配電網停電定位法的研究

摘 要：隨著配電系統設備的日益增多，設備種類的日趨繁雜，要在最短時間內找出停電故障設備，及早恢復供電是很困難的。本文根據配電網的拓撲結構特點，利用饋線的電氣連通性，對配電網的停電定位進行了深入分析，提出利用啟示性搜索規則迅速準確地找出故障設備。從而使維修人員能及時準確到達現場維修，以縮短停電時間，提高供電可靠性。

關鍵詞：配電網；電氣連通性；停電定位

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A

1 引言

隨著社會的進步，用戶對用電質量和可靠性的要求越來越高，當發生故障時，如何根據故障呼叫快速找出故障點，搶修故障設備，以恢復電力供應是電力公司所面臨的重大課題。本文根據配電網的拓撲結構特點，利用饋線的電氣連通性，對配電網的停電定位進行了深入分析，提出利用啟示性搜索規則找出故障設備的停電搜索程序。

2 配電網的拓撲分析

配電網拓撲分析的主要功能是根據配電自動化資料庫、所得電氣連接性及動態開關狀態建立網路模型，以達到顯示及分析配電網路系統等目的。此外，拓撲分析亦可配合AM／FM／GIS系統顯示配電網路中配電設備的屬性資料以及實際地理位置。

AM／FM系統將配電設備分為兩種元件：分支和節點，在配電系統應用中，分支為任何連接兩個端點的設備如電線、開關及變壓器等，而節點就是將分支連結的電氣節點。拓撲分析經由追溯過程簡歷網路結構，一般而言，拓撲分析追溯是由給定的節點設備或分支設備開始，以分支另一端為新的起點，而該起點連結到新的節點表示是新的分支，重復執行此過程直到抵達開路開關或終點，當所有配電設備皆已追溯完畢時，則代表停電管理系統的網路模型構架建構完成。

為了達成配電系統構架拓撲分析，應該從配電資料庫的電氣連接資料表中讀取相應的屬性資料。從電氣連接資料表中可得知配電設備所有電氣連接屬性資料，不過，若想得到配電設備更多的相關屬性資料，則需要利用設備種類編碼判斷設備的類別，以決定欲開啟的資料表，并由設備流水號查詢該配電設備詳細的屬性資料。

3 饋線連通性模型

饋線電氣連通性幾乎對配網系統所有的分析功能都是至關重要的性能，因此使系統的饋線連通性模型一致和正確是非常重要的。在使用的GIS環境中，提供的連通性功能可準確地滿足需要，饋線連通性模型如圖1所示，對代表低壓或中壓饋線段的每一個弧段來說，會產生一個稱為追蹤方向的新項，為改善追蹤算法的性能，可以利用保存在弧段屬性表里的固有弧段方向。該項值詳細說明了通過相應的弧段的潮流方向或失電的狀態，若從起點至終點的節點所得到弧段的方向與潮流方向一致，則此記錄取值為1，否則為-1。若饋線段失電，則值為-2。其優點是在保持一致性時，該項相應記錄的值在開關操作后被更新。饋線連通信息由動態彩色線輔助，這有助于操作人員看到當前的通電和失電部分。開關模擬成饋線區域上的節點，開關的位置記錄在節點屬性表的節點類型項。如果開關斷開，則節點類型為-1，若開關閉合，則節點類型為+1。

常使用開關操作進行連通性的判別，開關操作可改變系統的開關狀態并維持系統的一致性。一個開關操作可按下面的步驟進行：首先，用戶選擇要進行的操作(斷開或閉合)，其次，選擇要操作的開關，若操作是有效的且是一個斷開操作，則執行從開關位置到負荷側的追蹤操作就可以確定此操作所影響的饋線段，若該弧段追蹤方向項值為-2，則表明它們是失電的。最后，選擇的開關通過指定值-1給它的節點類型項，作為斷開的標簽。閉合操作按類似方法處理。

對電源的確定而言，使用饋線連通性能尋找供給負荷的電源和供電路徑，確定用戶位置后，通過使用建筑物-配電箱-ID這一關鍵項，供電建筑物的配電箱就可以找到。該項是饋線的一個端點，從這一點，根據追蹤方向項，循著所連接的饋線段就可以選擇電源的路徑，從而找到電源。

對負荷的確定而言，使用該模型能確定設備(比如變壓器、母線、開關或饋線)所供電的負荷。因此它能有效地尋找開關斷開后受影響的客戶。

4 停電定位搜索程序

停電定位搜索程序是根據停電管理準則所制定，停電定位搜索程序包含兩個程序：電氣連接追溯程序和變動負荷比較程序；由于任何上游保護設備跳脫，都會導致與其關聯的供電區域的所有客戶停電，因此電氣連接追溯程序的目的，就是找出故障呼叫客戶的所有上游保護設備；變動負荷比較程序的功能是比較相同饋線的負荷變化量和停電區域的負荷預測量，并比較其誤差量，能更精確地確定導致故障的配電設備。下面是停電定位搜索程序的步驟。

4．1 電氣連接追溯程序

步驟1：建立配電系統網路構架

利用拓撲分析中提出的方法，追溯電氣連接關系，建立配電系統網路模型，并將此結果存放在電氣連接性資料表中，在配電自動化資料庫中也有記錄電氣連接性的資料表。

步驟2：建立負荷關系(LR)矩陣

根據步驟1拓撲分析所得到的網路構架，建立一個二元矩陣LR，此LR矩陣表示保護設備和供電區域的拓撲相對關系。以圖2的配電系統為例來說明決定LR矩陣元素的程序和矩陣元素所代表的意義，根據圖中客戶與保護設備的相對位置，可知LR矩陣的元素如式(1)所示：SZ及P分別代表供電區及保護設備，若供電區Sz_i的客戶供電狀況和保護設備P_j是否故障有關，則代表此供電區受到保護設備P_j的保護，如果P_j故障則將使供電區SZ_i停電，因此LR_ij為1，相對地，若供電區SZ_i的客戶供電狀況與保護設備P_j無關，則保護設備P_j故障與否將不影響其供電，因此LR_ij為0，所以LR矩陣反映出保護設備與供電區的拓撲關系。

以(1)式中的第三行為例，保護設備P1、P2或P3跳脫與否將影響供電區域SZ3的供電正常與否，而保護設備P4、P5、P6及P7的跳脫與否則不影響SZ3的供電。

步驟3：確定停電客戶共同的保護設備

根據停電客戶的故障呼叫，尋找地理位置及追溯網路連接性，找出所有客戶上游路徑的共同保護設備，判斷可能的故障點，從而減少工作人員檢查及維修的時間。

對應(1)式及圖2中SZ5和SZ7的客戶故障呼叫，利用上溯法找尋上游保護設備，其LR矩陣如(1)式所示，并由(1)式可得知SZ5和SZ7的所有上游保護設備，如下所示：

SZ5的保護設備集1={SZ5→P5→P3→P2→P1}

SZ7的保護設備集2={SZ7→P7→P4→P3→P2→P1}

從上面所列的上溯路程交叉對比集1和集2，找出共同的上游保護設備，結果如下所示：

P3→P2→P1

因此故障設備可能為P1、P2或P3。

步驟4：考慮多重故障點的情況

停電事故并非完全由共同的保護設備所導致，亦可能由多個非共同保護設備所導致。尤其是當水災、地震或其他大規模災害發生時，此時不是因單一保護設備故障而造成停電事故，而是由多個保護設備同時故障所造成，因此為了使停電管理系統能處理多重故障點的狀況，可利用上溯法，從每個呼叫客戶搜尋與客戶相關的保護設備，直到找到第一個共同保護設備為止，并根據保護設備和客戶的拓撲關系(LR矩陣)，推算出合理的組合，這些保護設備組合和步驟3所得的共同保護設備就是導致事故發生的所有可能的原因。

就前述范例而言，重復追溯程序，其結果如下：

SZ5的非共同保護設備集3={SZ5→P5→P3}

SZ7的非共同保護設備集4={SZ7→P7→P4→P3}

由此可得出可能的故障設備組合：

根據集3和集4，造成意外事件的故障設備組合可能是(P5，P7)，(P5，P4)。第一個共同保護的設備為P3。

步驟5：增加系統準確度及計算供電區域負載電流

當掌握的信息越多時，可以使停電管理系統更為可靠，當有新的故障呼叫時，根據新的信息重復步驟3和步驟4，以便得到新的推論結果，這樣不僅能增加推論結果的可靠度，亦可縮小預測范圍，以便工作人員發現錯誤和搶修，所以客戶故障呼叫數目的多寡與系統估測的準確度有相當大的關系。

為了精確地找出故障設備組合，必須估測所有連接到保護設備的供電區域負載電流總和，由于在配電系統中保護設備連接到許多不同的供電區域，所以利用傳統式的負載潮流分析，估算負載電流是相當復雜且不切實際的，因此我們就可利用(2)式對供電區域SZi做快速負載預測，先計算饋線上線路變壓器的各相額定容量和，然后算出此額定容量和整個饋線容量總和的百分比，并將由SCADA系統所得的饋線故障前電流乘上百分比，即為供電區SZi的負載電流推估值。

步驟9：選誤差量最小者作為停電事故的原因

由公式(4)，(5)可知△I_F值越大，則△I_DK值就越小，而△I_F越大說明饋線在故障前后的電流變化越顯著。因此可得知誤差量△JDK最小的共同保護設備或非共同保護設備組合即為可能造成停電事故的原因。

5 結論

由于配電系統設備種類繁多，結構復雜，要在最短時間內找出故障設備，及早恢復供電是很困難的。對配電系統來說，不管是對的單處停電，還是多處停電，利用本文提出的饋線電氣連通性停電定搜索程序就能準確地定位故障設備，從而可迅速派遣維修人員及時到達故障現場，及早恢復供電，減少停電帶來巨大損失，提高用戶的滿意度。LR矩陣反映出保護設備與供電區的拓撲關系。