基于ARM的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位的研究

池永勝(宣化科技職業(yè)學(xué)院，河北張家口075100)

基于ARM的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位的研究

池永勝
(宣化科技職業(yè)學(xué)院，河北張家口075100)

分布式發(fā)電具有供電靈活、清潔環(huán)保的優(yōu)勢，是大電網(wǎng)有益和必要的補(bǔ)充。隨著越來越多的分布式電源接入大電網(wǎng)，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的故障定位方法已不能適應(yīng)含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位。研究了適用于含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位方案，確定了以遺傳算法為主體的故障判定方法，并利用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建了故障監(jiān)控體系。實(shí)驗(yàn)證明，該監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、誤差距離小，能有效地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位和監(jiān)控。

配電網(wǎng)；分布式發(fā)電；故障定位；遺傳算法；嵌入式

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)力水平的不斷提高，電力用戶對供電的需求呈指數(shù)級增長，而與此同時(shí)，電力用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來越高，這造成了大電網(wǎng)的復(fù)雜性和安全性的降低。電力用戶在所遭受的停電中，大約有95％以上是大電網(wǎng)的故障造成的，因此，改變變配電的基本結(jié)構(gòu)，是電網(wǎng)發(fā)展、管理和運(yùn)行維護(hù)的必然選擇。

分布式電源(DG)也稱為嵌入式發(fā)電，是一種新型的電網(wǎng)形式，主要形式有風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能、生物能等可再生能源發(fā)電，是大電網(wǎng)的必要和有益的補(bǔ)充。在已有大電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，引入分布式電源是電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。

分布式電源是發(fā)電系統(tǒng)以分散性的小規(guī)模狀況存在，一般分布在用戶的附近，可獨(dú)立向用戶輸出電能的供電方式。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，分布式發(fā)電具有污染小、配電網(wǎng)組成靈活、負(fù)載對電網(wǎng)的影響被限制在一定范圍之內(nèi)等優(yōu)勢。這對于一些邊遠(yuǎn)地區(qū)或大電網(wǎng)工作不穩(wěn)定的地區(qū)是一種有力的供能

1 分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行所面臨的問題

分布式電源有兩種運(yùn)行方式，一種是獨(dú)立運(yùn)行，另一種是并網(wǎng)運(yùn)行。而當(dāng)分布式電源并入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)造成傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和工作方式的變化，使電網(wǎng)中各支路的潮流失去單向性，造成諸多技術(shù)性問題。

分布式電源并網(wǎng)首先遇到的問題是系統(tǒng)的接口問題。將分布式電源接入大電網(wǎng)需要處理電壓、電流、頻率等參數(shù)的切換，而這種切換必須是瞬間完成而且要足夠平滑。由于目前電力系統(tǒng)與分布式電源的接口等還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，造成了分布式電源接入的混亂[1]。

分布式電源并網(wǎng)的第二個(gè)難題是用戶負(fù)載的不確定性會(huì)使分布式電源并入大電網(wǎng)時(shí)的控制更加復(fù)雜，這種復(fù)雜性體現(xiàn)在利用電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、功率調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)面臨許多技術(shù)難題，也會(huì)使能源的優(yōu)化配置更加困難。

而分布式電源并網(wǎng)的最大難題是電網(wǎng)故障的定位和判定會(huì)更加困難，單獨(dú)靠普通的調(diào)度和管理不能達(dá)到可靠性的要求，因此，需要針對含分布式電源配電網(wǎng)的基本特點(diǎn)來研究出新的故障定位與判定方法。

2 配電網(wǎng)故障定位算法研究

配電網(wǎng)故障定位方法主要有兩種方式：一種是直接算法，另一種是間接算法。在直接算法中，主要有阻抗法和行波法兩種方法。阻抗法利用故障點(diǎn)線路長度與線路阻抗的正比關(guān)系來計(jì)算故障點(diǎn)的位置，而行波法利用故障點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸距離與傳輸時(shí)間成正比例的關(guān)系來判定故障點(diǎn)。直接算法采用了配電網(wǎng)自動(dòng)化饋線終端單元(FTU)來采集故障點(diǎn)的電網(wǎng)信息，從而實(shí)現(xiàn)故障檢測、定位和隔離，從而使配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)可以有效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

間接算法是將多種數(shù)學(xué)算法應(yīng)用至故障定位系統(tǒng)中，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、蟻群算法等。由于傳統(tǒng)的直接算法在判定的準(zhǔn)確性和時(shí)效性等方面都存在著不盡如人意的地方，因此間接算法是目前研究的重點(diǎn)。

遺傳算法(GA)是一種迭代式自適應(yīng)概率性搜索方法，它建立在自然遺傳機(jī)制和選擇原理上，從而實(shí)現(xiàn)人工智能系統(tǒng)[2]。遺傳算法具有魯棒性和適應(yīng)性好、全局收斂迅速、尋找最優(yōu)解快速的優(yōu)勢，非常適合故障地點(diǎn)的定位。

將遺傳算法應(yīng)用于含分布式電源的故障定位，主要就是利用配電網(wǎng)輻射性的特點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的模塊，在每個(gè)模塊中利用嵌入式技術(shù)構(gòu)建基于各配電線路的分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)上的電流、電壓及頻率等電網(wǎng)參數(shù)采集點(diǎn)，采集后的數(shù)據(jù)作為算法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參與最優(yōu)解分析。

由于含分布式電源電網(wǎng)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，在將遺傳算法作為該類配電網(wǎng)故障定位方法時(shí)，需要對遺傳算法進(jìn)行一些改進(jìn)，在本設(shè)計(jì)中，將算法群族的適應(yīng)度函數(shù)改為：

式中：k為模塊中開關(guān)的總數(shù)；Ij為第j個(gè)開關(guān)的基本運(yùn)行信息，由智能數(shù)據(jù)采集點(diǎn)傳送至監(jiān)控中心；I*j(s)為節(jié)點(diǎn)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值，預(yù)存于數(shù)據(jù)庫中，供算法對比分析之用。

當(dāng)智能數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)在一定時(shí)間段內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)存在一定差距時(shí)，算法會(huì)按照適應(yīng)度函數(shù)的求解過程來尋找使公式(1)最小的解群過程，這個(gè)結(jié)果所對應(yīng)的線路就是故障對應(yīng)點(diǎn)。具體過程如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在故障定位和分析中，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集是定位的關(guān)鍵，依據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以使節(jié)點(diǎn)具有遙測、遙調(diào)、遙控的功能。

本設(shè)計(jì)的核心部件采用嵌入式單片機(jī)來完成，單片機(jī)的I/O口連接各種傳感器和開關(guān)等，從而形成電流電壓頻率等采樣回路、數(shù)字采樣回路、開關(guān)量輸出回路、通信接口。單片機(jī)采用S3C6410ARM芯片，系統(tǒng)輸入設(shè)為兩路模擬量，一路采集三相電壓、一路采集三相電流，以及一路數(shù)字量，用以采集開關(guān)量。為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，系統(tǒng)采用DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 總結(jié)

該設(shè)計(jì)是基于遺傳算法的含分布式電源故障定位系統(tǒng)，利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號的采集和計(jì)算，通過Matlab仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行具有重要意義。

圖1　　遺傳算法流程

圖2　　硬件結(jié)構(gòu)

[1]曾琦.分布式電源接入電力系統(tǒng)的問題研究[C]//中國電力系統(tǒng)保護(hù)與控制學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國電力系統(tǒng)保護(hù)與控制學(xué)術(shù)研討會(huì)，2012：567-569.

[2]趙蘊(yùn)蕾．含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位與恢復(fù)重構(gòu)算法的研究[D]．天津：天津理工大學(xué)，2013：46-49.

Study of fault location for distribution network containing distributed generation based on ARM

CHI Yong-sheng
(Xuanhua Science and Technology Career Academy,Zhangjiakou Hebei 075100,China)

Distributed power generation with flexible,clean and environmentally friendly advantages,was beneficial and necessary complement to large power grids.But as more and more distributed power generation access to large distributed power grid,the grid structure and functioning had undergone great changes.Then the traditional fault location methods could not meet the fault location that containing distributed power distribution grid.The distribution network fault location scheme was applied to contain the power of distributed,and the genetic algorithm was determined as the main body of determination method.The embedded systems were used to built fault monitoring system.Experiments show that the monitoring system is with good adaptability,real-time,small error distance,and distribution network fault location and monitoring can be effectively achieved.

distribution network;distributed generation;fault location;genetic algorithms;embedded

TM 727

A

1002-087 X(2016)01-0207-02

2015-08-12

池永勝(1973—)，男，河北省人，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。支撐，可以有效地提高供電的可靠性和電能質(zhì)量。