基于配电自动化系统可靠性评估算法

陈小琪，吴少斌

（1.国网四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610042）

0 引 言

电路监控系统一直是电路研究中的重要部分。配电系统是电路监管系统中的重要部分，连接输送电流系统和用户用电系统。它包括多电压配电线路、电气传输设备及变压电站等，影响供电质量和供电安全保障。配电自动化系统是配电产业对电路等实施远方监控、协调和操作配电设备的自动化系统[1]。要对其进行全方位评估，要测算其负荷点k，利用负荷点的单位时间平均故障率、单位时间平均停电时间及单位时间故障修复时间，侧面估算其可靠性和故障率；利用配电自动化系统的多层次协同评估模型，生成最优联络树，从而优化故障制定评估流程。尤其是配电系统中多联络设备和电路中出现的故障，需要自动化及其各环节的分析和协调处理，实现配电自动化系统的可靠性评估。

1 基于配电自动化系统的可靠性评估算法设计

配电自动化系统可靠性评估是通过负荷点k进行测算的。负荷点的可靠性指标通过周期时间内负荷点供电的质量反映的[2]。它主要分为三个方面，单位时间平均故障率、单位时间平均停电时间和单位时间故障修复时间。

式中λi、ti分别是电流各个负荷点及电流源之间的用电设备j的故障率和故障时间，J为所有用电设备及其元件的总和。这三个数据指标简单基本的体现负荷点可靠性的指标，最实用且直观。

1.1 基于配电自动化系统建立多层次协同评估模型

一般配电系统是从115 kV的输电端到115 kV的变压电站，最后到15 kV的配电输出端，其中经过115 kV的输电线路、115 kV的变电站和15 kV的输电系统网络。当整体电路发生故障时，配电自动化系统在电网结构和远程自动化控制的电路系统各环节潮流流向中起到协调配合作用，并对电路稳态和配电系统的可靠性进行精细的评估和测算。根据电网结构的复杂程度，多层次协同评估模型主要分为三个层次。以115 kV的输电端到115 kV的变压电站为一次暗侧保护电路。它及其开关组合成的电网结构为第一结构层次，其中还包括高电压配电线路、变压电站高压一侧的接线端[3]。从115 kV的变压电站到15 kV的配电输出端，是居民可用电站端。其中，所有电路元件和故障处理程序为第二结构层次。最后一个结构层次为15 kV的低压配电网络。此网络系统为密闭环节设计，运用各个开关进行分段处理，可设置多个串联开关进行分压发放到各地区。具体结构如图1所示。

图1 多层次协同评估模型流程图

发生故障后，故障发生区间与低压未故障区间的网络系统主要包括内部结构处理和数据在结构件的传递。内部结构故障处理环节分为区间故障的影响、故障恢复及数据测算和发送。未故障区间内部处理环节分为故障处理回应、故障分析数据的测算与发送。

故障层不同，基于层间故障协调处理的故障影响分析过程将有所不同。以高压配电线路故障为例，详细阐述了故障后的故障协调过程[4]。当高压电路区间存在故障时，根据配电自动化系统可自动将高压电路区间分为故障处理区间、上游处理区间、下游传递区间以及无影响区间。故障分隔开后，可对上游处理区间及下游传递区间恢复供电，通过变压电站高电压发电端的自动化处理实现故障下游电流传递的转移，使其变为高压发电线路继续供电。

1.2 生成最优联络树

多层次协同评估模型确立后，按照模型进行分析，将故障处理区间分割为许许多多只包含一小块联系密切的区间。多联络故障处理的第二步是对单联络故障处理区间进行最优联络树的产生。采用贪心算法进行最优联络树处理。贪心算法又叫贪婪算法，是求解最优解问题的简单、便捷和快速的设计程序。用这种算法的好处是能够全面处理故障区间，对当下状况和某个优化测算作为最好选择，对其余可能发生的状况选择忽略，省去了找最优解要耗费的大量时间。每贪心处理一次就会把问题或程序缩小到一个规模更小的子问题或子程序。经过一次贪心选择，就会得到问题的一个最优解。

按照所求程序的法则度量求出最优解的方案。贪心算法能够逐级缩小，迅速解决问题。在实际电路网络传输负荷小于电荷总容量的情况下，要最大化传输负荷的处理程度，同时可以处理更多的重要负荷。在这个条件下，能够恢复最多的故障处理区间负荷[5]。大致的策略是以多层次协同评估模型的分段区间为最优联络树的始点，寻找目前最优联络树的相邻区间点的合集w，确定各合集中区间点的最小隔离重要负荷点的总量和最小传输重要负荷的总量，在满足的情况下选择合集内的最高负荷点加入联络树。重复此步骤并更新，直至联络树成型。

1.3 配电自动化系统可靠性评估的实现

针对配电输送电路系统的故障处理模式，结合自动化原理，提出了高压配电输送系统故障分析处理方法，运用贪婪算法构建多层次协同评估模型，对传统中压配电系统故障恢复的实用模型进行了介绍，同时构造了多元配电输出电路网络多联络故障处理方案模型。针对配电自动化系统的多元交流结构，通过建立故障处理区间根树模型，采用基于负荷点电荷量的单联络故障处理区间划分和最优联络树的生成处理，测算出配电自动化系统的可靠性的评估。

2 实验研究

为探究配电系统电路的可靠性，验证配电自动化系统是否精确反映配电系统电路的故障与稳定程度，设立对比试验，将使用配电自动化系统前后的负荷点的可靠性与故障处理进行对比。对比两者可靠性指标的改善，以数据的形式将抽象的系统网络体现出来。

2.1 负荷点可靠性对比

负荷点体现配电电路负载量的大小。负荷点的故障时间越短，故障点越少，可靠性就越高。对比试验的数据如表1所示。

表1 负荷点可靠性实验对比数据表

将配电自动化技术实施前后的可靠性指标改善率进行对比，发现基本上各个指标均得到改善。通过式（1）与式（2）的计算，直白地体现出自动化系统的优点。以负荷点可靠性计算为中心构造，简化了故障扩散法的网络单元分类算法，使整个算法在计算速度上拥有较大的优势。

系统平均停电持续时间指标：

电力不足指标：

Ni为负荷点i的用户数量，N为受停电影响的用户数量。

用户平均停电频率指标的引入，使配电自动化系统精确地描述出故障的发生过程和动作过程，使评估结果更准确，体现出瞬时停电对用户的影响。可见，指标之间的共同作用，提升了配电系统的可靠性。

2.2 配电自动化系统实现前后故障处理对比

负荷点的可靠性指标仅仅表现出单位负荷点的供电量和可靠程度，并不能在实际表达上表现出供电可靠性，需要从实际角度出发进行试验，获得数据。图2是配电自动化系统实现前后故障处理的时间对比。故障处理主要分为七个阶段：元件故障、故障隔离、故障重构恢复供电、故障元件修复和网络恢复。阶段完成后就可恢复正常，具体数据如图2所示。

图2 故障修复时间对比条形图

可以看出使用前后的时间变化，使用后的时间最短，且简单便捷。每当电路中的元件发生故障，高压配电区间的动作开关将自动断开，故障元件左右两侧的配电自动化开关将元件隔离，经多联络结构模型和联络树的共同运行，重新构造该区间的网络电路行，而没有故障的区域继续正常运行，恢复供电。另一方面，为达到一定的潮流约束和容量约束，切除故障的过载负荷点和超过电压限制的节点。

故障上报、定位及网络恢复这三个步骤变为自动化处理，大大减小了处理时间，使处理问题的最短时间不超过1 min。同时，在配电自动化技术中，电流网络还可以进行重组加工。

3 结 论

通过配电自动化技术对配电电路网络进行可靠性分析，通过计算配电系统中故障后处理阶段对负荷点可靠性的影响，构建了基于配电自动化系统各阶段的故障协同改进区间过程的各阶段电压系统可靠性评估算法，并利用两种评估结果从正侧面结合的角度直观准确全面地反映了配电系统的可靠性水平。同理，运用各阶段配电系统多联络网络模型，建立高配电自动化系统中的低电压配电系统多联络故障处理区间模型。利用此模型修复故障，能更准确地分析配电电路过程中的故障。最优联络树的成型考虑到各阶段配电电流网络的典型接线模式和运转方案，建立了各阶段配电电流网络精简式的故障分析结构，并结合低压配电电路多联络故障处理区间，提出了高低压配电电流网络故障共同处理分析方案。结果显示，故障处理运转过程符合配电系统运行实际，具有实用性。