配電網故障的階段式恢復輔助決策技術分析

苗毅，冀超，李林，劉尚融，李娜仁

（內蒙古電力（集團）有限責任公司包頭供電分公司，內蒙古 包頭 014030）

隨著經濟的發展，社會對電力供應的需求也在不斷增加，需要加大對配電系統的建設及投資力度，以滿足電力的可靠供應。但配電網的快速發展，也使得配電系統的結構變得日益復雜，對配電系統的運維和管理難度也提出了更高的要求。并且配電網運行的環境也較為復雜，極易發生故障。如何對故障之后的配電網快速恢復正常的供電，是電力企業配電網運維部門需要面臨的重要問題，也是亟需解決的關鍵技術之一，為此本文詳細分析了配電網故障的階段式恢復輔助決策技術。本文首先分析了配電網的故障恢復輔助決策技術現狀，之后闡述了基于和聲搜索算法的配電網故障的階段式恢復技術、和聲搜索算法的原理及特點，以及配電網階段式供電恢復的計算流程圖等具體的實現原理。最后隨著當前配電網中并網的分布式電源容量越來越高，需要在配電網故障恢復決策中，將分布式電源考慮在內，還介紹了含分布式電源的配電網故障恢復方法。

1 配電網的故障恢復輔助決策技術現狀

在傳統的配電網故障恢復輔助決策技術中，當感知到配電網中出現了故障之后，首先斷路器會保護動作跳閘，斷開配電網中的故障電流。之后配電網主站系統再根據現場終端設備上傳上來的故障電流數據進行故障定位，并將故障區段兩側開關斷開，達到將故障從配電網中隔離的目的。當將故障隔離之后，再恢復非故障失電區域的供電，即合上與其連接的配電聯絡開關，經過多級轉供之后，就可以恢復非故障失電區域的供電。從上述配電網故障供電恢復的過程中可以看出，該過程為配電網網絡重構的過程，即將配電網中的分段開關以及聯絡開關分開或者閉合，通過網絡切改達到恢復供電的目的。

為了得出配電網供電恢復的技術方案，需要先建立數學模型。在配電網的故障恢復輔助決策數學模型中，一般以負荷恢復量最大、分段開關及聯絡開關動作次數最少為目標函數。對于模型中的約束條件，包括了配電網中的節點電壓約束、配電網的線路潮流約束、配電網的網絡拓撲約束、功率平衡約束等。配電網的故障恢復輔助決策數學模型為一個多目標優化問題，并且是離散優化問題，所得到的故障恢復方案為一組分段開關及聯絡開關的動作順序數列。目前對于配電網的故障恢復輔助決策數學模型的求解方法，主要包括了啟發式算法、人工智能優化方法以及專家系統等。

2 基于和聲搜索算法的配電網故障的階段式恢復技術

2.1 和聲搜索算法的原理及特點

和聲搜索算法模擬了在音樂演奏中，各個演奏師通過自身對音調的記憶，來不斷對各個樂器音調加以調整，使得最終形成一個美妙的和聲。這種算法和其他的人工智能算法、如粒子群算法、遺傳算法等搜索過程具有一定的類似之處，在算法中的變量為樂器的聲調、迭代的過程就為每次的練習過程。和其他的算法相比，和聲算法具有一定的應用優勢，包括以下幾點：一是概念相對比較簡單，在算法的實現方式上也較為容易，同時需要設置的參數變量也相對較少。二是在該算法中采用了隨機搜索功能，不需要衍生的相關信息。三是在遺傳算法中，需要兩個父本形成一個新的最優解。而采用該和聲算法，所有的解都可以產生一個新的最優解，故在尋找最優解的過程中，收斂速度更快，計算效率更高，圖1為和聲搜索算法的計算流程圖。

圖1 和聲搜索算法的計算流程圖

從圖1中和聲搜索算法的計算流程圖中可以看出，在該算法中，首先是將配電網中的網絡參數和算法中的相關參數變量初始值輸入到計算程序中。同時給予和聲記憶庫一個初始值，并計算此時的目標函數值，之后再通過對和聲變量的不斷更新，重新計算目標函數值，并將更新之后的和聲加入到和聲記憶庫中。經過如此多次的和聲練習，最終得到最優的目標函數值，完成和聲算法的優化計算過程。

2.2 基于和聲算法的配電網故障的階段式恢復

為了能夠快速得到所需要的配電網供電恢復技術方案，并且保證技術方案最優，可以采用基于和聲算法的配電網故障的階段式恢復計算方法，通過設置不同的計算階段，從而將整個故障恢復過程加以分解計算。在階段式算法中，主要包括了三個不同的階段，分別是恢復配電網絡的連通性、配電網絡重構、配電網切負荷等。其中在配電網重構階段中，需要建立配電網重構數學模型，可以將配電網絡中各個節點電壓不發生越限情況、配電網中各條饋電線路不發生過載情況等反應在優化模型中，即可以作為目標函數，也可以作為約束條件來加以反應。在配電網故障恢復輔助決策技術中，具體的算法實現流程如圖2所示，其中指標1代表配電網中饋電線路的負債率，指標2代表配電網中各個節點電壓的偏移量。

從圖2配電網階段式供電恢復的計算流程圖中可知，首先是計算程序讀取配電網中為了隔離故障而斷開的聯絡開關以及分段開關等數據信息。在第一個階段中，可以采用啟發式算法來恢復配電網中的非故障區域的連通特性，即將配電網系統中的聯絡開關閉合。第三個計算步驟為判斷上述定義的兩個指標是否都符合要求。如果都符合要求，則直接將配電網的故障恢復方案輸出，如果不符合要求，則進入到下一個計算步驟中，即第二計算階段。在供電恢復的第二階段中，主要是通過配電網絡重構來恢復配網的安全運行。對于在第一個計算階段中沒有動作的開關，以上述定義的兩個指標作為配電網重構模型中的目標函數，即配電網線路負債率最小、節點電壓的偏移量最小，從而實現配電網的網絡優化重構。

圖2 配電網階段式供電恢復的計算流程圖

此時再次判斷兩個指標是否都達標，如果達標，則將配電網的故障恢復方案輸出，如果不符合要求，則進入到下一個計算步驟中，即第三計算階段。在這最后一個計算階段中，主要是采用不得已的切除配電網中的負荷，來確保配電網運行的安全性，及保證配電網中的各條饋線都沒有出現過載的情況，電壓水平也都在合格的范圍內，這樣才能夠保證整個配電系統的安全。對于切負荷的選擇，可以利用深度優先算法進行切負荷區域的搜索，并在搜索的過程中，考慮到負荷的重要程度和優先級別。直到整個配電系統的運行安全性指標都滿足為止，才結束上述三個階段的供電恢復輔助決策計算和方案輸出。

3 含分布式電源的配電網故障恢復方法

當分布式電源接入到配電網之后，由于會使得配電網中出現潮流雙向流動的重要特征，會對傳統的配電網故障定位算法帶來較大的影響，可能傳統的算法已經不能適用，需要對傳統的故障定位算法加以改進，故分析含分布式電源的配電網故障恢復方法具有較大的意義和價值。分布式電源接入配電網的方式主要包括了兩種：一是直接接入到配電網中，而是通過微電網的方式并網。無論哪種接入方式，都會使得配電網中的功率流向發生重大變化，會改變故障時配電網中短路電流的分布。如果分布式電源以微電網的方式接入，則微電網可以采取孤島運行的模式來保障重要電力用戶的供電。

在含分布式電源的配電網故障恢復方法中，同樣為多目標優化問題，只是分布式電源可以參與到故障之后的供電恢復過程中，使得問題變得更為復雜。為此可以分成四個不同的階段來處理該問題，每個階段下的優化變量都為配電網中分段開關以及聯絡開關的分合狀態。在第一個階段中，為孤島方案的匹配。如果能通過孤島供電方案來解決的，可以制定相應的孤島恢復供電方案。在第二階段中，容易是恢復配電網絡的連通性，將停電配電區域和帶電配電區域通過聯絡開關來互聯。第三個階段為配電網重構，以進行配電網拓撲結構的優化。第四個階段為當采取上述方案后都無法保證配電網的安全穩定運行，此時可以切除一部分配電系統中的負荷。經過上述各個階段的優化計算之后，就可以得到配電系統中各個開關的動作開合序列，最為配電系統的供電恢復技術方案。總體而言，分布式電源接入使得配電網中新增了電源點，更有利于配電系統的供電恢復，并且可以降低分段開關以及聯絡開關的動作次數，對于快速恢復供電具有積極意義。

4 結語

配電網故障恢復時間的長短，和電力企業的優質服務水平具有直接的關聯，縮短配電網的故障停電時長，可以有效降低配電網故障對社會所造成的影響，提高電力用戶的用電滿意度。本文系統分析了配電網故障的階段式恢復輔助決策技術，在實際的配電網運行及管理中可以加以推廣應用，這也是今后配電網發展的重要方向及應用趨勢。