劉 可,鄧其軍,楊 嘉,王少飛
(1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院,西寧 810001;2.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院,武漢 510640)
國(guó)家電力系統(tǒng)為社會(huì)生產(chǎn)提供安全可靠的供電,當(dāng)前工業(yè)電力規(guī)模逐步擴(kuò)大,人們對(duì)電能質(zhì)量的要求也逐漸提高[1]。當(dāng)多電源配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響人們的生活和各企業(yè)的正常運(yùn)作,將直接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以應(yīng)及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行定位[2-5],快速檢測(cè)故障位置,排除多電源配電網(wǎng)中的故障,保障多電源配電網(wǎng)安全運(yùn)行,降低故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。由于當(dāng)前配電網(wǎng)的多電源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,故障檢測(cè)定位存在一定的困難,如何快速精的是Web 服務(wù)器三層B/S 結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)C/S 兩層結(jié)構(gòu)可拓展性低、可重用性差,因此在Web 服務(wù)器中采用三層B/S 結(jié)構(gòu),可拓展性優(yōu),能向系統(tǒng)提供靈活的信息服務(wù),如信息交流服務(wù)和信息發(fā)布服務(wù)[16]。Web 服務(wù)器三層B/S 結(jié)構(gòu)中包含表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層,具體的Web 服務(wù)器三層B/S 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 B/S 三層結(jié)構(gòu)體系Fig.2 B/S three-layer structure system
表示層:該層主要是接收從.NET 平臺(tái)傳輸?shù)墓收蠑?shù)據(jù)信息,并將故障數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)邏輯層,通過(guò)業(yè)務(wù)層提供的方法,處理故障數(shù)據(jù)信息,將處理結(jié)果反饋到表示層顯示界面上,該層主要作為系統(tǒng)和用戶之間的交互接口。
業(yè)務(wù)層:應(yīng)用程序的主體是業(yè)務(wù)層,該層的位置在Web 服務(wù)器端,包含所有業(yè)務(wù)處理程序。將業(yè)務(wù)層劃分成數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和業(yè)務(wù)邏輯層,其中業(yè)務(wù)邏輯層主要包含邏輯處理與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù),例如檢索或者更新數(shù)據(jù)表等。通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層連接頁(yè)面層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層,可將函數(shù)接口提供給頁(yè)面層,但業(yè)務(wù)邏輯層不能直接處理后臺(tái)數(shù)據(jù),而是通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層提供的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)表之間存在一定關(guān)聯(lián),數(shù)據(jù)訪問(wèn)層向數(shù)據(jù)庫(kù)提供更新的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層主要功能是管理讀寫數(shù)據(jù)源,該層位置在數(shù)據(jù)源的服務(wù)器端,當(dāng)數(shù)據(jù)層接收到Web 服務(wù)器操縱數(shù)據(jù)源的請(qǐng)求時(shí),需及時(shí)查詢、更改數(shù)據(jù)源,并將最終結(jié)果傳輸?shù)奖硎緦又小?/p>
1.1.2 故障行波定位子系統(tǒng)
由于本文研究的是基于行波理論的多電源配電網(wǎng)故障定位,因此在故障定位子系統(tǒng)中引入多Agent 思想。將行波定位裝置和行波定位主機(jī)分解成多個(gè)Agent,由多個(gè)Agent 構(gòu)成故障行波定位子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能發(fā)揮GPRA 通信網(wǎng)絡(luò)的全部?jī)?yōu)點(diǎn),保障各個(gè)Agent 之間的通信和協(xié)作,提高通信協(xié)作的效率,實(shí)現(xiàn)多電源配電網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位。故障行波定位子系統(tǒng)由通信Agent、控制Agent、故障計(jì)算Agent、數(shù)據(jù)庫(kù)管理Agent、實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)獲取Agent、定位任務(wù)分解Agent、定位啟動(dòng)Agent 和知識(shí)庫(kù)管理Agent 等多個(gè)Agent 構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 故障行波定位子系統(tǒng)Fig.3 Fault location subsystem based on travelling wave
(1)實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)獲取Agent:將電網(wǎng)中的故障行波信號(hào)捕獲后,將初始行波到達(dá)配電網(wǎng)的時(shí)間實(shí)時(shí)記錄下來(lái),喚醒故障計(jì)算Agent,等待故障計(jì)算Agent 調(diào)用指令。
(2)定位任務(wù)分解Agent 和定位啟動(dòng)Agent:定位啟動(dòng)Agent 依照多電源配電網(wǎng)斷路器跳閘信號(hào),判斷多電源配電網(wǎng)中是否有故障產(chǎn)生,當(dāng)多電源配電網(wǎng)中出現(xiàn)故障時(shí),需喚醒故障計(jì)算Agent 對(duì)多電源配電網(wǎng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行定位計(jì)算。定位任務(wù)分解Agent 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際狀況,并行分解故障定位任準(zhǔn)地對(duì)多電源配電網(wǎng)故障定位成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
當(dāng)前配電網(wǎng)故障定位方法主要有電流相位法[9]、阻抗法[10]和行波法[11]。其中,電流相位法用同步相量測(cè)量裝置得到兩端故障電流相角變化量,無(wú)需安裝方向元件和互感器,降低了經(jīng)濟(jì)成本;阻抗法主要是通過(guò)配電網(wǎng)故障電壓和電流獲取故障線路端的阻抗,根據(jù)故障距離和阻抗的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行故障定位。但是這兩種方法易受短路過(guò)渡電阻、配電網(wǎng)運(yùn)行方式等問(wèn)題的影響,導(dǎo)致兩種方法定位精準(zhǔn)度低。而行波法主要是利用配電網(wǎng)故障后的電流電壓行波,檢測(cè)電流電壓行波到檢測(cè)位置的時(shí)間和行波波速,通過(guò)兩者之間關(guān)系進(jìn)行故障定位。相對(duì)阻抗法,行波法精準(zhǔn)度高、操作簡(jiǎn)單,只要獲取行波達(dá)到檢測(cè)位置的時(shí)間,計(jì)算時(shí)間差就能進(jìn)行多電源配電網(wǎng)的故障定位。
因此,本文提出了基于行波理論設(shè)計(jì)多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。根據(jù).NET 平臺(tái)三層B/S 結(jié)構(gòu)體系[12-13],構(gòu)建此次故障行波定位信息處理子系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式屬于主從式。通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理獲取數(shù)據(jù)[14],并在.NET 平臺(tái)上發(fā)布篩選出的故障信息。針對(duì)傳統(tǒng)方法存在對(duì)多個(gè)Agent 通信協(xié)調(diào)不順暢的問(wèn)題,將行波定位裝置和行波定位主機(jī)分解成多個(gè)Agent,并進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的獲取,分解故障定位任務(wù),調(diào)用故障數(shù)據(jù),利用多端行波故障定位方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,完成對(duì)多電源配電網(wǎng)的故障定位。通過(guò)該故障定位系統(tǒng)精準(zhǔn)定位多電源配電網(wǎng)故障,及時(shí)處理檢測(cè)故障,實(shí)現(xiàn)多電源配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
多電源配電網(wǎng)中含有較多分支,當(dāng)不同分支有著不同結(jié)構(gòu)時(shí),如何解決并提高多電源配電網(wǎng)的故障定位問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。行波理論是根據(jù)行波在傳輸路徑上波阻抗不連續(xù)節(jié)點(diǎn)的反射特性來(lái)確定故障的距離,因此基于行波理論設(shè)計(jì)多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。首先對(duì)多個(gè)行波進(jìn)行分離,之后并行計(jì)算初始行波到達(dá)電源時(shí)間,根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算多電源配電網(wǎng)中單相接地點(diǎn)位置,得出故障位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)多電源配電網(wǎng)的故障定位。該故障定位系統(tǒng)中包含故障行波定位信息處理子系統(tǒng)和故障行波定位子系統(tǒng)兩部分。本文設(shè)計(jì)的行波故障定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式是主從式,通過(guò)故障行波定位信息處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取模塊收集多電源配電網(wǎng)故障信息,利用數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)故障行波定位子系統(tǒng)發(fā)出調(diào)用數(shù)據(jù)命令時(shí),故障行波定位信息處理子系統(tǒng)將故障信息傳輸?shù)焦收闲胁ǘㄎ蛔酉到y(tǒng)中。通過(guò)多個(gè)Agent 之間的通信協(xié)作調(diào)用故障數(shù)據(jù),利用多端行波故障定位方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,分別詳細(xì)分析。
1.1.1 故障行波定位信息處理子系統(tǒng)
通過(guò).NET 平臺(tái)三層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)故障行波定位信息處理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由.NET 平臺(tái)、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊等構(gòu)成,故障行波定位信息處理子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 故障行波定位信息處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of information processing subsystem for fault location based on travelling wave
從圖1 中可以看出,先采用數(shù)據(jù)獲取模塊獲取多電源配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理獲取的數(shù)據(jù)信息,篩選出多電源配電網(wǎng)故障信息,在.NET 平臺(tái)上發(fā)布數(shù)據(jù)處理模塊篩選的多電源配電網(wǎng)故障信息。為并行處理多電源配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息,提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息處理速度,需在該子系統(tǒng)中引入多線程技術(shù),通過(guò)Web 服務(wù)器中的三層B/S 結(jié)構(gòu),采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的方式[15]實(shí)施動(dòng)態(tài)發(fā)布故障數(shù)據(jù)信息。
1)Web 服務(wù)器三層B/S 結(jié)構(gòu)
在故障行波定位信息處理子系統(tǒng)中較為重要?jiǎng)?wù),并分配分解后的多個(gè)故障定位任務(wù)子集到不同功能的Agent,并行處理故障定位任務(wù),提升處理效率與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
(3)故障計(jì)算Agent:該Agent 一般情況下處于休眠狀態(tài)。當(dāng)定位啟動(dòng)Agent 喚醒它時(shí),該故障計(jì)算Agent 采用通信Agent 調(diào)用故障線路端的故障數(shù)據(jù),再利用多端行波故障定位方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,當(dāng)成功定位后,通過(guò)信息發(fā)布Agent 將多個(gè)定位信息同時(shí)發(fā)布出去。
在研究多電源配電網(wǎng)故障定位時(shí),將多電源配電網(wǎng)抽象成由多個(gè)頂點(diǎn)和邊構(gòu)成的拓?fù)鋱D,多頂點(diǎn)集合表示為Q=(A,B,…,K),多邊集合表示為N=(n1,n2,…,n18),則多電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 多電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of multi-power distribution network
圖4 中,(1)~(4)表示故障發(fā)生區(qū)段,[1]~[4]表示負(fù)荷傳輸線路,a~j 為線路標(biāo)號(hào),A~L 為電源端。當(dāng)故障發(fā)生在圖4 中的cd 段r 點(diǎn)時(shí),按照?qǐng)D中箭頭方向向故障兩端傳輸行波,行波根據(jù)箭頭方向的線路到達(dá)多電源配電網(wǎng)中的任意電源中。將傳輸?shù)礁麟娫吹臅r(shí)間設(shè)置為t,t=(tA,tB,tC,…,tK)。根據(jù)多電源配電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu),采用多個(gè)電源傳輸?shù)墓收蠑?shù)據(jù),計(jì)算故障點(diǎn)位置。計(jì)算過(guò)程如下。
步驟1在中心站中接收傳輸?shù)腒 個(gè)行波傳輸時(shí)間,根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)時(shí)間進(jìn)行排序,將傳輸時(shí)間短的數(shù)據(jù)排在前面。篩選出時(shí)間最短的前兩項(xiàng)時(shí)間數(shù)據(jù)to、tp,采用行波定位原理,得到故障距離公式為
式中:oop為電源Go和電源Gp之間距離;op為電源Gp與故障點(diǎn)間距離;v 為傳輸速度。如果此次計(jì)算為第一次計(jì)算,轉(zhuǎn)至步驟3;反之,轉(zhuǎn)至步驟5。
步驟2檢測(cè)線路分支點(diǎn)是否存在故障點(diǎn),當(dāng)在線路BC 端靠近交叉點(diǎn)c,或在c 點(diǎn)發(fā)生故障,通過(guò)步驟1 計(jì)算靠近故障點(diǎn)的兩個(gè)電源分別是G4、G5。若此時(shí)計(jì)算的故障點(diǎn)就是c 點(diǎn),轉(zhuǎn)至步驟4,否則,轉(zhuǎn)至步驟5。
步驟3將故障所在線路分支點(diǎn)的電源編號(hào)時(shí)間數(shù)據(jù)保留下來(lái),將故障分支點(diǎn)當(dāng)成是中點(diǎn),剔除其中一兩個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù),通過(guò)剔除時(shí)間數(shù)據(jù)的另一方向查找距離最近的線路分支電源,通過(guò)查找的線路分支電源時(shí)間數(shù)據(jù)和上述保存的電源時(shí)間數(shù)據(jù)定位故障。
步驟4驗(yàn)證線路分支點(diǎn)上是否存在故障。通過(guò)電壓的變化驗(yàn)證線路分支點(diǎn)是否存在故障,當(dāng)電壓達(dá)為無(wú)窮大時(shí),確認(rèn)存在故障;電壓正常時(shí)不存在故障。驗(yàn)證結(jié)果有兩種:一種是當(dāng)在上次計(jì)算的線路分支點(diǎn)上存在故障,或者線路非分支點(diǎn)存在故障時(shí),說(shuō)明故障點(diǎn)是真的故障點(diǎn),此時(shí)應(yīng)停止計(jì)算,進(jìn)行步驟5;另一種是當(dāng)新獲取的電源線路分支點(diǎn)存在故障,需繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算,需轉(zhuǎn)到步驟4。
步驟5配電網(wǎng)中兩個(gè)電源之間只存在一條線路,依據(jù)上述信息可精準(zhǔn)計(jì)算故障位置。假設(shè)在cd段故障點(diǎn)r 發(fā)生故障,那么
式中:oD為電源GD與故障點(diǎn)r 間距離;oc為電源Gc與故障點(diǎn)r 之間距離;m 為電源故障點(diǎn)。根據(jù)式(2)計(jì)算r 點(diǎn)與各個(gè)電源之間距離,關(guān)系為
根據(jù)式(3)計(jì)算在傳輸時(shí)間t 中最短的3 個(gè)時(shí)間分別是tC、tD、tE,依據(jù)行波定位原理得
式中:oDC電源GD和電源GC之間距離。根據(jù)圖4 中得知,故障點(diǎn)不在dD 段;根據(jù)可知,故障點(diǎn)在cd 段,故障點(diǎn)位置是距離電源GD較近的m7處。根據(jù)上述步驟設(shè)計(jì)行波定位故障流程,如圖5 所示。
圖5 行波定位流程Fig.5 Flow chart of location based on travelling wave
從圖5 中可以看出,當(dāng)多電源配電網(wǎng)中產(chǎn)生故障時(shí),需通過(guò)行波接收設(shè)備接收行波,當(dāng)接收的行波是故障行波時(shí),先要對(duì)多個(gè)行波進(jìn)行分離,之后并行計(jì)算初始行波到達(dá)電源時(shí)間,采用行波發(fā)送設(shè)備將這些時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼?。根?jù)傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算多電源配電網(wǎng)中單相接地點(diǎn)位置,得出故障位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)多電源配電網(wǎng)的故障定位,能夠保證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
本文采用典型的3 饋線16 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)算例,如圖6 所示。
圖6 算例中,數(shù)字1~16 表示不同的電源節(jié)點(diǎn),符號(hào)(1)~(16)表示配電網(wǎng)線路。
圖6 實(shí)驗(yàn)算例Fig.6 Experimental example
為研究系統(tǒng)對(duì)于某地區(qū)多電源配電網(wǎng)中不同接地電阻故障定位精準(zhǔn)性,分別對(duì)比了本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的故障定位分析,對(duì)比結(jié)果如表1 所示。
從表1 中可知:在相同接地電阻下,本文系統(tǒng)的故障定位精準(zhǔn)度最高,其精準(zhǔn)度最高可達(dá)99.8%,而其他兩種對(duì)比方法的精準(zhǔn)度均低于90%;隨著接地電阻的不斷增加,故障定位精準(zhǔn)度隨之下降。因此為提高故障定位精準(zhǔn)度,應(yīng)選取合適的接地電阻。
表1 不同接地電阻故障定位分析結(jié)果Tab.1 Fault location analysis results with different grounding resistances
為研究不同故障初始角下系統(tǒng)定位故障精準(zhǔn)性,對(duì)比分析了3 種多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng),對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。
圖7 對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison of results
從圖7 中可以看出:在故障初始角度相同的情況下,本文系統(tǒng)故障定位精準(zhǔn)度最高,其最高可達(dá)99.6%,而其他兩種對(duì)比系統(tǒng)的精準(zhǔn)度均低于90%;隨著故障初始角的不斷減小,故障定位精準(zhǔn)度隨之下降,主要原因是當(dāng)故障初始角不斷減小時(shí),檢測(cè)的多電源配電網(wǎng)兩端行波波形也在隨之減小,在故障初始角為0°時(shí),故障行波幾乎檢測(cè)不到,說(shuō)明定位故障的精準(zhǔn)度和故障初始角度有關(guān)。
為研究不同多電源配電網(wǎng)區(qū)域故障定位系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度,對(duì)比分析3 種多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng),結(jié)果如表2 所示。
從表2 中可知:在多電源配電網(wǎng)區(qū)域故障點(diǎn)相同的情況下,本文系統(tǒng)故障定位精準(zhǔn)度最大,其精準(zhǔn)度最高可達(dá)99.7%,而其他兩種對(duì)比系統(tǒng)的精準(zhǔn)度均低于90%;在不同多電源配電網(wǎng)區(qū)域故障點(diǎn)下故障定位系統(tǒng)定位多電源配電網(wǎng)故障的精準(zhǔn)度變化較小,說(shuō)明盡管多的電源配電網(wǎng)中含有較多分支,不同分支有著不同的結(jié)構(gòu),但是當(dāng)多電源配電網(wǎng)中發(fā)生故障時(shí),通過(guò)本文系統(tǒng)均能較為精準(zhǔn)地定位故障,即本文系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中效果較好。
表2 不同區(qū)域故障點(diǎn)故障定位分析Tab.2 Fault location analysis with fault points in different areas
表3 為3 種多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)在不同距離故障點(diǎn)故障定位的用時(shí)分析結(jié)果。
表3 不同距離故障點(diǎn)故障定位用時(shí)分析Tab.3 Fault location time analysis with fault points of different distances
從表3 中可以得知,在多電源配電網(wǎng)區(qū)域故障點(diǎn)距離相同的情況下,本文系統(tǒng)故障定位用時(shí)最少,可以做到對(duì)故障實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位。
多電源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu),在多電源配電網(wǎng)中含有較多分支,在實(shí)際中很難人工檢測(cè)故障點(diǎn)的位置。針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障檢測(cè)方法存在的問(wèn)題,此次設(shè)計(jì)一種基于行波理論的多電源配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由故障行波定位信息處理子系統(tǒng)和故障行波定位子系統(tǒng)構(gòu)成,在故障行波定位信息處理子系統(tǒng)中,采用的.NET 平臺(tái)是三層結(jié)構(gòu)體系,通過(guò)該子系統(tǒng)中的Web 服務(wù)器三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息發(fā)布。當(dāng)該子系統(tǒng)接收到故障行波定位子系統(tǒng)調(diào)用信息時(shí),將信息傳輸?shù)焦收闲胁ǘㄎ蛔酉到y(tǒng)中。利用Agent 思想和行波理論設(shè)計(jì)故障行波定位子系統(tǒng),通過(guò)多個(gè)Agent 之間的相互協(xié)作通信,實(shí)現(xiàn)最終多電源配電網(wǎng)的故障定位,提高故障定位的精準(zhǔn)度和效率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),本文研究的系統(tǒng)整體性能較優(yōu),適合應(yīng)用到實(shí)際的多電源配電網(wǎng)故障定位中。