配电网故障区段定位及拓扑重构方法

发布时间：2020-03-19 08:47

【摘要】：配电网停电后的快速故障定位及隔离是提高配电网供电可靠性的一大重要措施,而配电自动化水平的大幅提高,为配电网故障定位及隔离提供了信息和数据基础。提高供电可靠性的另一重要措施是快速恢复非故障区域的供电。配电网在设计之初为提高供电可靠性,通常采用多分段多联络的设计以增加对负荷的备用供电,但为了方便继电保护的整定及其他原因,在实际运行中,其大多采取开环运行的方式,在发生故障时,通常由馈线始端的保护动作切断对整条线路的供电,这在一定程度上扩大了停电范围,因此,在故障区段定位后,快速合理的对配电网进行拓扑重构可尽快恢复对非故障停电区域的供电。虽然我国配电自动化水平较之前有了大幅提升,但与国外先进配电网相比仍存在一定差距,为了进一步缩小这种差距,进一步提高我国配电网供电可靠性和先进水平,国家发展改革委、国家能源局于2015年先后出台了《关于加快配电建设改造的指导意见》和《配电网建设改造行动计划(2015-2020)》,对“十三五”期间配电网的发展做出了明确说明,要求加大对配电网的投资力度,提高配电自动化覆盖率,实现配电网实时可观可控,合理配置配电终端,综合应用云计算、网格计算、大数据挖掘等技术,实现海量数据的深层利用,缩短故障停电时间,实现网络自愈重构。紧紧围绕上述文件精神,本文以提高配电网供电可靠性、故障自愈能力、配电自动化水平为目标,综合考虑配电网当前现状和未来发展水平,从理论分析、问题解决和方法验证层面逐次展开研究。主要研究工作如下:(1)研究基于多源信息的配电网故障定位方法目前,配电网故障诊断研究大多集中在高、中压配电网,而对低压配电网故障诊断及分析的研究较少,且提出的故障诊断方法大多仅利用某一类故障信息,当因通信中断等原因导致故障信息错误或丢失时,可能会使诊断方法失效从而给出错误结果。而随着配电自动化的发展,各种自动化系统(如配电自动化系统、用电信息采集系统、电网生产管理系统(GPMS)、95598客户服务系统等)和监测终端(如馈线终端单元(FTU)、智能电表等)被安装于配电网中,为实时监测配电网的运行状态提供了大量的信息和数据。在上述背景下,本文提出了采用多源信息对配电网进行层次化的故障定位的策略,分别针对中低压配电网提出了不同定位方法,并根据信息完整度和冗余度,设计了两种方法在不同情况下的配合策略。由于目前针对低压配电网的故障定位方法鲜有介绍,因此,本方法的提出是对配电网故障定位领域的进一步完善与补充。(2)研究考虑拓扑变化的配电网故障区段定位及隔离方法目前,在现场中,中高压配电网故障定位及隔离大都采用“逐段恢复式”的方法,故障发生后,故障路径上的所有断路器、分段开关、联络开关全部断开,然后从馈线始端开始,逐一闭合开关设备,直到故障段。该方法要多次开合开关设备,减少了开关设备的寿命,且故障隔离所需时间较长。另外,配电网的拓扑结构变化频率高,拓扑的变化给配电网故障定位及隔离带来了较大的困难,每次变化后,都需重新对各个开关之间的配合进行整定。为了解决上述问题,首先研究了一种配电网拓扑自动实时识别及建模方法,根据当前系统中分段开关和联络开关的状态,识别出当前系统由哪几个辐射状子系统构成,并给出每个子系统的拓扑模型,当配电网拓扑发生变化,无论是否有故障发生,拓扑识别均将启动;在此基础上,研究了基于矩阵法的配电网故障区段自动定位及隔离方法,故障发生时,直接调用已形成的故障时刻的拓扑模型进行故障定位,并给出隔离故障所需断开的开关;最后给出了上述两方法的配合策略和发生多重故障时的解决方案。该方法可缩短故障定位时间,减少开关动作次数,解决拓扑变化给故障定位带来的困难。(3)研究三相不对称配电网的分相潮流计算方法与输电网不同,由于单相负荷、三相负荷的同时存在以及三相参数的不对称,配电网并不完全运行于三相对称状态;在配电网实际运行中,由于拓扑重构、无功补偿优化配置等的需要,潮流计算必不可少;另外,随着配电网分布式电源渗透率的提高,若三相所接入的分布式电源容量不同,可能引起在同一支路上不同相间的电流流向完全相反的情况;此外,本文研究内容四(第五章)中提出了一种针对不对称配电网的分相重构方法,采用该方法时,在某些支路,三相电流的流向也会出现相反的情况,此时,传统的潮流计算方法将不再适用。因此,本文提出了一种考虑相间关联方向的配电网潮流计算方法,该方法与传统前推回代的配电网潮流计算方法最大的不同在于,需要对每一相单独确定其前推回代的顺序,且当相间互阻抗不可忽略时,需要确定分支中三相电流的关联方向。(4)研究基于改进遗传算法的配电网拓扑重构方法配电网故障后的快速恢复重构是另一提高配电网供电可靠性的关键方法,而遗传算法是解决配电网重构问题的重要方法之一,但在现场应用却鲜有报道,其原因在于该算法在解决网络重构问题上存在着两大缺陷:第一、每次故障后,都要重新获得故障隔离后整个网络的拓扑结构,然后形成新的初始解以启动该算法,而目前未见相关文献提出解决该问题的自动化算法;第二、由于配电网拓扑约束的要求,遗传算法在解算过程中会产生大量不可行解,即便有学者通过设计新的编码方式来从侧面解决该问题,但研究发现其方法并不能完美解决该问题(绪论中将详细阐述)。针对问题一,本文提出了一种初始种群自动形成算法,该算法根据研究内容二中所确定的当前拓扑和故障区段,对拓扑进行简化,形成“简化的配电网”及其模型和简化后的拓扑与原始拓扑的关联关系矩阵。然后设计了一种基于“配电网简化模型”的搜索方法,形成针对简化网络的初始种群,并根据关联关系矩阵,将该初始种群映射为原始系统的初始种群。该方法可保证生成的个体全部满足配电网拓扑约束的要求,且由于采用了简化的配电网模型,种群形成速度较快。针对问题二,本文提出了一种“环网及孤立节点识别算法”,自动识别出每个个体对应的供电路径,并识别该路径是否覆盖了系统所有节点以及路径中是否存在环网,对不满足拓扑约束的个体,采用初始种群形成算法形成一个个体数量为1的种群将其替换。此外,为了提高遗传算法的收敛性能,本文提出了一种定向变异算子,在确定待变异位后,确定所有可替换该位置基因的候选基因组,判断某基因是否可行的唯一标准为是否满足拓扑约束及电气量约束,最后通过比较适应度值从候选组中选取最优基因。对IEEE 33节点和PGE 69节点等系统的算例分析证明了算法的有效性。传统的拓扑重构算法大都假定配电网三相对称,为了简化,仅针对其中一相进行研究,但实际的配电网更多的是呈现出三相不对称的特性,虽已有针对不对称配电网的拓扑重构方法的研究,但方法中三相均采用相同的重构策略。基于上述分析,本文提出了一种针对不对称配电网的分相重构的概念,分相是指三相线路采用不同的重构策略,于不同支路进行解环。在该概念下,本文推导建立了分相重构的数学模型,并采用所提遗传算法对模型求解,算例分析表明,在满足三相电压不平衡度的基础上,分相重构可比不分相重构获得更好的优化结果。配电网是国民经济和社会发展的重要公共基础设施,其直接面向终端用户,与广大人民群众的生产生活息息相关,本文对实现配电网故障的自动定位、隔离、恢复、重构的方法及关键技术进行研究,可从理论方面提高配电网供电可靠性及多种运行性能,进而对实现全面建成小康社会宏伟目标、促进“新常态”下经济社会发展起重要支撑作用。
【图文】：

故障信息,监测终端,馈线,配电网

包括设备的基本属性信息还包括设备之间的关联信息。本方法主要利用低压智能逡逑电表的台账信息，，形成可用于低压配电网故障定位的简化拓扑。逡逑图２－１中展示了配电网静态信息，配电自动化覆盖率的提升，每个分段和联逡逑络开关均会配置相应的监测终端ＦＴＵ，如图中ＦＴＵ１－ＦＴＵ４；除此之外，在每个分逡逑支线路的始端配置“二遥”故障指示器（Ｆａｕｌｔｌｎｄｉｃａｔｏｒ－Ｈ），如ＦＩ１－Ｈ４。逡逑２．２．２中高压配电网故障信息逡逑中高压配电网中的故障信息主要由各类监测终端通过各种通信方式（如光纤逡逑通信、ＧＰＲＳ通信等）上传到控制中心。这些监测终端主要包括馈线始端断路器逡逑监测终端、线路分段开关和联络开关的监测终端（ＦＴＵ）、分支线路始端的故障指逡逑示器（ＦＩ）等。故障发生时，故障路径上所有监测设备均会检测到故障信息。根逡逑据故障信息的来源可将其分为馈线级故障信息和开关级故障信息。馈线级故障信逡逑２４逡逑

配电网,邻接表,故障指示,修正方法

并考虑了故障信息丢失情况下的算法修正方法，提高了方法鲁棒性。逡逑２．３．１故障指示类设备邻接表的形成逡逑以图２－２所示简单配电网为例说明邻接表形成方法。首先，在本方法中，做逡逑了以下两项定义：逡逑（ａ）
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM76

【参考文献】