配电网故障分析处理的拓扑分析原理及实现

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1、配电网故障分析处理的拓扑分析原理及实现 苏标龙，张瑞鹏，杜红卫，许先锋，卢玉英 （国电南瑞科技股份有限公司 南京市 210061） 摘要：本文从拓扑构建和分析入手，详细论述了配电网故障分析处理的原理。具体实现的过程中充分考虑 应用开发的通用性和灵活性两方面，将拓扑构建分成了静态拓扑和应用拓扑两个阶段，以针对不同的应用 需求。在完成拓扑构建的基础上，故障分析处理依据故障处理的特定原则对事故区域进行拓扑分析，通过 拓扑区域的划分和比较确定故障区域并得到非故障失电区域的转供路径，最后形成事故处理最优方案。关键词：DMS,故障分析，拓扑分析，故障隔离，负荷转供The Principle and Rea

2、lization of Topology Analysis about Fault Process in Distribution NetworkABSTRACT: This paper summarizes the basic structure and primary application of topology in Distribution Manager System （DMS）. Topology analysis contains data structure and arithmetic, in consideration of universality and partic

3、ularity we separate topology analysis into static topology and app-topology. This paper discuss the basic principle about fault process in power distribution network. Through the contrast of different area, we get the conclusion about fault area, non-fault area and load transfer trace.KEY WORDS：DMS，

4、 fault analysis， topology analysis， fault isolation， load transfer1 引言配电网故障分析处理是配网管理系统中一项重要的高级应用。它的主要功能是根据系统 中的设备模型信息建立整个电力网络的实时拓扑模型，并接受配网 SCADA 提供的实时监控 信息，根据各配电终端或故障指示器检测到的故障报警，结合变电站、开闭所等的继电保护 信号、开关跳闸等故障信息，启动故障处理，确定故障类型和发生位置并形成故障处理方案。 根据需要，可提供事故隔离和恢复供电的一个或两个以上的操作预案，辅助调度员进行遥控 操作，达到快速隔离故障和恢复供电的目的1。本文

5、把故障分析处理过程划分为拓扑构建、故障分析处理两大部分。拓扑构建负责将实 际配电网络中设备之间的相对关系描述成满足一定应用需求的拓扑模型，提供给其他的高级 应用使用；故障分析处理则通过特定的拓扑分析方法对已形成的拓扑模型进行分析，最终得 到处理方案。2 拓扑构建2.1 网络拓扑的基本概念2本文所讨论的网络拓扑引用拓扑学中的相应概念，它研究的是与大小、形状无关的点 线关系的方法。配网系统中的网络拓扑把配电网络中的电气设备（如开关）抽象为一个点 把电力传输介质（如馈线）抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是配电网络的拓扑结 构。网络的拓扑结构反映出网中各个实体之间的结构关系，是支撑配网各项高级应

6、用的基础， 对网络拓扑分析的性能，和高级应用分析的可靠性和效率都有重大影响。具体应用进行拓扑分析时对拓扑模型使用的侧重点各有不同，主要体现在拓扑分析的数据结构和算法上。出于应用开发的通用性和灵活性，对网络首先采用一个通用的拓扑描述， 该拓扑描述所使用的数据结构和算法简洁可靠，并且能够满足一般应用的需求，称之为“静 态拓扑”；针对其他特殊需求的高级应用则可以通过已经生成的静态拓扑进一步生成各应用 所需的拓扑描述，称之为“应用拓扑”。2.2静态拓扑静态拓扑的实质就是通过关系库中的数据建立一套完整的层次库，利用层次数据之间的 关系快速定位操作设备信息。静态拓扑的内容就是以一定数据组织方式存放的网络模

7、型结构 信息。静态拓扑的数据结构设计采用了“数据结构头数据结构体”相分离的设计思想。对 于各种不同的数据源（如：不同的关系数据库、表结构相异的数据文件），通过相应的程序 接口来形成网络模型数据。这种设计目的是为了当数据来源发生变化的时候，依然能够通过 不同的接口将异构的数据整理形成一套结构统一的网络模型数据，从而使得建立于静态拓扑之上的各应用程序保持稳定（如图1）3。丨-丨八口丄数据源1readDevice()1入口2 I1数据源2readDevice()图1 静态拓扑数据结构生成原理图Fig.1 Principle of static topology data structure静态拓扑对

8、全网的设备形成一个双向链表式的“设备-节-点”数据结构，相当于为全网 建立了一套完整的设备以及设备之间连接关系的信息模型。利用这套模型，可以快速定位设 备和设备之间的关系。静态拓扑中的数据依赖于配电系统网络结构，因此，在生成静态模型 数据之后，除非网络结构发生变化，否则静态拓扑的模型数据不会改动。在静态拓扑网络结构描述中，由于表达的是设备之间的连接关系，所以对所有的设备类 型无须再区分设备是单端、双端、三端设备，也不再区分是开断设备还是非开断设备，一律 采用设备所连接点和节点所连设备来描述。图2 配电网拓扑分析数据描述结构Fig.2 Data structure of topology ana

9、lysis in distribute network 该静态拓扑的优点在于使用较少的变量信息将全网设备之间的联接关系描述完整。由于 在相邻设备的表述上最为直观，所以对“传递类型”的应用分析特别有效。比如电气拓扑 接线分析等。2.3故障分析的应用拓扑 配网故障分析处理应用的要求是在接收到配网故障信息之后能够快速正确的隔离故障 并对非故障失电区域进行合理的转供电。由于故障处理的特殊性，使得该应用对拓扑分析处 理的效率要求较高，需要对原有的静态拓扑做进一步的转换和处理，形成自己的应用拓扑。2.3.1广义节点的形成广义节点的含义是：利用开断类型的设备相连形成的连通区域，将这个连通区域内所有 的节点合

10、并而成的一个节点，成为广义节点。经过广义节点的转换，大大简化了网络结构 省略了故障分析上不需要关注的细节。图3 广义节点转换示意图 Fig.3 General node transition 此外，由广义节点组成的拓扑结构为进一步形成各广义节点对应的设备群做准备。通过 形成设备群将设备模型以类型和连接关系相区分，进而形成一套结构完整的设备层次关系 各层次之间相互指引，实现网络局部范围快速搜索的目的。 2.3.2形成设备之间的层次关系新构建的设备层次关系需要将这样几个关系表达完整：1、节点与广义节点的对应关系。使用广义节点表述的应用拓扑将静态拓扑中的许多节点合并，需要将原节点与广义节点 的对应关

11、系记录下来，以便在拓扑还原的过程中使用。2、广义节点与设备的对应关系 该连结关系将设备按类型和连接关系区分，在信息存储上考虑了广义节点和设备的连结 关系，提高了搜索效率。经过上述拓扑构建过程，已为所有的模型数据并形成了对应关系，下面就可以开始进行 故障处理了。3 故障分析拓扑处理原理43.1区域划分 故障处理以变电站出线的跳闸开关为起始，向下游进行拓扑分析，将整个拓扑分析区域 划分为失电区域，告警区域和故障上游区域三个部分。1、首先找到跳闸开关所在广义节点，将该点推入搜索队列，作为整个搜索的起始。 2、对搜索队列循环，获得与该广义节点所连结的设备，按照类型分别进行分析，从而 获得新的广义节点。

12、3、搜索队列循环完毕时，也生成了停电区域的信息。4、在停电区域的基础上结合开关的过流信号生成告警区域。5、在停电区域的基础上结合开关的过流信号生成故障上游区域。整个事故区域的拓扑分析情况可以用下图来表示。通过这三个区域的互补关系就能够进 步定位出故障区域和故障下游失电区域。图 4 故障分析区域划分图 13.2 故障定位Fig.4 Area partition in fault process 1进行区域比较，出现在告警区域内而没有出现在故障上游区域内的广义节点所代表的区 域就是故障区域。3.3 故障隔离1、将告警区域与失点区域做比较，得到出现在失电区域且不出现在告警区域的广义节 点。2、将故障

13、上游区域和告警区域相比较，得到出现在告警区域且不出现在故障上游区域 的广义节点。3、上诉两步比较得到的广义节点即为故障区域的隔离广义节点。4、获取与隔离广义节点相关联的开关信息，结合之前在拓扑分析过程中对开关记录的 拓扑路径方向，即可得到位于故障区域边界上的开关。故障上游边界的广义节点取 拓扑方向流出广义节点途经的最后一个开关，其他的隔离广义节点取拓扑方向流入 广义节点途经的第一个开关。将其记录下来作为故障隔离开关。图 5 故障分析区域划分图 2Fig.5 Area partition in fault process 25、对所有隔离开关执行分断操作即可隔离故障区域。3.4 非故障区域的恢复

14、供电 非故障区域的恢复供电主要涉及到故障上游区域和故障下游区域的恢复供电。 故障上游区域的恢复供电处理相对简单，当故障能够正常隔离之后（包括隔离方案存在， 隔离开关能够被操作），进一步判断原出线开关是否也是隔离开关之一。如果出线开关本身 也是上述分析得到隔离开关之一，说明故障发生在变电站出口，因此不存在故障上游的恢复 供电问题；如果出线开关不属于隔离开关，重合出线开关即可实现对故障上游区域的恢复供 电。1 十、（故障约束区）（转供区）J,X健康区（非负值）失电区（负值）图 6 故障分析区域划分图 3Fig.6 Area partition in fault process 3故障下游区域的恢复

15、供电处理较为复杂，需要对失电负荷进行转供，涉及到配电网络重 构的相关考虑。1、对已恢复区域重新进行一次电气拓扑，修正停电区域中的数据，为故障下游的恢复 做准备。2、确定恢复路径的搜索起点。所有不处于故障上游区域的边界广义节点都是恢复路径 的搜索起点。3、开始形成转供路径。形成路径的关键是要找到路径上需要操作的设备所在的广义节 点。此处采用广度优先的搜索算法，在搜索的过程中结合一定的规则进行区段标记， 使得从单个搜索起点出发而可能形成的多个完整恢复路径由三个数组信息描述出 来。分别记录广义节点所属区段信息，广义节点的状态和本次搜索得到的操作对象211992或62 或63.5 方案优先级的确定图

16、7 路径搜索原理图Fig.7 Principle of trace searching在实际的分析中可能出现多个转供路径可以为非故障失电区域供电，此时需要对各个转 供路径进一步分，得到各个转供路径的操作优先级。优先级的评定主要从3 个方面来考虑。1、方案的可执行性。 主要与运行方式有关。比如转供设备（如开关）上挂有禁止操作的标志牌，或者在转供 路径经过的区域内存在接地设备和接地牌，不允许对该区域充电，则将此方案判断为不可行2、方案的可靠性 主要考虑的是原失电负荷转供后供电线路不会过载。过载校验采用拓扑潮流法，计算实 际配网中一个大概的潮流分布或者潮流区间分布而不追求精细的潮流计算，所得到的计算

17、结 果能够满足工程需要。对于可能造成线路过载的方案根据过载程度给与相应的惩罚值，惩罚 值越高，优先级越低。3、方案的易行性 可以根据一定的原则在其中挑选便于实行的方案。比如选取操作开关数量最少的方案，4 工程应用本文所论述的故障分析处理方法已在OPEN-3200配网管理系统中得到实现。并在南京、 合肥等多个地区的市级配网管理中得到应用。以南京供电公司的使用情况为例，南京市配电网网络规模为：设备名称出站馈线站外开关配网变压器 馈线段数量1200条23000个16000台53000条故障分析处理模块的应用性能：测试项目静态拓扑构建应用拓扑构建故障定位恢复路径搜索方案优选耗费时间 500ms 500

18、ms 50ms 50ms 10ms 从实际应用情况来看，即使是在恶劣情况下事故处理的整体时间也能约束在 2 秒之内， 满足配电网快速处理事故的要求。5 结语本文首先从拓扑构建和分析入手，对故障分析处理的原理及实现做了详细的论述。在具 体实现的过程中充分考虑到应用开发通用性和灵活性的特点，通过拓扑分步构建，为配网的 各项高级应用提供了一个灵活高效的拓扑分析基础。故障分析处理过程分为故障隔离和非故 障区域转供电两部分。最后对所有的处理方法进行选优，形成故障处理方案。工程应用表明，本文所述的配电网故障分析处理原理可靠高效。参考文献1 王明俊，于尔铿，刘广一.配电系统自动化及其发展M,北京：中国电力出

19、版社，1998.2 胡适耕.基础拓扑学M,华中科技大学出版社，2007.张瑞鹏，姚建国.DMS网络建模与图模库一体化，电力系统自动化，2002, 26 (22)： 49-52.4 袁钦成配电系统故障处理自动化技术M.北京：中国电力出版社，2007.5 姚建国，周大平，沈兵兵等.新一代配电网自动化管理系统的设计与应用，电力系统自动化， 2006， 30(8)： 89-93.6 顾秀芳，关长余配电网潮流计算的拓扑分析研究，华北电力大学学报,2008, 35 (2)： 47-50.收稿日期作者简介苏标龙(1981-)，男，硕士，研究方向为电力系统调度自动化。E-mail: subl张瑞鹏 (1965- )，男，硕士，高级工程师。主要从事电力系统及配电自动化的研究与开发工作。杜红卫(1974-)，男，博士，高级工程师，主要从事电力系统调度自动化和配电自动化等方面的开发工作。