基于QPSO算法的含分布式電源配電網(wǎng)故障診斷

單寶峰 陳軍港 撖奧洋 于立濤 張智晟

摘要： 針對含分布式電源的配電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障電流流向更加復雜，導致傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障診斷方法適用性變差的問題，本文將故障電流作為饋線終端單元采集的故障信息，構(gòu)造了新型故障診斷評價函數(shù)。同時，以-1，0，1規(guī)定故障電流方向，在饋線終端單元上增加方向元件采集故障信號，利用量子粒子群優(yōu)化算法對評價函數(shù)進行求解實現(xiàn)診斷，并通過仿真算例，驗證該方法在含分布式電源的配電網(wǎng)故障診斷中的有效性及容錯性。仿真結(jié)果表明，該算法可準確驗證發(fā)生故障的區(qū)段，不具備關(guān)鍵信息丟失的容錯性能，但對于非關(guān)鍵信息丟失或畸變時具有良好的容錯性。該研究為含分布式電源的配電網(wǎng)故障診斷提供了新的解決方案，具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng)； 分布式電源； 量子粒子群優(yōu)化算法； 故障診斷

中圖分類號： TM727； TM711文獻標識碼： A

收稿日期： 20170413； 修回日期： 20170828

基金項目： 山東電力科技計劃項目（5206021500HC）；2016智慧青島建設計劃重點項目（強化重點領(lǐng)域智慧企業(yè)服務11）

作者簡介： 單寶峰（1992），男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷。

通訊作者： 張智晟（1975），男，山東青島人，博士后，碩士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)短期負荷預測。Email： slnzzs@126.com隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，為滿足和保證用戶的用電質(zhì)量，配電網(wǎng)發(fā)生故障后，對于如何快速準確地定位故障點，并排除故障具有重要的現(xiàn)實意義。目前，配電網(wǎng)的故障診斷方法主要有直接法和間接法。直接法[13]是根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)以及饋線終端單元（feeder terminal unit，F(xiàn)TU）上傳的故障信息形成相應的矩陣進行故障診斷，該方法具有運算速度快、精確度高的優(yōu)點，但是要求故障診斷過程中FTU上傳的故障信息準確，容錯性差；間接法是利用人工智能方法進行故障定位，如粗糙集理論[45]、Petri網(wǎng)[67]、遺傳算法[810]、粒子群算法[1112]等。目前，含分布式電源（distributed generation，DG）的配電網(wǎng)日益增多，且容量越來越大，因此對于故障診斷要求也越來越高。張艷霞等人[13]提出兩種保護新方案，能在主電源與DG之間的所有線路上實現(xiàn)故障的快速切除；劉健等人[14]根據(jù)不同類型DG接入到配電網(wǎng)母線和饋線處提出兩種不同的保護方案，可以解決配網(wǎng)中含容量較小的DG時的故障診斷問題；叢偉等人[15]提出一種主從式區(qū)域縱聯(lián)保護方案，很好地滿足了DG高滲透率下配電系統(tǒng)繼電保護的要求；吳寧等人[16]根據(jù)DG接入配網(wǎng)后變?yōu)閺碗s多源系統(tǒng)，提出一種利用搜索樹縮小故障診斷范圍后使用矩陣法求解的方法，運算速度快但容錯性較差。當DG接入電網(wǎng)后，所有DG都會向故障點提供故障電流，此時FTU檢測到的故障電流方向變得復雜，不再是單純的01問題。因此，為適應此變化，本文改進了傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障診斷開關(guān)期望函數(shù)，構(gòu)造了新型故障診斷評價函數(shù)。以-1，0，1規(guī)定故障電流方向，在FTU上增加方向元件采集故障信號，并利用量子粒子群優(yōu)化算法[1718]（quantumbehaved particle swarm optimization，QPSO）對函數(shù)進行求解實現(xiàn)診斷。通過仿真算例驗證了該診斷方法在含分布式電源的配電網(wǎng)中的有效性，并且在故障信息發(fā)生丟失或畸變時具有良好的容錯性[1920]。該研究為配電網(wǎng)故障診斷方法提供了新的解決方案。

1量子粒子群優(yōu)化算法

量子粒子群優(yōu)化算法是以粒子群優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，其粒子具有量子行為，在量子空間中粒子的狀態(tài)與傳統(tǒng)的粒子群中粒子不同，不再使用位置和速度表示粒子狀態(tài)，而使用波函數(shù)。進化方程[18]為

pt=φPit+1-φPgt， φ～u0，1（1）

mbest=1M∑Mi=1Pi，1（t），1M∑Mi=1Pi，2（t），…，1M∑Mi=1Pi，n（t）（2）

xt+1=pt±βmbest-x（t）ln1u（3）

式中，p（t）表示局部吸引子，它可以使粒子多樣化，且能使其跳出局部搜索區(qū)域，便于粒子提高全局搜索能力；mbest表示平均最優(yōu)位置。x（t+1）表示粒子的位置更新；t表示迭代次數(shù)；Pi表示第i個粒子的個體最優(yōu)位置；Pg表示全局最優(yōu)位置；M為粒子個數(shù)；β為收縮擴張因子，用于控制粒子的收斂速度；x表示粒子位置；φ和u均表示0到1之間的隨機數(shù)服從均勻分布。上述進化公式主要針對連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問題，而本文為離散變量的優(yōu)化問題，因此，需對上述公式進行相應變化，具體方法見文獻[18]。

2基于QPSO算法的含分布式電源配電網(wǎng)故障診斷求解模型

2.1含分布式電源的配電網(wǎng)故障信息編碼

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，分段開關(guān)和聯(lián)絡開關(guān)上的FTU會設置故障電流整定值。當電流流過開關(guān)時，F(xiàn)TU檢測的電流與整定值進行比較，如果大于整定值，說明出現(xiàn)故障電流，用1表示；反之用0表示，這樣就可以形成離散的故障信息。FTU會將故障信息上傳至調(diào)度中心，由主站的故障診斷程序判斷故障區(qū)間。

針對含有DG的配電網(wǎng)，需對FTU進行重新編碼。首先依照就近原則為每一個FTU選取一個主電源，當兩個電源距離同一個FTU距離相同時，任選其一作為主電源，并規(guī)定在主電源單獨工作時的電流流向為該FTU的正方向。當FTU檢測到故障電流時，若該故障電流流向與FTU參考正方向相同，則FTU上傳調(diào)度中心的編碼應為1；若故障電流方向與參考正方向相反，則編碼應為-1；未檢測到故障電流時編碼應為0。

含DG的5個開關(guān)節(jié)點配電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，開關(guān)S1～S5將線路分成L1～L5這5個區(qū)間，開關(guān)S1～S5上安裝有FTU，根據(jù)上述原則，S1～S3的主電源為S，而S4和S5的主電源為DG。

，S4、S5正方向如圖1中綠線所示。若區(qū)段L2發(fā)生單點故障，此時FTU上傳至調(diào)度中心的編碼應為[1 1 -1 1 1]，如果在信息上傳過程中發(fā)生丟失，為了防止故障診斷程序發(fā)生誤判，此時丟失的數(shù)據(jù)置為1。

2.2構(gòu)造故障診斷評價函數(shù)

判斷評價函數(shù)優(yōu)劣的關(guān)鍵點是能否正確有效的進行故障診斷。根據(jù)文獻[11]，單電源配電網(wǎng)故障診斷所使用的評價函數(shù)為

FSB=∑N1j=1Ij-IjSB+ω∑N2j=1lj（4）

式中，Ij為實際中第j個開關(guān)上的FTU上傳至調(diào)度中心的故障信息；IjSB為開關(guān)期望狀態(tài)函數(shù)，用于反映FTU的故障信息與故障區(qū)間的關(guān)系；N1為配電網(wǎng)中FTU個數(shù)；N2為故障區(qū)間個數(shù)；ω∑N2j=1lj部分是為了防止誤判而增加的一項，ω為0～1之間的常數(shù)（通常取05）。

對于含有分布式電源的配電網(wǎng)，DG的接入導致故障信號大小和方向發(fā)生變化。僅用0和1已無法滿足含有分布式電源配電網(wǎng)的故障信號，提出以-1，0，1來表示故障信號；同時DG接入配電網(wǎng)，并不僅為了提高供電可靠性，也為了提高供電的靈活性，如“削峰填谷”，那么DG在配電網(wǎng)中的投切狀態(tài)有可能隨時改變。為了使評價函數(shù)適應上述問題，本文對評價函數(shù)中的開關(guān)期望狀態(tài)函數(shù)I*SB進行改進，即

I*SB=0--1kSBg*SB+-1kSBs*SB（5）

式中，kSB為開關(guān)節(jié)點對應的主電源投運情況，假設分布式電源投運情況用0和1表示，投運時為0，退運行時為1；s*SB表示當安裝在開關(guān)SB上的FTU檢測到故障信號且為1時，對所有可以使該開關(guān)檢測到故障信號1的區(qū)段進行或運算；g*（SB）表示當安裝在開關(guān)SB上的FTU檢測到故障信號且為-1時，對所有可以使該開關(guān)檢測到故障信號為-1的區(qū)段進行或運算。

為方便說明，以圖1為例，若開關(guān)S3檢測到故障信號為1，則區(qū)段L3～L5中至少有1個區(qū)段發(fā)生故障，s

3.2多點故障分析

假設區(qū)段L3和L4發(fā)生多點故障，且所有FTU工作正常，各FTU實際檢測到的故障信息編碼為[1 1 1 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，利用QPSO優(yōu)化算法，求解得到最優(yōu)解為[0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]，求解過程中，區(qū)段L3和L4多點故障收斂曲線如圖5所示，區(qū)段L3和L4多點故障區(qū)段判定表如圖6所示，故障由圖5和圖6可以看出，該模型可準確驗證區(qū)段L3和L4發(fā)生故障。

3.3容錯性分析

在實際配電系統(tǒng)中，安裝有FTU的開關(guān)節(jié)點因所處環(huán)境不同會出現(xiàn)不同問題。環(huán)境惡劣就會造成FTU上傳故障信息至調(diào)度中心時出現(xiàn)信息丟失或者信息畸變的情況。因此，為了保證診斷結(jié)果的正確性，診斷方法的容錯性至關(guān)重要。

1）單點故障容錯性分析。假設區(qū)段L3發(fā)生單點故障，此時終端S5故障信息丟失，按照上文規(guī)定，信息丟失的終端將故障信息置1，此時各終端編碼為[1 1 1 -1 1 -1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，發(fā)現(xiàn)仍能找出故障區(qū)段，且結(jié)果正確。

2）多點故障容錯性分析。假設區(qū)段L3和L4發(fā)生多點故障，此時終端S6故障信息發(fā)生畸變，故障信息畸變?yōu)?，此時各終端編碼為[1 1 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1]，通過算例仿真，仍可得到正確的診斷結(jié)果。

為進一步驗證該方法的容錯性，本文對不同區(qū)段故障進行測試，假設其FTU測到的故障信息發(fā)生畸變或丟失，為了方便描述，單點故障容錯性分析和多點故障容錯性分析仿真結(jié)果如表1和表2所示。

由表1和表2可以看出，該算法對于兩個終端的丟失或畸變有良好的容錯性，而對于有3個終端發(fā)生丟失或畸變，若出現(xiàn)問題的終端遠離故障點，該算法仍有良好的容錯性，但數(shù)據(jù)畸變的終端集中在故障點附近，可能出現(xiàn)誤診斷。該算法不具備關(guān)鍵信息丟失的容錯性能，但對于非關(guān)鍵信息丟失或畸變?nèi)蒎e性良好。

4結(jié)束語

本文提出構(gòu)造新的評價函數(shù)以適應-1，0，1形式的新編碼，同時，新的評價函數(shù)可以滿足DG在配網(wǎng)中隨時投切的特性，大大加強了該評價函數(shù)的通用性。利用QPSO算法對評價函數(shù)求解，通過算例仿真，證明該模型可以完成對單點和多點故障的診斷問題，對于非關(guān)鍵信息丟失或畸變?nèi)蒎e性良好，具有一定的實用價值。今后將進一步對含分布式電源的配電網(wǎng)故障診斷問題進行研究，尤其是當配網(wǎng)發(fā)生故障后FTU丟失關(guān)鍵故障信息時，如何提高容錯性的問題。

參考文獻：

[1]劉健， 倪建立， 杜宇. 配電網(wǎng)故障區(qū)段判斷和隔離的統(tǒng)一矩陣算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 1999， 23（1）： 3133.

[2]蔣秀潔， 熊信銀， 吳耀武， 等. 改進矩陣算法及其在配電網(wǎng)故障定位中的應用[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2004， 28（19）： 6063.

[3]梅念， 石東源， 楊增力， 等. 一種實用的復雜配電網(wǎng)故障定位的矩陣算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2007， 31（10）： 6670.

[4]束洪春， 孫向飛， 于繼來. 粗糙集理論在電力系統(tǒng)中的應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2004， 28（3）： 9095.

[5]蔣亞坤， 李文云， 趙瑩， 等. 粗糙集與證據(jù)理論結(jié)合的電網(wǎng)運行優(yōu)質(zhì)性綜合測評[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2015， 43（13）： 17.

[6]Sun J， Qin S Y， Song Y H. Fault Diagnosis of Electric Power Systems Based on Fuzzy Petri Nets[J]. IEEE Transactions On Power Systems， 2004， 19（4）： 20532059.

[7]謝敏， 吳亞雄， 閆圓圓， 等. 基于改進動態(tài)自適應模糊Petri網(wǎng)與BP算法的電網(wǎng)故障診斷[J]. 中國電機工程學報， 2015， 35（12）： 30083017.

[8]郭壯志， 陳波， 劉燦萍， 等. 基于遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2007， 31（11）： 8892.

[9]衛(wèi)志農(nóng)， 何樺， 鄭玉平. 配電網(wǎng)故障區(qū)間定位的高級遺傳算法[J]. 中國電機工程學報， 2002， 22（4）： 127130.

[10]嚴太山， 崔杜武， 陶永芹. 基于改進遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位[J]. 高電壓技術(shù)， 2009， 35（2）： 255259.

[11]李超文， 何正友， 張海平， 等. 基于二進制粒子群算法的輻射狀配電網(wǎng)故障定位[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2009， 37（7）： 3539.

[12]潘超， 焦薇羽， 孟濤， 等. 基于混合智能粒子群算法的廣義電源主動配電網(wǎng)優(yōu)化配置[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2016， 44（7）： 6975.

[13]張艷霞， 代鳳仙. 含分布式電源配電網(wǎng)的饋線保護新方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（12）： 7174.

[14]劉健， 張小慶， 同向前， 等. 含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2013， 37（2）： 3642.

[15]叢偉， 潘貞存， 王成山， 等. 含高滲透率DG的配電系統(tǒng)區(qū)域縱聯(lián)保護方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（10）： 8185.

[16]吳寧， 許揚， 陸于平. 分布式發(fā)電條件下配電網(wǎng)故障區(qū)段定位新算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33（14）： 7782.

[17]Jeong Y W， Park J B， Jang S H， et al. A New QuantumInspired Binary PSO： Application to Unit Commitment Problems for Power Systems [J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2010， 25（3）： 14861495.

[18]奚茂龍， 孫俊， 吳勇. 一種二進制編碼的量子粒子群優(yōu)化算法[J]. 控制與決策， 2010， 25（1）： 99104.

[19]劉健， 趙倩， 程紅麗， 等. 配電網(wǎng)非健全信息故障診斷及故障處理[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2010， 34（7）： 5056.

[20]張勇， 董明， 張巖， 等. 含分布式電源配電系統(tǒng)中計及警報錯誤的故障定位[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2012， 36（15）： 5762.