基于GIS配电网监测和控制区域故障定位方法的研究

吴成明，王毅，姜丰

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 孝感 432000)

基于GIS配电网监测和控制区域故障定位方法的研究

吴成明1，王毅1，姜丰2

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 孝感 432000)

随着计算机技术、通信技术和网络技术在电力系统中的应用，电力系统的故障定位和控制区域故障定位逐步走向图像化、智能化，GIS(地理信息系统)也逐渐成为了系统故障定位的新趋势。本文简要的介绍了三种常见的配电网故障定位方法，在贝叶斯公式的基础上，对地理信息系统的数据模型和分布网络模型进行了详细的分析，并在贝叶斯公式的基础上，建立了基于地理信息系统的配电网故障定位算法，从而大大提高了配电系统的故障定位效率，保证了配电网的安全可靠性运行。

GIS；配电网；故障定位；贝叶斯公式

1 引言

随着社会经济和人们生活水平的日益提升，电力系统在国民经济中的地位变得倍加重要，由于人们的正常生活对电力需求日渐的急需性，因此导致了配电网的不断扩大。为了最小化断电次数和减少断电持续时间，配电网需要保证很高的电能质量和电力可靠性，以便达到不断提升供电的可靠性。在大部分情况下，导致用户停电的原因是由于电力系统配电网出现故障，所以，当配网出现故障之后，如何进行快速、有效地定位故障是尤其重要的。

电力生产部门已经把GIS(地理信息系统)技术引入到配电系统的管理中，这样不但可以在现实生活中对生产设施给予定位(如线路、设备)，而且还可以结合相关属性，根据用户需求，结合空间信息和属性信息进行图形化显示。同时利用GIS对配电网的空间分析功能，不仅可以迅速定位配电网的故障和实施快速隔离，还可以影响二级配电网的操作和管理人员的决策，即有效的处理事故，从而大大减少了停机时间，降低了配电网的线损，确保了用电的安全性和可靠性。

2 配电网故障定位的常见原理

配电网故障定位是当配电网发生故障后能快速、准备的定位故障点或故障区域，目的是为了能够迅速隔离故障区域，同时恢复非故障区域的供电。目前，国内的配电网故障定位有以下三种：

2.1 故障定位的开关重合与故障隔离

当在某个时间段内配电网出现问题时，首先，线路的自动开关会检测这时段流过的电流来判断故障是否存在，若检测出故障电流，线路上的断路器自动跳闸，然后过一定的时间后自动重合闸。如果只是暂时的故障，检测与判断结果一致性，线路会重新恢复上电，但是如果发生的是一个永久性的故障，自动开关会再次跳闸，重复上面的过程；当一致性检测重复的次数超过先前设定值时，则断路器判断为永久性故障，自动开关断开，不再闭合。

这种方法运行简单，不需要人工干预。然而，由于对设备要求高，未得到广泛使用。同时，若发生多次一致性巧合的重合闸，尤其是当发生永久性故障时，由于冲击电流的影响，很可能造成馈线超过其负载极限，从而对配电网产生巨大影响。

2.2 FTU和SCADA结合的故障定位法

基于FTU(馈线终端单元)的配电网故障定位是一个FTU上传的基础参数，是一种计算故障定位的方法。在树状网络或在开环运行中，只需根据开关的开环沿途通过的故障电流即可确定故障区段。事实上，配电网是图论中是树，故障电流流经连接组件的所有节点。电源点到问题区段的故障应是在电源侧从最后一个开关节点到最后一个故障电流节点，故障电流则是流经第一个没有流过的开关节点之间的电流。显然，若想检查开关节点的电流是否过载，需要安装FTU来进行电流的调整。环网运行时，发生短路故障后，电流应该从每一节点流向故障点，对于这种情况取决于判断馈线是否过电流即可，同时也确定了故障电流功率的方向。如果某段时间内两端的功率方向不一致，则在该范围内的故障点是就可以确定下来。

基于FTU的故障定位可以达到故障一次性隔离，它克服了自动开关需要多次重合的缺陷，这种方法定位非常准确。然而，由于FTU在实际应用中通信成本很大，因此，只能在配电网络中重要的节点安装FTU来节省成本开销。

2.3 电话投诉故障定位

这种方法不需要配备专门的设备，电力部门通过投诉报告故障位置，为用户提供客户服务系统。通过这种方式，电力部门仅通过一名用户的故障投诉电话信息就能大致确定故障的位置，从而大大提高了定位故障点和修复故障的效率。随着手机的广泛普及，这种方法将在中国更广泛的应用前景。

3 基于GIS的配电网模型

配电网模型包含三个信息元素：空间信息、属性信息和两者之间的所属关系。

在地理信息系统中，现实生活中的空间实体有各种各样的抽象因素，“小”对象表示为“点”元素；“长”对象表示为“线”元素；“大”对象表示为一个“区域”元素。例如在配电网中，变压器、电线杆、开关和其他设施可以表示为“点”元素，线路、电缆就可以表示为“线”元素。

配电网电源S、开关Ki、变压器Tj可以由配电网顶点拓扑结构表示，所谓的线路Lk则为边缘拓扑，而配电网不允许闭环运行，因此，配电网实际上是一个多变的环散网络结构。从这点来说，常见的地理信息系统可以分为几何网络和配电网络。

几何网络可以存储在线性拓扑结构中，具有一系列的接触点和线特征。几何网络模型包含两个触点，一个触点有无限多的边缘(从几何元素上来说的边缘)连接到网络模型中，同时，边线在二维空间相交但不能接触，例如，线路交叉。其中，被网路描述了有边缘元素的触体被称为网络元素，只有网络元素才能参与到几何网络模型的建立。

在GIS中，通常有网格线、电气设备分层的存储空间和属性信息。例如，所有变压器在一行上属于点功能类；将线路上的所有导线组成的导线段是一个线路的特征，因此，它属于一个线功能类。在GIS中，可以选择其中一个层创建一个几何网络，还可以进行分层形成一个几何网络。几何网络的边线表现的是各层的原始线性特征，触点除了原来的电源、开关、变压器等点功能特征外，还形成了一个新的线路交叉结点和线性模型形成的触点，所以构成了一个基于GIS的配电网模型：

M={Ji，Lj|i=1，2，3，…，m;j=1,2,3,…,n}

其中，Ji指GIS配电网中的所有触点，Lj指连接所有触点的导线段。

4 配电GIS监控故障定位方法

配电网的实际运行主要是以FTU提供的信息为基础，用数据采集与监控系统(SCADA)定位故障。然而，由于FTU运行的环境比较差，有时会受信号干扰，会出现丢失信息或失真的可能，因此容易导致系统判断错误或错失故障点，导致故障不能被及时、准确地去除和故障隔离，给配电网的正常运行带来极大的伤害。因此，引入贝叶斯公式故障定位法能够有效地屏蔽干扰信息，并通过一个熟练程度显著性强的方式找到故障出现的大部分，从而大大缩减了计算，提升了故障定位的效率。

4.1 贝叶斯公式的应用

贝叶斯公式是一个理论公式，在已知事件的情况下产生结果，并分析事件的原因。故障定位是指在已知信息中检测到故障的情况下，如何确定故障的区段。因此，我们可以在故障定位方法中引入贝叶斯公式。

在概率论中，如果事件A发生，事件B也会发生，并且两者同时发生时有一定的概率，那么这个概率称为条件概率。用B1，B2，B3，…构成一系列互斥事件的一个完整事件组，且P(Bi)>0，i=1，2，3，…

贝叶斯公式：

(1)

其中，概率P(A)代表事件A的概率；P(Bi|A)表示在事件A出现的情况下事件Bi发生的条件概率。

4.2 配电网中的算法模型

在配电网中，由于网络出现众多的分支，对于开关参数的设置是非常困难的，而且经常发生一个接一个的故障后，出现开关还没有跳但是其上级开关已经断开的现象。因此，在发生故障时，不能只根据开关断开来确定故障区域。针对上述现象，本文决定通过节点过载信息和故障电流流经的各个组合开关作为主要依据来确定故障区域。

S1，S2，S3，…，Sn指馈线开关，L1，L2，L3，…,Ln表示负载点，G={G1，G2，G3，…,Gn}表示SCADA系统从环线上安装在馈线上开关序列的故障信息监测装置。如果电流通过Si时发生了故障，那么Gi=1；否则，Gi=0。

事实上，在配电网中，如果在一根馈线出现了故障，为了能够迅速隔离故障和恢复非故障部分的用电供应，所属馈线的出口端保护装置应该迅速切断故障。由于多个故障发生在一根馈线上的可能性非常小，当要考虑这种情况时，我们可以做出如下的合理假设：

(1)假设多个故障发生在同一根馈线上的概率为0，开关Si在故障事件的负载点Li滑动，那么S1，S2，S3，…，Sn构成一个完整且有Si发生的事件组；

(2)假设在配电网中，每个开关滑动失败的概率是相等的，即P(Si)=p；

(3)假设任何一个开关，FTU报警和通信错误的概率是q，且q<1；

基于上述三种假设，根据贝叶斯公式，可以通过故障信号馈线上开关序列装置G推断出开关Si故障概率是：

(2)

P(G|Si)指开关Si发生故障时，系统接收故障信号装置系列G的概率。由公式可以看出，为了计算P(Si|G)，需要知道P(Si)，P(G)和P(G|Si)，但在实际中P(Si)，P(G)是很难计算出的，而且也没有必要计算出来。因此，在这里本文引入了一个显著性程度比较的概念。当系统出现故障时，只需要与故障部分作出显著性比较，然后根据重要程度确定故障部分。假如对于两根馈线，故障重要比率是：

(3)

通过假设二可以得到，P(Si)=P(Sj)=p，因此,

(4)

如果C>1，表示滑动Li故障明显大于滑动Lj；如果C<1，表示滑动Li故障明显小于滑动Lj；如果C=1，两馈线都支持线路故障，重要程度相等。

根据前面的假设，可以计算P(|G|Si)的值：

(5)

其中，只要检测到故障信号j就可以检测出故障点或故障区域。由公式(4)和公式(5)推导，再根据假设条件，此算法模型完全可用于一个N分支的配电网。为了确定故障区段，只需要判断每个滑动出现的故障，如果出现很明显不正常运行程度时就可以判断发生故障的最大可能性部分。因此，本文可以得出如下的公式：

P(S*|G)=Max{P(Si|G)}=Max{P(S1|G),P(S2|G),P(S3|G),…,P(Sn|G)}

(6)

经过化简，可得：

P(S*|G)=Max{P(G|S1),P(G|S2),P(G|S3),…,P(G|Sn)}

(7)

其中，滑动开关S*对应故障的概率，即最有可能发生的故障滑动。

4.3 配电网GIS故障定位算法流程

配电网GIS监控区域实现的故障定位算法流程如图1所示。

图1 配电网GIS故障定位流程图

(1)SCADA系统接收故障信号序列，并获得所有FTU的故障信号，经过计算机自动采集到配电GIS数据库；

(2)确定是否有故障，如果故障出现，进行下一步；如果没有故障发生，则结束操作；

(3)基于GIS的几何网络，根据故障读取信息和开关实时状态信息，进行网络拓扑分析，获得整个网络的完整信息；

(4)根据环路信息来确定上下级之间关系的所有监控开关故障电路；

(5)开关状态信息，使用以上公式确定滑动区域的故障概率，故障概率的大小程度与开关进行对比分析；

(6)最后，确定故障点或故障区段的位置，并将故障在配电GIS网络中突出显示出来。

4 结论

为了实现配电网监测与控制区域的故障定位，在贝叶斯公式的基础上，提出了一种基于地理信息系统(GIS)的配电网故障定位方法。使用这种方法的主要目的是为了屏蔽干扰信息的影响，通过使用贝叶斯公式比较每个部分发生故障的概率大小来快速确定故障部分。这种方法对于检测SCADA故障信息是有效的，满足了工程上的实时需求，可以促使电网监控能够快速、准确地定位故障。

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Research on Fault Location Method Based on GIS Distribution Network Monitoring and Control Area

WUCheng-ming1,WANGYi1,JIANGFeng2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy，Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.Hubei Electric Power Company，Xiaogan 432000，China)

With computer technology,communication technology and network technology in power system applications，Fault location and analysis of power system gradually toward the direction of the image,intelligent,GIS(geographic information system)which became the new trends introduced into the system fault locating.This paper briefly describes the three common distribution network fault location method,carried out a detailed distribution network GIS data model and the distribution network GIS network model,on the basis of the Bayesian formula,a GIS-based distribution network fault location algorithm,which greatly improve the distribution system fault locating efficiency,and ensure the distribution network of safe,reliable operation.

GIS;distribution network;fault location;Bayesian formula

1004-289X(2016)03-0015-04

TM72

B

2015-12-03