一種實用的饋線自動化方案

曾欣強

(湖南省電力公司株洲電業(yè)局，湖南 株洲 412000)

1 引言

配電網(wǎng)自動化是減少停電時間、縮小停電范圍從而提高供電可靠性的重要手段，如何在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，及時準(zhǔn)確地判斷出故障區(qū)域，并采取有效措施快速隔離故障區(qū)域、恢復(fù)非故障停電區(qū)域供電，即饋線自動化，是配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一〔1〕。

根據(jù)故障處理方式的不同，饋線自動化可以分為2種模式，即分布式處理和集中控制模式。根據(jù)故障處理時是否需要通信，分布式處理模式又可分成2種類型:無信道分布式處理和有信道分布式處理。無信道分布式處理方式只利用開關(guān)設(shè)備的自身檢測故障信息、利用預(yù)先設(shè)置好的定值參數(shù)實現(xiàn)出口斷路器和各個分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作配合實現(xiàn)故障處理，因此又可稱為基于點保護的分布處理;有信道分布處理模式在故障處理時除了利用饋線開關(guān)FTU自身采集的信息外，還利用與其他FTU信息做出判斷和動作，又稱為基于面保護的分布式處理〔2〕。集中控制模式一般由FTU完成故障信息檢測上送到配電子站或配電主站，由配電子站或主站實現(xiàn)故障的定位、隔離和非故障區(qū)域供電恢復(fù)。

饋線自動化的前2種模式對通訊和主站建設(shè)要求較低，投資較少，目前在我國配電網(wǎng)中仍被廣泛應(yīng)用。但隨著多電源、多分支的復(fù)雜配電網(wǎng)日趨增多，前2種模式已很難滿足故障恢復(fù)處理的要求。隨著配電網(wǎng)通訊技術(shù)的發(fā)展，集控控制模式逐步成為復(fù)雜配電網(wǎng)實現(xiàn)饋線故障處理的主要模式。此種模式下，對饋線非故障區(qū)段恢復(fù)可以區(qū)分上下游失電區(qū)域分別處理。故障上游停電區(qū)域恢復(fù)比較簡單，找到故障饋線的出口開關(guān)即是故障上游恢復(fù)方案，上游恢復(fù)方案是單一的，不存在過負荷問題。在饋線存在多聯(lián)絡(luò)的情況下，下游非故障區(qū)段恢復(fù)比較復(fù)雜，是一個復(fù)雜的多目標(biāo)、多約束、離散化、非線性混合整數(shù)組合優(yōu)化問題，最終得到的是一系列開關(guān)組合。國內(nèi)外學(xué)者對此提出了多種解決方法，大致可分為2類:傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和人工智能方法〔3〕。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是基于各種優(yōu)化技術(shù)來確定恢復(fù)供電策略，這類方法將待解問題用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)形式表達成目標(biāo)函數(shù)和等式、不等式約束條件，并用數(shù)學(xué)方法進行求解。人工智能方法主要包括:傳統(tǒng)啟發(fā)式算法、專家系統(tǒng)法、模糊算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)法、現(xiàn)代啟發(fā)式優(yōu)化算法。其中，現(xiàn)代啟發(fā)式算法又包括:遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索算法。另外，還有分布式人工智能技術(shù)的多代理系統(tǒng)，組合方法等。但是，由于配電網(wǎng)設(shè)備繁多，設(shè)備參數(shù)獲取困難，限制了上述算法在工程中的實際應(yīng)用，另外我國大多數(shù)地區(qū)配電網(wǎng)一次設(shè)備缺乏對實現(xiàn)自動化的充分支持，不少開關(guān)無法實現(xiàn)遙控功能，也為饋線自動化的實施帶來一定困難。本文充分考慮我國配電網(wǎng)的運行特點和實施配電自動化的實際情況，提出了一種算法簡單、實用性較強的配網(wǎng)故障處理方法。

2 饋線故障處理基本原理

集中式故障處理的基本原理為，配電自動化主站系統(tǒng)根據(jù)FTU上報的故障信息或故障指示器上報的信息，結(jié)合配電網(wǎng)拓撲模型和連通性分析，對配電網(wǎng)中發(fā)生的故障進行實時分析和判斷，確定故障發(fā)生的位置，并提出正確有效的故障隔離方案和故障隔離后的停電區(qū)域供電恢復(fù)方案。

以典型的配電網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)圖為例，如圖1所示。假設(shè)在S2與S3之間的饋線段上發(fā)生永久性故障。故障發(fā)生后，F(xiàn)1饋線出口斷路器跳開，重合閘動作。由于是永久性故障，重合閘失敗，斷路器再次跳開，重合閘閉鎖，之后啟動故障處理程序，由FTU上報的故障信息判斷出故障位置在S2與S3之間，給出需要斷開分段開關(guān)S2和S3，隔離故障。

故障隔離后，除故障區(qū)段外，原饋線F1供電的區(qū)域被分成2部分，一部分為故障點上游饋線F1的出線開關(guān)和分段開關(guān)S2之間的失電區(qū)域，稱為上游失電區(qū)域;另一部分為故障點下游一直到各聯(lián)絡(luò)開關(guān)部分的失電區(qū)域，稱為下游失電區(qū)域。

對于上游失電區(qū)域只需合上饋線的出口斷路器即可恢復(fù)供電，而下游失電區(qū)域需要通過與其他電源相連的聯(lián)絡(luò)開關(guān)來恢復(fù)供電，并由分段開關(guān)來保持輻射狀供電。由于該區(qū)域可恢復(fù)供電的路徑較多，選擇哪一種恢復(fù)策略，在保證快速恢復(fù)供電的同時，又能使恢復(fù)供電后系統(tǒng)的性能最優(yōu)是一個值得研究的問題〔3〕。

圖1 配電網(wǎng)饋線部分結(jié)構(gòu)圖

3 饋線故障處理模型設(shè)計

饋線故障處理的核心是故障定位和故障恢復(fù)方案的快速形成和評價，是以網(wǎng)絡(luò)連通性分析為基礎(chǔ)的。因此，為了有效地進行網(wǎng)絡(luò)連通性分析，為了有效進行恢復(fù)方案開關(guān)搜索，必須設(shè)計出合理的網(wǎng)絡(luò)連接模型。

從電網(wǎng)設(shè)備的外部連接特性來說，原始的配電網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)庫中電力設(shè)備可以分為單端、雙端和三端3種類型。單端設(shè)備包括:電源 (SO)、負荷(LD)、電容器/電抗器 (CP);雙端設(shè)備包括線路(LN)、饋線段 (SEC)、開關(guān) (CB)、繞組(XF)、零阻抗支路 (ZBR);三端設(shè)備包括變壓器(XFMR)。設(shè)備之間的連接關(guān)系由設(shè)備的端點或它們的公共結(jié)點來定義，這樣就形成了基于結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型。

另一方面，從設(shè)備的連通屬性來說，又可以將電力系統(tǒng)設(shè)備分為開關(guān)設(shè)備 (邏輯設(shè)備)和非開關(guān)設(shè)備2類。開關(guān)設(shè)備的狀態(tài) (閉合、斷開)決定開關(guān)兩端結(jié)點之間的連通性，因此決定非開關(guān)設(shè)備之間的連通性，并且最終決定網(wǎng)絡(luò)的連通性。原則上只要根據(jù)結(jié)點與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，就可以執(zhí)行任何形式的連通分析。但是，由于配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型較多，并且數(shù)量十分龐大，在配電網(wǎng)故障處理過程中，如果直接利用最原始的結(jié)點與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來引導(dǎo)搜索，不僅搜索效率和速度較低，而且難以建立相應(yīng)的推理模型和控制策略。

在配電網(wǎng)中，1條配電饋線一般由饋線分段開關(guān)分為幾個區(qū)段，每個區(qū)段內(nèi)部又包含多個饋線段(SEC)和用戶負荷 (LD)。饋線包含的設(shè)備數(shù)量十分龐大，但包含的區(qū)段數(shù)量較少，一般為2—4個。在故障處理過程中，區(qū)段是饋線的最小可控部分，其內(nèi)部連接關(guān)系不變，可以作為一個整體來考慮。因此，在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)連通分析時，可以將區(qū)段作為一個具有多個結(jié)點的元件來處理，而不考慮其內(nèi)部元件組成和連接關(guān)系;當(dāng)需要進行詳細的分析計算時，例如當(dāng)需要進行潮流計算以校驗候選恢復(fù)方案時，再考慮區(qū)段內(nèi)部的具體結(jié)線。這樣，通過引入?yún)^(qū)段的概念，可以大大簡化配電網(wǎng)絡(luò)的物理模型，進而可以提高故障恢復(fù)的推理速度和效率〔4〕。

4 改進的饋線故障處理方法

由于配網(wǎng)的運行方式、自動化覆蓋程度以及在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)獲取等方面存在很多復(fù)雜的因素，導(dǎo)致常規(guī)故障處理方法在工程上得不到很好的應(yīng)用，本文根據(jù)工程實際情況，對常規(guī)故障處理方法進行了改進。

4.1 故障檢測

故障檢測的目的是根據(jù)SCADA收集的故障信息判斷故障發(fā)生的饋線及所在的區(qū)段，為形成故障隔離方案和故障恢復(fù)方案提供初始條件。

故障定位的原理比較簡單，配電網(wǎng)一般為輻射狀，故障電流從電源點 (或饋線首端結(jié)點)開始沿樹狀支路構(gòu)成的連通路徑單一方向地流向故障區(qū)。因此，對故障饋線上的任一區(qū)段，如果故障電流不流入該區(qū)段的任何端點，或從該區(qū)段的一個端點流入并從一個端點流出，該區(qū)段是非故障區(qū)段;如果故障電流只流入?yún)^(qū)段而不流出區(qū)段，則該區(qū)段是故障區(qū)段。

根據(jù)上述原理，在假定饋線上所有開關(guān)均具備故障遙信功能的條件下，可以應(yīng)用下列2條規(guī)則實現(xiàn)故障檢測:

a.IF饋線出口開關(guān)并監(jiān)測到故障指示信息;THEN故障就發(fā)生在這條饋線上。

b.IF在故障饋線的某一區(qū)段的各邊界開關(guān)中，有且只有一個開關(guān)監(jiān)測到故障電流;THEN故障就發(fā)生在該區(qū)段上。

在進行故障檢測時，首先應(yīng)用規(guī)則a根據(jù)饋線首端開關(guān)是否跳閘并收集到故障信息，確定故障發(fā)生饋線;然后確定該饋線在故障發(fā)生前的連接區(qū)段(具體方法是從饋線首端結(jié)點開始沿閉合開關(guān)執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索)，并且根據(jù)區(qū)段與開關(guān)關(guān)聯(lián)表找到各區(qū)段的邊界開關(guān)，應(yīng)用規(guī)則b確定故障發(fā)生區(qū)段，并將所確定的故障區(qū)段插入故障區(qū)段表〔4〕。

4.2 形成故障隔離方案

區(qū)段是饋線的最小可控部分。在故障檢測程序檢測到故障發(fā)生區(qū)段之后，從區(qū)段與開關(guān)關(guān)聯(lián)表中取出該區(qū)段的各邊界開關(guān)，形成故障隔離操作方案，并寫入故障隔離操作步驟表中。

4.3 形成故障恢復(fù)方案

形成故障恢復(fù)方案之前首先要進行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析。

1)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析的任務(wù)

a.帶電分析，分析故障發(fā)生后網(wǎng)絡(luò)的帶電情況，將整個配電網(wǎng)劃分為帶電區(qū)和停電區(qū);

b.網(wǎng)絡(luò)劃分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各區(qū)段相對電源點和故障點的位置，將停電區(qū)劃分為上游區(qū)、故障區(qū)和下游區(qū)，其中上游區(qū)是可由饋線首端開關(guān)立刻恢復(fù)供電的區(qū)域，故障區(qū)是不可恢復(fù)區(qū)，下游區(qū)是有待確定是否可由饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)的區(qū)域;

c.統(tǒng)計分析，將停電區(qū)段、停電負荷、故障區(qū)段、故障負荷、上游區(qū)段、上游負荷、下游區(qū)段、下游負荷、已恢復(fù)負荷、待恢復(fù)負荷等情況進行統(tǒng)計，并分別寫入動態(tài)表中。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析是故障恢復(fù)的前提，其實質(zhì)是根據(jù)SCADA提供的實時信息，不斷刷新網(wǎng)絡(luò)的最新恢復(fù)狀態(tài)，為恢復(fù)推理做好準(zhǔn)備。

2)形成上游恢復(fù)方案

故障上游停電區(qū)域恢復(fù)比較簡單，方案也是唯一的。其步驟為:從故障饋線表中依次取出故障饋線，然后從饋線表中取出該饋線的首端開關(guān)，只要故障位置不在此開關(guān)后第一個區(qū)段，即可將此開關(guān)寫入恢復(fù)動態(tài)表中，否則無恢復(fù)方案。

3)形成下游恢復(fù)方案

下游停電區(qū)域恢復(fù)取決于連接下游區(qū)的可選聯(lián)絡(luò)開關(guān)和網(wǎng)絡(luò)運行約束。當(dāng)下游停電區(qū)域有多個聯(lián)絡(luò)開關(guān)時，情況比較復(fù)雜，可能的恢復(fù)方案組合將急劇增加。形成下游區(qū)恢復(fù)方案的原則是先簡后繁、先近后遠，優(yōu)先考慮用最少的操作開關(guān)、最近的恢復(fù)電源，來恢復(fù)最多的停電負荷。本文根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和目前饋線自動化實際工程運行情況，搜索下游停電區(qū)域連接的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，形成整區(qū)故障恢復(fù)方案。放棄了采用配網(wǎng)潮流計算來進行恢復(fù)方案過負荷校驗的常規(guī)方法，采用轉(zhuǎn)供饋線出口開關(guān)當(dāng)前電流、轉(zhuǎn)供饋線容量和待恢復(fù)負荷來對恢復(fù)方案是否過負荷進行評價，供調(diào)度員在故障處理過程中參考，具有較強的實際指導(dǎo)意義。

5 隔離和恢復(fù)方案擴展及執(zhí)行策略

在形成了基本的隔離方案和上游、下游恢復(fù)方案后，還需要根據(jù)開關(guān)是否能夠遙控等條件對隔離方案和恢復(fù)方案進行進一步的處理。

1)去掉隔離方案中的分支線開關(guān)。由故障區(qū)段邊界開關(guān)形成的隔離方案開關(guān)，如果隔離方案開關(guān)與恢復(fù)方案的開關(guān)不存在供電路徑，則該隔離開關(guān)是連接分支線的開關(guān)，隔離方案中需要把該開關(guān)去掉。在圖1中，假設(shè)邊界開關(guān)為S3，S4，S13和S14的區(qū)段發(fā)生永久性短路故障，在最初形成的隔離方案中包含S3，S4，S13和S14開關(guān)，但是S14開關(guān)不與任何恢復(fù)方案開關(guān)形成供電路徑，所以隔離方案中需要去掉開關(guān)S14。最終，形成的隔離方案只包括S3、S4和S13開關(guān)。

2)如果隔離方案中存在兩遙開關(guān) (無法遙控)，為了達到快速處理故障的目的，則應(yīng)形成擴控隔離方案，供調(diào)度員參考。具體方法是查找隔離開關(guān)與恢復(fù)開關(guān)供電路徑上的一個最近三遙開關(guān)作為擴控隔離開關(guān)。擴控隔離方案的開關(guān)都是三遙開關(guān)，能夠由程序自動執(zhí)行或由調(diào)度員遙控執(zhí)行故障隔離，達到快速隔離故障、快速恢復(fù)非故障停電區(qū)域供電的目的。

3)故障恢復(fù)方案執(zhí)行時考慮轉(zhuǎn)供饋線保電特殊情況。饋線保電時不允許對其他負荷區(qū)域進行轉(zhuǎn)供電，當(dāng)恢復(fù)方案開關(guān)連接的轉(zhuǎn)供饋線保電時，該恢復(fù)開關(guān)不能執(zhí)行遙控合閘，對調(diào)度員給出相應(yīng)提示信息。

4)建立了聯(lián)絡(luò)饋線組的概念。聯(lián)絡(luò)饋線組是指通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接在一起的饋線，是實施饋線故障處理的最小區(qū)域。一個聯(lián)絡(luò)饋線組具有統(tǒng)一的故障處理模式，不同的聯(lián)絡(luò)饋線組可以設(shè)置不同的故障處理模式和故障處理優(yōu)先級。發(fā)生多重故障時，優(yōu)先級高的故障饋線組優(yōu)先處理。隔離方案信息和恢復(fù)方案信息按照聯(lián)絡(luò)饋線組為單元來顯示和執(zhí)行。

5)聯(lián)絡(luò)饋線組的故障處理模式分為閉鎖、手工、半自動和全自動4種模式。閉鎖模式時該聯(lián)絡(luò)饋線組對SCADA采集的故障信息不處理，該模式主要適用于聯(lián)絡(luò)饋線組進行故障信號調(diào)試、保護信息調(diào)試的情況，以避免對饋線自動化功能的干擾;手工模式時故障處理程序給出隔離方案和對應(yīng)的擴展隔離方案以及上游、下游恢復(fù)方案，由調(diào)度員確認后手工進行故障隔離和恢復(fù)操作;半自動模式時，故障處理程序自動執(zhí)行隔離方案或擴展隔離方案，由調(diào)度員確認故障隔離成功后，手工執(zhí)行上下游恢復(fù)方案;全自動模式時，故障處理程序自動執(zhí)行隔離方案或擴展隔離方案，隔離方案執(zhí)行成功后，自動執(zhí)行上游、下游恢復(fù)方案。

6 結(jié)論

通過對饋線自動化常用模式分析，總結(jié)出配網(wǎng)故障恢復(fù)常用的幾種算法，剖析了故障處理模型的設(shè)計和故障處理的方法步驟。根據(jù)工程實際情況，對常規(guī)故障處理方法進行了改進。改進的故障處理方法具有簡單、可靠性高、實用性強的特點。

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