基于GIS配電網監測和控制區域故障定位方法的研究

吳成明，王毅，姜豐

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 孝感 432000)

基于GIS配電網監測和控制區域故障定位方法的研究

吳成明1，王毅1，姜豐2

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 孝感 432000)

隨著計算機技術、通信技術和網絡技術在電力系統中的應用，電力系統的故障定位和控制區域故障定位逐步走向圖像化、智能化，GIS(地理信息系統)也逐漸成為了系統故障定位的新趨勢。本文簡要的介紹了三種常見的配電網故障定位方法，在貝葉斯公式的基礎上，對地理信息系統的數據模型和分布網絡模型進行了詳細的分析，并在貝葉斯公式的基礎上，建立了基于地理信息系統的配電網故障定位算法，從而大大提高了配電系統的故障定位效率，保證了配電網的安全可靠性運行。

GIS；配電網；故障定位；貝葉斯公式

1 引言

隨著社會經濟和人們生活水平的日益提升，電力系統在國民經濟中的地位變得倍加重要，由于人們的正常生活對電力需求日漸的急需性，因此導致了配電網的不斷擴大。為了最小化斷電次數和減少斷電持續時間，配電網需要保證很高的電能質量和電力可靠性，以便達到不斷提升供電的可靠性。在大部分情況下，導致用戶停電的原因是由于電力系統配電網出現故障，所以，當配網出現故障之后，如何進行快速、有效地定位故障是尤其重要的。

電力生產部門已經把GIS(地理信息系統)技術引入到配電系統的管理中，這樣不但可以在現實生活中對生產設施給予定位(如線路、設備)，而且還可以結合相關屬性，根據用戶需求，結合空間信息和屬性信息進行圖形化顯示。同時利用GIS對配電網的空間分析功能，不僅可以迅速定位配電網的故障和實施快速隔離，還可以影響二級配電網的操作和管理人員的決策，即有效的處理事故，從而大大減少了停機時間，降低了配電網的線損，確保了用電的安全性和可靠性。

2 配電網故障定位的常見原理

配電網故障定位是當配電網發生故障后能快速、準備的定位故障點或故障區域，目的是為了能夠迅速隔離故障區域，同時恢復非故障區域的供電。目前，國內的配電網故障定位有以下三種：

2.1 故障定位的開關重合與故障隔離

當在某個時間段內配電網出現問題時，首先，線路的自動開關會檢測這時段流過的電流來判斷故障是否存在，若檢測出故障電流，線路上的斷路器自動跳閘，然后過一定的時間后自動重合閘。如果只是暫時的故障，檢測與判斷結果一致性，線路會重新恢復上電，但是如果發生的是一個永久性的故障，自動開關會再次跳閘，重復上面的過程；當一致性檢測重復的次數超過先前設定值時，則斷路器判斷為永久性故障，自動開關斷開，不再閉合。

這種方法運行簡單，不需要人工干預。然而，由于對設備要求高，未得到廣泛使用。同時，若發生多次一致性巧合的重合閘，尤其是當發生永久性故障時，由于沖擊電流的影響，很可能造成饋線超過其負載極限，從而對配電網產生巨大影響。

2.2 FTU和SCADA結合的故障定位法

基于FTU(饋線終端單元)的配電網故障定位是一個FTU上傳的基礎參數，是一種計算故障定位的方法。在樹狀網絡或在開環運行中，只需根據開關的開環沿途通過的故障電流即可確定故障區段。事實上，配電網是圖論中是樹，故障電流流經連接組件的所有節點。電源點到問題區段的故障應是在電源側從最后一個開關節點到最后一個故障電流節點，故障電流則是流經第一個沒有流過的開關節點之間的電流。顯然，若想檢查開關節點的電流是否過載，需要安裝FTU來進行電流的調整。環網運行時，發生短路故障后，電流應該從每一節點流向故障點，對于這種情況取決于判斷饋線是否過電流即可，同時也確定了故障電流功率的方向。如果某段時間內兩端的功率方向不一致，則在該范圍內的故障點是就可以確定下來。

基于FTU的故障定位可以達到故障一次性隔離，它克服了自動開關需要多次重合的缺陷，這種方法定位非常準確。然而，由于FTU在實際應用中通信成本很大，因此，只能在配電網絡中重要的節點安裝FTU來節省成本開銷。

2.3 電話投訴故障定位

這種方法不需要配備專門的設備，電力部門通過投訴報告故障位置，為用戶提供客戶服務系統。通過這種方式，電力部門僅通過一名用戶的故障投訴電話信息就能大致確定故障的位置，從而大大提高了定位故障點和修復故障的效率。隨著手機的廣泛普及，這種方法將在中國更廣泛的應用前景。

3 基于GIS的配電網模型

配電網模型包含三個信息元素：空間信息、屬性信息和兩者之間的所屬關系。

在地理信息系統中，現實生活中的空間實體有各種各樣的抽象因素，“小”對象表示為“點”元素；“長”對象表示為“線”元素；“大”對象表示為一個“區域”元素。例如在配電網中，變壓器、電線桿、開關和其他設施可以表示為“點”元素，線路、電纜就可以表示為“線”元素。

配電網電源S、開關Ki、變壓器Tj可以由配電網頂點拓撲結構表示，所謂的線路Lk則為邊緣拓撲，而配電網不允許閉環運行，因此，配電網實際上是一個多變的環散網絡結構。從這點來說，常見的地理信息系統可以分為幾何網絡和配電網絡。

幾何網絡可以存儲在線性拓撲結構中，具有一系列的接觸點和線特征。幾何網絡模型包含兩個觸點，一個觸點有無限多的邊緣(從幾何元素上來說的邊緣)連接到網絡模型中，同時，邊線在二維空間相交但不能接觸，例如，線路交叉。其中，被網路描述了有邊緣元素的觸體被稱為網絡元素，只有網絡元素才能參與到幾何網絡模型的建立。

在GIS中，通常有網格線、電氣設備分層的存儲空間和屬性信息。例如，所有變壓器在一行上屬于點功能類；將線路上的所有導線組成的導線段是一個線路的特征，因此，它屬于一個線功能類。在GIS中，可以選擇其中一個層創建一個幾何網絡，還可以進行分層形成一個幾何網絡。幾何網絡的邊線表現的是各層的原始線性特征，觸點除了原來的電源、開關、變壓器等點功能特征外，還形成了一個新的線路交叉結點和線性模型形成的觸點，所以構成了一個基于GIS的配電網模型：

M={Ji，Lj|i=1，2，3，…，m;j=1,2,3,…,n}

其中，Ji指GIS配電網中的所有觸點，Lj指連接所有觸點的導線段。

4 配電GIS監控故障定位方法

配電網的實際運行主要是以FTU提供的信息為基礎，用數據采集與監控系統(SCADA)定位故障。然而，由于FTU運行的環境比較差，有時會受信號干擾，會出現丟失信息或失真的可能，因此容易導致系統判斷錯誤或錯失故障點，導致故障不能被及時、準確地去除和故障隔離，給配電網的正常運行帶來極大的傷害。因此，引入貝葉斯公式故障定位法能夠有效地屏蔽干擾信息，并通過一個熟練程度顯著性強的方式找到故障出現的大部分，從而大大縮減了計算，提升了故障定位的效率。

4.1 貝葉斯公式的應用

貝葉斯公式是一個理論公式，在已知事件的情況下產生結果，并分析事件的原因。故障定位是指在已知信息中檢測到故障的情況下，如何確定故障的區段。因此，我們可以在故障定位方法中引入貝葉斯公式。

在概率論中，如果事件A發生，事件B也會發生，并且兩者同時發生時有一定的概率，那么這個概率稱為條件概率。用B1，B2，B3，…構成一系列互斥事件的一個完整事件組，且P(Bi)>0，i=1，2，3，…

貝葉斯公式：

(1)

其中，概率P(A)代表事件A的概率；P(Bi|A)表示在事件A出現的情況下事件Bi發生的條件概率。

4.2 配電網中的算法模型

在配電網中，由于網絡出現眾多的分支，對于開關參數的設置是非常困難的，而且經常發生一個接一個的故障后，出現開關還沒有跳但是其上級開關已經斷開的現象。因此，在發生故障時，不能只根據開關斷開來確定故障區域。針對上述現象，本文決定通過節點過載信息和故障電流流經的各個組合開關作為主要依據來確定故障區域。

S1，S2，S3，…，Sn指饋線開關，L1，L2，L3，…,Ln表示負載點，G={G1，G2，G3，…,Gn}表示SCADA系統從環線上安裝在饋線上開關序列的故障信息監測裝置。如果電流通過Si時發生了故障，那么Gi=1；否則，Gi=0。

事實上，在配電網中，如果在一根饋線出現了故障，為了能夠迅速隔離故障和恢復非故障部分的用電供應，所屬饋線的出口端保護裝置應該迅速切斷故障。由于多個故障發生在一根饋線上的可能性非常小，當要考慮這種情況時，我們可以做出如下的合理假設：

(1)假設多個故障發生在同一根饋線上的概率為0，開關Si在故障事件的負載點Li滑動，那么S1，S2，S3，…，Sn構成一個完整且有Si發生的事件組；

(2)假設在配電網中，每個開關滑動失敗的概率是相等的，即P(Si)=p；

(3)假設任何一個開關，FTU報警和通信錯誤的概率是q，且q<1；

基于上述三種假設，根據貝葉斯公式，可以通過故障信號饋線上開關序列裝置G推斷出開關Si故障概率是：

(2)

P(G|Si)指開關Si發生故障時，系統接收故障信號裝置系列G的概率。由公式可以看出，為了計算P(Si|G)，需要知道P(Si)，P(G)和P(G|Si)，但在實際中P(Si)，P(G)是很難計算出的，而且也沒有必要計算出來。因此，在這里本文引入了一個顯著性程度比較的概念。當系統出現故障時，只需要與故障部分作出顯著性比較，然后根據重要程度確定故障部分。假如對于兩根饋線，故障重要比率是：

(3)

通過假設二可以得到，P(Si)=P(Sj)=p，因此,

(4)

如果C>1，表示滑動Li故障明顯大于滑動Lj；如果C<1，表示滑動Li故障明顯小于滑動Lj；如果C=1，兩饋線都支持線路故障，重要程度相等。

根據前面的假設，可以計算P(|G|Si)的值：

(5)

其中，只要檢測到故障信號j就可以檢測出故障點或故障區域。由公式(4)和公式(5)推導，再根據假設條件，此算法模型完全可用于一個N分支的配電網。為了確定故障區段，只需要判斷每個滑動出現的故障，如果出現很明顯不正常運行程度時就可以判斷發生故障的最大可能性部分。因此，本文可以得出如下的公式：

P(S*|G)=Max{P(Si|G)}=Max{P(S1|G),P(S2|G),P(S3|G),…,P(Sn|G)}

(6)

經過化簡，可得：

P(S*|G)=Max{P(G|S1),P(G|S2),P(G|S3),…,P(G|Sn)}

(7)

其中，滑動開關S*對應故障的概率，即最有可能發生的故障滑動。

4.3 配電網GIS故障定位算法流程

配電網GIS監控區域實現的故障定位算法流程如圖1所示。

圖1 配電網GIS故障定位流程圖

(1)SCADA系統接收故障信號序列，并獲得所有FTU的故障信號，經過計算機自動采集到配電GIS數據庫；

(2)確定是否有故障，如果故障出現，進行下一步；如果沒有故障發生，則結束操作；

(3)基于GIS的幾何網絡，根據故障讀取信息和開關實時狀態信息，進行網絡拓撲分析，獲得整個網絡的完整信息；

(4)根據環路信息來確定上下級之間關系的所有監控開關故障電路；

(5)開關狀態信息，使用以上公式確定滑動區域的故障概率，故障概率的大小程度與開關進行對比分析；

(6)最后，確定故障點或故障區段的位置，并將故障在配電GIS網絡中突出顯示出來。

4 結論

為了實現配電網監測與控制區域的故障定位，在貝葉斯公式的基礎上，提出了一種基于地理信息系統(GIS)的配電網故障定位方法。使用這種方法的主要目的是為了屏蔽干擾信息的影響，通過使用貝葉斯公式比較每個部分發生故障的概率大小來快速確定故障部分。這種方法對于檢測SCADA故障信息是有效的，滿足了工程上的實時需求，可以促使電網監控能夠快速、準確地定位故障。

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Research on Fault Location Method Based on GIS Distribution Network Monitoring and Control Area

WUCheng-ming1,WANGYi1,JIANGFeng2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy，Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.Hubei Electric Power Company，Xiaogan 432000，China)

With computer technology,communication technology and network technology in power system applications，Fault location and analysis of power system gradually toward the direction of the image,intelligent,GIS(geographic information system)which became the new trends introduced into the system fault locating.This paper briefly describes the three common distribution network fault location method,carried out a detailed distribution network GIS data model and the distribution network GIS network model,on the basis of the Bayesian formula,a GIS-based distribution network fault location algorithm,which greatly improve the distribution system fault locating efficiency,and ensure the distribution network of safe,reliable operation.

GIS;distribution network;fault location;Bayesian formula

1004-289X(2016)03-0015-04

TM72

B

2015-12-03