單寶峰 陳軍港 撖奧洋 于立濤 張智晟

摘要： 針對含分布式電源的配電網發(fā)生故障后，故障電流流向更加復雜，導致傳統(tǒng)配電網故障診斷方法適用性變差的問題，本文將故障電流作為饋線終端單元采集的故障信息，構造了新型故障診斷評價函數。同時，以-1，0，1規(guī)定故障電流方向，在饋線終端單元上增加方向元件采集故障信號，利用量子粒子群優(yōu)化算法對評價函數進行求解實現診斷，并通過仿真算例，驗證該方法在含分布式電源的配電網故障診斷中的有效性及容錯性。仿真結果表明，該算法可準確驗證發(fā)生故障的區(qū)段，不具備關鍵信息丟失的容錯性能，但對于非關鍵信息丟失或畸變時具有良好的容錯性。該研究為含分布式電源的配電網故障診斷提供了新的解決方案，具有一定的應用價值。

關鍵詞： 配電網； 分布式電源； 量子粒子群優(yōu)化算法； 故障診斷

中圖分類號： TM727； TM711文獻標識碼： A

收稿日期： 20170413； 修回日期： 20170828

基金項目： 山東電力科技計劃項目（5206021500HC）；2016智慧青島建設計劃重點項目（強化重點領域智慧企業(yè)服務11）

作者簡介： 單寶峰（1992），男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷。

通訊作者： 張智晟（1975），男，山東青島人，博士后，碩士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)短期負荷預測。Email： slnzzs@126.com隨著我國經濟飛速發(fā)展，為滿足和保證用戶的用電質量，配電網發(fā)生故障后，對于如何快速準確地定位故障點，并排除故障具有重要的現實意義。目前，配電網的故障診斷方法主要有直接法和間接法。直接法[13]是根據網絡的拓撲結構以及饋線終端單元（feeder terminal unit，FTU）上傳的故障信息形成相應的矩陣進行故障診斷，該方法具有運算速度快、精確度高的優(yōu)點，但是要求故障診斷過程中FTU上傳的故障信息準確，容錯性差；間接法是利用人工智能方法進行故障定位，如粗糙集理論[45]、Petri網[67]、遺傳算法[810]、粒子群算法[1112]等。目前，含分布式電源（distributed generation，DG）的配電網日益增多，且容量越來越大，因此對于故障診斷要求也越來越高。張艷霞等人[13]提出兩種保護新方案，能在主電源與DG之間的所有線路上實現故障的快速切除；劉健等人[14]根據不同類型DG接入到配電網母線和饋線處提出兩種不同的保護方案，可以解決配網中含容量較小的DG時的故障診斷問題；叢偉等人[15]提出一種主從式區(qū)域縱聯保護方案，很好地滿足了DG高滲透率下配電系統(tǒng)繼電保護的要求；吳寧等人[16]根據DG接入配網后變?yōu)閺碗s多源系統(tǒng)，提出一種利用搜索樹縮小故障診斷范圍后使用矩陣法求解的方法，運算速度快但容錯性較差。當DG接入電網后，所有DG都會向故障點提供故障電流，此時FTU檢測到的故障電流方向變得復雜，不再是單純的01問題。因此，為適應此變化，本文改進了傳統(tǒng)配電網故障診斷開關期望函數，構造了新型故障診斷評價函數。以-1，0，1規(guī)定故障電流方向，在FTU上增加方向元件采集故障信號，并利用量子粒子群優(yōu)化算法[1718]（quantumbehaved particle swarm optimization，QPSO）對函數進行求解實現診斷。通過仿真算例驗證了該診斷方法在含分布式電源的配電網中的有效性，并且在故障信息發(fā)生丟失或畸變時具有良好的容錯性[1920]。該研究為配電網故障診斷方法提供了新的解決方案。

1量子粒子群優(yōu)化算法

量子粒子群優(yōu)化算法是以粒子群優(yōu)化算法為基礎，其粒子具有量子行為，在量子空間中粒子的狀態(tài)與傳統(tǒng)的粒子群中粒子不同，不再使用位置和速度表示粒子狀態(tài)，而使用波函數。進化方程[18]為

pt=φPit+1-φPgt， φ～u0，1（1）

mbest=1M∑Mi=1Pi，1（t），1M∑Mi=1Pi，2（t），…，1M∑Mi=1Pi，n（t）（2）

xt+1=pt±βmbest-x（t）ln1u（3）

式中，p（t）表示局部吸引子，它可以使粒子多樣化，且能使其跳出局部搜索區(qū)域，便于粒子提高全局搜索能力；mbest表示平均最優(yōu)位置。x（t+1）表示粒子的位置更新；t表示迭代次數；Pi表示第i個粒子的個體最優(yōu)位置；Pg表示全局最優(yōu)位置；M為粒子個數；β為收縮擴張因子，用于控制粒子的收斂速度；x表示粒子位置；φ和u均表示0到1之間的隨機數服從均勻分布。上述進化公式主要針對連續(xù)函數優(yōu)化問題，而本文為離散變量的優(yōu)化問題，因此，需對上述公式進行相應變化，具體方法見文獻[18]。

2基于QPSO算法的含分布式電源配電網故障診斷求解模型

2.1含分布式電源的配電網故障信息編碼

在傳統(tǒng)配電網中，分段開關和聯絡開關上的FTU會設置故障電流整定值。當電流流過開關時，FTU檢測的電流與整定值進行比較，如果大于整定值，說明出現故障電流，用1表示；反之用0表示，這樣就可以形成離散的故障信息。FTU會將故障信息上傳至調度中心，由主站的故障診斷程序判斷故障區(qū)間。

針對含有DG的配電網，需對FTU進行重新編碼。首先依照就近原則為每一個FTU選取一個主電源，當兩個電源距離同一個FTU距離相同時，任選其一作為主電源，并規(guī)定在主電源單獨工作時的電流流向為該FTU的正方向。當FTU檢測到故障電流時，若該故障電流流向與FTU參考正方向相同，則FTU上傳調度中心的編碼應為1；若故障電流方向與參考正方向相反，則編碼應為-1；未檢測到故障電流時編碼應為0。

含DG的5個開關節(jié)點配電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，開關S1～S5將線路分成L1～L5這5個區(qū)間，開關S1～S5上安裝有FTU，根據上述原則，S1～S3的主電源為S，而S4和S5的主電源為DG。

，S4、S5正方向如圖1中綠線所示。若區(qū)段L2發(fā)生單點故障，此時FTU上傳至調度中心的編碼應為[1 1 -1 1 1]，如果在信息上傳過程中發(fā)生丟失，為了防止故障診斷程序發(fā)生誤判，此時丟失的數據置為1。

2.2構造故障診斷評價函數

判斷評價函數優(yōu)劣的關鍵點是能否正確有效的進行故障診斷。根據文獻[11]，單電源配電網故障診斷所使用的評價函數為

FSB=∑N1j=1Ij-IjSB+ω∑N2j=1lj（4）

式中，Ij為實際中第j個開關上的FTU上傳至調度中心的故障信息；IjSB為開關期望狀態(tài)函數，用于反映FTU的故障信息與故障區(qū)間的關系；N1為配電網中FTU個數；N2為故障區(qū)間個數；ω∑N2j=1lj部分是為了防止誤判而增加的一項，ω為0～1之間的常數（通常取05）。

對于含有分布式電源的配電網，DG的接入導致故障信號大小和方向發(fā)生變化。僅用0和1已無法滿足含有分布式電源配電網的故障信號，提出以-1，0，1來表示故障信號；同時DG接入配電網，并不僅為了提高供電可靠性，也為了提高供電的靈活性，如“削峰填谷”，那么DG在配電網中的投切狀態(tài)有可能隨時改變。為了使評價函數適應上述問題，本文對評價函數中的開關期望狀態(tài)函數I*SB進行改進，即

I*SB=0--1kSBg*SB+-1kSBs*SB（5）

式中，kSB為開關節(jié)點對應的主電源投運情況，假設分布式電源投運情況用0和1表示，投運時為0，退運行時為1；s*SB表示當安裝在開關SB上的FTU檢測到故障信號且為1時，對所有可以使該開關檢測到故障信號1的區(qū)段進行或運算；g*（SB）表示當安裝在開關SB上的FTU檢測到故障信號且為-1時，對所有可以使該開關檢測到故障信號為-1的區(qū)段進行或運算。

為方便說明，以圖1為例，若開關S3檢測到故障信號為1，則區(qū)段L3～L5中至少有1個區(qū)段發(fā)生故障，s

3.2多點故障分析

假設區(qū)段L3和L4發(fā)生多點故障，且所有FTU工作正常，各FTU實際檢測到的故障信息編碼為[1 1 1 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，利用QPSO優(yōu)化算法，求解得到最優(yōu)解為[0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]，求解過程中，區(qū)段L3和L4多點故障收斂曲線如圖5所示，區(qū)段L3和L4多點故障區(qū)段判定表如圖6所示，故障由圖5和圖6可以看出，該模型可準確驗證區(qū)段L3和L4發(fā)生故障。

3.3容錯性分析

在實際配電系統(tǒng)中，安裝有FTU的開關節(jié)點因所處環(huán)境不同會出現不同問題。環(huán)境惡劣就會造成FTU上傳故障信息至調度中心時出現信息丟失或者信息畸變的情況。因此，為了保證診斷結果的正確性，診斷方法的容錯性至關重要。

1）單點故障容錯性分析。假設區(qū)段L3發(fā)生單點故障，此時終端S5故障信息丟失，按照上文規(guī)定，信息丟失的終端將故障信息置1，此時各終端編碼為[1 1 1 -1 1 -1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，發(fā)現仍能找出故障區(qū)段，且結果正確。

2）多點故障容錯性分析。假設區(qū)段L3和L4發(fā)生多點故障，此時終端S6故障信息發(fā)生畸變，故障信息畸變?yōu)?，此時各終端編碼為[1 1 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，仍可得到正確的診斷結果。

為進一步驗證該方法的容錯性，本文對不同區(qū)段故障進行測試，假設其FTU測到的故障信息發(fā)生畸變或丟失，為了方便描述，單點故障容錯性分析和多點故障容錯性分析仿真結果如表1和表2所示。

由表1和表2可以看出，該算法對于兩個終端的丟失或畸變有良好的容錯性，而對于有3個終端發(fā)生丟失或畸變，若出現問題的終端遠離故障點，該算法仍有良好的容錯性，但數據畸變的終端集中在故障點附近，可能出現誤診斷。該算法不具備關鍵信息丟失的容錯性能，但對于非關鍵信息丟失或畸變容錯性良好。

4結束語

本文提出構造新的評價函數以適應-1，0，1形式的新編碼，同時，新的評價函數可以滿足DG在配網中隨時投切的特性，大大加強了該評價函數的通用性。利用QPSO算法對評價函數求解，通過算例仿真，證明該模型可以完成對單點和多點故障的診斷問題，對于非關鍵信息丟失或畸變容錯性良好，具有一定的實用價值。今后將進一步對含分布式電源的配電網故障診斷問題進行研究，尤其是當配網發(fā)生故障后FTU丟失關鍵故障信息時，如何提高容錯性的問題。

參考文獻：

[1]劉健， 倪建立， 杜宇. 配電網故障區(qū)段判斷和隔離的統(tǒng)一矩陣算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 1999， 23（1）： 3133.

[2]蔣秀潔， 熊信銀， 吳耀武， 等. 改進矩陣算法及其在配電網故障定位中的應用[J]. 電網技術， 2004， 28（19）： 6063.

[3]梅念， 石東源， 楊增力， 等. 一種實用的復雜配電網故障定位的矩陣算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2007， 31（10）： 6670.

[4]束洪春， 孫向飛， 于繼來. 粗糙集理論在電力系統(tǒng)中的應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2004， 28（3）： 9095.

[5]蔣亞坤， 李文云， 趙瑩， 等. 粗糙集與證據理論結合的電網運行優(yōu)質性綜合測評[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2015， 43（13）： 17.

[6]Sun J， Qin S Y， Song Y H. Fault Diagnosis of Electric Power Systems Based on Fuzzy Petri Nets[J]. IEEE Transactions On Power Systems， 2004， 19（4）： 20532059.

[7]謝敏， 吳亞雄， 閆圓圓， 等. 基于改進動態(tài)自適應模糊Petri網與BP算法的電網故障診斷[J]. 中國電機工程學報， 2015， 35（12）： 30083017.

[8]郭壯志， 陳波， 劉燦萍， 等. 基于遺傳算法的配電網故障定位[J]. 電網技術， 2007， 31（11）： 8892.

[9]衛(wèi)志農， 何樺， 鄭玉平. 配電網故障區(qū)間定位的高級遺傳算法[J]. 中國電機工程學報， 2002， 22（4）： 127130.

[10]嚴太山， 崔杜武， 陶永芹. 基于改進遺傳算法的配電網故障定位[J]. 高電壓技術， 2009， 35（2）： 255259.

[11]李超文， 何正友， 張海平， 等. 基于二進制粒子群算法的輻射狀配電網故障定位[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2009， 37（7）： 3539.

[12]潘超， 焦薇羽， 孟濤， 等. 基于混合智能粒子群算法的廣義電源主動配電網優(yōu)化配置[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2016， 44（7）： 6975.

[13]張艷霞， 代鳳仙. 含分布式電源配電網的饋線保護新方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（12）： 7174.

[14]劉健， 張小慶， 同向前， 等. 含分布式電源配電網的故障定位[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2013， 37（2）： 3642.

[15]叢偉， 潘貞存， 王成山， 等. 含高滲透率DG的配電系統(tǒng)區(qū)域縱聯保護方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（10）： 8185.

[16]吳寧， 許揚， 陸于平. 分布式發(fā)電條件下配電網故障區(qū)段定位新算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（14）： 7782.

[17]Jeong Y W， Park J B， Jang S H， et al. A New QuantumInspired Binary PSO： Application to Unit Commitment Problems for Power Systems [J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2010， 25（3）： 14861495.

[18]奚茂龍， 孫俊， 吳勇. 一種二進制編碼的量子粒子群優(yōu)化算法[J]. 控制與決策， 2010， 25（1）： 99104.

[19]劉健， 趙倩， 程紅麗， 等. 配電網非健全信息故障診斷及故障處理[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2010， 34（7）： 5056.

[20]張勇， 董明， 張巖， 等. 含分布式電源配電系統(tǒng)中計及警報錯誤的故障定位[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2012， 36（15）： 5762.