基于子節點數搜索的配電網故障定位容錯算法

呂東飛

（國網淄博供電公司，山東 淄博 255300）

0 引 言

與輸電網相比，配電網的整個結構更加復雜并且智能化水平也相對較低，因此發生故障的可能性也更高。目前，學術界以及電力領域對配電網的故障研究更側重于故障切除和故障隔離，力求最大程度上降低故障影響范圍和持續時間[1]。但是從現實的角度出發，以綜合能源為代表的發電設備的接入和應用導致變電站周圍磁場發生變化，出現故障信號和告警信息畸變的概率較大，也就相應地對傳統配電網故障定位算法的容錯性能提出了更高要求。本文結合子節點數搜索方法，對配電網故障定位的容錯性能展開深入研究。

1 改進配電網異常處理模式

當配電網中涉及到的電流和電壓不再滿足于歐姆定律時，說明故障區域面積應相對較大。利用子節點數搜索方法，改進配電網異常處理模式。結合配電網的3種基本結構以及故障信息的傳遞特征，以毫秒級為單位，利用斷路器等元件隔離故障區段。獲取的故障發生期間的線路電流為

式中：P表示故障前的電氣量；Q表示負荷分量；t表示故障持續時間。由式（1）可知，對于沒有出現故障的電路來說，其流經的電流在本質上是相同的。在式（1）的基礎上得出流經饋線區段的故障電流為

式中：α表示故障電流分量；β表示正常電流分量；δ表示線路阻抗參數。以式（1）和式（2）的計算結果作為數據支撐，在隔離區域的基礎上提前恢復配電網供電。配電網接入的繼電保護裝置的連接方式一般是以多級串聯為主，當啟動速斷保護模式的時候，還需要0.3 s左右的響應時間[2,3]。如果配電網的接線形式類型較為復雜，則需要利用子節點數搜索方法獲取配電網故障定位容錯算法的證據體。

2 基于子節點數搜索獲取證據體

當配電網的配電終端檢測到故障電流時，需要及時將故障信息反饋到變電主站。但有時會受到外界噪聲干擾或者是惡劣天氣影響，導致故障信息有所缺失。在數學理論中，可以將故障位容錯問題看作是0-1的整數規劃，因此在子節點數搜索方法的作用下，得出故障傳遞速度矢量以及故障定位矢量的表達公式為

式中：ε表示子節點；σ表示第σ位；μ表示速度值；γ表示位置值；σ表示慣性因子；T表示加速因子。根據式（3）和式（4）的計算結果，能夠得出在子節點數搜索模式下，故障信息與期望故障信息之間的適應度函數為

式中：E表示單個子節點的矢量；ξ表示配電網區段數；d表示單個子節點的位置量；?表示每個子節點的適應度。當配電網的區段數與配電終端的數量能夠基本匹配時，其實際上傳的故障信息可信程度較高[4,5]。而本次設計的配電網故障定位容錯算法的證據體主要來源也是以用電信息為代表的監測數據。在正常運行的狀態下，電壓值都處于一個正常值區間。而一旦出現金屬性接地故障，則采集終端及其控制中心就無法及時發送故障信息[6]。在容錯算法的證據體中，對應區段發生故障時，各個子節點數搜索模式也必須根據負荷點數量以及分布特征作出相應調整。

3 構建信號畸變校正模型

將多電源作為備用供電設備，當發生瞬時故障時，保證快速切換供電線路。為了保證非故障區域的正常供電，還需要提取運行過程中的有功電流給定參考值，具體為

式中：λ表示故障發生前的并網電壓；?表示逆變器的額定電流。當配電網中的分支走向較為簡單時，可以通過故障測距的方式進行直接定位[7]。此外，實踐經驗表明，大部分以小電流接地為主的配電網在發生單相故障后，仍然可以正常運行將近2 h，因此需要根據線路異常快速判斷故障位置并構建畸變模型。為了達到校正故障信號的目的，在配電網的主站控制中心提取故障電流信號，具體為

式中：g表示無故障時的配電網過流整定值；F表示各相故障電流。根據遙信量之間的關聯特征，利用饋線終端裝置，分別采集各相上報的故障信號和故障電流，并以是否存在至少兩相故障作為判斷標準，得出故障信號是否有畸變的結論。在不存在故障信號漏報的情況下，直接得出配電網的故障信號序列。如果配電網中的各相故障信號中只存在一相或者是沒有故障的情況，則需要重新檢驗。由上述結論得出信號畸變校正模型的數學表達公式為

式中：f表示故障信號的修正值；t表示遙測量中的各相故障電流；n表示不等于1的常數。此外，如果回路故障信號與各饋線上的開關故障信息能夠吻合，說明此時配電網中的故障信號序列處于可識別狀態。

4 設計故障定位容錯算法

在設計故障定位容錯算法的過程中，將饋線開關都作為等效節點，并按照潮流發展方向定義上、下游節點的從屬關系[8]。結合配電網不同的區域特征，將數據采集與監視控制（Supervisory ControI And Data Acquisition，SCADA）系統作為故障信息來源，將讀取周期設置為3 min，實時獲取配電網的故障報警和電流短路信息，并判斷是否存在故障。同時，與配電網在正常狀態下的靜態數據進行對比，根據運行條件調整網絡拓撲結構。考慮到故障定位容錯算法的容錯性能，在信號畸變校正模型的基礎上，得出饋線開關節點畸變率最小化的目標函數為

式中：r1表示饋線第一區段；r2表示饋線第二區段；U表示區段狀態對應的故障告警信息；p表示畸變后的懲罰項。由此得出配電網饋線區段故障容錯最大化的目標函數為

式中：N表示關聯矩陣；M表示區段狀態矩陣；η表示末端節點集合；q表示矩陣維度。同時，將配電網中饋線終端上報的故障信息以及遙測量中的故障信號進行對比，提取關聯特征，為下一步校正開關信息奠定基礎。根據第3節的故障信號畸變校正模型，通過查表的方式追溯故障回路，在得到信號序列后識別各饋線的開關狀態[9,10]。

5 實驗分析

5.1 搭建實驗環境

利用互聯網通信引擎（Internet Communications Engine，ICE）接口直接獲取配電網數據，同時從Oracle數據庫中讀取歷史數據。硬件方面，選擇Intel(R)Core(TM)i5 CPU M390@2.67GHz配置的處理器，內存為2 GB及以上、硬盤容量為50 GB以上。軟件方面，除了Oracle作為源數據庫之外，在PL/SQL 10.0.3.1701開發環境中額外選取JDK和IDEA作為數據處理工具。考慮到配電網環境的復雜性，將IntelliJ IDEA和Apache Maven作為Java語言的開發環境與項目管理工具。此外，為了保證測試過程中的軟硬件能夠完美兼容，選擇Mule ESB作為標準化中間平臺。

5.2 實驗結果

本次實驗以對比分析的方式展開，使用基于改進矩陣算法的配電網故障定位容錯算法、基于灰狼算法的配電網故障定位容錯算法，與文中的配電網故障定位容錯算法進行對比。以配電網出現信息畸變為前提，分別測試在不同的單、雙故障情境下，3種配電網故障定位容錯算法的耗時，實驗結果如圖1和圖2所示。

圖1 信息畸變單故障下的算法耗時

圖2 信息畸變雙故障下的算法耗時

由圖1和圖2的實驗結果能夠得出3種配電網故障定位容錯算法耗時均值，具體如表1所示。

表1 3種配電網故障定位容錯算法的耗時均值

根據表1可知，在單、雙故障情境下，文中配電網故障定位容錯算法的耗時均值為0.245 s。在同等條件下，比另外2種配電網故障定位容錯算法的耗時均值分別低0.439 s和0.450 s，說明此次設計的算法在運行耗時方面更加優越。

6 結 論

經過實驗測試表明，本次設計的配電網故障定位容錯算法在時間方面具有更好的性能，為相關領域的研究提供了新的思路，此外也優化了子節點數搜索方法的應用模式。未來將繼續對算法的迭代性能加以改進，力求在算法精度方面達到新高度。