列裝置G推斷出開關(guān)Si故障概率是：

(2)

P(G|Si)指開關(guān)Si發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)接收故障信號(hào)裝置系列G的概率。由公式可以看出，為了計(jì)算P(Si|G)，需要知道P(Si)，P(G)和P(G|Si)，但在實(shí)際中P(Si)，P(G)是很難計(jì)算出的，而且也沒有必要計(jì)算出來。因此，在這里本文引入了一個(gè)顯著性程度比較的概念。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，只需要與故障部分作出顯著性比較，然后根據(jù)重要程度確定故障部分。假如對(duì)于兩根饋線，故障重要比率是：

(3)

通過假設(shè)二可以得到，P(Si)=P(Sj)=p，因此,

(4)

如果C>1，表示滑動(dòng)Li故障明顯大于滑動(dòng)Lj；如果C<1，表示滑動(dòng)Li故障明顯小于滑動(dòng)Lj；如果C=1，兩饋線都支持線路故障，重要程度相等。

根據(jù)前面的假設(shè)，可以計(jì)算P(|G|Si)的值：

(5)

其中，只要檢測(cè)到故障信號(hào)j就可以檢測(cè)出故障點(diǎn)或故障區(qū)域。由公式(4)和公式(5)推導(dǎo)，再根據(jù)假設(shè)條件，此算法模型完全可用于一個(gè)N分支的配電網(wǎng)。為了確定故障區(qū)段，只需要判斷每個(gè)滑動(dòng)出現(xiàn)的故障，如果出現(xiàn)很明顯不正常運(yùn)行程度時(shí)就可以判斷發(fā)生故障的最大可能性部分。因此，本文可以得出如下的公式：

P(S*|G)=Max{P(Si|G)}=Max{P(S1|G),P(S2|G),P(S3|G),…,P(Sn|G)}

(6)

經(jīng)過化簡，可得：

P(S*|G)=Max{P(G|S1),P(G|S2),P(G|S3),…,P(G|Sn)}

(7)

其中，滑動(dòng)開關(guān)S*對(duì)應(yīng)故障的概率，即最有可能發(fā)生的故障滑動(dòng)。

4.3 配電網(wǎng)GIS故障定位算法流程

配電網(wǎng)GIS監(jiān)控區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的故障定位算法流程如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)GIS故障定位流程圖

(1)SCADA系統(tǒng)接收故障信號(hào)序列，并獲得所有FTU的故障信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集到配電GIS數(shù)據(jù)庫；

(2)確定是否有故障，如果故障出現(xiàn)，進(jìn)行下一步；如果沒有故障發(fā)生，則結(jié)束操作；

(3)基于GIS的幾何網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)故障讀取信息和開關(guān)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的完整信息；

(4)根據(jù)環(huán)路信息來確定上下級(jí)之間關(guān)系的所有監(jiān)控開關(guān)故障電路；

(5)開關(guān)狀態(tài)信息，使用以上公式確定滑動(dòng)區(qū)域的故障概率，故障概率的大小程度與開關(guān)進(jìn)行對(duì)比分析；

(6)最后，確定故障點(diǎn)或故障區(qū)段的位置，并將故障在配電GIS網(wǎng)絡(luò)中突出顯示出來。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)與控制區(qū)域的故障定位，在貝葉斯公式的基礎(chǔ)上，提出了一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的配電網(wǎng)故障定位方法。使用這種方法的主要目的是為了屏蔽干擾信息的影響，通過使用貝葉斯公式比較每個(gè)部分發(fā)生故障的概率大小來快速確定故障部分。這種方法對(duì)于檢測(cè)SCADA故障信息是有效的，滿足了工程上的實(shí)時(shí)需求，可以促使電網(wǎng)監(jiān)控能夠快速、準(zhǔn)確地定位故障。

[1] 陳根永,陳永華,賈俊潔,等.基于GIS平臺(tái)的配電網(wǎng)故障診斷算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,3:71-75.

[2] 宋永祿,胡一輝.配網(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用與研究[J].中國科技信息,2010(12).

[3] 徐文浩,劉浩,董學(xué)坤,等.10kV配電網(wǎng)線路故障自動(dòng)定位及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù),2012,5:111-113.

[4] 韓云,徐學(xué)軍,馮曉良,等.基于故障投報(bào)地理信息的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)[J].供用電,2007,3:20-23.

[5] 黃舒浩.基于GIS的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)[J].廣東電力,2007,11:48-51.

[6] 郭建成,錢靜,陳光,等.智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,1:206-212.

[7] 嚴(yán)鳳,楊奇遜,齊鄭,等.基于行波理論的配電網(wǎng)故障定位方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004(9).

[8] 丁同奎,張麗華,陳歆技,等.基于蟻群算法的配電網(wǎng)故障定位與隔離[J].繼電器,2005(24).

[9] Manar M,Foda SG.Fault location in distribution networks using clustering Oct.2005 Page(s):197-202 bis techniques.

[10] 范心硯,劉鵬舉,張作香.基于GIS的配電網(wǎng)故障定位及恢復(fù)供電方法研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2013,10:67-68.

[11] 王英英,羅毅,涂光瑜.基于貝葉斯公式的似然比形式的配電網(wǎng)故障定位方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,19:54-57.

Research on Fault Location Method Based on GIS Distribution Network Monitoring and Control Area

WUCheng-ming1,WANGYi1,JIANGFeng2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy，Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.Hubei Electric Power Company，Xiaogan 432000，China)

With computer technology,communication technology and network technology in power system applications，F(xiàn)ault location and analysis of power system gradually toward the direction of the image,intelligent,GIS(geographic information system)which became the new trends introduced into the system fault locating.This paper briefly describes the three common distribution network fault location method,carried out a detailed distribution network GIS data model and the distribution network GIS network model,on the basis of the Bayesian formula,a GIS-based distribution network fault location algorithm,which greatly improve the distribution system fault locating efficiency,and ensure the distribution network of safe,reliable operation.

GIS;distribution network;fault location;Bayesian formula

1004-289X(2016)03-0015-04

TM72

B

2015-12-03