配电网故障预警系统设计

张琦

摘要：基于恶劣气候时的故障历史数据以及内部因素的高级应用功能，设计具有潮流计算、可靠性分析以及风险评估的配电网故障预警系统，便于实现风险预警，提前做好安全措施，从而实现辖区内配电网运行的可靠性，确保电网整体稳定运行。

关键词：配电网；故障；预警

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.086

1引言

如何安全、高效、及时地对配电网故障进行预警，有效地避免配电网事故的发生，是电网企业迫切需要破解的一个难题。配电网的故障预警的方法主要有基于神经网络的故障预警、基于网管数据的故障预警、基于规则的故障预警三种方法。基于神经网络的预警方法，神经网络训练的工作量非常的大，整个诊断过程对于运维人员来讲是一个黑盒，运维人员无法了解诊断过程；基于网管数据进行故障预警及诊断方法，缺点是故障诊断效率不高，定位不准确；而基于规则的故障预警方法弥补了前两种方法的不足，相比基于神经网络的故障预警及诊断方法，该方法可以使运维人员了解故障预警及诊断的过程，相比基于网管数据进行故障预警及诊断方法，该方法具有较高的准确率和效率。而且，在电网状况发生变化时，运维人员可以通过修改、增加或删除规则，以确保故障预警及诊断的准确率。因此，本系统使用应用较为广泛的基于规则的T-S型模糊推理法。

2系统设计原理

2.1系统设计原则

本系统的设计宗旨在于，提高电网供电可靠性，发现电网薄弱环节，确保电网稳定运行。系统遵守行业有关调度管理系统的标准，在实现具体应用功能的同时，满足相应的性能指标和技术要求。同时，系统还应该是开放式的结构体系，不仅能满足当前电网稳定运行的需要，而且还能满足将来提升功能和规模扩大的需要。由于电网信息的特殊性，软件可以采用权限控制、密码控制等措施来保证数据安全性。

根据本系统的设计宗旨，当输入区域配电网的有关数据，系统进行配电网网损和电压计算、配电网线路故障率计算，给出理论上的一个故障预警方案和相关指标，指导运行人员开展运维工作。

2.2系统结构设计

配电网故障预警系统采用模块化设计思想，包括配网环境因素模块、配网故障预警模块、故障应急措施模块、应急措施评估模块和客户端软件模块。

2.3系统功能设计

配电网故障预警系统具备环境因素数据输入、故障预警、故障应急措施和应急措施模块评估功能。

用户将配网相关的环境参数输入后，通过配网环境因素模块进行显示，供用户查看；配网故障预警模块根据配网环境因素模块中的环境数据，应用T-S模糊数学模型，对配电网进行风险评估，对每条线路的断线概率进行计算和评估，给出配网的故障类型和故障后果；故障应急措施模块主要是根据配网故障预警模块中所确定的发生故障的具体线路，根据所产生的故障，指导运行人员在故障发生前采取相应措施，从而达到故障预警的目的；应急措施评估模块是对故障应急措施模块中所提出的应急措施进行评估，通过计算采取相应的措施后的配电网的潮流，来评估该措施的合理性和可靠性，是否会产生低电压或者过负荷等其他一些不合理的情况。

3系统设计方法

3.1配网环境因素模块

恶劣天气出现的概率虽然不高，但在恶劣气象条件下，配电网发生多种相关和不相关故障的概率快速增加，出现所谓的“故障聚集”现象，进而对配电网线路产生强大的破坏作用。因此，在配电网故障预警中考虑天气变化的影响是十分重要的。环境因素主要考虑气候因素如：雷电、大风、暴雨、覆冰、地震等。

环境因素模块的主要功能是进行历史气候数据的输入和保存，便于在风险评估中进行调用和计算。其主要监测数据包括一段时间内辖区内的区域落雷密度、每条线路的雷击影响程度以及首、末端的工作状态。用户可以直接调用系统中的Excel文本，应用其中已有的数据，也可以新建Excel文本，在其中进行添加监测数据或者修改数据。

3.2配网故障预警模块

本系统的故障预警模块是针对落雷影响程度以及落雷密度对线路运行的影响，对该线路遭受雷击的概率进行预测，即对线路可能由于雷击影响而发生的故障进行预警。目前配电网故障预警的方法有很多，本次设计主要采用T-S模糊模型进行故障预警。

T-S型模糊推理不仅可以用于模糊控制器，而且能够逼近任意连续的非线性系统，适用于一般的模糊系统。T-S型模糊推理输出的是清晰值，不需要经过清晰化转换，可以直接用于推动控制系统，方便进行数学分析，也便于对整个系统进行定量分析。下面重点介绍双输入-单输出的T-S型模糊推理。

对于双输入、单输出系统，可以用模糊条件语句“If x1 is A1 and x2 is A2，then u is U”（“大前提”）来描述，若又知道“x1 is A*1 and x2 is A*2” （“小前提”），那么运用近似推理合成法则，得到新命題“u is U*”；U*是个F集合，不能直接输出到执行机构上进行操作，必须通过“清晰化（F/D）”的转换过程。当系统呈现局部线性、能够进行分段控制时，可以对上述近似推理过程进行如下的改变。

设某系统的双输分別是清晰变量x1和x2，将上述近似推理過程改变为“If x1 is A1 and x2 is A2，then u=f （x1， x2）”，其中A1和A2是两个F集合，输出量u为一个数值函数f（x1，x2）。f（x1，x2）的函数类型、参数都是根据大量实验数据、通过系统辨识确定的。这样改变后，近似推理中用模糊条件命题表述的“大前提”，改成用数值函数f（x1，x2）表述，“大前提”的内容集中体现在函数的类型和其中的参数上，它是进行推理的基础。每当有一组新的输入（x*1，x*2）时，相当于有了近似推理中的“小前提”，原来近似推理过程就为函数f（x*1，x*2）的计算所代替，近似推理的模糊集合结论，就换成了这个函数的取值。endprint

这一改变使原先近似推理的“控制规则”，不全用语言表述，推理的结论，也不再是模糊集合，而成了数值函数f（x*1，x*2）的取值。当函数f（x1，x2）的类型取成x1和x2的线性函数时，这种推理就称为T-S型模糊推理。

3.3故障应急措施模块

根据线路所处区域的落雷密度以及线路的引雷指数，利用T-S模糊推理模型就可以计算出区域内各条主干线路遭受雷击的概率。线路在遭受雷击后就可能会引发线路故障跳闸。由于区域配电网一般是以辐射型网络的形式进行供电的，若区域内的某一条线路因雷击而发生跳闸，则就会造成区域内若干供电节点变成孤立节点。这些孤立节点将与配电网失去联系，从而导致节点出现断电的情况。此时就必须采取应急措施来暂时恢复孤立节点的供电，一方面可以启用配电网备用电源恢复孤立节点的供电，另一方面也可以通过闭合区域配电网之间的联络线来暂时恢复孤立节点的供电。

实施应急措施后，须及时派遣维修人员检修因雷击导致故障跳闸的线路，恢复区域配电网的正常运行状态，避免衍生出新的问题。

3.4应急措施评估模块

对闭合联络开关后的网络进行配电网潮流计算，得到电网网损和电压，从而判断各节点电压和各支路潮流是否满足要求。

潮流计算的本质是求解节点功率方程，系统的节点功率方程是节点电压方程乘以节点电压构成的。配电网的结构呈辐射状特点，配电网在正常运行时为开环；配电网的另一个特点是，配电线路长度较输电线路要长且分支多，配电线路线径比输电线路的要小，结果导致配电网的R/X比值较大，线路的充电电容甚至可以忽略。由于以上因素，导致配电网的结构和参数与输电网的差别很大，配电网的潮流计算必须采用适合的算法。因此，配电网的潮流计算应该采用前推回代法。前推回代法具有编程简易、计算快速、收敛性强等特点，是辐射状配电网潮流计算的有效算法，具有广泛的实用性。

应用潮流计算结果，得到各支路潮流、电网网损和节点电压。应用C#语言编写程序，通过比较进行判断每个节点电压是否满足要求（认为低于0.975是不满足要求的）以及线路潮流是否过载等。若某节点电压小于0.975或某支路出现过载，则说明该应急措施，即开关的闭合不能使配电网运行在一个合理的范围内。此时输出不符合条件的节点及支路。若全部节点电压均高于0.975，且线路不出现过载，则表明该应急措施合理。最后给出配电网的运行状态，供运行人员进行操作。

4结论

该区域配电网故障预警系统包括配网环境因素模块、配网故障预警模块、故障应急措施模块和应急措施评估模块四个模块。该系统不仅可以对历史环境数据进行记录、输入和分析，根据故障预警得到线路的故障率，从而进行配电网的故障预警，再根据线路的故障率采取相应的故障应急措施；还可以并对该应急措施进行评估，得到改善后的配电网网络运行数据，通过对网络数据进行整理、预处理和分析，计算区域配电网网损、电压运行水平，指导配电网的运行和设计工作。因此该系统所需的软件安装及使用较为简易，有着较高的实用性和广阔的推广前景。

参考文献

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