配電網(wǎng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張琦

摘要：基于惡劣氣候時(shí)的故障歷史數(shù)據(jù)以及內(nèi)部因素的高級(jí)應(yīng)用功能，設(shè)計(jì)具有潮流計(jì)算、可靠性分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的配電網(wǎng)故障預(yù)警系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，提前做好安全措施，從而實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，確保電網(wǎng)整體穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；故障；預(yù)警

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.086

1引言

如何安全、高效、及時(shí)地對(duì)配電網(wǎng)故障進(jìn)行預(yù)警，有效地避免配電網(wǎng)事故的發(fā)生，是電網(wǎng)企業(yè)迫切需要破解的一個(gè)難題。配電網(wǎng)的故障預(yù)警的方法主要有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警、基于網(wǎng)管數(shù)據(jù)的故障預(yù)警、基于規(guī)則的故障預(yù)警三種方法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的工作量非常的大，整個(gè)診斷過程對(duì)于運(yùn)維人員來講是一個(gè)黑盒，運(yùn)維人員無(wú)法了解診斷過程；基于網(wǎng)管數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警及診斷方法，缺點(diǎn)是故障診斷效率不高，定位不準(zhǔn)確；而基于規(guī)則的故障預(yù)警方法彌補(bǔ)了前兩種方法的不足，相比基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警及診斷方法，該方法可以使運(yùn)維人員了解故障預(yù)警及診斷的過程，相比基于網(wǎng)管數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警及診斷方法，該方法具有較高的準(zhǔn)確率和效率。而且，在電網(wǎng)狀況發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)維人員可以通過修改、增加或刪除規(guī)則，以確保故障預(yù)警及診斷的準(zhǔn)確率。因此，本系統(tǒng)使用應(yīng)用較為廣泛的基于規(guī)則的T-S型模糊推理法。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宗旨在于，提高電網(wǎng)供電可靠性，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)遵守行業(yè)有關(guān)調(diào)度管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用功能的同時(shí)，滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求。同時(shí)，系統(tǒng)還應(yīng)該是開放式的結(jié)構(gòu)體系，不僅能滿足當(dāng)前電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需要，而且還能滿足將來提升功能和規(guī)模擴(kuò)大的需要。由于電網(wǎng)信息的特殊性，軟件可以采用權(quán)限控制、密碼控制等措施來保證數(shù)據(jù)安全性。

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宗旨，當(dāng)輸入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)的有關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓計(jì)算、配電網(wǎng)線路故障率計(jì)算，給出理論上的一個(gè)故障預(yù)警方案和相關(guān)指標(biāo)，指導(dǎo)運(yùn)行人員開展運(yùn)維工作。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)故障預(yù)警系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括配網(wǎng)環(huán)境因素模塊、配網(wǎng)故障預(yù)警模塊、故障應(yīng)急措施模塊、應(yīng)急措施評(píng)估模塊和客戶端軟件模塊。

2.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)故障預(yù)警系統(tǒng)具備環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)輸入、故障預(yù)警、故障應(yīng)急措施和應(yīng)急措施模塊評(píng)估功能。

用戶將配網(wǎng)相關(guān)的環(huán)境參數(shù)輸入后，通過配網(wǎng)環(huán)境因素模塊進(jìn)行顯示，供用戶查看；配網(wǎng)故障預(yù)警模塊根據(jù)配網(wǎng)環(huán)境因素模塊中的環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用T-S模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)每條線路的斷線概率進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，給出配網(wǎng)的故障類型和故障后果；故障應(yīng)急措施模塊主要是根據(jù)配網(wǎng)故障預(yù)警模塊中所確定的發(fā)生故障的具體線路，根據(jù)所產(chǎn)生的故障，指導(dǎo)運(yùn)行人員在故障發(fā)生前采取相應(yīng)措施，從而達(dá)到故障預(yù)警的目的；應(yīng)急措施評(píng)估模塊是對(duì)故障應(yīng)急措施模塊中所提出的應(yīng)急措施進(jìn)行評(píng)估，通過計(jì)算采取相應(yīng)的措施后的配電網(wǎng)的潮流，來評(píng)估該措施的合理性和可靠性，是否會(huì)產(chǎn)生低電壓或者過負(fù)荷等其他一些不合理的情況。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1配網(wǎng)環(huán)境因素模塊

惡劣天氣出現(xiàn)的概率雖然不高，但在惡劣氣象條件下，配電網(wǎng)發(fā)生多種相關(guān)和不相關(guān)故障的概率快速增加，出現(xiàn)所謂的“故障聚集”現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)配電網(wǎng)線路產(chǎn)生強(qiáng)大的破壞作用。因此，在配電網(wǎng)故障預(yù)警中考慮天氣變化的影響是十分重要的。環(huán)境因素主要考慮氣候因素如：雷電、大風(fēng)、暴雨、覆冰、地震等。

環(huán)境因素模塊的主要功能是進(jìn)行歷史氣候數(shù)據(jù)的輸入和保存，便于在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中進(jìn)行調(diào)用和計(jì)算。其主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括一段時(shí)間內(nèi)轄區(qū)內(nèi)的區(qū)域落雷密度、每條線路的雷擊影響程度以及首、末端的工作狀態(tài)。用戶可以直接調(diào)用系統(tǒng)中的Excel文本，應(yīng)用其中已有的數(shù)據(jù)，也可以新建Excel文本，在其中進(jìn)行添加監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或者修改數(shù)據(jù)。

3.2配網(wǎng)故障預(yù)警模塊

本系統(tǒng)的故障預(yù)警模塊是針對(duì)落雷影響程度以及落雷密度對(duì)線路運(yùn)行的影響，對(duì)該線路遭受雷擊的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，即對(duì)線路可能由于雷擊影響而發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。目前配電網(wǎng)故障預(yù)警的方法有很多，本次設(shè)計(jì)主要采用T-S模糊模型進(jìn)行故障預(yù)警。

T-S型模糊推理不僅可以用于模糊控制器，而且能夠逼近任意連續(xù)的非線性系統(tǒng)，適用于一般的模糊系統(tǒng)。T-S型模糊推理輸出的是清晰值，不需要經(jīng)過清晰化轉(zhuǎn)換，可以直接用于推動(dòng)控制系統(tǒng)，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，也便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。下面重點(diǎn)介紹雙輸入-單輸出的T-S型模糊推理。

對(duì)于雙輸入、單輸出系統(tǒng)，可以用模糊條件語(yǔ)句“If x1 is A1 and x2 is A2，then u is U”（“大前提”）來描述，若又知道“x1 is A*1 and x2 is A*2” （“小前提”），那么運(yùn)用近似推理合成法則，得到新命題“u is U*”；U*是個(gè)F集合，不能直接輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上進(jìn)行操作，必須通過“清晰化（F/D）”的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)局部線性、能夠進(jìn)行分段控制時(shí)，可以對(duì)上述近似推理過程進(jìn)行如下的改變。

設(shè)某系統(tǒng)的雙輸分別是清晰變量x1和x2，將上述近似推理過程改變?yōu)椤癐f x1 is A1 and x2 is A2，then u=f （x1， x2）”，其中A1和A2是兩個(gè)F集合，輸出量u為一個(gè)數(shù)值函數(shù)f（x1，x2）。f（x1，x2）的函數(shù)類型、參數(shù)都是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、通過系統(tǒng)辨識(shí)確定的。這樣改變后，近似推理中用模糊條件命題表述的“大前提”，改成用數(shù)值函數(shù)f（x1，x2）表述，“大前提”的內(nèi)容集中體現(xiàn)在函數(shù)的類型和其中的參數(shù)上，它是進(jìn)行推理的基礎(chǔ)。每當(dāng)有一組新的輸入（x*1，x*2）時(shí)，相當(dāng)于有了近似推理中的“小前提”，原來近似推理過程就為函數(shù)f（x*1，x*2）的計(jì)算所代替，近似推理的模糊集合結(jié)論，就換成了這個(gè)函數(shù)的取值。endprint

這一改變使原先近似推理的“控制規(guī)則”，不全用語(yǔ)言表述，推理的結(jié)論，也不再是模糊集合，而成了數(shù)值函數(shù)f（x*1，x*2）的取值。當(dāng)函數(shù)f（x1，x2）的類型取成x1和x2的線性函數(shù)時(shí)，這種推理就稱為T-S型模糊推理。

3.3故障應(yīng)急措施模塊

根據(jù)線路所處區(qū)域的落雷密度以及線路的引雷指數(shù)，利用T-S模糊推理模型就可以計(jì)算出區(qū)域內(nèi)各條主干線路遭受雷擊的概率。線路在遭受雷擊后就可能會(huì)引發(fā)線路故障跳閘。由于區(qū)域配電網(wǎng)一般是以輻射型網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行供電的，若區(qū)域內(nèi)的某一條線路因雷擊而發(fā)生跳閘，則就會(huì)造成區(qū)域內(nèi)若干供電節(jié)點(diǎn)變成孤立節(jié)點(diǎn)。這些孤立節(jié)點(diǎn)將與配電網(wǎng)失去聯(lián)系，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)斷電的情況。此時(shí)就必須采取應(yīng)急措施來暫時(shí)恢復(fù)孤立節(jié)點(diǎn)的供電，一方面可以啟用配電網(wǎng)備用電源恢復(fù)孤立節(jié)點(diǎn)的供電，另一方面也可以通過閉合區(qū)域配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線來暫時(shí)恢復(fù)孤立節(jié)點(diǎn)的供電。

實(shí)施應(yīng)急措施后，須及時(shí)派遣維修人員檢修因雷擊導(dǎo)致故障跳閘的線路，恢復(fù)區(qū)域配電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，避免衍生出新的問題。

3.4應(yīng)急措施評(píng)估模塊

對(duì)閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配電網(wǎng)潮流計(jì)算，得到電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓，從而判斷各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路潮流是否滿足要求。

潮流計(jì)算的本質(zhì)是求解節(jié)點(diǎn)功率方程，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)功率方程是節(jié)點(diǎn)電壓方程乘以節(jié)點(diǎn)電壓構(gòu)成的。配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呈輻射狀特點(diǎn)，配電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)為開環(huán)；配電網(wǎng)的另一個(gè)特點(diǎn)是，配電線路長(zhǎng)度較輸電線路要長(zhǎng)且分支多，配電線路線徑比輸電線路的要小，結(jié)果導(dǎo)致配電網(wǎng)的R/X比值較大，線路的充電電容甚至可以忽略。由于以上因素，導(dǎo)致配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與輸電網(wǎng)的差別很大，配電網(wǎng)的潮流計(jì)算必須采用適合的算法。因此，配電網(wǎng)的潮流計(jì)算應(yīng)該采用前推回代法。前推回代法具有編程簡(jiǎn)易、計(jì)算快速、收斂性強(qiáng)等特點(diǎn)，是輻射狀配電網(wǎng)潮流計(jì)算的有效算法，具有廣泛的實(shí)用性。

應(yīng)用潮流計(jì)算結(jié)果，得到各支路潮流、電網(wǎng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓。應(yīng)用C#語(yǔ)言編寫程序，通過比較進(jìn)行判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足要求（認(rèn)為低于0.975是不滿足要求的）以及線路潮流是否過載等。若某節(jié)點(diǎn)電壓小于0.975或某支路出現(xiàn)過載，則說明該應(yīng)急措施，即開關(guān)的閉合不能使配電網(wǎng)運(yùn)行在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。此時(shí)輸出不符合條件的節(jié)點(diǎn)及支路。若全部節(jié)點(diǎn)電壓均高于0.975，且線路不出現(xiàn)過載，則表明該應(yīng)急措施合理。最后給出配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，供運(yùn)行人員進(jìn)行操作。

4結(jié)論

該區(qū)域配電網(wǎng)故障預(yù)警系統(tǒng)包括配網(wǎng)環(huán)境因素模塊、配網(wǎng)故障預(yù)警模塊、故障應(yīng)急措施模塊和應(yīng)急措施評(píng)估模塊四個(gè)模塊。該系統(tǒng)不僅可以對(duì)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、輸入和分析，根據(jù)故障預(yù)警得到線路的故障率，從而進(jìn)行配電網(wǎng)的故障預(yù)警，再根據(jù)線路的故障率采取相應(yīng)的故障應(yīng)急措施；還可以并對(duì)該應(yīng)急措施進(jìn)行評(píng)估，得到改善后的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、預(yù)處理和分析，計(jì)算區(qū)域配電網(wǎng)網(wǎng)損、電壓運(yùn)行水平，指導(dǎo)配電網(wǎng)的運(yùn)行和設(shè)計(jì)工作。因此該系統(tǒng)所需的軟件安裝及使用較為簡(jiǎn)易，有著較高的實(shí)用性和廣闊的推廣前景。

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