呂東飛

（國(guó)網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255300）

0 引 言

與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜并且智能化水平也相對(duì)較低，因此發(fā)生故障的可能性也更高。目前，學(xué)術(shù)界以及電力領(lǐng)域?qū)ε潆娋W(wǎng)的故障研究更側(cè)重于故障切除和故障隔離，力求最大程度上降低故障影響范圍和持續(xù)時(shí)間[1]。但是從現(xiàn)實(shí)的角度出發(fā)，以綜合能源為代表的發(fā)電設(shè)備的接入和應(yīng)用導(dǎo)致變電站周?chē)艌?chǎng)發(fā)生變化，出現(xiàn)故障信號(hào)和告警信息畸變的概率較大，也就相應(yīng)地對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位算法的容錯(cuò)性能提出了更高要求。本文結(jié)合子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索方法，對(duì)配電網(wǎng)故障定位的容錯(cuò)性能展開(kāi)深入研究。

1 改進(jìn)配電網(wǎng)異常處理模式

當(dāng)配電網(wǎng)中涉及到的電流和電壓不再滿足于歐姆定律時(shí)，說(shuō)明故障區(qū)域面積應(yīng)相對(duì)較大。利用子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索方法，改進(jìn)配電網(wǎng)異常處理模式。結(jié)合配電網(wǎng)的3種基本結(jié)構(gòu)以及故障信息的傳遞特征，以毫秒級(jí)為單位，利用斷路器等元件隔離故障區(qū)段。獲取的故障發(fā)生期間的線路電流為

式中：P表示故障前的電氣量；Q表示負(fù)荷分量；t表示故障持續(xù)時(shí)間。由式（1）可知，對(duì)于沒(méi)有出現(xiàn)故障的電路來(lái)說(shuō)，其流經(jīng)的電流在本質(zhì)上是相同的。在式（1）的基礎(chǔ)上得出流經(jīng)饋線區(qū)段的故障電流為

式中：α表示故障電流分量；β表示正常電流分量；δ表示線路阻抗參數(shù)。以式（1）和式（2）的計(jì)算結(jié)果作為數(shù)據(jù)支撐，在隔離區(qū)域的基礎(chǔ)上提前恢復(fù)配電網(wǎng)供電。配電網(wǎng)接入的繼電保護(hù)裝置的連接方式一般是以多級(jí)串聯(lián)為主，當(dāng)啟動(dòng)速斷保護(hù)模式的時(shí)候，還需要0.3 s左右的響應(yīng)時(shí)間[2,3]。如果配電網(wǎng)的接線形式類(lèi)型較為復(fù)雜，則需要利用子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索方法獲取配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的證據(jù)體。

2 基于子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索獲取證據(jù)體

當(dāng)配電網(wǎng)的配電終端檢測(cè)到故障電流時(shí)，需要及時(shí)將故障信息反饋到變電主站。但有時(shí)會(huì)受到外界噪聲干擾或者是惡劣天氣影響，導(dǎo)致故障信息有所缺失。在數(shù)學(xué)理論中，可以將故障位容錯(cuò)問(wèn)題看作是0-1的整數(shù)規(guī)劃，因此在子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索方法的作用下，得出故障傳遞速度矢量以及故障定位矢量的表達(dá)公式為

式中：ε表示子節(jié)點(diǎn)；σ表示第σ位；μ表示速度值；γ表示位置值；σ表示慣性因子；T表示加速因子。根據(jù)式（3）和式（4）的計(jì)算結(jié)果，能夠得出在子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索模式下，故障信息與期望故障信息之間的適應(yīng)度函數(shù)為

式中：E表示單個(gè)子節(jié)點(diǎn)的矢量；ξ表示配電網(wǎng)區(qū)段數(shù)；d表示單個(gè)子節(jié)點(diǎn)的位置量；?表示每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)度。當(dāng)配電網(wǎng)的區(qū)段數(shù)與配電終端的數(shù)量能夠基本匹配時(shí)，其實(shí)際上傳的故障信息可信程度較高[4,5]。而本次設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的證據(jù)體主要來(lái)源也是以用電信息為代表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在正常運(yùn)行的狀態(tài)下，電壓值都處于一個(gè)正常值區(qū)間。而一旦出現(xiàn)金屬性接地故障，則采集終端及其控制中心就無(wú)法及時(shí)發(fā)送故障信息[6]。在容錯(cuò)算法的證據(jù)體中，對(duì)應(yīng)區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索模式也必須根據(jù)負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量以及分布特征作出相應(yīng)調(diào)整。

3 構(gòu)建信號(hào)畸變校正模型

將多電源作為備用供電設(shè)備，當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，保證快速切換供電線路。為了保證非故障區(qū)域的正常供電，還需要提取運(yùn)行過(guò)程中的有功電流給定參考值，具體為

式中：λ表示故障發(fā)生前的并網(wǎng)電壓；?表示逆變器的額定電流。當(dāng)配電網(wǎng)中的分支走向較為簡(jiǎn)單時(shí)，可以通過(guò)故障測(cè)距的方式進(jìn)行直接定位[7]。此外，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，大部分以小電流接地為主的配電網(wǎng)在發(fā)生單相故障后，仍然可以正常運(yùn)行將近2 h，因此需要根據(jù)線路異?？焖倥袛喙收衔恢貌?gòu)建畸變模型。為了達(dá)到校正故障信號(hào)的目的，在配電網(wǎng)的主站控制中心提取故障電流信號(hào)，具體為

式中：g表示無(wú)故障時(shí)的配電網(wǎng)過(guò)流整定值；F表示各相故障電流。根據(jù)遙信量之間的關(guān)聯(lián)特征，利用饋線終端裝置，分別采集各相上報(bào)的故障信號(hào)和故障電流，并以是否存在至少兩相故障作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，得出故障信號(hào)是否有畸變的結(jié)論。在不存在故障信號(hào)漏報(bào)的情況下，直接得出配電網(wǎng)的故障信號(hào)序列。如果配電網(wǎng)中的各相故障信號(hào)中只存在一相或者是沒(méi)有故障的情況，則需要重新檢驗(yàn)。由上述結(jié)論得出信號(hào)畸變校正模型的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為

式中：f表示故障信號(hào)的修正值；t表示遙測(cè)量中的各相故障電流；n表示不等于1的常數(shù)。此外，如果回路故障信號(hào)與各饋線上的開(kāi)關(guān)故障信息能夠吻合，說(shuō)明此時(shí)配電網(wǎng)中的故障信號(hào)序列處于可識(shí)別狀態(tài)。

4 設(shè)計(jì)故障定位容錯(cuò)算法

在設(shè)計(jì)故障定位容錯(cuò)算法的過(guò)程中，將饋線開(kāi)關(guān)都作為等效節(jié)點(diǎn)，并按照潮流發(fā)展方向定義上、下游節(jié)點(diǎn)的從屬關(guān)系[8]。結(jié)合配電網(wǎng)不同的區(qū)域特征，將數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory ControI And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)作為故障信息來(lái)源，將讀取周期設(shè)置為3 min，實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)的故障報(bào)警和電流短路信息，并判斷是否存在故障。同時(shí)，與配電網(wǎng)在正常狀態(tài)下的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)運(yùn)行條件調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]到故障定位容錯(cuò)算法的容錯(cuò)性能，在信號(hào)畸變校正模型的基礎(chǔ)上，得出饋線開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)畸變率最小化的目標(biāo)函數(shù)為

式中：r1表示饋線第一區(qū)段；r2表示饋線第二區(qū)段；U表示區(qū)段狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障告警信息；p表示畸變后的懲罰項(xiàng)。由此得出配電網(wǎng)饋線區(qū)段故障容錯(cuò)最大化的目標(biāo)函數(shù)為

式中：N表示關(guān)聯(lián)矩陣；M表示區(qū)段狀態(tài)矩陣；η表示末端節(jié)點(diǎn)集合；q表示矩陣維度。同時(shí)，將配電網(wǎng)中饋線終端上報(bào)的故障信息以及遙測(cè)量中的故障信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，提取關(guān)聯(lián)特征，為下一步校正開(kāi)關(guān)信息奠定基礎(chǔ)。根據(jù)第3節(jié)的故障信號(hào)畸變校正模型，通過(guò)查表的方式追溯故障回路，在得到信號(hào)序列后識(shí)別各饋線的開(kāi)關(guān)狀態(tài)[9,10]。

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

利用互聯(lián)網(wǎng)通信引擎（Internet Communications Engine，ICE）接口直接獲取配電網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)從Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取歷史數(shù)據(jù)。硬件方面，選擇Intel(R)Core(TM)i5 CPU M390@2.67GHz配置的處理器，內(nèi)存為2 GB及以上、硬盤(pán)容量為50 GB以上。軟件方面，除了Oracle作為源數(shù)據(jù)庫(kù)之外，在PL/SQL 10.0.3.1701開(kāi)發(fā)環(huán)境中額外選取JDK和IDEA作為數(shù)據(jù)處理工具?？紤]到配電網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，將IntelliJ IDEA和Apache Maven作為Java語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境與項(xiàng)目管理工具。此外，為了保證測(cè)試過(guò)程中的軟硬件能夠完美兼容，選擇Mule ESB作為標(biāo)準(zhǔn)化中間平臺(tái)。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)以對(duì)比分析的方式展開(kāi)，使用基于改進(jìn)矩陣算法的配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法、基于灰狼算法的配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法，與文中的配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法進(jìn)行對(duì)比。以配電網(wǎng)出現(xiàn)信息畸變?yōu)榍疤?，分別測(cè)試在不同的單、雙故障情境下，3種配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的耗時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 信息畸變單故障下的算法耗時(shí)

圖2 信息畸變雙故障下的算法耗時(shí)

由圖1和圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得出3種配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法耗時(shí)均值，具體如表1所示。

表1 3種配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的耗時(shí)均值

根據(jù)表1可知，在單、雙故障情境下，文中配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的耗時(shí)均值為0.245 s。在同等條件下，比另外2種配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法的耗時(shí)均值分別低0.439 s和0.450 s，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)的算法在運(yùn)行耗時(shí)方面更加優(yōu)越。

6 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本次設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)故障定位容錯(cuò)算法在時(shí)間方面具有更好的性能，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的思路，此外也優(yōu)化了子節(jié)點(diǎn)數(shù)搜索方法的應(yīng)用模式。未來(lái)將繼續(xù)對(duì)算法的迭代性能加以改進(jìn)，力求在算法精度方面達(dá)到新高度。