基于配電自動化系統(tǒng)可靠性評估算法

陳小琪，吳少斌

（1.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042）

0 引 言

電路監(jiān)控系統(tǒng)一直是電路研究中的重要部分。配電系統(tǒng)是電路監(jiān)管系統(tǒng)中的重要部分，連接輸送電流系統(tǒng)和用戶用電系統(tǒng)。它包括多電壓配電線路、電氣傳輸設(shè)備及變壓電站等，影響供電質(zhì)量和供電安全保障。配電自動化系統(tǒng)是配電產(chǎn)業(yè)對電路等實施遠方監(jiān)控、協(xié)調(diào)和操作配電設(shè)備的自動化系統(tǒng)[1]。要對其進行全方位評估，要測算其負荷點k，利用負荷點的單位時間平均故障率、單位時間平均停電時間及單位時間故障修復(fù)時間，側(cè)面估算其可靠性和故障率；利用配電自動化系統(tǒng)的多層次協(xié)同評估模型，生成最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹，從而優(yōu)化故障制定評估流程。尤其是配電系統(tǒng)中多聯(lián)絡(luò)設(shè)備和電路中出現(xiàn)的故障，需要自動化及其各環(huán)節(jié)的分析和協(xié)調(diào)處理，實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的可靠性評估。

1 基于配電自動化系統(tǒng)的可靠性評估算法設(shè)計

配電自動化系統(tǒng)可靠性評估是通過負荷點k進行測算的。負荷點的可靠性指標(biāo)通過周期時間內(nèi)負荷點供電的質(zhì)量反映的[2]。它主要分為三個方面，單位時間平均故障率、單位時間平均停電時間和單位時間故障修復(fù)時間。

式中λi、ti分別是電流各個負荷點及電流源之間的用電設(shè)備j的故障率和故障時間，J為所有用電設(shè)備及其元件的總和。這三個數(shù)據(jù)指標(biāo)簡單基本的體現(xiàn)負荷點可靠性的指標(biāo)，最實用且直觀。

1.1 基于配電自動化系統(tǒng)建立多層次協(xié)同評估模型

一般配電系統(tǒng)是從115 kV的輸電端到115 kV的變壓電站，最后到15 kV的配電輸出端，其中經(jīng)過115 kV的輸電線路、115 kV的變電站和15 kV的輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)整體電路發(fā)生故障時，配電自動化系統(tǒng)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和遠程自動化控制的電路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)潮流流向中起到協(xié)調(diào)配合作用，并對電路穩(wěn)態(tài)和配電系統(tǒng)的可靠性進行精細的評估和測算。根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，多層次協(xié)同評估模型主要分為三個層次。以115 kV的輸電端到115 kV的變壓電站為一次暗側(cè)保護電路。它及其開關(guān)組合成的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為第一結(jié)構(gòu)層次，其中還包括高電壓配電線路、變壓電站高壓一側(cè)的接線端[3]。從115 kV的變壓電站到15 kV的配電輸出端，是居民可用電站端。其中，所有電路元件和故障處理程序為第二結(jié)構(gòu)層次。最后一個結(jié)構(gòu)層次為15 kV的低壓配電網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為密閉環(huán)節(jié)設(shè)計，運用各個開關(guān)進行分段處理，可設(shè)置多個串聯(lián)開關(guān)進行分壓發(fā)放到各地區(qū)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多層次協(xié)同評估模型流程圖

發(fā)生故障后，故障發(fā)生區(qū)間與低壓未故障區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)處理和數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)件的傳遞。內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障處理環(huán)節(jié)分為區(qū)間故障的影響、故障恢復(fù)及數(shù)據(jù)測算和發(fā)送。未故障區(qū)間內(nèi)部處理環(huán)節(jié)分為故障處理回應(yīng)、故障分析數(shù)據(jù)的測算與發(fā)送。

故障層不同，基于層間故障協(xié)調(diào)處理的故障影響分析過程將有所不同。以高壓配電線路故障為例，詳細闡述了故障后的故障協(xié)調(diào)過程[4]。當(dāng)高壓電路區(qū)間存在故障時，根據(jù)配電自動化系統(tǒng)可自動將高壓電路區(qū)間分為故障處理區(qū)間、上游處理區(qū)間、下游傳遞區(qū)間以及無影響區(qū)間。故障分隔開后，可對上游處理區(qū)間及下游傳遞區(qū)間恢復(fù)供電，通過變壓電站高電壓發(fā)電端的自動化處理實現(xiàn)故障下游電流傳遞的轉(zhuǎn)移，使其變?yōu)楦邏喊l(fā)電線路繼續(xù)供電。

1.2 生成最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹

多層次協(xié)同評估模型確立后，按照模型進行分析，將故障處理區(qū)間分割為許許多多只包含一小塊聯(lián)系密切的區(qū)間。多聯(lián)絡(luò)故障處理的第二步是對單聯(lián)絡(luò)故障處理區(qū)間進行最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的產(chǎn)生。采用貪心算法進行最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹處理。貪心算法又叫貪婪算法，是求解最優(yōu)解問題的簡單、便捷和快速的設(shè)計程序。用這種算法的好處是能夠全面處理故障區(qū)間，對當(dāng)下狀況和某個優(yōu)化測算作為最好選擇，對其余可能發(fā)生的狀況選擇忽略，省去了找最優(yōu)解要耗費的大量時間。每貪心處理一次就會把問題或程序縮小到一個規(guī)模更小的子問題或子程序。經(jīng)過一次貪心選擇，就會得到問題的一個最優(yōu)解。

按照所求程序的法則度量求出最優(yōu)解的方案。貪心算法能夠逐級縮小，迅速解決問題。在實際電路網(wǎng)絡(luò)傳輸負荷小于電荷總?cè)萘康那闆r下，要最大化傳輸負荷的處理程度，同時可以處理更多的重要負荷。在這個條件下，能夠恢復(fù)最多的故障處理區(qū)間負荷[5]。大致的策略是以多層次協(xié)同評估模型的分段區(qū)間為最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的始點，尋找目前最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的相鄰區(qū)間點的合集w，確定各合集中區(qū)間點的最小隔離重要負荷點的總量和最小傳輸重要負荷的總量，在滿足的情況下選擇合集內(nèi)的最高負荷點加入聯(lián)絡(luò)樹。重復(fù)此步驟并更新，直至聯(lián)絡(luò)樹成型。

1.3 配電自動化系統(tǒng)可靠性評估的實現(xiàn)

針對配電輸送電路系統(tǒng)的故障處理模式，結(jié)合自動化原理，提出了高壓配電輸送系統(tǒng)故障分析處理方法，運用貪婪算法構(gòu)建多層次協(xié)同評估模型，對傳統(tǒng)中壓配電系統(tǒng)故障恢復(fù)的實用模型進行了介紹，同時構(gòu)造了多元配電輸出電路網(wǎng)絡(luò)多聯(lián)絡(luò)故障處理方案模型。針對配電自動化系統(tǒng)的多元交流結(jié)構(gòu)，通過建立故障處理區(qū)間根樹模型，采用基于負荷點電荷量的單聯(lián)絡(luò)故障處理區(qū)間劃分和最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的生成處理，測算出配電自動化系統(tǒng)的可靠性的評估。

2 實驗研究

為探究配電系統(tǒng)電路的可靠性，驗證配電自動化系統(tǒng)是否精確反映配電系統(tǒng)電路的故障與穩(wěn)定程度，設(shè)立對比試驗，將使用配電自動化系統(tǒng)前后的負荷點的可靠性與故障處理進行對比。對比兩者可靠性指標(biāo)的改善，以數(shù)據(jù)的形式將抽象的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出來。

2.1 負荷點可靠性對比

負荷點體現(xiàn)配電電路負載量的大小。負荷點的故障時間越短，故障點越少，可靠性就越高。對比試驗的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 負荷點可靠性實驗對比數(shù)據(jù)表

將配電自動化技術(shù)實施前后的可靠性指標(biāo)改善率進行對比，發(fā)現(xiàn)基本上各個指標(biāo)均得到改善。通過式（1）與式（2）的計算，直白地體現(xiàn)出自動化系統(tǒng)的優(yōu)點。以負荷點可靠性計算為中心構(gòu)造，簡化了故障擴散法的網(wǎng)絡(luò)單元分類算法，使整個算法在計算速度上擁有較大的優(yōu)勢。

系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標(biāo)：

電力不足指標(biāo)：

Ni為負荷點i的用戶數(shù)量，N為受停電影響的用戶數(shù)量。

用戶平均停電頻率指標(biāo)的引入，使配電自動化系統(tǒng)精確地描述出故障的發(fā)生過程和動作過程，使評估結(jié)果更準(zhǔn)確，體現(xiàn)出瞬時停電對用戶的影響?？梢?，指標(biāo)之間的共同作用，提升了配電系統(tǒng)的可靠性。

2.2 配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)前后故障處理對比

負荷點的可靠性指標(biāo)僅僅表現(xiàn)出單位負荷點的供電量和可靠程度，并不能在實際表達上表現(xiàn)出供電可靠性，需要從實際角度出發(fā)進行試驗，獲得數(shù)據(jù)。圖2是配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)前后故障處理的時間對比。故障處理主要分為七個階段：元件故障、故障隔離、故障重構(gòu)恢復(fù)供電、故障元件修復(fù)和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。階段完成后就可恢復(fù)正常，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 故障修復(fù)時間對比條形圖

可以看出使用前后的時間變化，使用后的時間最短，且簡單便捷。每當(dāng)電路中的元件發(fā)生故障，高壓配電區(qū)間的動作開關(guān)將自動斷開，故障元件左右兩側(cè)的配電自動化開關(guān)將元件隔離，經(jīng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型和聯(lián)絡(luò)樹的共同運行，重新構(gòu)造該區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)電路行，而沒有故障的區(qū)域繼續(xù)正常運行，恢復(fù)供電。另一方面，為達到一定的潮流約束和容量約束，切除故障的過載負荷點和超過電壓限制的節(jié)點。

故障上報、定位及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)這三個步驟變?yōu)樽詣踊幚?，大大減小了處理時間，使處理問題的最短時間不超過1 min。同時，在配電自動化技術(shù)中，電流網(wǎng)絡(luò)還可以進行重組加工。

3 結(jié) 論

通過配電自動化技術(shù)對配電電路網(wǎng)絡(luò)進行可靠性分析，通過計算配電系統(tǒng)中故障后處理階段對負荷點可靠性的影響，構(gòu)建了基于配電自動化系統(tǒng)各階段的故障協(xié)同改進區(qū)間過程的各階段電壓系統(tǒng)可靠性評估算法，并利用兩種評估結(jié)果從正側(cè)面結(jié)合的角度直觀準(zhǔn)確全面地反映了配電系統(tǒng)的可靠性水平。同理，運用各階段配電系統(tǒng)多聯(lián)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型，建立高配電自動化系統(tǒng)中的低電壓配電系統(tǒng)多聯(lián)絡(luò)故障處理區(qū)間模型。利用此模型修復(fù)故障，能更準(zhǔn)確地分析配電電路過程中的故障。最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的成型考慮到各階段配電電流網(wǎng)絡(luò)的典型接線模式和運轉(zhuǎn)方案，建立了各階段配電電流網(wǎng)絡(luò)精簡式的故障分析結(jié)構(gòu)，并結(jié)合低壓配電電路多聯(lián)絡(luò)故障處理區(qū)間，提出了高低壓配電電流網(wǎng)絡(luò)故障共同處理分析方案。結(jié)果顯示，故障處理運轉(zhuǎn)過程符合配電系統(tǒng)運行實際，具有實用性。