农村配电网故障定位方法的研究

李 燕,路文梅,李文才,王希平

(河北工程技术高等专科学校电力工程系,河北沧州 061001)

农村配电网故障定位方法的研究

李 燕,路文梅,李文才,王希平

(河北工程技术高等专科学校电力工程系,河北沧州 061001)

文章提出了运用粗糙集理论实现农村配电网故障定位的方法。该方法根据配电网拓扑结构利用各用户区故障投诉信息作为条件属性、故障元件作为决策属性,形成故障决策表,并以此决策表为主要工具,然后利用粗糙集方法对决策表进行属性约简和值约简,导出故障决策表的最小约简形式,获得最小诊断规则,保证了规则的客观性,而且在故障投诉电话信息不完备的情况下,仍能达到快速、准确故障定位的目的,具有良好的容错性能。算例表明该方法简单、可行、有效。

农村配电网;非测控区;故障投诉信息;故障定位;粗糙集

随着城网和农网改造的进一步深入和人民物质生活水平的不断提高,促使电力事业迅速发展,配电网络不断扩大,用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高。供电部门应能够对于自身原因引发的停电事故立即进行故障定位、隔离和恢复供电,以减少停电时间。

配电网发生故障后,如何快速准确的对故障进行定位与隔离至关重要,目前配电网故障定位一般有三种方法:一是利用重合器和分段器进行故障定位;二是利用馈线终端单元(Feeder Terminal Unit,FTU)和数据采集与监控(Supervisory Contyol And Dated Acquisition,SCADA)系统配合来实现故障定位;三是利用供电部门的客户服务系统通过用户拨打故障投诉电话(Trouble Call,TC)来确定故障点。利用重合器和分段器进行故障定位属于早期的配网自动化功能,可扩展性和适应性不强,无法适应复杂配网的繁多分支线路的故障定位;利用馈线终端单元FTU和数据采集与监控SCADA系统配合实现的故障定位对通信系统和计算机主站要求较高,投资很大,装置只安装在配电网主馈线和长分支线上,而短分支线或细分支线上大量采用的是无远动信息的开关、刀闸和跌落式熔断器,农村电网甚至只有变电站才装设远方终端单元(Remote Terminal Unit,RTU),配网很大一部分线路属于非测控区。对于这部分区域,由于没有配置柱上FTU,不可能获得实时故障信息,因此完全依靠用户拨打故障投诉电话来协助实现故障定位,及时派出抢修人员,缩短故障停电时间。

基于以上情况,本研究提出了基于粗糙集理论[1]、利用故障投诉电话信息的故障定位方法。该方法根据配电网拓扑结构,利用各用户区故障投诉电话作为条件属性、故障元件作为决策属性,形成故障决策表,并以此决策表为主要工具,对决策表进行了属性约简和改进值约简,导出故障诊断规则,生成统一的故障诊断专家知识库表,揭示了报修信息内在的冗余性,并运用VB语言编程实现了对故障决策表的约简过程,采用算例来验证该算法的可用性。

1 故障定位方法设计

1.1 方法的数学描述

在配网的非测控区,依据接受到的不同区域的大量用户投诉信息来确定故障发生地点,也就是说当哪些区域打来投诉电话可以推断对应的故障点。实际上由于用户主观原因和知识水平等因素的影响,这些投诉信息中有一部分并不是一定代表着某些事情发生,其中很可能包含着一些不确定因素甚至错误因素,因此所获得的投诉信息是一个粗糙集合。这样运用粗糙集合理论来对配电网故障定位问题进行数学描述将更符合实际情况。

粗糙集(RS)理论[2]是1982年由波兰学者z.pawlak提出的,是一种新的刻画不完整性和不确定性的数学工具。相对于概率统计、模糊集等处理含糊性和不确定性的数学工具而言,粗糙集理论有这些理论不具备的优越性。统计学需要先验概率,模糊集理论需要隶属函数,而粗糙集理论的主要优势就在于它无需提供除问题所需的数据集合之外的任何先验信息,就能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等各种不完备数据,并从中发现隐含的知识,揭示潜在规律。

1.2 方法设计

针对给定的配电网拓扑结构,首先把电话报修区域作为故障分类的条件属性,考虑各种可能发生的故障情况建立决策表,先对原始信息进行化简,找到与原信息等价的约简,然后进一步化简,找到最小约简,抽取决策规则,揭示故障报修信息集合的内在冗余性,从而达到快速、准确地进行配电网故障定位的目的。决策表形成和约简过程的关键步骤如图1所示。

整个过程包括三大关键内容:形成原始决策表,对原始决策表进行属性约简,对得到的决策表进行属性值约简。

1.2.1 决策表生成

以图2所示典型配电网络为例,说明决策表的生成。在本网络中将断路器或跌落开关都看作是元件S,共有11个。10个供电区域(T1～T10),10个变压器T。若故障发生在元件S处说明是该元件所在线路发生故障,若发生在T处说明是该变压器出了故障。

图1 配网故障定位算法流程图

图2 简单配电网络模型

决策表的形成以配电网的拓扑分析为基础。首先从地理数据库中获得变电站的记录集,在GIS系统图上采用广度优先算法从第一条记录开始循环,按照拓扑分析算法获得整个配网的拓扑结构[3]。以变电站的一个出线开关作为电源点,其唯一对应一条线路,利用拓扑分析算法从出线开关向下搜索,得到沿线开关、线路末端变压器以及相应的供电区域,并对其进行编号,对于图2所示配电网,开关编码为S1,S2,…,S11,变压器属性中的运行编号以T1,T2,…,T10进行标识,对应的供电区域为T1区,T2区,…,T10区,然后对该线路上所有设备元件搜索供电区域,将搜索到的供电区域编码为“1”,其他供电区域编码记为“0”,这样就形成了表1的原始故障决策表。表中的数据“1”表示该区用户拨打了故障投诉电话,数据“0”表示未打故障投诉电话。

1.2.2 系统属性约简

粗糙集理论中,可辩识矩阵是一个非常重要的概念,它将任意复杂的信息系统都容纳于一个矩阵中,却不影响原来系统的潜在知识,因此可大大提高分析系统知识的能力。本文从可辩识矩阵入手对信息系统进行约简。令S=(U,A)是一个信息系统,U为论域且U=(x1,x2,…,xn),A是条件属性集合,D是决策属性,a(x)是记录x在属性a上的值,Cij表示可辩识矩阵中第i行第j列的元素。这样可辩识矩阵可定义为(i,j= 1,2,3,…,n):

表1 配电网原始故障决策表

上式表明,可辩识矩阵的元素由3种值构成。若两条记录的决策属性不同且条件属性值也不同,该元素值即为属性值不同的属性组合;若两条记录的决策属性相同且条件属性也相同时,该元素值为0;若两条记录的决策属性不同但条件属性值完全相同,说明这两条记录属于冲突记录,此时元素值为-1。

由定义我们还可以看出可辩识矩阵是一个对称矩阵,且对角线上的元素为零。若可辩识矩阵中某些元素由一个属性所组成即为核属性,因此通过该矩阵可以比较容易的找出该系统中所有核属性。

通过可辩识矩阵对决策表进行属性约简,步骤如下:

1)将决策表转换成可辩识矩阵的形式,找到矩阵中属性组合数为1的核属性以及不包含核属性的属性组合。

2)将所有不包含核属性的条件属性组合表示为析取形式,然后对其进行合取计算,即P=∧{∨bi,k(i= 1,2,…,s;k=1,2,…,m)};再将P转换为析取范式的形式,并化简。

3)所有约简得到的析取式与核属性组成属性约简组合。

1.2.3 系统值约简

为了去掉决策表中的冗余信息,引入了属性值的约简。本文采用一种改进的值约简算法,[4]即逐条对表中记录进行考察,删除所有不影响规则表达的冗余条件属性值,步骤如下:

1)删除约简组合中所有重复记录。

2)删除约简组合中条件属性,可得一个新信息系统T。如果T中出现冲突记录,恢复该记录原属性值;如果T中出现重复记录,将该记录原属性值标为“*”;如果T中既未出现冲突记录也未出现重复记录,将该记录原属性值标为“?”。

3)如果T中含有全部条件属性值都被标为“*”及“?”的记录,则将所有的“?”恢复为原值。

4)若T中含有全部条件属性值都被标为“*”的记录,将该记录删除。

5)逐条检查所有包含“?”的记录。如果仅由未被标记的属性值即可得出不发生冲突的决策,将“?”改为“*”,否则将“?”改为原属性值。

6)首先删除重复记录,若T中存在某两条记录之间部分条件属性相同,而对于不相等的属性在一条记录中表示为具体的值,但在另一条记录中被标为“*”。针对这条在对应属性标为“*”的记录,如果根据其他未被标记的属性值即可得出不发生冲突的决策,应删除包含“*”较少的记录;否则,应删除这条标有“*”的记录。

利用上述的决策表属性约简和改进值约简算法,由表1最终可以得到表2的最小约简。表中“*”表示该用户是否拨打投诉电话,对配电网故障定位无影响,从表2中抽取出决策规则,形成故障诊断专家知识库,如规则4,只需得知T6区、T9区、T10区3个供电区域拨打了投诉电话便可以推断S4发生了故障,和原决策表中规则4相比,化简后的规则减少了5个冗余的条件属性信息仍然得到了相同的决策结果。表2的定位能力与原决策表相同。

表2 故障定位改进值约简结果

2 算例

以图2所示配电网为例说明该故障定位方法的可用性。

算例1,某天供电部门接到T5用户和T6用户打来的停电投诉电话,通过故障定位系统输入故障报修信息,系统根据已经生成的专家知识库表2进行诊断,结果为S7处故障,即开关7所在线路发生故障。这是与实际相匹配的。因为有时用户报修并不一定表示故障发生在对报修用户直接供电的分支上,而可能发生在这些分支的上一级长分支线路或主馈线上。

算例2,某天供电部门接到T4用户和T5用户拨打的停电投诉电话,输入故障报修信息,系统根据专家知识库表2诊断为T5故障。后经过实地检测,T4用户是由于当时该区过负荷烧断保险丝而引起整个楼停电,并非线路或变压器故障,属于用户误打投诉电话。可见,对于类似原因引起的误投诉或出现故障用户未及时拨打电话等故障投诉电话信息不完备的情况下,本方法均有良好的容错能力。

以上算例说明了该方法故障定位的简单、快速、有效,当出错的投诉信息不是关键信息时,不会影响定位结果,具有较强的容错能力。该算法可应用于庞杂的辐射结构配电网。

3 结论

本文结合农网等配电网非测控区的实际情况,提出了基于粗糙集理论的故障定位方法。粗糙集理论在处理不精确问题时,不需要提供待求解问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息,能够在保留关键信息的前提下对信息系统进行化简并求得信息系统的简单形式,不需要进行繁琐的计算,且具有良好的容错性能。作者采用VB语言编程实现了配电网故障决策表的约简程序,算例结果表明该方法具有较强的合理性和可行性,可以为调度员进行故障定位与隔离提供帮助。

[1] Pawlak A,Slownski R.Decision analysis using rough sets[C]//International Transaction in Operation Research. San Francisco,1994:107-114.

[2] 张文修,吴伟志.粗糙集理论与方法[M].北京:科学出版社,2001.

[3] 许海平.配电网高级软件开发及系统集成[Z].杭州:浙江大学,2001.

[4] 赵冬梅,韩月,高曙.电网故障诊断的决策表约简新算法[J].电力系统自动化,2004,28(4):63-66.

(责任编辑:马香普)

Research on the Fault Location Method of Rural Power Distribution Network

LI Yan,LU Wen-mei,LI Wen-cai,W ANG Xi-ping
(Department of Electrical Engineering,Hebei Engineering and Technical Colleg e,Cangzhou061001,China)

The rough set theory is used to realize the automatic fault location method of the rural power distribution network.According to the distribution network topology,this method uses each user area fault complain information as condition attribute,uses fault component as decision attribute,forms decision table,and uses the decision table as the main tool,then uses rough set method to perform the attribute reduction and value reduction.The minimum fault reduction form is derived to ensure objectivity of the rules.Because of the good fault tolerance,it is able to achieve rapid and accurate fault location in the incomplete calling situation.The example shows that the method is simple,feasible and effective.

rural power distribution network;non-measurement and control area;fault complain information;fault location;rough set

TM75

A

1008-3782(2011)01-0027-05

2010-12-14

李燕(1969-),女,河北泊头人,河北工程技术高等专科学校副教授。