配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)研究

［摘 要］文章以配電網(wǎng)為研究中心，分析其故障隔離與自愈技術(shù)。從故障診斷、故障定位及隔離方式3 個(gè)角度探討配電網(wǎng)故障隔離方法，在此基礎(chǔ)上以故障自愈場(chǎng)景分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等為重點(diǎn)，研究配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)。最后結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，探討上述技術(shù)和方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以系統(tǒng)呈現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)在配電網(wǎng)故障隔離與自愈管理中的價(jià)值，服務(wù)未來(lái)配電網(wǎng)管理。

［關(guān)鍵詞］配電網(wǎng)；故障隔離；自愈技術(shù)；故障診斷

［中圖分類號(hào)］TP18 ；TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0113–03

配電網(wǎng)是指從輸電網(wǎng)或地區(qū)發(fā)電廠等接受電能，通過(guò)配電設(shè)施就地分配或按電壓逐級(jí)分配給各類用戶的電力網(wǎng)，一般由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器及一些附屬設(shè)施等組成。配電網(wǎng)在電能運(yùn)用、配送工作中發(fā)揮重要作用，一旦出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致供電穩(wěn)定性下降，甚至造成大面積停電、電力火災(zāi)等嚴(yán)重問(wèn)題，這也客觀要求加強(qiáng)配電網(wǎng)故障、自愈技術(shù)的研究。

1 配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)概述

1.1 配電網(wǎng)故障隔離

故障隔離是指在檢測(cè)并定位到某一電路存在故障后，將該故障電路與系統(tǒng)的其他邏輯電路隔離，切斷其所有的輸入輸出接口，以消除對(duì)其他電路和系統(tǒng)的影響。配電網(wǎng)內(nèi)可能出現(xiàn)的故障比較多樣，一些惡性故障的破壞、影響范圍較大，需要通過(guò)必要的隔離處理將其負(fù)面影響控制在較低水平。目前故障隔離的工作方式包括人工隔離、自動(dòng)隔離兩大類，自動(dòng)隔離是未來(lái)配電網(wǎng)故障隔離的主要方式，也是電力系統(tǒng)工作的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

1.2 配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)

配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)是指在發(fā)現(xiàn)、確定配電網(wǎng)故障后，利用現(xiàn)代化技術(shù)方法主動(dòng)完成故障處理，這一過(guò)程可以是半無(wú)人化的，也可以是全無(wú)人化的。配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)能夠顯著提升電網(wǎng)的智能化水平，改善故障處理能力和工作效率。

2 配電網(wǎng)故障隔離方法

2.1 故障診斷和定位

配電網(wǎng)故障隔離是一項(xiàng)綜合性工作，其前置性工作的核心為故障診斷和定位。其中故障診斷是指根據(jù)故障一般表現(xiàn)進(jìn)行其成因分析，并做故障歸類，主要流程為信息采集→信息分析→故障診斷→診斷后分析→二次診斷。

以斷路故障為例，該故障的直接表現(xiàn)為供電突然中斷，可在配電網(wǎng)供電中斷后組織常規(guī)巡線，以出現(xiàn)電能供應(yīng)中斷的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，沿途檢視各電纜和架空線路是否損壞，分析是否存在元器件燒融、擊穿等問(wèn)題，根據(jù)分析結(jié)果確定故障情況，完成處理后再做二次檢驗(yàn)，以確定故障分析精準(zhǔn)、無(wú)其他異常問(wèn)題。此模式的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方式成熟、應(yīng)用難度低、建設(shè)成本低。但可能存在巡線時(shí)人員觸電的風(fēng)險(xiǎn)，其工作耗時(shí)較多，效率較低。

在現(xiàn)代技術(shù)的支持下，也可以采用智能診斷的方式進(jìn)行配電網(wǎng)線路故障分析。如采用神經(jīng)元感知技術(shù)，該技術(shù)強(qiáng)調(diào)建立覆蓋性較強(qiáng)的感知系統(tǒng)，對(duì)各類可能出現(xiàn)故障的區(qū)域和電力系統(tǒng)元器件進(jìn)行信息采集，以具有實(shí)時(shí)性的信息精準(zhǔn)完成故障定位和行為分析。其工作框架如圖1 所示。

由圖1 可知，配電網(wǎng)內(nèi)各類元器件、各工作區(qū)域均一體納入智能管理范圍內(nèi)，由空間距離最近的工作節(jié)點(diǎn)對(duì)其信息進(jìn)行采集，并以實(shí)時(shí)通信的方式將各類信息提供給配電網(wǎng)智能分析模塊，分析模塊對(duì)各類實(shí)時(shí)信息進(jìn)行評(píng)估，并做故障的診斷和定位（如果存在）。考慮到配電網(wǎng)可能需要同步處理海量信息，其智能模塊應(yīng)建立小型計(jì)算機(jī)群提供信息處理的輔助，以精準(zhǔn)判斷故障類別。計(jì)算機(jī)群內(nèi)的主、分機(jī)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

計(jì)算機(jī)配置完成后，需要為智能模塊建立清晰的分析邏輯，因?yàn)橛?jì)算機(jī)群能夠提供較強(qiáng)的運(yùn)算能力、足夠的作業(yè)空間（虛擬空間），可以滿足故障診斷需要。

2.2 隔離方式

配電網(wǎng)故障診斷和定位完成后，可以根據(jù)其工作方式確定隔離方法，即人工隔離與自動(dòng)隔離。借助人工方式完成配電網(wǎng)故障分析、處理，可以在確定故障的同時(shí)進(jìn)行隔離。如果采用的是智能診斷方式，則應(yīng)用智能技術(shù)進(jìn)行隔離。以變壓器故障為例，可以建立備用工作系統(tǒng)，并借助智能斷路器等設(shè)施提供輔助，實(shí)現(xiàn)智能隔離。智能隔離工作方法如圖2 所示。

由圖2 可知，當(dāng)智能分析模塊完成故障分析，并認(rèn)定變壓器存在異常時(shí)，可通過(guò)斷路器終端常規(guī)變壓器作業(yè)，并啟動(dòng)備用變壓器；反之亦然。備用變壓器和常規(guī)變壓器均建設(shè)獨(dú)立的斷路器管理模式，獨(dú)立進(jìn)行管理，并以遠(yuǎn)程工作的方式為系統(tǒng)提供清晰的邏輯支持，保證智能分析、斷路器作業(yè)精準(zhǔn)有效，也為其他關(guān)鍵信息的記錄提供支持。

3 配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)

3.1 故障自愈場(chǎng)景分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)故障的自愈具有一定局限性，一些嚴(yán)重的電力災(zāi)害事故難以通過(guò)自愈方式處理，要求在組織配電網(wǎng)自愈系統(tǒng)建設(shè)前進(jìn)行場(chǎng)景分析，了解可應(yīng)用該技術(shù)的場(chǎng)景。可以借助大數(shù)據(jù)分析法，將配電網(wǎng)故障分為兩大類，第一類是小型故障、普通故障、無(wú)需人員處理或不嚴(yán)重依賴人員處理的故障，包括電壓失穩(wěn)、供電不足等。第二類是大型故障、嚴(yán)重故障、需要人員處理的故障，包括元器件損壞、電力火災(zāi)等。以第一類故障的自愈處理為中心，建設(shè)自愈工作系統(tǒng)，第二類故障也可以根據(jù)其處理難度納入自愈管理范圍內(nèi)，以一些具有臨時(shí)性、過(guò)渡性價(jià)值的方式提供服務(wù)，降低其破壞性。

故障自愈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，主要借助上文所述的配電網(wǎng)故障隔離系統(tǒng)提供前端工作支持，即故障歸類診斷、定位分析，之后借助智能技術(shù)、執(zhí)行單元提供管理支持。系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵邏輯須清晰，以保證通信高質(zhì)量。建議應(yīng)用PLC 邏輯控制器對(duì)自愈系統(tǒng)各部分提供處理服務(wù)，各部分一律使用有線技術(shù)組織通信。默認(rèn)當(dāng)配電網(wǎng)故障出現(xiàn)時(shí)，首先對(duì)其故障信息進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，以遠(yuǎn)程指令或智能處理的方式組織自愈。以變壓器故障為例，按圖2 所示的工作模式，在變壓器出現(xiàn)故障的情況下，由智能模塊完成分析，并利用智能斷路器切斷故障變壓器與配電網(wǎng)內(nèi)各類結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，同時(shí)啟動(dòng)備用變壓器，使配電網(wǎng)的工作可在短暫異常后恢復(fù)正常，完成一輪故障處理及系統(tǒng)自愈。

3.2 故障自愈系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式

故障自愈系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方面，主張采用隨機(jī)森林法及降維訓(xùn)練的方式，提升智能診斷能力。以變壓器故障為例，默認(rèn)變壓器工作狀態(tài)下的溫度、電流、電壓、震動(dòng)幅值等關(guān)鍵參數(shù)如下：[QW ；–9 ；Y- ；Q3 ；GH ；8]（變壓器工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集）。

為保證變壓器工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，應(yīng)借助大數(shù)據(jù)及配電網(wǎng)管理部門的工作經(jīng)驗(yàn)，收集各類原始數(shù)據(jù)，結(jié)合降維訓(xùn)練的要求，深入完成數(shù)據(jù)挖掘，形成數(shù)據(jù)結(jié)果后，將其代入計(jì)算機(jī)，由智能模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行記憶。實(shí)際工作中，變壓器可能因多種因素出現(xiàn)工作參數(shù)波動(dòng)，如持續(xù)運(yùn)行、高負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致其溫度波動(dòng)，供電能力變化導(dǎo)致的電壓波動(dòng)等。這些波動(dòng)可能與故障有關(guān)，也可能是系統(tǒng)允許的參數(shù)變化。通過(guò)圖1 所示的工作模式，由各感知節(jié)點(diǎn)對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行采集，提供給智能模塊進(jìn)行分析。默認(rèn)某次采集所獲的變壓器工作參數(shù)如下：[QW ；–7 ；Y- ；Q2 ；GH ；8]（變壓器工作參數(shù)實(shí)時(shí)信息集）。

在隨機(jī)森林法下，決策樹(shù)對(duì)變壓器工作參數(shù)實(shí)時(shí)信息集信息進(jìn)行分析，當(dāng)50% 以上的決策樹(shù)認(rèn)為，變壓器工作參數(shù)實(shí)時(shí)信息集信息與變壓器工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集信息相近（也有極小可能完全相同），屬于“正常波動(dòng)”，則不作為故障。當(dāng)50% 以上的決策樹(shù)認(rèn)為，變壓器工作參數(shù)實(shí)時(shí)信息集信息與變壓器工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集信息差別較大，屬于“工作異常”，則由智能模塊根據(jù)其具體表現(xiàn)進(jìn)行故障診斷。借助圖2所示模式，啟動(dòng)備用系統(tǒng)完成變壓作業(yè)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障自愈，并通過(guò)信息回溯的方式進(jìn)行故障信息來(lái)源分析，以輔助定位，為人員的干預(yù)處理提供支持。

4 模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 模擬對(duì)象

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行論證。以某公司提供的配電網(wǎng)工作數(shù)據(jù)為參考，建立計(jì)算機(jī)虛擬模型，同時(shí)通過(guò)該公司提供的原始數(shù)據(jù)，了解其傳統(tǒng)工作模式下配電網(wǎng)故障隔離、處理情況。實(shí)驗(yàn)采用模擬參數(shù)進(jìn)行，以上文所述的智能技術(shù)為基礎(chǔ)，形成工作參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。共分為3 個(gè)小組。

第一組為變壓器故障組，設(shè)計(jì)變壓器故障100次，評(píng)估系統(tǒng)能否快速完成隔離、是否能夠自愈，以及隔離和自愈的用時(shí)。模擬過(guò)程中，默認(rèn)變壓器之外配電網(wǎng)其他工作系統(tǒng)、元器件無(wú)異常，均可常規(guī)作業(yè)，為保證模擬效果，采用了時(shí)間加速模式，加速參數(shù)為1 ∶ 100 000，即1 min 實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于變壓器工作100 000 min（約70 d，下同）。

第二組為線路故障組，設(shè)計(jì)線路故障100 次，評(píng)估系統(tǒng)能否快速完成隔離、是否能夠自愈，以及隔離和自愈的用時(shí)。模擬過(guò)程中，默認(rèn)線路之外配電網(wǎng)其他工作系統(tǒng)、元器件無(wú)異常，均可常規(guī)作業(yè)，為保證模擬效果，該組實(shí)驗(yàn)采用了時(shí)間加速模式。

第三組為常規(guī)組，該組不設(shè)計(jì)任何故障，但對(duì)常規(guī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，評(píng)估系統(tǒng)是否存在誤操作問(wèn)題。模擬過(guò)程中，配電網(wǎng)工作系統(tǒng)、元器件無(wú)異常，均可常規(guī)作業(yè)，該組實(shí)驗(yàn)也采用了時(shí)間加速模式。

4.2 模擬過(guò)程與結(jié)果

選取該公司提供的工作記錄為參照，并收集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2 可知，借助智能技術(shù)的情況下，配電網(wǎng)故障隔離與自愈態(tài)勢(shì)良好，優(yōu)于常規(guī)工作模式。但出現(xiàn)了4 次誤操作，這也為未來(lái)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了思路。

5 結(jié)束語(yǔ)

配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)可以改善配電網(wǎng)工作能力，可在具體工作中借助智能控制、神經(jīng)元感知模式等加以實(shí)現(xiàn)。配電網(wǎng)故障隔離主要涉及故障診斷、故障定位及隔離方式3 個(gè)要素，其自愈則關(guān)注場(chǎng)景分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)3 個(gè)方面，主張根據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際情況確定具體工作方法。結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知上述理念、技術(shù)及方法的運(yùn)用，可以提升配電網(wǎng)故障隔離與自愈方面的能力，未來(lái)可嘗試應(yīng)用于配電網(wǎng)管理工作中。

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