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，但包含区段数量较少，一般为2个～4个。在故障恢复过程中，区段是馈线的最小可控部分，其内部连接关系不变，可以作为一个整体来考虑。因此，在执行网络连通分析时，可以将区段作为一个具有多端结点的元件来处理，而不考虑其内部元件组成和连接关系；当需要进行详细的分析计算时，例如当需要进行潮流计算以校验候选恢复方案时，再考虑区段内部的具体结线。这样，通过引入区段的概念，可以简化配电网络的物理模型，进而可以提高故障恢复的推理速度和效率。
2.2　数据库设计结构
　　基于上述设计思想，提出如图1所示的故障恢复系统数据库设计结构。将配电网看做由2类元件组成：开关元件和区段元件。区段元件又由其包含元件组成，这些包含元件就是原始的网络数据库中的物理元件，即单端、双端、三端元件。通过引入区段的概念，将网络数据库中原始结点与元件之间的关联表分解成结点与区段、区段与元件2类关系表。在进行网络连通分析（如带电分析、路径搜索）时，利用结点与区段的关联表执行搜索；在需要进行详细的网络计算和分析时，进一步利用区段与元件的关联表形成计算模型。

图1　故障恢复系统数据库设计结构
Fig.1　Database structure of service restoration system

2.3　区段(ZONE)的定义
　　故障恢复系统数据库的核心是区段表及其关联表。区段（ZONE）的属性定义包括id：区段标识；type：区段类型，表示区段为馈线区段、线路区段、电容器/电抗器区段或电源区段等；sub：区段标号，如果区段是包含多个元件的馈线区段，指明该区段所属馈线在网络数据库中FD表的逻辑记录号，如果区段是包含单个元件的其他类型的区段（如电源区段），指明该区段所对应元件在网络数据库中对应表（如SO表）中的逻辑记录号；ndnum：区段端点数，指明该区段有几个外部连接端点（即结点）；ndptr：指向区段与结点的关联表ZONEND的指针，利用该指针可以从ZONEND表中依次得到区段的外部连接端点；cbnum：区段边界开关数，一般cbnum = ndnum；cbptr：指向区段与开关的关联表ZONECB的指针，利用该指针可以从ZONECB表中依次得到区段的边界开关；secnum：区段包含的分支线段数，对非馈线区段，secnum为0；secptr：指向区段与线段的关联表ZONESEC的指针，利用该指针可以从ZONESEC表中依次得到区段的组成线段，对非馈线区段，secptr为-1；ldnum：区段包含的负荷数，对非馈线区段，ldnum为0；ldptr：指向区段与负荷的关联表ZONELD的指针，利用该指针可以从ZONELD表中依次得到区段的组成线段，对非馈线区段，ldptr为-1；zbrnum：区段包含的零阻抗支路数；zbrptr：指向区段与零阻抗支路的关联表ZONEZBR的指针，利用该指针可以从ZONEZBR表中依次得到区段的组成零阻抗支路；w：区段有功负荷总加；r：区段无功负荷总加；wloss：区段有功网损总加；rloss：区段无功网损总加。
　　图2所示区段z4在数据库中的对应记录如表1。利用这些信息，并结合相应的关联表，可以得到区段的完整结构和连接关系。

3　故障恢复系统的推理方法

3.1　故障检测
　　故障检测的目的是根据SCADA收集的故障信息判断故障发生的馈线及所在的区段，为故障分析和供电恢复提供初始条件。

图2　区段的结构和外部连接
Fig.2　Zone structure and its terminal connection

表1　区段z4的数据库记录信息
Table 1　Database recording information of zone z4
 

id type sub ndnum ndptr cbnum cbptr secnum secptr ldnum ldptr … z4 10 3 4 4 4 110 8 100 5 10 …

　　故障检测的原理比较简单，主要根据配电网一般为辐射状，故障电流从电源点（或馈线首端结点）开始沿树状支路构成的连通路径单一方向地流向故障区。因此，对故障馈线上的任一区段，如果故障电流不流入该区段的任何端点，或从该区段的一个端点流入并从一个端点流出，该区段是非故障区段；如果故障电流只流入区段而不流出区段，该区段是故障区段。
　　根据上述原理，在假定馈线上所有开关均具备故障遥信功能的条件下，可以应用下列2条规则实现故障检测：
　　a. IF馈线首端开关跳闸并收集到故障指示信息；THEN故障就发生在这条馈线上。
　　b. IF在故障馈线的某一区段的各边界开关中，有且只有一个开关收集到故障指示信息；THEN故障就发生在该区段上。
　　在进行故障检测时，首先应用规则a根据馈线首端开关是否跳闸并收集到故障信息，确定故障发生馈线；然后确定该馈线在故障发生前的连接区段（具体方法是从馈线首端结点开始沿闭合开关执行宽度优先搜索），并且根据区段与开关关联表找到各区段的边界开关，应用规则b确定故障发生区段，并将所确定的故障区段插入故障区段表FZONE。
3.2　故障隔离
　　区段是馈线的最小可控部分。在故障检测程序检测到故障发生区段之后，从区段与开关关联表ZONECB中取出该区段的各边界开关，形成故障隔离操作步骤，并写入故障隔离操作步骤表ISOLATE中。
3.3　网络状态分析
　　网络状态分析的任务：①带电分析，分析故障发生后网络的带电情况，将整个配电网划分为带电区和停电区；②网络划分，根据网络结构和各区段相对电源点和故障点的位置，将停电区划分为上游区、故障区和下游区，其中上游区是可由馈线首端开关立刻恢复供电的区域，故障区是不可恢复区，下游区是有待确定是否可由馈线联络开关恢复的区域；③统计分析，将停电区段、停电负荷、故障区段、故障负荷、上游区段、上游负荷、下游区段、下游负荷、已恢复负荷、待恢复负荷等情况进行统计，并分别写入动态表中。网络状态分析是故障恢复的前提，其实质是根据SCADA提供的实时信息，不断刷新网络的最新恢复状态，为恢复推理做好准备。
3.4　恢复方案形成与选择
3.4.1　上游区恢复
　　上游区恢复比较简单，方案也是唯一的。其步骤为：从故障馈线表中依次取出故障馈线，然后从馈线表中取出该馈线的首端开关，将此开关写入恢复动态表中即可。在具体实现过程中，若发生多条馈线故障的情况，可以根据各条馈线上游停电区段的负荷优先级别确定恢复的顺序，即负荷优先级别较高的予以优先恢复。
3.4.2　下游区恢复
　　下游区恢复取决于下游区的可选联络开关和网络运行约束。当下游区有多个联络开关时，情况比较复杂，可能的恢复方案组合将急剧增加。形成下游区恢复方案的原则是先简后繁、先近后远，优先考虑用最少的操作开关、最近的恢复电源，来恢复最多的停电负荷。本文根据配电网络的结构，按下列步骤确定下游区恢复方案。
　　a.自馈线恢复：在下游区的所有联络开关中，当存在与该馈线的上游区相连接的联络开关时，直接合上该联络开关利用本馈线恢复供电。
　　b.整区恢复：这种恢复方案只考虑动作一个开关，即停电区周围的某一联络开关。具体实现方法是搜索停电区周围的联络开关，并根据它们所连馈线的裕度大小排队。按此排队顺序选择裕度最大的联络开关，并调用潮流程序校验所连馈线是否出现过载。一旦出现过载，立即退出这种类型方案的选择。
　　c.分区恢复：当不存在可行的整区恢复方案时，考虑分区恢复方案。首先考虑二分区恢复，如果不可行，再考虑三分区恢复。二分区恢复的基本思路为：以停电区周围的2个联络开关为起点和目标点，执行宽度优先与深度优先相结合搜索算法，确定两者连通路径上的分段开关，写入分段开关单链表中，并将各分段开关所分成的2个子停电区的负荷比写入该单链表中；之后根据2个联络开关所连馈线的裕度比，从分段开关单链表中确定比值与该裕度比最接近的分段开关；最后对每一开关组合，执行潮流程序校验。三分区恢复的基本思路为：在停电区周围选择3个联络开关（设为L，M，N），选择裕度最大的开关为起点（设为M），其他2个开关（L，N）为目标点，执行2次宽度优先与深度优先相结合搜索算法，确定M—L与M—N两条路径上的分段开关；剔除这2条路径上相同的分段开关，之后设它们各自有l个和n个分段开关，则得到l×n对候选开关集；对于每一对候选开关，它们将停电区分为3个子停电区，分别统计各子停电区的负荷，并与各自的联络开关的馈线裕度进行比较，选取比值最接近的一对分段开关作为恢复方案开关，以保证各支持馈线负荷平衡，并执行潮流程序校验。
　　d.负荷转移恢复：将停电区邻近馈线上的部分负荷转移到与其邻近的其他馈线上，增加馈线裕度；然后再分别考虑整区恢复和分区恢复。
　　e.逐区段恢复：当上述各类恢复方案的搜索都失败后，启动逐区段恢复过程，以尽可能恢复所有区段供电。基本思路是从停电区周围联络开关开始执行宽度优先搜索法，向停电区内部逐区段扩展，并进行可行性校验，直至恢复所有区段为止，必要时可以考虑切除区段内部分优先级较低的负荷。
3.5　潮流计算策略
　　在恢复方案的形成与选择过程中，搜索策略保证了恢复方案能够满足辐射状网络结构约束，而恢复方案是否满足网络运行约束则由潮流计算来验证。因此，配电网故障恢复程序的执行效率除了与采用的搜索策略和判断规则有关外，还与潮流计算密切相关。为此，根据配电网的结构特点，故障恢复程序在执行潮流计算时应该遵循以下原则：由于配电网在运行结构上呈现以电源结点为松弛结点的辐射状，因此，某一馈线潮流变化一般不会影响本电源内其他馈线的潮流，更不会影响其他电源内馈线的潮流分布，所以在进行潮流计算时，可以选择与恢复过程有关的局部电网进行计算，以尽可能缩小计算规模；潮流计算应当具有足够的灵活性，前一次潮流计算的结果不应当影响下一次潮流计算的数据来源。
　　根据上述原则，本文在处理潮流计算时采用了以下办法：
　　a.在得出上游区恢复步骤后，执行一次全网结线分析和潮流计算，并保存潮流计算结果。结线分析根据电网辐射状的特点，采用宽度优先搜索算法对结点编号，搜索结束后，所形成的树型编号结构可立即用于前推回推（backward and forward sweep）潮流计算。
　　b.对以后的每次开关操作需要进行潮流校验时，根据配电网运行结构为严格辐射状，可以省去全网的网络结线分析和潮流计算过程，而将结线分析限于结构发生变化的馈线及与馈线相关的岛。同时，将新编的计算号和计算结果保持在临时存储区中。计算结束后，如果该开关操作可行，并且确定该开关操作为恢复序列中的下一个操作，则进行全网结线分析并修改潮流结果，作为下一个操作的搜索起点；否则保留网络结线和结点编号，这样就不会影响选择并校验下一个可能操作。
　　c.根据馈线首端结点的计算母线号是否为松弛母线号来决定是否进行全岛潮流计算。如果馈线首端结点的计算母线号是松弛母线号（电源母线号），则只需计算一条馈线的潮流，否则，进行全岛潮流计算，这样可以大大减少计算量。
3.6　推理流程图
　　故障恢复系统的推理流程图如图3所示。在得到故障检测、故障隔离和上游区恢复结果之后，首先根据故障隔离和上游区恢复方案，分析对下游区恢复供电的初始网络结线和潮流分布，然后判断下游区是否有待恢复的停电孤岛。在下游区仍有待恢复的停电孤岛时，首先判断所选择的目标孤岛是否有支持电源（与带电馈线连接的联络开关）。在有支持电源的情况下，确定该恢复目标的恢复方案，并根据所得到的恢复方案更新网络恢复状态，得到新的初始恢复状态；当目标孤岛没有支持电源时，标记该岛为不可恢复，然后，转入下一个恢复目标。这样，最终得到一系列的恢复操作步骤。

图3　故障恢复系统的推理流程图
Fig.3　Flow chart of reasoning procedure for
the service restoration system

4　故障恢复系统的软件实现

　　故障恢复系统的设计结构如图4所示，它主要包括以下几个功能模块：

图4　故障恢复系统的功能结构
Fig.4　Functional structure of the service
restoration system

　　故障检测：根据SCADA提供的实时故障信息，采用基于规则和基于模型的推理方法，判断故障发生馈线和故障区段；
　　网络状态分析：根据故障检测结果，分析网络的带电区和停电区，并将停电区划分为上游停电区、故障停电区、下游停电区，分析结果送入动态存储表；
　　故障隔离：根据故障检测结果，形成故障隔离的操作方案；
　　故障恢复：根据网络划分结果，形成上游区和下游区的恢复方案；
　　潮流计算：在形成恢复方案的过程中，对预选方案执行潮流计算，并将结果送回故障恢复模块；

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