故障定位技术在配电网中的应用研究

・５０・　价值工程　故障定位技术在配电网中的应用研究　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｆａｕｌｔ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　刘洋ＬＩＵ　Ｙａｎｇ　（国网石家庄供电公司，石家庄０５００５１）　（Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００５　１，Ｃｈｉｎａ）　摘要：研究了几种应用在配电网中的故障定位技术。对基于行波理论、遗传算法、改进矩阵算法、蚁群算法的故障定位技术的原　理和特点进行了分析。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌ　ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ，ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍａｔｒｉｘ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ａｎｔ　ｃｏｌｏｎｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　关键词：故障定位；配电网；行波；遗传算法；蚁群算法；矩阵　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｗａｖｅ；ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＧＡ）；ａｎｔ　ｃｏｌｏｎｙ　ｌａｇｏｒｉｔｈｍ；ｍａｔｒｉｘ　中图分类号：ＴＭ７１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４３１１（２０１３）２９—００５０—０２　Ｏ引言　１配电网故障定位技术　１．１基于行波理论的配电网故障定位行波技术已在　保证和提高用户供电的可靠性是供电企业的～项基　本任务。根据相关的数据分析，电网中很大一部分的停电　电力系统中有了较广泛研究，根据其相关理论，发生在线　事故都是由配电网所引起的（扣除发电不足等因素），而且　路上的扰动，其电气量会以行波的形式传向系统的其它部　大多是由于配电网故障引起。当线路发生故障时，用户供　分，那么我们就可以利用测量到的暂态行波信号来设计一　电可能会中断，为减少停电造成的损失，需要快速、准确地　些故障测距方法『１］。行波法的设计原理比较简单，而且有较　测定配电网故障位置，然后及时隔离并修复故障，这对于　高的准确度，可分为单端法和双端法。单端法是在行波波　缩短停电时间，减少由于停电对用户造成的损失，提高供　速已知的前提下，根据故障点的第一个反射波到测量点的　电可靠性意义重大。　时间与初始行波到测量点的时间羞来确定故障距离：假设　对线路进行测量时可带电测量，也可不带电测量，因　行波波速已知，参考时间相同，双端法在故障线路两端同　此配电网的故障定位技术相应的分为在线定位方式和离　时测量故障产生的初始行波波头，根据两个波头的时间差　线定位方式。实际运行中，配电线路发生的故障以绝缘击　来进行故障定位。对于输电线路，由于输电距离较长，可通　穿故障为主。绝缘会在线路停电后恢复，而且故障电阻会　过ＧＰＳ同步时钟来精确算出故障距离：对于配电线路，由于　上升很大，采用直流电阻或注入信号寻迹等简单的方法很　其结构一般比较复杂，分支节点也较多，分支节点会产生反　难测定故障点的位置，因此就需要采用高压设备将故障点　射波，负荷变压器断点也会产生反射波，这些反射波会与来　击穿后测寻故障点。目前的离线定位法在电缆故障定位中　自故障点的反射波混杂在一起，来自故障点的第一次反射　应用较多。由于架空线路的供电距离比较长，实施加高压　波就很难分辨出来，因此故障波头识别及混合线路波阻抗　一击穿故障不太容易，而且线路一般跟配电变压器直接连在　变化等问题是在配网中采用行波测距要解决的问题。　起，用户的用电设备在外加高电压时会受到一定程度的　１＿２基于遗传算法的配电网故障定位　损害。因此，一般架空线路不采用离线定位技术。　遗传算法（ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＧＡ）基于自适应启发式　配电网故障定位技术在具体的实现方式上，可分为广　全局搜索，可同时搜索解空间的多个点，而且鲁棒性较强，　域故障区段定位法和直接故障测距法。前者利用多个线路　可使所求的问题得到全局最优解。　终端（兀ｗ）或故障指示器（ＦＰＳ）进行定位，一般用于交通　１．２．１参数确定　便利、自动化水平较高的城区配电网，以完成快速故障隔　基于遗传算法的故障定位技术的基本操作有：构造编　离：后者则直接根据在线路出口处测量的相关电气信息来　码、构造开关函数、构造应度函数、初始解群的形成以及遗　计算故障距离。一般应用于供电足巨离较长、不容易巡检的　传操作闭。合理确定待求参数和编码方式、构造合理开关函　乡镇配电网或铁路自闭／贯通系统以进行故障点的查找。　数和适应度函数，是配电网故障定位的首要问题。　根据不同的设计原理，本文分别分析了几种配电网故障定　把每个开关（如联络开关、分段开关、断路器开关）看　位技术。　作者简介：刘洋（１９８５一），男，河北深州人，助理工程师。　作成一个节点，把两个相邻开关之间的配电区域看作是一　个独立设备，由上传给主站监控系统带时标的故障报警系　参考文献：　段快速恢复供电，不影响机组正常运行，极大地提高事故　保安电源的快速性、安全性、可靠性。　但还应认识到，只有在调试过程中充分考虑事故保安　【１］《工频柴油发电机组通用技术条件》（ＧＢ　２８２０—９０）．　ｆ２１《火力发电厂厂用电设计技术规定》（ＤＬ／Ｔ　５１５３—２００２）．　［３］闰振宏．事故保安电源传统切换方式和自动切换开关的优　电源系统的事故状况下切换方式，才能最大限度的利用既　缺点比较［Ｊ］．沈阳工程学院学报，２００６，２（０４】．　有设备，达到最高的利用效果。　Ｖａｌｕｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　・５１・　统确定各节点的状态信息，那么各独立设备的状态就成为　关等进行编号。　１．３．２形成故障判断矩阵Ｐ　了遗传算法的相关参数。　１．２－２编码方式　在系统中出现故障的情况下，需要确定故障网络的拓　在遗传算法中，其运算对象是一些参数的对应编码，　扑结构，可以根据采集的故障数据改变矩阵Ｄ中的相关　　对参数本身不产生运算，因此要对参数进行编码设计。由　元素形成Ｐ。详细实现方法如下：于电力系统中设备的状态一般为正常状态和故障状态，因　①节点ｉ经历了超过整定值的故障过流电流时，Ｄｉｊ＝　此可采用二进制编码方式（Ｏ或１）来表示设备的状态，并　１；同时Ｄ中第ｉ列其它元素Ｄ　ｉ（ｊ≠ｉ）保持不变；　将其状态编码组合成数字串。用数字１表示设备处于故障　（　节点ｉ未经历超过整定值的故障过流电流时，Ｄａ＝　状态，数字０表示设备在正常状态。　１＿２．３适应度函数　由于适应度函数体现了配电网故障设备和开关过流　信号间的关系，因此用遗传算法对配电网进行故障定位　时，如何确定恰当的适应度函数是需要解决的一个核心问　题。适应度函数确定的越合理，相对应的配电网故障定位　方法就越准确。　１．２．４开关函数　配电网中各分段开关的状态信息，可通过开关函数依　据各设备的相关信息确定。进行配电网故障定位时，使设　备信息确定的开关函数值和配电线路馈线终端单元　（ｆｅｅｄｅｒ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｕｎｉｔ，Ｆｒ】１Ｕ）或远程终端单元（ｒｅｍｏｔｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｕｎｉｔ，ＲＴＵ）上报的各个分段开关的电流越限信息　最大限度逼近，获得故障定位数学模型最优解。　１＿２．５改进的故障定位数学模型的寻优原理　因为存在潜在的等式约束，在求改进的故障定位数学　模型最优解时以假设单一故障为前提，先找出配电网中的　一个故障设备，使适应度函数达到最小值，通过联合寻优　Ｎ　求出的最优解为满足多变量等式　ｘ（ｉ）＝１的所有解的集　ｉ＝ｌ　合和使评价函数最小的所有解的集合的交集。如果求出的　Ｎ　故障设备对应的解同时满足　ｘ（ｉ）＝１且适应度函数达到　ｉ＝１　最小值，则该设备即为找出的最能解释所有上传的ＲＴＵ　或ｎＵ信息的一个假设的故障设备。　根据上述分析，通过考虑约束条件，基于ＧＡ建立的　改进的配电网故障定位数学模型及其算法有较高的容错　性能，在信息畸变时可提高故障定位的准确性。　１．３基于改进矩阵算法的配电网故障定位　该算法翻的设计采用故障过流信号。为了使算法能适　用于多个电源开环运行，在提取网络拓扑信息时考虑了它　们的方向性。以联络开关为分界点将线路进行分区，计算　时只选择含故障信息的线路，将数据进行分线路存储，采　用动态模式形成网络描述矩阵（用Ｄ表示）。在发生故障　时，Ｆ１ＴＵ可检测到各开关、断路器的故障电流信息，然后对　网络矩阵对应的的相关元素值进行修改，修改后的矩阵就　就成为故障判断矩阵（可用Ｐ表示）。综合Ｄ和Ｐ来判断　故障电流支路的末节点和故障区间。　１．３．１构建网络描述矩阵Ｄ　网络描述矩阵Ｄ反映了配电网接线的拓扑结构等信　息，在确定Ｄ时，需要优化配电网络。优化方法如下：首先　对配电网进行线路划分（将常开型联络开关作为分界点）；　然后以线路为单位，在进行计算时只选取含有故障信息的　相关线路：并将馈线上监控终端的断路器、重合器、分段开　０；同时Ｄ中第ｉ列其它元素全部置０，即Ｄ　＿－０（ｉ≠ｉ）。　由于以联络开关为分界点对线路进行划分，在形成网　络描述矩阵时以线路为基本单位而且不用涉及非故障线　路，可节约一定量的存储空间。通过编程计算也比较容易，　计算过程也很方便，因此采用该方法确定故障区段方便、　快速。　１．４基于蚁群算法的配电网故障定位　蚁群算法是通过模拟自然界中真实蚁群的觅食行为　而形成的一种模拟进化算法。蚂蚁族群在寻找食物时，先　从某一地点出发，在选择下一个搜索路径时采用随机比率　规则。由于蚊群算法具有分布式计算、正反馈、富于贪婪启　发式搜索等特点，特别适用于许多组合优化问题，已经许　多领域得到了广泛应用，例如典型的最优路径问题、旅行　商问题、机组最优投入以及配电网网架规划、网络结构优　化等问题。　１。４．１构造评价函数　基于蚁群算法的配电网故障定位方法属于全局寻优　的范畴。故障时将故障过电流和整定值比较，然后将结果　传到主站故障信号，该信号由离散的０、１信号表示。　１．４．２蚁群算法在配电网故障定位中的应用　将系统中的馈线区间作为一个节点，设某实验系统为　Ｎ节点系统，用１、０表示各馈线区间状态，１表示区间有　故障发生，０表示区间没有故障，然后将各节点编号。　文献『４］在求解时把故障定位问题转化为类似ＴＳＰ问　题。将每一个唧站点看成ＴＳＰ问题中的一个城市，各蚂　蚁根据城市编号依次经过各城市后回到原出发点。相邻两　个城市间均设置０和１两条线路。该ＴＳＰ问题是为了找出　依次经过各城市后回到原点路径中的最短路径，根据路径　长度设计目标函数，所以配电网的故障定位问题就转化为　寻找最短或最优路径问题。　２结论　本文研究了几种配电网故障定位技术。分析了不同故　障定位技术的基本原理和特点以及适用范围。在实际应用　中要综合配电网的实际结构和现场条件来确定故障定位　方案。配电网故障定位技术的进步，对提高供电可靠性具　有重要意义。　参考文献：　『１１严凤，杨奇逊等．基于行波理论的配电网故障定位方法的　研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２００４，２４（９）：３７＿４３．　【２］郭壮志，陈波等．基于遗传算法的配电网故障定位【Ｊ１．电网　技术，２００７，３１（１１１：８８—９２．　【３］杨俊起，陈滟涛等．配电网故障定位的改进矩阵算法研究　［Ｊ】．高ＥｇＥ，技术，２００７，３３（５）：１３５—１３８．　［４］陈散技，丁同奎等．蚁群算法在配电网故障定位中的应用　『Ｊ］．电力系统自动化，２００６，３０（５）：７４—７７．