基于配電自動化系統可靠性評估算法

陳小琪，吳少斌

（1.國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042）

0 引 言

電路監控系統一直是電路研究中的重要部分。配電系統是電路監管系統中的重要部分，連接輸送電流系統和用戶用電系統。它包括多電壓配電線路、電氣傳輸設備及變壓電站等，影響供電質量和供電安全保障。配電自動化系統是配電產業對電路等實施遠方監控、協調和操作配電設備的自動化系統[1]。要對其進行全方位評估，要測算其負荷點k，利用負荷點的單位時間平均故障率、單位時間平均停電時間及單位時間故障修復時間，側面估算其可靠性和故障率；利用配電自動化系統的多層次協同評估模型，生成最優聯絡樹，從而優化故障制定評估流程。尤其是配電系統中多聯絡設備和電路中出現的故障，需要自動化及其各環節的分析和協調處理，實現配電自動化系統的可靠性評估。

1 基于配電自動化系統的可靠性評估算法設計

配電自動化系統可靠性評估是通過負荷點k進行測算的。負荷點的可靠性指標通過周期時間內負荷點供電的質量反映的[2]。它主要分為三個方面，單位時間平均故障率、單位時間平均停電時間和單位時間故障修復時間。

式中λi、ti分別是電流各個負荷點及電流源之間的用電設備j的故障率和故障時間，J為所有用電設備及其元件的總和。這三個數據指標簡單基本的體現負荷點可靠性的指標，最實用且直觀。

1.1 基于配電自動化系統建立多層次協同評估模型

一般配電系統是從115 kV的輸電端到115 kV的變壓電站，最后到15 kV的配電輸出端，其中經過115 kV的輸電線路、115 kV的變電站和15 kV的輸電系統網絡。當整體電路發生故障時，配電自動化系統在電網結構和遠程自動化控制的電路系統各環節潮流流向中起到協調配合作用，并對電路穩態和配電系統的可靠性進行精細的評估和測算。根據電網結構的復雜程度，多層次協同評估模型主要分為三個層次。以115 kV的輸電端到115 kV的變壓電站為一次暗側保護電路。它及其開關組合成的電網結構為第一結構層次，其中還包括高電壓配電線路、變壓電站高壓一側的接線端[3]。從115 kV的變壓電站到15 kV的配電輸出端，是居民可用電站端。其中，所有電路元件和故障處理程序為第二結構層次。最后一個結構層次為15 kV的低壓配電網絡。此網絡系統為密閉環節設計，運用各個開關進行分段處理，可設置多個串聯開關進行分壓發放到各地區。具體結構如圖1所示。

圖1 多層次協同評估模型流程圖

發生故障后，故障發生區間與低壓未故障區間的網絡系統主要包括內部結構處理和數據在結構件的傳遞。內部結構故障處理環節分為區間故障的影響、故障恢復及數據測算和發送。未故障區間內部處理環節分為故障處理回應、故障分析數據的測算與發送。

故障層不同，基于層間故障協調處理的故障影響分析過程將有所不同。以高壓配電線路故障為例，詳細闡述了故障后的故障協調過程[4]。當高壓電路區間存在故障時，根據配電自動化系統可自動將高壓電路區間分為故障處理區間、上游處理區間、下游傳遞區間以及無影響區間。故障分隔開后，可對上游處理區間及下游傳遞區間恢復供電，通過變壓電站高電壓發電端的自動化處理實現故障下游電流傳遞的轉移，使其變為高壓發電線路繼續供電。

1.2 生成最優聯絡樹

多層次協同評估模型確立后，按照模型進行分析，將故障處理區間分割為許許多多只包含一小塊聯系密切的區間。多聯絡故障處理的第二步是對單聯絡故障處理區間進行最優聯絡樹的產生。采用貪心算法進行最優聯絡樹處理。貪心算法又叫貪婪算法，是求解最優解問題的簡單、便捷和快速的設計程序。用這種算法的好處是能夠全面處理故障區間，對當下狀況和某個優化測算作為最好選擇，對其余可能發生的狀況選擇忽略，省去了找最優解要耗費的大量時間。每貪心處理一次就會把問題或程序縮小到一個規模更小的子問題或子程序。經過一次貪心選擇，就會得到問題的一個最優解。

按照所求程序的法則度量求出最優解的方案。貪心算法能夠逐級縮小，迅速解決問題。在實際電路網絡傳輸負荷小于電荷總容量的情況下，要最大化傳輸負荷的處理程度，同時可以處理更多的重要負荷。在這個條件下，能夠恢復最多的故障處理區間負荷[5]。大致的策略是以多層次協同評估模型的分段區間為最優聯絡樹的始點，尋找目前最優聯絡樹的相鄰區間點的合集w，確定各合集中區間點的最小隔離重要負荷點的總量和最小傳輸重要負荷的總量，在滿足的情況下選擇合集內的最高負荷點加入聯絡樹。重復此步驟并更新，直至聯絡樹成型。

1.3 配電自動化系統可靠性評估的實現

針對配電輸送電路系統的故障處理模式，結合自動化原理，提出了高壓配電輸送系統故障分析處理方法，運用貪婪算法構建多層次協同評估模型，對傳統中壓配電系統故障恢復的實用模型進行了介紹，同時構造了多元配電輸出電路網絡多聯絡故障處理方案模型。針對配電自動化系統的多元交流結構，通過建立故障處理區間根樹模型，采用基于負荷點電荷量的單聯絡故障處理區間劃分和最優聯絡樹的生成處理，測算出配電自動化系統的可靠性的評估。

2 實驗研究

為探究配電系統電路的可靠性，驗證配電自動化系統是否精確反映配電系統電路的故障與穩定程度，設立對比試驗，將使用配電自動化系統前后的負荷點的可靠性與故障處理進行對比。對比兩者可靠性指標的改善，以數據的形式將抽象的系統網絡體現出來。

2.1 負荷點可靠性對比

負荷點體現配電電路負載量的大小。負荷點的故障時間越短，故障點越少，可靠性就越高。對比試驗的數據如表1所示。

表1 負荷點可靠性實驗對比數據表

將配電自動化技術實施前后的可靠性指標改善率進行對比，發現基本上各個指標均得到改善。通過式（1）與式（2）的計算，直白地體現出自動化系統的優點。以負荷點可靠性計算為中心構造，簡化了故障擴散法的網絡單元分類算法，使整個算法在計算速度上擁有較大的優勢。

系統平均停電持續時間指標：

電力不足指標：

Ni為負荷點i的用戶數量，N為受停電影響的用戶數量。

用戶平均停電頻率指標的引入，使配電自動化系統精確地描述出故障的發生過程和動作過程，使評估結果更準確，體現出瞬時停電對用戶的影響。可見，指標之間的共同作用，提升了配電系統的可靠性。

2.2 配電自動化系統實現前后故障處理對比

負荷點的可靠性指標僅僅表現出單位負荷點的供電量和可靠程度，并不能在實際表達上表現出供電可靠性，需要從實際角度出發進行試驗，獲得數據。圖2是配電自動化系統實現前后故障處理的時間對比。故障處理主要分為七個階段：元件故障、故障隔離、故障重構恢復供電、故障元件修復和網絡恢復。階段完成后就可恢復正常，具體數據如圖2所示。

圖2 故障修復時間對比條形圖

可以看出使用前后的時間變化，使用后的時間最短，且簡單便捷。每當電路中的元件發生故障，高壓配電區間的動作開關將自動斷開，故障元件左右兩側的配電自動化開關將元件隔離，經多聯絡結構模型和聯絡樹的共同運行，重新構造該區間的網絡電路行，而沒有故障的區域繼續正常運行，恢復供電。另一方面，為達到一定的潮流約束和容量約束，切除故障的過載負荷點和超過電壓限制的節點。

故障上報、定位及網絡恢復這三個步驟變為自動化處理，大大減小了處理時間，使處理問題的最短時間不超過1 min。同時，在配電自動化技術中，電流網絡還可以進行重組加工。

3 結 論

通過配電自動化技術對配電電路網絡進行可靠性分析，通過計算配電系統中故障后處理階段對負荷點可靠性的影響，構建了基于配電自動化系統各階段的故障協同改進區間過程的各階段電壓系統可靠性評估算法，并利用兩種評估結果從正側面結合的角度直觀準確全面地反映了配電系統的可靠性水平。同理，運用各階段配電系統多聯絡網絡模型，建立高配電自動化系統中的低電壓配電系統多聯絡故障處理區間模型。利用此模型修復故障，能更準確地分析配電電路過程中的故障。最優聯絡樹的成型考慮到各階段配電電流網絡的典型接線模式和運轉方案，建立了各階段配電電流網絡精簡式的故障分析結構，并結合低壓配電電路多聯絡故障處理區間，提出了高低壓配電電流網絡故障共同處理分析方案。結果顯示，故障處理運轉過程符合配電系統運行實際，具有實用性。