1、宁夏电力 年第 期基于多层模型的有源配电网故障区段定位马龙石麒马杰(国网宁夏电力有限公司银川供电公司宁夏 银川)摘 要:针对在实际工程中馈线终端装置()上传信息误报、漏报以及保护装置拒动、误动给配电网故障定位与隔离带来的问题提出了基于多层模型的有源配电网故障区段定位方法 利用多源信息进行故障区段定位降低了单一故障信息畸变导致定位失败的概率 首先利用保信系统收集的保护动作信息确定故障区域然后基于改进免疫算法对故障区域内节点 遥信信息进行处理实现故障区段定位得到最终的定位结果 对含分布式电源()的 节点配电网进行仿真测试结果表明该方法能有效提高故障区段定位速度和准确率关键词:配电网分布式电源故障定
2、位多源信息免疫算法中图分类号:.文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):().().:./.马 龙等:基于多层模型的有源配电网故障区段定位 引 言配电网是电力系统中与用电设备和用户直接相连的部分若能快速准确地定位和隔离故障区域恢复非故障区域的供电对提升配电网的可靠性至关重要 随着分布式电源()接入比例的不断提升给配电网的稳定运行带来了新的挑战因此有必要对现有的故障区段定位方法进行改进优化以适应新能源的快速发展近年来馈线自动化技术的迅速发展为配电网故障定位方法提供了新思路 根据故障信息种类的不同可将基于馈线终端装置()的故障区段定位方法分为两大类:一是利用 遥测信息的故障区段
3、定位方法 因遥测信息受外部影响较小发生畸变的概率较低故该类方法的容错性和定位准确度较高但该类方法需要对每个相邻节点的采集信息进行比对对于大规模的配电网而言其定位效率不高二是利用 遥信信息的故障区段定位方法 由于采用开关量来实现故障区段的定位此方法整体处理的信息量较少对于大规模的配电网而言具有明显优势基于 遥信信息的主要故障区段定位方法分为矩阵算法 和人工智能算法 矩阵法定位速度较快但仅采用故障区段相关联的节点信息容错性差 在人工智能算法中研究较多的是利用优化算法的故障区段定位方法该方法基于最小故障诊断集合与逐步逼近的思路具备更好的容错能力其中遗传算法的随机性使其在求解过程中极易出现过早的收敛性
4、 二进制粒子群算法迭代解过程相对简单且能迅速收敛但也存在着较大的早熟收敛性从而影响故障定位的精度 与上述优化算法相比免疫算法通过提高群体的多样性避免了算法易陷入局部最优值 虽然上述优化算法具有一定的容错性但因求解模型较为复杂对于大规模配电网故障定位求解效率不高因此需通过增加故障信息的冗余度和降低其数据处理维度来提高故障定位效率在电网发生故障时继电保护之间的相互配合可以迅速切除故障避免系统中健全线路的短时停电问题然而城市配电网复杂的特点导致继电保护之间的相互配合较为困难 为克服采用 上传信息与继电保护信息进行故障区段定位方法的缺点提出一种多源信息融合的有源配电网故障区段定位方法 该方法通过继电保
5、护信息确定故障区域减少免疫算法所需处理数据的维度基于 遥信信息来实现故障区段的定位 基于保护动作信息的故障区域定位在系统出现故障的情况下由继电保护信息管理系统将各继电保护的动作状态和相应的保护整定值进行记录 在保护装置出现故障或者被保护设备运行异常时继电器保护工作人员根据预定的报警类型及时地给出相应的告警信息如系统电流、电压及保护动作的记录等图 为简单的配电网结构将其分为如图所示的 个区段如 代表区段 矩形框表示出线断路器正方形表示分支和用户侧断路器圆圈表示负载开关 虚线框代表各个区域图 简单配电网结构对变电站出口开关、分支开关和用户侧开关采用三级差动保护 配置原则为变电所出口断路器具有瞬时电
6、流速断保护、过流保护和自动重合闸功能分支断路器和用户侧断路器具有过流保护变电所出口开关、用户侧开关、分支开关、为断路器其他开关为负载开关.主干线发生故障如图 所示当区域 中开关 与 之间发生永久性故障时开关 会立即跳闸切除故障初步将故障位置确定在主干线上停电的范围较大 红色开关代表断开状态黑色开关代表正宁夏电力 年第 期常状态图 主干线故障.分支开关下游故障如图 所示当 开关下游段发生永久性故障时出口开关 的瞬时电流速断保护不启动只有 和 的过流保护启动 此时由于 和 存在一定的时间差配合所以开关 会动作切除故障将故障区域进行隔离图 分支开关下游故障.用户侧开关下游故障如图 所示当开关 下游发
7、生永久性故障时此时只有开关、和 的过流保护启动 由于三者之间的过流保护存在延时级差配合所以在故障发生后只有 的过流保护会立即动作切除故障区域将故障位置初步定位在该分支馈线末端位置图 用户侧开关下游故障.出口开关越级跳闸如图 所示当区段 或区段 发生永久性故障时在保护正确动作的前提下开关 或开关 动作跳闸切除相应故障区域 但是当开关 瞬时电流速断保护越级跳闸切除故障而开关 或开关 并不动作定位故障区域于主干线导致停电范围变大图 出口开关越级跳闸.分支开关越级跳闸如图 所示当区段 发生故障时保护正确动作时开关 动作跳闸切除故障区域 但当开关 拒动时开关 延时动作跳闸切除故障区域停电范围变大初步确定
8、故障区域位于该分支馈线图 分支开关越级跳闸综上所述当保护动作正确时在某些故障状态下以保护动作为基础的故障隔离方法能够实现故障区域的隔离 然而与精确定位故障区段相比停电范围较大 此外在保护拒动、误动、主干线出现故障等情况下也会造成全网停电 因此有必要与配电自动化主站所收集到的 上传信息相结合实现对故障区段的准确定位马 龙等:基于多层模型的有源配电网故障区段定位 基于免疫算法的故障区段定位基于 整数规划思想在基于保护动作信息的故障区域定位的基础上根据 上传到主站的遥信信息提出基于免疫算法的配电网故障区段定位方法 其与免疫系统的相关概念对应关系如表 所示表 免疫算法与免疫系统概念对应关系免疫系统免疫
9、算法抗原待优化问题抗体待优化问题的可行解亲和度可行解的质量抗体浓度抑制冗余解的消除抗体繁殖利用免疫算子产生新解记忆库保留之前迭代的较优解.编码方式基于免疫算法的含 配电网故障定位的编码方式包括对配电网馈线区段状态的编码和对 上传故障信息的编码作为配电网故障定位的待求量需要基于二进制的原则对馈线区段的状态进行编码具体规则为“”代表“故障”“”代表“正常”在利用免疫算法对配电网故障区段进行求解时将所有馈线区段状态所组成的二进制串作为其抗体然后进行迭代求解以获得最佳抗体即最优解进而实现故障区段的定位本文定义系统的正方向为系统主电源到馈线末端或 的方向 通过综合 是否检测到过电流和过电流方向对上传的故
10、障信息进行编码如式()所示.开关函数的建立基于免疫算法的配电网故障定位其实质是根据 上送的故障信息(抗原)判断配电网络中各个馈线部分(抗体)的状态从而实现对配电网络的故障定位 在故障定位时将 上送的故障信息转化为馈线区段的状态其反映的是配电网发生短路故障时各个开关的过电流情况与馈线区段状态之间的关系 对单电源的配电网而言传统的开关函数如式()定义所示此时开关函数的取值只有 和 两种情况()式中:是第 个分段开关的开关函数正常为有故障电流为 为开关 下游第 个馈线区段的状态值正常为 故障为为开关 下游馈线区段总数代表逻辑或运算随着分布式电源的接入需要对以上的开关函数进行相应的改进 文献基于式()
11、改进后的开关函数如式()所示各参数具体意义详见文献 ()()以图 为例当区段 和区段 故障时由式()可以得到 而实际上 当区段 和区段 故障时 实际上 针对此问题在适应多电源网络基础上通过对该开关函数进行改进引入上下游电源开关系数将电源对系统节点的供电状态与区段状态联系起来便于实时反应电源的供电状态定义新的开关函数如式()()所示()()()()()()()()宁夏电力 年第 期式中:()()分别代表开关 上、下游馈线区段状态的逻辑或运算、分别为开关 上、下游电源接入系数当电源对开关正常供电时其值为“”若通路被故障点隔断或未接入电源则其值为“”、分别表示开关 上、下游电源的数量()、()分别表
12、示开关 到其上、下游电源的路径所经历的馈线区段的状态()表示开关 到系统电源的路径所经历的馈线区段状态正常为“”故障为“”代表馈线区段编号对于图 中区段 和区段 故障和区段 和区段 故障的情况通过本文改进后的开关函数可以得到 与实际上传的故障信息一致.抗体评价不同于遗传算法免疫算法基于抗体与抗原之间的亲和度大小来进行抗体品质优劣程度的评价除此之外还用抗体浓度作为评价种群多样性的指标使得整体算法在全局寻优方面具有明显的优势构建评价函数模型的规则是先基于开关函数模型来计算各个节点故障信息的理论值再获取节点 实际上传的故障过电流信息然后以二者最小之差作为判别准则 它用于评价免疫算法中可行解和最优解的
13、逼近程度 采用文献提出的评价函数()如式()所示 各参数具体意义详见文献()()()()以.节中分支开关和用户侧开关之间区段 发生故障为例 上传故障信息序列为 基于保护动作信息将故障区域定位在开关 下游区域内根据该区域内节点开关 上传到主站的遥信信息汇总该区域内三个区段所有的故障情况并形成故障区段集基于免疫优化算法进一步求解故障区段定位结果如表 所示表 区段 故障下基于免疫算法的故障定位结果故障区段集区段状态序列适应度().和 和 和 和 和 和 、和 .、和 .、和 .、和 .、和 无 从表 中可以看出根据保护动作信息初步确定了故障区域并且根据故障区域中的节点 上传的故障信息序列利用免疫算法
14、能够精确地识别出故障区段 同时还可根据故障区段定位结果判断保护动作是否正确实现保护动作信息与 故障信息正确性的相互校验根据节点信息畸变位置与故障区段的关系将畸变情况分为两种 以区段 故障为例将表 中节点 畸变类型定义为漏报节点 畸变类型定义为误报 在基于保护动作信息的基础上通过本文所改进后的免疫算法实现故障区段定位时仍能实现故障区段的准确定位具有一定的容错性表 区段 故障下考虑信息畸变影响的故障定位结果畸变节点畸变类型定位结果正确正确正确正确正确马 龙等:基于多层模型的有源配电网故障区段定位 故障定位流程基于多层模型的有源配电网故障区段定位流程如图 所示 其基本步骤如下:)基于保护动作信息初步
15、确定故障区域)在步骤)的基础上基于 遥信信息通过改进免疫算法准确定位故障区段)若在步骤)确定的故障区域内通过步骤)得到故障区段则说明保护动作正确故障区段发生在该故障区域内反之考虑到保护的拒动误动引起越级跳闸将故障区域扩大到下级保护所在区域返回步骤)图 故障区段定位流程 算例分析利用图 所示含 的 节点配电网的 个案例对文中定位方法进行测试 将图 所示配电网分为 个区段如 代表区段 分段开关和断路器均配置 装置免疫算法参数设置有抗体种群规模为 抗体长度为 记忆库容量为交叉概率为.变异概率.抗体相似度阀值为.最大迭代次数 为 考虑到矩阵算法基于因果关联关系建立具有规则简单定位速度较快的优点但是存在
16、容错性较差的缺点而遗传算法能进行全局寻优求解具有良好的容错性但同时由于模型较为复杂导致其求解时间较长 基于上述两种算法的特点从提高定位速度和容错率出发提出一种基于多层模型的有源配电网故障区段定位方法 为验证本文所提方法的优势在故障信息上传正确与畸变情况下将本文所提方法与方法(矩阵算法)和方法(遗传算法)进行对比部分仿真结果见表 由表 算例 可知:当系统发生单重故障且故障信息(保护动作信息和 上报信息)准确时已有方法和本文方法均能准确定位故障区段 由算例 可知:当系统发生多重故障且部分信息存在畸变时应用方法 和方法 会出现漏判误判的现象应用本文方法均能准确定位故障区段由上述过程可知:通过分析现有
17、优化算法模型在优化求解过程中存在的问题基于文献对开关函数模型进行了改进解决了求解故障区段时在部分节点失效的问题 利用保护动作信息来增加故障信息多样性的思路避免了单一故障信息畸变导致定位失败的问题可在 上报故障信息发生畸变且存在保护和断路器不正确动作图 含 的 节点配电网宁夏电力 年第 期表 考虑信息畸变情况下各种方法的部分案例故障定位结果比较算例保护动作信息 故障信息方法 定位结果方法 定位结果本文方法定位结果故障区域故障区段程序输出结果 区域 区域 区域 、区域、区域、区域、区域、备注:如算例 中 故障信息 代表节点 处 遥信信息为节点 处 遥信信息为 节点 处 遥信信息为 节点 处 遥信信
18、息为 其他算例同理的情况下对单重、多重故障进行快速、准确的定位 为更好地验证本文所提方法的优势以图 中区段 故障为例从故障定位所需时间、求解稳定性等方面与方法、方法 对算法整体优势进行了对比结果如表 所示表 本文与其他方法性能比较方法模型求解方法定位时间/稳定性方法 矩阵算法.不稳定方法 遗传算法.不稳定本文矩阵算法和免疫算法相结合.稳定 结 论通过分析现有有源配电网故障定位方法存在的问题进一步提出基于多层模型的有源配电网故障区段定位方法主要得出以下结论:)通过加入保护动作信息增加了故障信息源避免了单一故障信息畸变导致定位失败的问题 无论是对于保护的拒动误动还是故障定位的误判漏判二者可以进行相
19、互检验)通过分析现有优化算法数学模型中存在的问题对开关函数进行了改进解决了在多分布式电源接入下系统发生多重故障时对部分节点开关函数值计算错误的问题提高了优化算法对大电网发生多重故障的容错性)基于保护动作信息确定故障区域利用免疫算法进一步确定故障区段通过先定位故障区域大大减少了后期免疫算法求解的维度解决了优化算法由于数学模型较为复杂所导致的求解时间较长的缺点参考文献 惠欣.分布式发电及其对配电网的影响.宁夏电马 龙等:基于多层模型的有源配电网故障区段定位力():.薛永端徐丙垠李天友等.配网自动化系统小电流接地故障暂态定位技术.电力自动化设备():.丁娟张衡.一种新型配电网单相接地故障定位策略及其
20、应用.宁夏电力():.董俊李一凡束洪春等.放射型馈线故障段的主 被动联合检出方法.电力系统自动化():.高孟友徐丙垠张新慧.基于故障电流幅值比较的有源配电网故障定位方法.电力自动化设备():.郑涛马龙李博文.基于馈线终端装置信息畸变校正的有源配电网故障区段定位.电网技术():.焦彦军杜松广王琪等.基于信息矛盾原理的畸变信息修正及配电网故障区段定位.电力系统保护与控制():.徐彪尹项根张哲等.矩阵算法和优化算法相结合的配电网故障定位.电力系统自动化():.张波郑涛黄予园等.基于改进矩阵算法的含分布式电源配电网故障定位.智能电网():.刘鹏程李新利.基于多种群遗传算法的含分布式电源的配电网故障区段
21、定位算法.电力系统保护与控制():.高锋阳李昭君袁成等.含特殊负荷的配电网故障定位与识别.电力自动化设备():.郭壮志陈涛徐其兴等.配电网故障区段定位的互补松弛约束新模型与算法.电力自动化设备():.何瑞江胡志坚李燕等.含分布式电源配电网故障区段定位的线性整数规划方法.电网技术():.卫志农何桦郑玉平.配电网故障区间定位的高级遗传算法.中国电机工程学报():.赵乔王增平董文娜等.基于免疫二进制粒子群优化算法的配电网故障定位方法研究.电力系统保护与控制():.高云龙周羽生彭湃等.优化和声算法在含 配电网故障定位中的应用.电力系统保护与控制():.郑涛潘玉美郭昆亚等.基于免疫算法的配电网故障定位方
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