配电网自动化.docx

1、配电网自动化配电网故障处理自动化系统配电网是向用户供电的主要环节，然而在现代随着国民经济的发展迅速，人们对电力部门的电能质量、特别是对电力供电的可靠性的要求也越来越高，即使是很短暂的电源中断，就有可能造成重大的国民经济损失;而且，电力事业发展迅速，配电网的规模迅速壮大，加上电力部门也要求提高自身电力的安全、经济、可靠性以及质量，传统的人工故障排除方法已经达不到我们对电力部门的要求。1.配电网故障处理自动化概述配电网分布范围广，在中国广大地区沿线呈狭长分布，供电区间线路长，每隔40千米至50千米为一个供电臂，有的则达到80千米，甚至上百千米，穿越高山、森林、河流、湖泊等复杂的地区地形，气候条件多

2、变，长期经受风、雨、雷电、污、雾等侵害，是供电系统中的最薄弱环节，也是故障产生最多的地方。瞬时故障约占90%，而这类故障造成的局部绝缘损伤一般都没有明显的痕迹，给故障的查找带来极大困难。贯通/自闭线路故障的准确定位，能够提供可靠的数据，大大减轻了人工巡线的艰辛劳动，便于查找故障和排除故障。对于瞬时性故障来说，可以区分的是雷电过电压造成的故障，还是由于线路绝缘子的老化、线路下树枝摆动造成的故障，以及时发现故障隐患，采取有针对性的措施，避免故障再一次发生，防止了故障的扩大。一、配电网故障自动化处理设备的工作原理是基于小波测距的方式。对于分段处位置的开关在正常工作时开关为常闭状态，当线路因停电或因故

3、障失压时，所有的开关都打开。二、故障区段两侧的开关因感受到故障电压而闭锁，当站内断路器再次合闸后，正常区间恢复供电、故障区间通过闭锁而隔离。三、对于联络点位置的开关，在正常时感受到两侧有电压时为常开状态。四、当一侧电源失压时，该联络开关开始延时进行故障确认，延时时间整定值为故障侧线路完成对故障确定并闭锁的时间。五、在延时时间完成后联络开关投入，后备电源向故障线路的故障后端正常区间恢复供电。2配电网故障定位的发展现状(1)FTU远动监控法随着远端控制在馈线中的应用越来越广泛，有些配电网只能应用终端设备，即(FTU)，并通过通信通道实现故障检测定位的功能。出现故障时，通过FTU对分段开关、重合器等

4、进行控制，判断故障位置，进而隔离故障。但是，FTU需要专用电源，工程造价高，而且专用通信信道的花销也比较高，当线路发生故障的时候，有可能单端失去电源。(2) 阻抗法阻抗法是配电网电力系统的一种故障定位方法。阻抗法是根据故障时母线处测量得到的电压电流的复值来计算故障线路的阻抗。由于线路的长度与阻抗的大小成正比，用阻抗除以单位长度的阻抗即得到故障距离。该方法依据变电站和分支点把每条馈线分成几段，并以网络分析模型为基础，由电力系统分析软件自动进行离线的短路电流计算，计算的故障阻抗结果存放在每条馈线的阻抗列表中，短路电流计算每年更新一次。线路发生故障的时候，测量的故障阻抗自动传送到计算机的选择程序并且

5、自动选择计算公式，从而计算出阻抗的大小，继而可以得出故障距离的大体数据。由于受过渡电阻、分布电容、电压、电流互感器误差等因素的影响，阻抗法测距误差教大。(3)行波法行波法是利用高频故障暂态电流、电压行波或在故障后用脉冲频率调制系统及断路器断开或重合时产生的暂态信号等来间接判定故障点的位置，一般分为A，B，C，D，E，F这6种方法。现有的AF型行波测距方法的基本原理如下:A型测距为单端测距方式是利用线路发生故障时在测量端感受到第一个正向行波浪涌S1与其在故障点反射波S2之间的时延t计算测量点到故障点之间的距离。图1为行波在故障点F与测距点S问往返过程及测量点感受的行波示意图。设故障初始行波况与由

6、故障点反射波凡到达母线的时间分别为、，则故障距离戈为:式中，v为行波在线路上的波速。图1 单端A型测距原理示意图B型测距方法利用故障点产生的行波到达线路两端后借助于通信联系实现测距。C型测距方法是利用在故障发生后由装置发射高频或直流脉冲，根据高频脉冲在装置和故障点之间的往返时间进行测距。与A型测距方式相比，只是行波源不同，前者采用外加脉冲式，后者直接利用故障行波。基于模量行波的三相母线外加同一电压脉冲式单端行波测距方法，通过对单端注入的行波进行小波变换，根据波形特征、模极大值出现的特点、波形奇异点的变化等判断故障线路和故障点，实现准确故障选线和测距。D型为双端测距利用线路内部故障产生的初始行波

7、浪涌到达线路两端测距点时的绝对时间之差计算故障点到2个测量点之间的距离。设线路长度为L，故障产生的初始浪涌到达两侧母线的时间分别为和，如图1所示。则故障点到母线S及R的距离、分别为:E型测距方法基于重合闸的单端测距原理，利用线路开关合闸于故障线路所产生的暂态行波，根据测量点到故障点或故障点到对端母线往返一次的时间和行波波速确定故障点距离。F型测距方法基于分闸的单端测距原理，利用故障线路断路器开断故障时产生的分闸暂态行波，根据测量点到故障点或故障点到对端母线往返一次的时间和行波波速确定故障点距离。3配电网故障定位算法比较及应用3.1阻抗法误差分析3.1.1阻抗法原理阻抗法是基于输电线路为均匀传输

8、线的的条件下，即故障回路阻抗与测量点到故障点的距离成正比。故障阻抗的计算可以利用线路两端的暂态故障信息，也可以仅利用单端暂态故障信息进行近似处理。对于单端电源供电的线路来说，由故障时母线处测量的电压Vm、电流Im计算得到的等效电抗XL或者等效电阻RL与母线到故障点线路长度L成正比。用或除以单位长度上电抗值X0或电阻值R0即可得到故障距离，其关系可以表示为:3.1.2影响阻抗法的几个因素(1)环境负荷变化的影响阻抗法测距功能通常作为微机保护及录波装置的附加功能，具有投资少的优点，但其测距准确性受过渡电阻、线路分布电容、暂态故障分量、线路结构不对称、线路走廊地形变化、电压和电流互感器的变换误差影响

9、较大，阻抗算法往往不能满足对故障测距的精度要求。阻抗测距法存在的另一个缺点是适应性较差，配电网中一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地(小电流接地)方式，据统计线路故障90%是单相接地故障，特殊的供电方式和系统结构，沿线不均匀的挂接负荷设备，使得阻抗测距适用性较差。(2)接地电阻的影响双侧电源系统如图2所示，当故障点F发生三相经过渡电阻故障时，定性分析过渡电阻Rg对M端距离保护动作的影响(Zl为线路单位长度的正序阻抗，X为保护安装点M至故障点的距离，L为线路全长)。由于:M点保护的测量阻抗为：N点保护的测量阻抗为：图2单向接地系统等值电路若超前于，则落后于，呈现为容性阻抗，安装于M侧的距离保护在

10、正方向区外故障时可能由于过渡电阻的影响而误动作。若落后于，则超前于，呈现为感性阻抗，安装于M侧的距离保护在正方向区内故障时可能由于过渡电阻的影响动作的灵敏度减低。3.2行波法误差分析3.2.1行波测距的原理行波测距的方法，是建立在输电线路的分布参数变化的基础之上的，利用故障产生的暂态行波信号。并对其对其暂态信号进行分析，利用故障高频暂态电流、电压的行波分析计算，判定故障点的距离。(l)单端行波测距法对一般性故障而言.单端行波测距的关键是准确求出行波第一次到达测量端及从故障点反射回到测量端的时间差。或与对端母线反射回测量端的时间差。当线路发生故障时，故障产生的电流行波会在故障点和母线之间来回反射

11、。行波测距接人来自电流互感器二次侧的暂态电流行波信号。假设线路MN，线路中点以内的O点发生故障。若M端装设行波测距装置，该行波脉冲先从故障点反射至M侧母线上.再从M侧母线反射至故障点、再反射至M侧母线上，如此反复，M侧故障测距装置可记录该行波脉冲第一次到达M侧母线的时间为T1。第二次到达M侧的时间为T2。故障点从对侧反射的行波脉冲到达本侧的时间为T3。如3图所示:图3行波传输路径图4反射波波形图设波速度为v，此时为故障点至M端的距离。(2)双端行波测距法双端行波测距的关键是准确测出电流行波到达线路两端的时间。MN线路，当线路两端均装设行波测距装置时，发生故障的时间为T0，故障点到达M侧的时间为

12、T1，故障点到达N侧的时间为T2，如图5所示:图5行波反射图波速度为v可得出以下方案：双端测距必须要在线路两端装设测距装置和GPS装置.并通过通信交换两侧测距装置测到的故障初始波到达两侧母线的时间，装置通过以上公式计算出故障点距本端的距离。3.2.2行波测距法存在的问题及部分解决方法(l)行波故障分量的提取由上面的分析可以知道，线路故障产生的行波是一个暂态的、奇异的高频信号。但是这种行波暂态信号能否通过互感器来实现采集是一个很大的问题。通过大量仿真试验表明，普通的电流、电压互感器，普通的电流互感器也能精确的传变电流行波信号，所以行波测距装置可以直接接入普通的电流互感器。（2）保证线路两端的时钟

13、同步主要使用卫星定位的GPS系统来实现。两端行波测距装置均接收GPS对时，从而达到两侧时间的完全统一。（3）准确的记录故障行波重叠的时间故障行波含有多种高频分量。而不同频率分量具有不同的传播速度和衰减，从而使行波在传输过程中产生色散，造成了行波到达时间很难判断，所以，采用行波测距法时，必须考虑行波在输电线路上传播的色散问题。（4）确定行波的传播速度当线路的故障距离较近时，行波中的高频分量较多，行波的传播速度也就较高，当故障距离较远时，高频分量少，行波以较低的速度传播，这样一来，如果不考虑行波中的高频含量，而把行波传输速度确定取为光速。这样的测量结果显然是不精确的。3.3两种算法的适应性比较配电

14、网在发生故障的情况下，故障处理的首要任务就是要实现故障的快速切除，尽快恢复供电，保证线路供电以及安全。因此，其故障诊断算法应该满足快速性、可靠性要求。另外，由于配电线路的结构多样，算法也应该同时兼顾稳定性和适应性的要求。目前，应用于故障定位的阻抗法和行波法，有其各自的长处。对阻抗法而言影响其定位可靠性与精度的主要因素是线路参数的稳定性、计算模型的可靠性。由于受到外界变化因素的影响造成线路参数和线路模型的多变且不均匀，所以，它的定位精度不是很高，但定位可靠性相对较高，适应性也较强。行波法也同样客观上受到波速衰减和行波信号检测时间的影响，定位的精度显然比阻抗法要高，但定位的可靠性相对难以保证，抗干

15、扰的能力差，适应性也较差。由于配电线路结构复杂、线路多样化，受沿线分支变压器的影响、复杂环境的影响、形成的阻抗不连续点多。而且，行波在各个一次设备、各段线路联接处的反射和折射非常复杂，严重影响了行波信号的识别。此外，较大负载感应电压干扰，也会影响到行波信号的提取。行波法还存在测量死区，当故障发生在线路近端时，由于时间太短可能无法区分出第一次到达的行波和从故障点反射回来的第二次到达的行波，造成测量死区。故障发生在电压过零点附近时，由于行波信号相对微弱，无法准确提取行波信号，也会出现测量死区。4.配电网故障诊断专家系统配电网发生故障时，我们把开关跳闸信号、保护动作信号及越限潮流等报警信息实时地送到

16、计算机屏幕上和调度模拟盘上，为工作人员判断故障带来了方便。但是，当大量报警信号在短时间内蜂拥而至，在这种复杂忙乱的情况下，工作人员往往不能判断故障或者发生误判、漏判，可能造成故障扩大或延长送电时间。因此，将这些故障信息交给高水平的计算机软件进行实时故障判断是非常有意义的。4.1 故障诊断专家系统的基本原理故障诊断专家系统(简称ES)一般分为发送电力设备和电力网络故障诊断，在这里只讨论后者，它的结构如图6所示，它的功能应包括如下部分:a)故障检测测定判断故障时所需数据信息。通过接口查询SCADA库获得开关、保护、线路潮流等信息。b)故障分析根据故障信息，分析故障地点、性质和原因。c)故障处理根据

17、故障分析结果，提出处理意见(报警、转移负荷、设备停运、保护退出等)。国内外研制出的专家系统大都可以利用继电保护动作信号，根据保护动作范围的相交运行所得的交集来判断故障区域和类型。由于配电网开关装置的数量太大，很难把各种保护信号都送到调度中心，一些的调度中心只具备少量的保护信号。这样，只能根据断路器跳闸信号判断故障元件。而对一些较复杂故障是从开关跳闸信号而得出各种可能故障元件基础上，通过人机对话方式输入必要保护动作量，进一步确定故障元件，并形成调度故障处理意见。图6 故障诊断专家系统的结构示意图4.2 ES知识库知识库用来存贮某一领域专门知识和经验。一个专家系统性能的高低，取决于知识库中知识的完

18、善程序和良好的组织结构。它具有存贮、检索和修改的功能。可分为设备属性库，故障诊断和性能分析库，如图7所示。故障诊断和性能分析库包括:a)开关性能诊断库；b)保护特性诊断库；c)重合闸及开关特性库；d)公共知识库。4.3 ES数据库数据库存放所要解决问题的原始数据和推理过程中得到的各种中间信息。它不仅存放着电力系统的实时开关、潮流、电压信息、临检或设备异常退出情况，而且还与其它专家系统部分相联系。因此数据库不仅是ES系统各功能纽带，也是SCADA系统及其它专家系统的桥梁。图7故障诊断专家系统的知识库示意图4.4 逻辑推理部分逻辑推理部分是ES系统核心部分，它根据数据库中的信息，利用知识库的知识，

19、按一定的算法推理策略去解决所研究的问题。它由三个子推理器组成。a)保护逻辑推理器:根据测距结果以及内部数据库对线路所安装主保护进行诊断，之后是后备保护诊断。b)重合闸逻辑推理器:对重合闸是否正确动作，选相以及重合闸的时间等进行诊断。c)开关动作性能分析推理器:诊断是否有开关误跳、拒跳。4.5解释部分将推理出的结果作出必要的解释，为用户学习维护提供方便。4.6 人机对话窗口用户通过窗口查询一、二次设备运行状态，也可以输入因临检退出的一、二次设备。5.配电网故障处理专家系统配电网安全、稳定地运行是促进国民经济迅速发展的重要保证。随着配电网规模的扩大，故障的复杂性和处理的难度都相应增大，使得现代配电

20、网运行变得复杂。当电力系统发生故障时，配电网调度中心将会在短时间内出现大量的报警信息，此时调度人员往往难于进行全面、准确的故障判断和处理，有时甚至为假报警或与问题无关的报警所迷惑，以致延误时机或判断处理失误。因而，人们想到将专家系统应用于配电网故障处理，用专家系统技术将调度员的调度经验和专业知识编成计算机软件，当配电网发生故障时，用计算机来帮助工作人员判断故障，并给出处理措施。5.1系统的总体结构为了开发电力系统故障处理专家系统工具。首先，将配电网拓扑数据库和故障处理知识库分开，将配电网拓扑数据库以外部数据库的形式存放在磁盘上。其次，将故障处理知识分为一般知识和特殊知识。一般知识是指那些所有配

21、电网都有的普遍知识，如故障元件恢复供电等方面的知识。这部分知识相对稳定，不随具体配电网改变，因而以语句的形式固定于程序中。特殊知识是指那些个别配电网才有的具体知识，如过负荷检测与处理方面的知识。这部分知识随配电网的不同而不同，因而以文件的形式存放在磁盘上。该设计思想的提出，为故障处理专家系统工具的成功开发奠定了基础，为故障处理专家系统的推广应用和深入研究提供了可能。首先，由于配电网拓扑数据库是以外部数据库的形式存放在磁盘上的，因而可以实现在线修改配电网拓扑数据库，使得故障处理专家系统能够适应运行方式的变化。其次，由于故障处理知识分为一般知识和特殊知识，而一般知识又是所有配电网共有的，使得针对某

22、一具体配电网开发故障处理专家系统时，只需获取和总结该配电网的特殊知识，无需搜集一般知识。再次，由于特殊知识是以文件的形式存放在磁盘上，使得故障处理专家系统可以实现在线修改知识库。配电网故障处理专家系统工具的总体结构如图8所示，它包括五个部分:推理机、知识库及其编辑器、配电网拓扑数据库及其编辑器、故障信息获取接口和人-机接口。(1)推理机推理机有两个功能:推理和控制。推理是运用已有的知识规则，以谋求新的结论。控制的作用是确定规则匹配的顺序，同时当规则匹配成功或失败时，由控制来决定下一步的工作。(2)知识库及其编辑器本工具的知识库包括两个部分:一般知识库和特殊知识库。知识库编辑器是用于插入、修改和

23、查询特殊知识的应用软件。图8故障处理专家系统总体结构图(3)配电网拓扑数据库及其编辑器配电网拓扑数据库用于存放配电网结构信息及设备参数方面的数据，包括:发电厂和变电站的数据、输电线路和联络变压器的数据。这些数据可以通过配电网拓扑数据库编辑器进行输入、修改和查询。(4)故障信息获取接口故障信息获取接口用于接收、识别故障信息，并用合适的形式将其存入内部数据库。该接口可以是离线的，也可以是在线的。(5)人-机接口人-机接口是人和计算机“交流”的通道，人可以通过它将信息输入计算机，计算机也可以通过它将信息显示或打印出来。5.2数据库系统本工具的数据库系统包括以下三个部分:(1)配电网拓扑数据库配电网拓

24、扑数据库存放的是有关配电网结构信息和设备参数方面的数据，包括:变电站的数据、输电线路和联络变压器的数据。在正常运行方式下，配电网拓扑数据库是不变的。但是，在配电网改造和扩建后，以及运行方式发生变化后，配电网拓扑数据库的内容就需要修改。为了能够灵活、方便地维护配电网拓扑数据库，将配电网拓扑数据库与知识库分开，亦即与程序本体分开，并将其以外部数据库的形式存放在磁盘上。当配电网结构或运行方式发生变化时，只需利用本工具提供的配电网拓扑数据库编辑器对数据库进行修改即可，无需修改源程序。同时，将配电网拓扑数据库以外部数据库的形式存放在磁盘上，不仅维护方便，而且可大大减少内存占用。为了能够方便地开发不同配电

25、网的事故处理专家系统，本工具提供了配电网结构知识的通用表示方法。该方法采用框架表示法，以电气设备(包括开关、母线、线路、变压器)为基本对象，电气设备之间通过隔离开关相连接。两个主要特点是:该表示方法改变了以母线为核心的传统模式，而采用了以电气设备为基本对象的思想，因而完全能表示任何主接线形式的发电厂和变电站。在该表示方法中母线、线路及联络变压器所连接的电气设备不一定都是开关，因而能表示母线、线路或联络变压器不经过开关直接与其它电气设备相连的特殊情况。由此可见，该表示方法能表示任何特殊的接线形式，适用于各类配电网。(2)知识库知识库包括一般知识库和特殊知识库。由于一般知识主要是控制技术和人工智能

26、的搜索技术，专家经验较少，因而，一般知识库是作为程序体的一部分存在的，要想修改这部分知识只能修改源程序；而特殊知识都是专家经验和专业知识，而且随着配电网的不同而不同，需要经常修改，因此，特殊知识库以外部数据库的形式存放在磁盘上。特殊知识可以利用知识库编辑器进行插入、查询和修改。特殊知识是用产生式规则表示的，但它在特殊知识库中却没有用IFTHEN的形式表示，而是用外部数据库的项表示的。本工具提供两条特殊知识:过负荷相关支路和基于专家经验的过负荷消除措施。过负荷相关支路是指由于某条支路停运，造成其它支路过负荷，那么这些过负荷支路就叫做该停运支路的过负荷相关支路。过负荷相关支路是针对某一具体配电网由

27、专家或依据专家经验提出的，它在特殊知识库中的格式为:（1）relative-line(停运支路，过负荷相关支路表)。其中“过负荷相关支路表”中存放的是当relative-line项中的“停运支路”发生停运时可能导致过负荷的所有支路。基于专家经验的过负荷消除措施是由专家或依据专家经验给出的过负荷消除措施，它在特殊知识库中的格式为:（2）elim-overload(过负荷支路，送端厂站名称，过负荷消除措施)。其中“过负荷消除措施”中存放的是当elim-overload项中的“过负荷支路”过负荷而且送端厂站名相符时应采取的措施。(3)动态数据库动态数据库，也叫内部数据库，是由一些事实组成的数据集。在

28、程序运行时，可以从中加入或删除事实，一旦程序退出运行，动态数据库的所有信息全部消失。动态数据库用于存放中间数据。5.3推理机的结构配电网故障处理专家系统工具的推理机它包括过负荷检测与处理、故障元件恢复供电等模块。各功能模块相对独立，模块之间通过内部数据库联系。各模块的功能如下: (1过负荷检测与处理当电网发生故障时，电网的运行方式有可能发生变化，从而使得电网中的某些设备可能出现过负荷。因而，当电网出现停运线路时，有必要进行过负荷检测，并对过负荷线路进行处理，给出消除过负荷措施。对于一个大型电网，由于线路很多，如果对每条线路都检测一遍，将要花费很长时间。这对于一个在线运行的系统是不可能的，也是没

29、有必要的。因而采用有选择性地检测支路过负荷，首先检测并列支路过负荷，其次检测相关支路过负荷，最后检测过负荷报警。对于过负荷的消除，采用两种办法:基于专家经验的过负荷消除和基于电网搜索的过负荷消除。对于每一个过负荷支路，首先确定支路功率流向，然后在特殊知识库中寻找与该过负荷支路名称相匹配的elim-overload项，如果存在这样的项而且支路功率流向与该项中的送端厂站名称相符，则取出该项中的过负荷消除措施；如果不存在这样的项或者支路功率流向与该项中的送端厂站名称不相符，则采用基于电网搜索的过负荷消除办法。(2)故障元件恢复供电对停运的厂站、母线、馈线和联络变压器，给出恢复供电步骤。此时应避免因恢复供电而引起的非同期并列。事故处理专家系统的建立将复杂故障信息通过计算机分析推理变为直观信息，这无疑大大减轻了调度运行人员的精神压力，确保了系统安全。6.结束语本文对配电网络故障尤其是处理方式方法进行了分析，并对故障诊断及处理专家系统进行了设计。这些工作加深了对配电网络故障的了解，为将来对整个配电网络的故障处理打下了基础。由于配电网络比较复杂和理论知识的匾乏，仍有许多方面需做进一步的研究和完善。随着配电网络故障处理算法的发展和计算机硬件技术的完善，故障的自动处理面临的困难都会逐步解决。自动化处理是企业追求经济效益最大化的有效途径，系统、全面的开展这方面的研究工作具有重要而深远的意义。