配电网故障恢复系统陈竟成　徐德超　于尔铿摘　要：将配电网的故障恢复模式分为早期模式、DA模式和DMS模式3种，分析和比较了DMS与DA模式的功能和特点，认为DMS模式将获得更广泛的应用。介绍了DMS故障恢复系统的数据库设计，通过引入区段的概念，将原始的网络数据库中的结点与元件关联表按层次划分为结点与区段、区段与元件2类关联表，为故障恢复系统的研制与开发打下了基础；说明了故障恢复的推理模型和推理方法，通过把故障恢复问题分解成故障检测、状态分析、方案形成、方案选择、操作序列等若干子问题，使问题求解过程易于处理和控制；最后介绍了故障恢复系统的软件实现。
关键词：配电自动化；配电管理系统；故障恢复；智能化
中图分类号：TM727.2；TM764▲DISTRIBUTIONFAULTDETECTION,ISOLATIONANDRESTORATION
SYSTEMINADISTRIBUTIONMANAGEMENTSYSTEMChenJingcheng,XuDechao,YuErkeng
(ElectricPowerResearchInstituteofChina,Beijing100085,China)Abstract：Themethodsadoptedinthedistributionsystemsforrestorationafterfaulthavethreekinds:theprimitivemethod,theDAmethodandtheDMSmethod.ThefunctionsandfeaturesoftherestorationsysteminDMSarecomparedwiththoseinDA.ItispointedoutthattheDMSmethodcanbeusedmorewidely.ThedatabasedesignforrestorationsystemdevelopmentofDMSisexplained,inwhichtheconceptofzoneisintroducedtoconverttheoriginalnode-elementrelationtablesinthenetworkdatabaseintotwokindsofhierarchicaltables,i.e.node-zonerelationtablesandzone-elementrelationtables.ThisdatabaseprovidesthebaseforresearchanddevelopmentoftherestorationsysteminDMS.Then,themodelofreasoningandreasoningprocedurefordistributionrestorationareestablished.Bydecomposingtherestorationproblemintoanumberofsub-problemsincludingfaultdetection,stateanalysis,schemeformationandselection,switchingsequenceetc,thepaperfacilitatesthehandlingandcontroloftheresolvingprocedureoftherestorationproblem.Finally,thesoftwareimplementationoftherestorationsysteminDMSisdescribed.
Keywords：distributionautomation;distributionmanagementsystem;servicerestoration;intellectualization▲0　引言　　配电网故障检测、隔离与恢复系统（本文简称为故障恢复系统，缩写为FDIR）是配电管理系统(DMS)的一项重要应用功能^［1］，主要作用是根据SCADA收集的开关跳闸信息和故障指示信息，应用智能软件对配电网馈线中发生的故障进行实时分析和判断，并提出正确有效的停电恢复对策，帮助调度员准确确定故障位置，隔离故障区域，尽量恢复非故障区域的供电，将故障损失降到最低。主要特点是能够在综合考虑开关操作次数、馈线裕度、负荷恢复量、网络约束、用户优先级等因素下，提出优选的供电恢复方案。
　　用数学语言描述，配电网故障恢复是一个多目标、多时段、多组合、多约束的非线性最优化问题，最终得到的解是一系列开关动作组合。然而，该问题的复杂性决定了不能单纯用数学方法得到完美解决。目前求解此问题的主要思路是应用人工智能与数值计算相结合的技术，典型方法有：运用启发式搜索方法寻找可能恢复方案，并经数值计算确定可行的或优选的恢复方案^［2，3］；运用模糊数学原理进行模糊规划或模糊评价，确定优选方案^［4，5］；运用专家系统技术，构建规则库并进行推理^［6，7］；运用遗传算法，建立评价函数，寻求该评价函数下的最优解^［8，9］等。
　　本文在总结国内外研究经验和研究成果的基础上，将研制的故障恢复软件作为DMS的一个有机组成部分，与SCADA、配电潮流、倒闸操作票等相结合，并已在实际DMS工程中投入试用。1　配电网的故障恢复模式
配电网故障恢复大致可以划分为3种恢复模式，以下分别论述。
1.1　早期的故障恢复模式
　　在自动化水平较低的早期，故障恢复主要依靠装设在配电线路上的故障指示器。故障发生后，工作人员依靠故障指示器找到故障位置，利用柱上开关设备手动隔离故障区，人工恢复非故障区的供电。这种早期模式自动化水平较低，故障处理时间较长。
1.2　配电自动化的故障恢复模式
　　这种模式(本文简称为DA模式)主要依靠装设在配电网中的分段器、重合器及柱上开关等具有一定智能的硬件设备，通过开关功能和保护时间配合，实现故障的自动诊断、隔离和恢复。这种恢复模式的特点是依赖于配电网的早期规划、配网结构及配电设备的自动化程度，但一般只适用于简单结线网络，而且不能考虑实际负荷水平和网络运行约束。
1.3　配电管理系统的故障恢复模式
　　这种模式(本文简称为DMS模式)主要应用配置在配电控制中心的故障恢复软件实现故障检测、隔离和供电恢复。当配电网中发生故障时，DMS的故障恢复软件根据FTU采集并经过通信系统传送到配电控制中心SCADA实时数据库中的故障信息进行逻辑推理，判断故障位置，并且确定隔离故障和恢复供电的操作步骤，然后以操作序列的形式提交SCADA系统，手动或自动执行。这种恢复模式的特点是适用于任意结构的配电网络，可以处理一些特殊情况（如多重故障），可以考虑实际负荷水平和网络约束，但与设备可靠性和软件功能等有着密切的关系。
1.4　DA与DMS模式的比较
　　DA模式与DMS模式在不同的条件下各有优缺点。然而随着通信技术及计算机技术的发展，DMS模式必将获得更广泛的应用。
　　a.DA模式实现元件级的局部功能，范围有限；DMS模式实现主站级功能，可以适用于任何复杂的配电网。在DA模式的故障恢复过程中，开关动作完全按照事先规定好的次序进行，而不考虑实际负荷水平和网络状态。与此相反，DMS模式根据SCADA收集到的实时信息，应用智能软件对全网做出实时分析和判断，找出可行的和优选的恢复方案，因此能够保证满足网络的拓扑约束、设备的容量约束和用户的电压质量，这是DA的故障恢复所不能达到的。
　　b.DA模式主要采取开关试投的方式，这样多次开关试投势必造成短路电流对设备的多次冲击，影响设备的寿命。同时，开关多次动作亦会有冷负荷启动，对配电网造成不利的影响。而DMS模式利用智能判断，对故障区一次性定位、隔离，避免开关多次分合闸，避免了短路电流对设备和电网的多次冲击。
　　c.DA模式不能从总体上把握实际网络的恢复状态，不能处理特殊情况及复杂网络；而在DMS模式中，由于考虑了网络的物理模型和实时信息，因此能根据当前的实际情况，灵活地提出可能不同的优选恢复方案。此外还可以在恢复过程中引入调度员的合理建议，以应付一些无法预料的情况发生。这样，DMS模式可以从整体上控制恢复进程，避免“因小失大”的情况出现。
　　总之，DMS模式是自动化发展的必然，它运用智能软件控制配电网的故障恢复，能够从全局来规划和考虑配电网的恢复进程，在一定程度上应付一些不可预料的情况，能够适用于各种复杂的配电网络，并对故障进行一次性定位、隔离。然而，在具体实施过程中，DMS故障恢复系统一方面对硬件自动化水平和通信系统要求较高，要求配电网的SCADA系统能够提供必要的实时信息和控制手段；另一方面，软件总体结构复杂，影响可靠性的因素较多，因此需要周密规划、详细考虑。2　故障恢复系统的数据库设计2.1　数据库设计思想
　　故障恢复的核心是恢复方案的快速形成和评价，而恢复方案的形成是以网络连通分析为基础的。因此，为了进行有效推理，首先必须建立适合推理要求的网络结构数据库。
　　从元件的外部连接特性来说，原始的配电网络数据库中电力系统元件可以分为单端、双端、三端3类。单端元件包括电源（SO）、负荷（LD）、电容器/电抗器（CP）；双端元件包括线路（LN）、线段（SEC）、开关（CB）、绕组（XF）、零阻抗支路（ZBR）；三端元件包括变压器（XFMR）。元件之间的连接关系由元件的端点或它们的公共结点来定义，这样即形成所谓的基于结点的网络模型。
　　另一方面，从元件的连通属性来说，又可以将电力系统元件分为开关元件（逻辑元件）和非开关元件2类。开关元件的状态（闭合、断开）决定开关两端结点之间的连通性，因此决定非开关元件之间的连通性，并且最终决定网络的连通性。原则上说，只要根据结点与元件之间的关联表，就可以执行任何形式的连通分析。
　　但是，在配电网故障恢复过程中，如果直接利用网络数据库提供的最原始的结点与元件之间的关联表来引导搜索，由于配电网络元件有多种类型，并且数量庞大，因此不仅会影响搜索效率和搜索速度，而且难以建立相应的推理模型和控制策略。
　　在配电网中，一条配电馈线一般由馈线分段开关分为几个区段，每个区段内部又包含多个分支线段（SEC）和用户负荷（LD）。馈线的包含元件数量庞大，但包含区段数量较[1][2][3]下一页