行波理论支持下多电源配电网故障定位系统

刘 可，邓其军，杨 嘉，王少飞

（1.国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁 810001；2.武汉大学电气与自动化学院，武汉 510640）

国家电力系统为社会生产提供安全可靠的供电，当前工业电力规模逐步扩大，人们对电能质量的要求也逐渐提高[1]。当多电源配电网出现故障时，会严重影响人们的生活和各企业的正常运作，将直接造成巨大的经济损失。所以应及时对故障进行定位[2-5]，快速检测故障位置，排除多电源配电网中的故障，保障多电源配电网安全运行，降低故障带来的经济损失[6-8]。由于当前配电网的多电源结构较为复杂，故障检测定位存在一定的困难，如何快速精的是Web 服务器三层B/S 结构。由于传统C/S 两层结构可拓展性低、可重用性差，因此在Web 服务器中采用三层B/S 结构，可拓展性优，能向系统提供灵活的信息服务，如信息交流服务和信息发布服务[16]。Web 服务器三层B/S 结构中包含表示层、业务层和数据层，具体的Web 服务器三层B/S 结构如图2 所示。

图2 B/S 三层结构体系Fig.2 B/S three-layer structure system

表示层：该层主要是接收从.NET 平台传输的故障数据信息，并将故障数据信息传输到业务逻辑层，通过业务层提供的方法，处理故障数据信息，将处理结果反馈到表示层显示界面上，该层主要作为系统和用户之间的交互接口。

业务层：应用程序的主体是业务层，该层的位置在Web 服务器端，包含所有业务处理程序。将业务层划分成数据访问层和业务逻辑层，其中业务逻辑层主要包含逻辑处理与业务相关的数据，例如检索或者更新数据表等。通过业务逻辑层连接页面层和数据访问层，可将函数接口提供给页面层，但业务逻辑层不能直接处理后台数据，而是通过调用数据访问层提供的函数接口实现数据处理的。数据访问层和数据源中数据表之间存在一定关联，数据访问层向数据库提供更新的数据。

数据层：数据层主要功能是管理读写数据源，该层位置在数据源的服务器端，当数据层接收到Web 服务器操纵数据源的请求时，需及时查询、更改数据源，并将最终结果传输到表示层中。

1.1.2 故障行波定位子系统

由于本文研究的是基于行波理论的多电源配电网故障定位，因此在故障定位子系统中引入多Agent 思想。将行波定位装置和行波定位主机分解成多个Agent，由多个Agent 构成故障行波定位子系统。该子系统能发挥GPRA 通信网络的全部优点，保障各个Agent 之间的通信和协作，提高通信协作的效率，实现多电源配电网故障的精准定位。故障行波定位子系统由通信Agent、控制Agent、故障计算Agent、数据库管理Agent、实时故障数据获取Agent、定位任务分解Agent、定位启动Agent 和知识库管理Agent 等多个Agent 构成，其总体结构如图3 所示。

图3 故障行波定位子系统Fig.3 Fault location subsystem based on travelling wave

（1）实时故障数据获取Agent：将电网中的故障行波信号捕获后，将初始行波到达配电网的时间实时记录下来，唤醒故障计算Agent，等待故障计算Agent 调用指令。

（2）定位任务分解Agent 和定位启动Agent：定位启动Agent 依照多电源配电网断路器跳闸信号，判断多电源配电网中是否有故障产生，当多电源配电网中出现故障时，需唤醒故障计算Agent 对多电源配电网中出现的故障进行定位计算。定位任务分解Agent 通过网络实际状况，并行分解故障定位任准地对多电源配电网故障定位成为目前研究的热点问题。

当前配电网故障定位方法主要有电流相位法[9]、阻抗法[10]和行波法[11]。其中，电流相位法用同步相量测量装置得到两端故障电流相角变化量，无需安装方向元件和互感器，降低了经济成本；阻抗法主要是通过配电网故障电压和电流获取故障线路端的阻抗，根据故障距离和阻抗的函数关系进行故障定位。但是这两种方法易受短路过渡电阻、配电网运行方式等问题的影响，导致两种方法定位精准度低。而行波法主要是利用配电网故障后的电流电压行波，检测电流电压行波到检测位置的时间和行波波速，通过两者之间关系进行故障定位。相对阻抗法，行波法精准度高、操作简单，只要获取行波达到检测位置的时间，计算时间差就能进行多电源配电网的故障定位。

因此，本文提出了基于行波理论设计多电源配电网故障定位系统。根据.NET 平台三层B/S 结构体系[12-13]，构建此次故障行波定位信息处理子系统，该系统结构模式属于主从式。通过数据处理模块处理获取数据[14]，并在.NET 平台上发布筛选出的故障信息。针对传统方法存在对多个Agent 通信协调不顺畅的问题，将行波定位装置和行波定位主机分解成多个Agent，并进行故障数据的获取，分解故障定位任务，调用故障数据，利用多端行波故障定位方法对故障数据进行定位，完成对多电源配电网的故障定位。通过该故障定位系统精准定位多电源配电网故障，及时处理检测故障，实现多电源配电网的安全运行。

1 多电源配电网故障定位系统

1.1 系统总体结构

多电源配电网中含有较多分支，当不同分支有着不同结构时，如何解决并提高多电源配电网的故障定位问题已经成为当前的研究热点。行波理论是根据行波在传输路径上波阻抗不连续节点的反射特性来确定故障的距离，因此基于行波理论设计多电源配电网故障定位系统。首先对多个行波进行分离，之后并行计算初始行波到达电源时间，根据传输数据计算多电源配电网中单相接地点位置，得出故障位置，实现对多电源配电网的故障定位。该故障定位系统中包含故障行波定位信息处理子系统和故障行波定位子系统两部分。本文设计的行波故障定位系统的结构模式是主从式，通过故障行波定位信息处理子系统的数据获取模块收集多电源配电网故障信息，利用数据处理模块对数据进行处理。当故障行波定位子系统发出调用数据命令时，故障行波定位信息处理子系统将故障信息传输到故障行波定位子系统中。通过多个Agent 之间的通信协作调用故障数据，利用多端行波故障定位方法对故障数据进行定位，分别详细分析。

1.1.1 故障行波定位信息处理子系统

通过.NET 平台三层结构体系设计故障行波定位信息处理子系统。该子系统由.NET 平台、数据获取模块、数据处理模块和控制模块等构成，故障行波定位信息处理子系统的总体结构如图1 所示。

图1 故障行波定位信息处理子系统结构Fig.1 Structure of information processing subsystem for fault location based on travelling wave

从图1 中可以看出，先采用数据获取模块获取多电源配电网中的数据信息，通过数据处理模块处理获取的数据信息，筛选出多电源配电网故障信息，在.NET 平台上发布数据处理模块筛选的多电源配电网故障信息。为并行处理多电源配电网的数据信息，提高系统数据信息处理速度，需在该子系统中引入多线程技术，通过Web 服务器中的三层B/S 结构，采用动态网页的方式[15]实施动态发布故障数据信息。

1）Web 服务器三层B/S 结构

在故障行波定位信息处理子系统中较为重要务，并分配分解后的多个故障定位任务子集到不同功能的Agent，并行处理故障定位任务，提升处理效率与系统的实时性。

（3）故障计算Agent：该Agent 一般情况下处于休眠状态。当定位启动Agent 唤醒它时，该故障计算Agent 采用通信Agent 调用故障线路端的故障数据，再利用多端行波故障定位方法对故障数据进行定位，当成功定位后，通过信息发布Agent 将多个定位信息同时发布出去。

1.2 多端行波故障定位方法

在研究多电源配电网故障定位时，将多电源配电网抽象成由多个顶点和边构成的拓扑图，多顶点集合表示为Q=（A，B，…，K），多边集合表示为N=（n1，n2，…，n18），则多电源配电网拓扑结构如图4 所示。

图4 多电源配电网拓扑结构Fig.4 Topology of multi-power distribution network

图4 中，（1）～（4）表示故障发生区段，[1]～[4]表示负荷传输线路，a～j 为线路标号，A～L 为电源端。当故障发生在图4 中的cd 段r 点时，按照图中箭头方向向故障两端传输行波，行波根据箭头方向的线路到达多电源配电网中的任意电源中。将传输到各电源的时间设置为t，t=（tA，tB，tC，…，tK）。根据多电源配电网实际结构，采用多个电源传输的故障数据，计算故障点位置。计算过程如下。

步骤1在中心站中接收传输的K 个行波传输时间，根据时间长短对时间进行排序，将传输时间短的数据排在前面。筛选出时间最短的前两项时间数据to、tp，采用行波定位原理，得到故障距离公式为

式中：oop为电源Go和电源Gp之间距离；op为电源Gp与故障点间距离；v 为传输速度。如果此次计算为第一次计算，转至步骤3；反之，转至步骤5。

步骤2检测线路分支点是否存在故障点，当在线路BC 端靠近交叉点c，或在c 点发生故障，通过步骤1 计算靠近故障点的两个电源分别是G4、G5。若此时计算的故障点就是c 点，转至步骤4，否则，转至步骤5。

步骤3将故障所在线路分支点的电源编号时间数据保留下来，将故障分支点当成是中点，剔除其中一两个时间数据，通过剔除时间数据的另一方向查找距离最近的线路分支电源，通过查找的线路分支电源时间数据和上述保存的电源时间数据定位故障。

步骤4验证线路分支点上是否存在故障。通过电压的变化验证线路分支点是否存在故障，当电压达为无穷大时，确认存在故障；电压正常时不存在故障。验证结果有两种：一种是当在上次计算的线路分支点上存在故障，或者线路非分支点存在故障时，说明故障点是真的故障点，此时应停止计算，进行步骤5；另一种是当新获取的电源线路分支点存在故障，需继续进行计算，需转到步骤4。

步骤5配电网中两个电源之间只存在一条线路，依据上述信息可精准计算故障位置。假设在cd段故障点r 发生故障，那么

式中：oD为电源GD与故障点r 间距离；oc为电源Gc与故障点r 之间距离；m 为电源故障点。根据式（2）计算r 点与各个电源之间距离，关系为

根据式（3）计算在传输时间t 中最短的3 个时间分别是tC、tD、tE，依据行波定位原理得

式中：oDC电源GD和电源GC之间距离。根据图4 中得知，故障点不在dD 段；根据可知，故障点在cd 段，故障点位置是距离电源GD较近的m7处。根据上述步骤设计行波定位故障流程，如图5 所示。

图5 行波定位流程Fig.5 Flow chart of location based on travelling wave

从图5 中可以看出，当多电源配电网中产生故障时，需通过行波接收设备接收行波，当接收的行波是故障行波时，先要对多个行波进行分离，之后并行计算初始行波到达电源时间，采用行波发送设备将这些时间数据传输到中心站。根据传输数据计算多电源配电网中单相接地点位置，得出故障位置，实现对多电源配电网的故障定位，能够保证该系统的实时性。

2 实验分析

2.1 实验算例

本文采用典型的3 馈线16 节点系统作为实验算例，如图6 所示。

图6 算例中，数字1～16 表示不同的电源节点，符号（1）～（16）表示配电网线路。

图6 实验算例Fig.6 Experimental example

2.2 不同电阻故障定位分析

为研究系统对于某地区多电源配电网中不同接地电阻故障定位精准性，分别对比了本文系统、文献[3]系统、文献[4]系统的故障定位分析，对比结果如表1 所示。

从表1 中可知：在相同接地电阻下，本文系统的故障定位精准度最高，其精准度最高可达99.8%，而其他两种对比方法的精准度均低于90%；随着接地电阻的不断增加，故障定位精准度随之下降。因此为提高故障定位精准度，应选取合适的接地电阻。

表1 不同接地电阻故障定位分析结果Tab.1 Fault location analysis results with different grounding resistances

2.3 不同故障初始角故障定位分析

为研究不同故障初始角下系统定位故障精准性，对比分析了3 种多电源配电网故障定位系统，对比结果如图7 所示。

图7 对比结果Fig.7 Comparison of results

从图7 中可以看出：在故障初始角度相同的情况下，本文系统故障定位精准度最高，其最高可达99.6%，而其他两种对比系统的精准度均低于90%；随着故障初始角的不断减小，故障定位精准度随之下降，主要原因是当故障初始角不断减小时，检测的多电源配电网两端行波波形也在随之减小，在故障初始角为0°时，故障行波几乎检测不到，说明定位故障的精准度和故障初始角度有关。

2.4 在不同区域故障点故障定位分析

为研究不同多电源配电网区域故障定位系统的定位精准度，对比分析3 种多电源配电网故障定位系统，结果如表2 所示。

从表2 中可知：在多电源配电网区域故障点相同的情况下，本文系统故障定位精准度最大，其精准度最高可达99.7%，而其他两种对比系统的精准度均低于90%；在不同多电源配电网区域故障点下故障定位系统定位多电源配电网故障的精准度变化较小，说明尽管多的电源配电网中含有较多分支，不同分支有着不同的结构，但是当多电源配电网中发生故障时，通过本文系统均能较为精准地定位故障，即本文系统应用到实际中效果较好。

表2 不同区域故障点故障定位分析Tab.2 Fault location analysis with fault points in different areas

表3 为3 种多电源配电网故障定位系统在不同距离故障点故障定位的用时分析结果。

表3 不同距离故障点故障定位用时分析Tab.3 Fault location time analysis with fault points of different distances

从表3 中可以得知，在多电源配电网区域故障点距离相同的情况下，本文系统故障定位用时最少，可以做到对故障实时检测和定位。

3 结语

多电源配电网结构为树形结构，在多电源配电网中含有较多分支，在实际中很难人工检测故障点的位置。针对传统配电网故障检测方法存在的问题，此次设计一种基于行波理论的多电源配电网故障定位系统。该系统由故障行波定位信息处理子系统和故障行波定位子系统构成，在故障行波定位信息处理子系统中，采用的.NET 平台是三层结构体系，通过该子系统中的Web 服务器三层结构进行信息发布。当该子系统接收到故障行波定位子系统调用信息时，将信息传输到故障行波定位子系统中。利用Agent 思想和行波理论设计故障行波定位子系统，通过多个Agent 之间的相互协作通信，实现最终多电源配电网的故障定位，提高故障定位的精准度和效率。经过实验分析发现，本文研究的系统整体性能较优，适合应用到实际的多电源配电网故障定位中。