智能配网的故障自愈控制及计算分析

智能配网的故障自愈控制及计算分析

马冲孙俊明屈伟释学谦

国网滨州供电公司山东滨州256600

摘要：中国配电网一直都存在线损率高、供电可靠性低、设备利用率低等等一系列的问题，这些问题严重影响了配电网的供电的可靠性以及质量问题。随着社会的不断进步和发展，智能配电网逐渐出现在人们的视野内，对于上述的一些问题，都可以利用智能配电网的故障自愈控制来解决，方便快捷，大大提高了中国配电网的工作效率。本文对智能配电网的自与控制框架以及数学模型进行论述，并选用模拟退火算法对配电网线路故障进行自愈控制计算研究。

关键词：智能配网；故障自愈；自愈控制；计算分析

引言

随着中国特色社会主义经济的不断发展，国内对于电力的需求大幅度的提升，社会各界对于电力的使用要求也越来越高，不仅仅要求电力的质量要到达要求，还要保证供电方能够快捷可靠的提供电力供给。从目前的情况来看，要想实现供电系统的经济环保、优质可靠以及安全稳定等性能，必须依靠智能配电网来实现，智能配电网拥有自愈、互动、协调、分布、优化、融合等特征，尤其是智能配电网的自愈系统，能够高效的解决大部分的问题，所以智能电网以及其开发和完善受到了社会各界人群的关注和重视。

智能配电网能够通过不同的区域和层次的技术经济优化的策略和控制手段，快速的检查出该系统内部所出现的系统故障并采取相应的维修技术，而且还可以对系统进行安全检查，将系统中不安全的部分进行预警提示。智能配电网的自愈系统是在不影响正常工作的情况下进行操作修理的，并不会在发生在系统实行自愈的时候造成供电量不足或供电不及时等情况。

一、配电网自愈控制概述

1.1智能配网自愈控制

智能配网自愈控制就是要在不影响系统运行且保证系统的安全稳定的情况下对系统进行优化，清扫系统的障碍。就像电脑中安装的管家类的软件，定期的对系统进行检测，在不影响系统运作且保证安全的前提下将检测到的故障或问题文件进行隔离，并进行修复。智能配网的自愈控制和上述例子的管家类软件大同小异，不过智能配网的自愈控制更需要系统各部分的协调工作做好，要求将通信网络、测量控制装置、继电保护、调度系统等方面完美的结合，将其构成一个整体架构。

1.2自愈控制的数学模型

自愈控制是一个非线性的、多目标、大规模的优化组合的问题，所以，有许多的因素都必须要考虑进去，然后进行严谨的计算，比如说：客户优先等级、电网络约束、失去负荷的恢复数量、线路负荷裕度、开关闭合次数，这些都需要进行计算。自愈控制的数学模型包括约束条件和自愈目标两种，下面逐个进行论述。

1.2.1配电网自愈控制的约束条件

在故障自愈控制的数学模型中，约束条件包括网络拓扑结构约束方程、等式约束方程、不等式约束方程。潮流计算在求目标函数计算潮流时自动满足，它是属于等式约束条件的一种，不等式约束包括节点电压约束、支路容量约束。

（1）潮流约束方程

式中：D是负荷需求矢量、P为馈线潮流矢量、A为节点支路关联矩阵。

（2）馈线容量的约束方程

式中：Sjmax、Sj分别为第j条支路上流过的允许的最大传输功率值、功率计算值。

（3）线路电流约束方程

式中：Iijmax、Iij分别为支路ij上流过的支路允许的最大传输电流值、电流计算值。

（4）节点电压约束方程

式中：Vjmax为节点j电压的有效值的下限，Vjmin为节点j电压的有效值的上限。

1.2.2配电网自愈控制的目标函数

（1）失电负荷最小

其中：s、li为未恢复供电的母线所带的母线数、负荷，λi为负荷的比重系数。

（2）系统有功损耗最小

其中：ki为开关的状态变量；Qi为支路i的无功功率；Pi为支路i的有功功率；Vi为支路i的节点电压幅值；n为线路支线总数；r为支线i的线路电阻。

（3）开关操作次数最小

其中：ci为分段开关的闭合变化状态；n为联络开关的数量；m为分段开关的数量，oi为联络开关闭合变化状态；l表示由打开变为闭合，0表示由闭合变为打开，1表示保持闭合、0表示保持打开。

1.3智能配电网故障自愈算法

本文根据客户优先等级、电网络约束、失去负荷的恢复数量、开关闭合次数等因素，选择模拟退火算法进行论述。在自愈控制初始条件下，在最短的时间内恢复供电是首先要做到的，在完成恢复供电之后再考虑优化结果的问题，然后将优化扩大，达到全局最优。

为了在线路出现故障或损坏的问题时能够及时进行修复且不影响到其他的供电问题，配电网一般都是开环运行的网状结构，拥有很多条供电路径，并且每段线路都含有许多联络开关以及分段开关。使用模拟退火算法对配网故障进行计算，虽然要多次开关线路，但是能够在很大程度上减少网损，所以，为了方便这一算法的顺利进行，应该要在开始的时侯就对开关进行分类，具体分类时要按照：形成微网孤岛运行后断开的开关作为第一类；必须保持断开状态的故障线路上的开关是为第二类，不能打开的开关当作第三类；可以随意进行开闭操作的开关是为第四类。其算法流程有：

（1）在开始计算的时候，首先要找到配电网络中所有的失电区域，然后统计计算出失电区域的总失电负荷。

（2）根据实际情况判断是否存在分布式电源。如果没有，那么很简单，直接切除即可，但是有的话，就需要进一步进行确定，要根据类型确定能否构成微网。如果能微网运行，那么久以分布式电源为根节点，找到相应的网络开关将其切断，标记此为一类，随后组成孤岛运行，当失电区域恢复供电时，自动退出算法计算程序。

（3）若是无分布式电源，依然存在未恢复的供电负荷，那么将其统计为不属于分类二和分类一的联络开关数n，如果n为0，就是表明此失电负荷不存在自愈的路径，算法结束，退出程序。

（4）如果n不为0，那么随机闭合一个从n个中选择的开关。

（5）完成上述操作后，对是否还有失电负荷再次进行判断，如果有，那么需要再次统计不属于分类二和分类一的联络开关数n，如果n不等于0，那么转回第四步骤，反复计算直至n为0或者没有失电区域，然后进入模拟退火程序中。

（6）任意断开一个联络开关，然后断开环网网络中随意不属于分类三的分段开关，验证潮流和电压值是否越限和收敛，如果满足条件，将两个开关恢复闭合状态，再一次执行此步骤。

（7）计算目标函数值还有潮流的变化，如果出现较小值，就接受这种网络结构，如果没有出现，就判断判据是否成立，如果成立同样接受新值，不成立就不接受。然后回到步骤六，直到支路开关交换数达到最大支路交换数目。

（8）输出最优的网络结构和未故障自愈的区域及相应损失的负荷。

二、典型配网系统故障自愈计算分析

比如一些简单系统网络接线图，采用一个包含1个变压器，12个分段开关，2个联络开关的13节点的弱环配电网络，分析该算法是否能够使失电区恢复供电。

当简单网络的F1位置发生故障，支路5的开关的保护动作断开，此时母线6、7、8、9、10停电，利用配网故障自愈控制恢复失去负荷母线供电，其控制过程如表2所示。

通过对简单单源配网系统的计算分析表明，不管配电网络结构、故障发生地点，同时发生故障的次数，只要失电区域存在供电恢复的路径，可以通过故障自愈程序恢复非故障负荷的供电，并且可以同时优化配电网的网络结构。

三、结论

随着社会的发展，电力已经成为人类社会中不可缺少的一个重要内容，电力系统的发展与人类社会紧密关联，而配电网作为电力系统的重要组成部分，是保证供电质量、提高电网运行效率的重要环节。所以智能配网的建设发展是必然的。本文简要论述了智能配网的故障自愈控制及计算分析，希望可以帮助到读者。

参考文献：

[1]仝楠.唐山中心城区配网自动化系统应用研究[D].华北电力大学，2014-06-01.

[2]毕艳冰.面向智能电网的通信中间件的关键技术研究[D].山东大学，2012-05-21.