狄曙光 張瑞強(qiáng) 秦澤宇 何繼濤 戴建華

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電分公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0.引言

配電網(wǎng)在運(yùn)行的過(guò)程中，受到的外界干擾因素也相對(duì)較多，容易發(fā)生多種不同類型的故障，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行故障定位十分必要，可以有效縮短配電網(wǎng)的故障停電時(shí)間，提高電力用戶的用電滿意度。同時(shí)當(dāng)前配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如何對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行有效的故障定位也存在著較大的難度。尤其是當(dāng)前大量的分布式電源并入配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)具備較高的智能化技術(shù)水平，更是增加了對(duì)故障定位的難度[1]。本文分析研究了粒子群算法的智能配電網(wǎng)故障定位技術(shù)，對(duì)于快速實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的故障定位具有積極意義。

1.傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障定位技術(shù)

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，接線模式一般為單輻射，如果某個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域上游具有故障電流，而在配電網(wǎng)的末端沒(méi)有故障電流，則說(shuō)明配電網(wǎng)中的故障點(diǎn)在該區(qū)域上游。在目前已有的配電網(wǎng)故障定位算法中，主要分為直接定位算法和間接定位算法等兩種主要的算法類型。其中直接定位算法最具代表性的為矩陣算法，在這種算法中，以圖論學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)配電網(wǎng)的拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)，分別構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)描述矩陣、故障信息矩陣和故障判斷矩陣等，通過(guò)矩陣的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)故障的定位[2]。這種算法的特點(diǎn)是計(jì)算定位速度快，但是其容錯(cuò)性相對(duì)不夠高，目前在實(shí)際配電網(wǎng)定位中應(yīng)用相對(duì)較廣。對(duì)于間接算法，主要包括了粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，這類定位算法的容錯(cuò)性也十分顯著，同時(shí)在計(jì)算定位速度和定位準(zhǔn)確度上都表現(xiàn)不錯(cuò)。

在采用智能算法對(duì)配電網(wǎng)故障定位中，首先是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端如FTU上傳的故障電流數(shù)據(jù)，對(duì)配電線路的狀態(tài)進(jìn)行編碼，并引入開(kāi)關(guān)函數(shù)，通過(guò)故障定位模型中的目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)解是否為最優(yōu)。直到滿足算法的收斂條件，結(jié)束整個(gè)配電網(wǎng)故障定位計(jì)算過(guò)程。影響智能算法計(jì)算效率和準(zhǔn)確度的影響主要包括故障定位模型建立的準(zhǔn)確性、主要是模型中的開(kāi)關(guān)函數(shù)以及最優(yōu)評(píng)價(jià)函數(shù)等。同時(shí)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)化的準(zhǔn)確度也會(huì)對(duì)最終的故障定位結(jié)果產(chǎn)生影響。隨著如粒子群等智能算法應(yīng)用成熟度的提高，采用智能算法進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位將是今后配電網(wǎng)故障定位中的重要發(fā)展方向。

2.智能配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)

2.1 智能配電網(wǎng)的特征

在現(xiàn)代配電網(wǎng)中，多種不同類型的負(fù)荷已經(jīng)同時(shí)接入配電網(wǎng)中，包括分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)充放電站、儲(chǔ)能設(shè)備、微電網(wǎng)等。這些多元化負(fù)荷接入配電網(wǎng)，對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)產(chǎn)生了較大的沖擊，使得配電網(wǎng)具備了較高的智能化技術(shù)水平，這些都是智能配電網(wǎng)的顯著特征[3]。為此在配電網(wǎng)的分析計(jì)算理論上也應(yīng)同步更新，以便能夠用來(lái)分析智能配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。本文主要分析分布式電源接入后的配電網(wǎng)故障定位技術(shù)，并介紹了和傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)的區(qū)別，以及故障定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用流程等內(nèi)容。

2.2 分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)故障定位的影響

分布式電源接入到配電網(wǎng)，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的故障定位產(chǎn)生較大的影響，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是傳統(tǒng)的配電網(wǎng)功率流向一般為單向，而如果分布式電源接入之后，就會(huì)使得配電網(wǎng)中的故障電流具備雙向流動(dòng)的特征。二是當(dāng)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)故障路徑一般為電源點(diǎn)到故障點(diǎn)之間，而如果配電網(wǎng)中接入了多個(gè)不同的分布式電源之后，就會(huì)使得很多條配電線路都流過(guò)了故障電流，增加了對(duì)配網(wǎng)線路故障定位的難度，很難定位準(zhǔn)確[4]。同時(shí)分布式電源接入之后，故障定位模型中的開(kāi)關(guān)函數(shù)建立也更為復(fù)雜，需要事先定義好配電系統(tǒng)中電流的正方向和負(fù)方向?？梢赃x擇其中一個(gè)電源點(diǎn)為電流方向的參考點(diǎn)，從參考點(diǎn)到非參考電源點(diǎn)的路徑為正方向，而從非電源參考點(diǎn)到參考點(diǎn)的物理量方向?yàn)樨?fù)方向。

3.基于粒子群算法的智能配電網(wǎng)故障定位技術(shù)

如果在智能配電網(wǎng)中每一個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)都配置了采集終端如FTU，并在采集終端上設(shè)置了一個(gè)整定電流值，當(dāng)所采集到的電流值超過(guò)了所設(shè)定的整定值時(shí)，則判斷該節(jié)點(diǎn)存在過(guò)流信息。在采用粒子群算法來(lái)進(jìn)行智能配電網(wǎng)故障定位時(shí)，和矩陣算法同樣不需要掌握故障過(guò)電流的大小以及方向，只需要掌握那些配電線路中存在故障過(guò)電流信息就可以進(jìn)行故障定位計(jì)算。當(dāng)故障區(qū)段已經(jīng)定位完成之后再將定位結(jié)果發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)的采集終端，從而將配電網(wǎng)中的故障區(qū)段加以隔離，保證配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

3.1 粒子群算法

在粒子群算法中，通過(guò)多次迭代計(jì)算不斷更新自身粒子的速度以及位置等數(shù)據(jù)信息。在粒子迭代計(jì)算的過(guò)程中可以指定粒子迭代的位置公式和速度公式，并按照所設(shè)定的公式進(jìn)行更新，并將慣性權(quán)重和學(xué)習(xí)因子在粒子迭代公式中加以反應(yīng)。同時(shí)，在迭代計(jì)算過(guò)程中還需要對(duì)粒子的速度大小加以限制，設(shè)置一個(gè)速度上限值和速度下限值，這樣就可以保證粒子在更新的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)速度過(guò)快的情況，粒子群算法的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 粒子群算法的計(jì)算流程圖

從圖1粒子群算法的計(jì)算流程圖中可以看出，一般在粒子群優(yōu)化迭代計(jì)算過(guò)程中，首先，初始化配電網(wǎng)故障定位優(yōu)化模型中的各項(xiàng)參數(shù)信息，并制定好粒子的最大迭代次數(shù)、粒子群的迭代規(guī)模和計(jì)算維度等信息。然后，隨機(jī)生成一批初始化的粒子，包括粒子的位置及速度等數(shù)據(jù)。最后，計(jì)算各個(gè)粒子的適應(yīng)度，并根據(jù)所計(jì)算出來(lái)的適應(yīng)度數(shù)據(jù)與歷史解進(jìn)行對(duì)比。如果現(xiàn)在所得到的解更好，則將現(xiàn)在的個(gè)體替換原來(lái)的個(gè)體，成為新的個(gè)體重新進(jìn)行下一輪的迭代計(jì)算，并且將粒子的速度和位置等數(shù)據(jù)加以更新。通過(guò)粒子之間的不斷比較，得出最優(yōu)解，完成故障定位的迭代計(jì)算。

3.2 基于粒子群算法的智能配電網(wǎng)故障定位

考慮到實(shí)際配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，為了降低求解的維數(shù)，在智能配電網(wǎng)中，需要把整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)看作有向圖用來(lái)描述配電網(wǎng)中同時(shí)具備多個(gè)不同電源點(diǎn)的特征。整個(gè)配電系統(tǒng)可以分為有源樹(shù)和無(wú)源樹(shù)，其中有源樹(shù)是指當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)各個(gè)電源點(diǎn)會(huì)提供短路故障電流。而無(wú)源樹(shù)是其本身沒(méi)有電源點(diǎn)，主要依靠有源樹(shù)提供短路電流。以某IEEE 33節(jié)點(diǎn)的配電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE 33節(jié)點(diǎn)的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上圖2 IEEE 33節(jié)點(diǎn)的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可知，在節(jié)點(diǎn)8、21、28和33處分別有分布式電源接入，共有4個(gè)分布式電源。其中實(shí)線所連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分為有源樹(shù)，虛線所連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分為無(wú)源樹(shù)，總共有6條無(wú)源樹(shù)枝。架設(shè)配電系統(tǒng)中的F1處發(fā)生故障，此時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控終端所上傳的故障電流中，有6條無(wú)源樹(shù)枝都沒(méi)有故障電流流過(guò)，從而可以降低解的維數(shù)，即將配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，降低故障定位計(jì)算過(guò)程中的迭代計(jì)算量，提高故障定位的速度。

當(dāng)對(duì)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化降維之后，在具體的粒子群算法求解定位中，首先是進(jìn)行編碼。由于現(xiàn)場(chǎng)的采集終端設(shè)備能夠采集到每一個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)了故障過(guò)電流情況，并且結(jié)果就是2種，一種是過(guò)電流，另一種是沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電流，故可以采用二進(jìn)制0、1來(lái)進(jìn)行編碼。用1來(lái)表示某個(gè)配電開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了過(guò)電流，用0來(lái)表示某個(gè)配電開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電流。當(dāng)編碼工作結(jié)束之后就可以開(kāi)始構(gòu)造開(kāi)關(guān)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)。配電系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠采集到故障電流，與這個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的下游線路是否發(fā)生了故障直接相關(guān)，故可以采用開(kāi)關(guān)函數(shù)來(lái)表示該開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)下游是否存在故障過(guò)電流信息。在具體的配電網(wǎng)故障區(qū)段診斷及定位過(guò)程中還需要通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)來(lái)判斷所得到的定位區(qū)段是否合理。當(dāng)這些函數(shù)都已經(jīng)構(gòu)造完成之后就可以利用上述所分析的粒子群優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行配電網(wǎng)故障區(qū)段的定位。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于模型中的各類參數(shù)的設(shè)置較為關(guān)鍵，會(huì)直接影響到最終的計(jì)算結(jié)果，故對(duì)此應(yīng)加以把握，保證對(duì)配電網(wǎng)故障區(qū)段定位的準(zhǔn)確性。

4.結(jié)論

隨著智能配電網(wǎng)的快速發(fā)展，加強(qiáng)智能配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)研究具有較強(qiáng)的必要性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文主要分析了粒子群算法的智能配電網(wǎng)故障定位技術(shù)，該技術(shù)的故障定位計(jì)算速度快，定位結(jié)果準(zhǔn)確，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果，可以在實(shí)際的電力企業(yè)配電網(wǎng)運(yùn)行管理中加以應(yīng)用，從而更好地保障配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。