基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化恢复方法与流程

1.本发明属于智能配电网馈线自动化技术领域，涉及分布式馈线自动化恢复方法，尤其是一种基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化恢复方法。


背景技术：

2.馈线自动化技术作为提高电网供电可靠性的重要技术手段，在配电网络发生故障后，无需或只需少量人工干预的情况下，能够快速定位故障区段、隔离故障区段与非故障区段供电恢复，可以有效减少配电网络故障停电时间，进而提高供电可靠性，在当前配电网中得到广泛应用。随着用户对供电可靠性越来越高的要求，智能分布式fa依托5g通信网络启动馈线自动化进行故障处理，利用智能终端之间的相互通信、保护配合和时序配合，完成配网线路区段准确定位、故障判断、隔离和非故障段的恢复供电，从而实现故障的快速隔离和自愈，其动作过程不依赖于配电自动化主站的全局信息，对供电可靠性影响较小，在配电自动化建设过程中越来越受到供电企业的关注。现有的故障恢复策略技术方案首先通过系统建模和拓扑分析识别配电网络中的连接关系和开关位置以及网络发生变化后的结构；然后通过设置多种故障模式和故障数量，以及保护设备故障等情景，检验主站和分布式flisr，获得故障恢复策略。
3.其具体的实现方式为：一是通过数学模型建模进而计算出故障恢复策略，如对系统分阶段建立配电网的二次规划负荷模型，并采用递归二次规划求解法来求解故障恢复问题；另一种方法是同过以往的经验生成比较可靠的恢复方案，例如采用专家系统，可以转换配电网故障恢复的专家知识为专家系统的规则库和推理知识，从而形成安全可靠的供电恢复方案。
4.然而在配电网出现故障时，以上所述技术方案所提供的故障恢复策略存在单一、固定等不足，由于在配电网中分布式fa终端数量多、分布范围广，仅知道相邻终端邻接关系，所以一般在故障隔离后指定固定的开关闭合以恢复非故障区域的供电，而无法根据线路的实时负载率，制定并生成灵活的故障恢复策略。
5.经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化恢复方法，解决现有方法故障恢复方法存在单一、固定等不足，以及现有恢复方法不够全面与灵活的问题。
7.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
8.一种基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化恢复方法，包括以下步骤：
9.步骤1、在主动配电网线路出现故障时，采用同步采样的差动算法确定故障区段；
10.步骤2、基于步骤1确定的故障区段，线路故障前后的故障电流波形通过对等通信的方式相互传递，并将故障电流的信息输出至智能配电终端；
11.步骤3、智能配电终端接收到步骤2的故障电流的信息后，根据故障所在区域故障期间的孤岛保护是否启动以及der是否提供短路电流判断故障发生的情形，并且在激活故障的出口保护后将启动保护条件，切除故障；
12.步骤4、在步骤3中故障切除后，故障所在馈线处的负载根据线路负载率进行转移，根据非故障区域内的剩余带载供电能力，向下游开关递归计算使下游待供电区域进入到故障恢复阶段进行计算各开关的开合信息，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略，清除故障。
13.而且，所述步骤1的具体步骤包括：
14.(1)确定出线开关上是否出现过电流故障信号，如是，保护跳闸，并启动差动算法以确定故障区域；同时，出线开关与相邻开关通信并传递电流波形及过电流信号；
15.(2)确定两个相邻的开关是否发生过电流现象。如是，则转到下一步；如果馈线一侧的开关过电流而另一侧未过电流，则故障位于该馈线两端之间，需将这些开关断开；如果两开关均未过电流，则故障不在此馈线内；
16.(3)通过故障前后相邻两开关的电流波形，i
1r
，i
1i
，i
2r
，i
2i
可由θ1＝tg-1
(i
1r
/i
1i
)与θ2＝tg-1
(i
2r
/i
2i
)计算得出；相角可通过从线路两端采样的故障电流波形计算；通过故障前后相邻两开关的电流波形以及相角信息实现对故障区域的判断与隔离，若|θ
1-θ2|∈(180
°‑
δ，180
°
δ)，δ为实际误差系数同时考虑了由线对地电容引起的电流相位波动；则故障位于此馈线部分内；否则，将寻求其他相邻的开关；
17.其中，通过从线路两端采样的故障电流波形，计算故障电流相角的公式如下：
[0018][0019][0020]
这样就可以从电流幅度i1，i2与不同线路末端相位角，推导出故障的位置；
[0021]
(4)继续搜索下游的相邻开关并重复步骤(2)和步骤(3)直到找到故障区域，锁定故障发生区域的具体位置。
[0022]
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
[0023]
(1)5g通信模块获得系统信息。5g通信模块获得静态拓扑模型、动态拓扑模型以及电流采集模块获取的步骤1中所计算的过电流信号信息；
[0024]
(2)通信状态自检测。在通信过程中，智能分布式fa终端可对5g通信状态进行自检
测，并依据当前通信系统状态采用不同逻辑接受方法获得所需信息到智能配电终端。当通信系统状态良好时进入步骤(3),否则进入步骤(4)；
[0025]
(3)5g无线通信系统正常时，5g通信模块将故障所在位置的过电流信息以及故障位置信息以报文的形式发送给相邻的馈线智能终端，并接收来自下游开关的电流检测信息，实现相邻开关处的智能配电终端间交换信息。
[0026]
(4)5g系统出现短时繁忙时，在最新发送的拓扑消息的时间内收到的答复数减少；若此时通信质量减小到小于最小值，则系统依据当前通信质量信息动态更新时间，使得分布式fa终端的等待时间增加10％；上述增加等待时间的过程可以周期性地重复执行，保证终端可以接收到足够的信息，使得当前故障报文能够成功发送，并接收来自下游开关的电流检测信息，实现相邻开关对定位故障区域信息的获取。
[0027]
而且，所述步骤3的具体步骤包括：
[0028]
(1)根据步骤2中传输的过电流开关位置信息，检测配电网中der所在位置处的短路电流大小，如果der出口电流较小且无法捕获dg侧开关上的过电流信号，执行步骤(2),否则，执行步骤(3)；
[0029]
(2)当前故障所在位置的上下游开关以及其他分布式电源接入配电网的开关处均未过电流，采用步骤1中的差动保护算法启动差动算法确定故障区域；
[0030]
(3)由于der可以提供短路电流至短路点，因此可以在故障位置的上游或者下游开关处检测到过电流，步骤1中的差动保护算法启动解决短路故障发生在一个der的上游或发生在一个der的下游的类似故障定位问题；
[0031]
(4)根据定位到的故障位置信息，激活启动保护条件，断开故障所在位置上下游的开关，切除故障，实现对故障的隔离。
[0032]
而且，所述步骤4的具体方法为：
[0033]
(1)在步骤3中对故障隔离后，该故障出口开关的下游开关将发出故障信号，并通过对等通信的方式与相邻开关进行通信校验寻找联络开关；
[0034]
(2)确定好联络开关后，将故障所在馈线处的负载根据线路负载率进行转移，判断非故障区域内的剩余带载供电能力，根据供电馈线的供电能力、失电区域的负荷以及该区域内der的容量之间的关系，确定联络开关组的开合信息；
[0035]
(3)根据联络开关组的开合信息来判断恢复策略是否能够满足损失容量，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略，清除故障。
[0036]
本发明的优点和有益效果：
[0037]
本发明公开了一种基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化(feeder automation，fa)恢复方法，在配电网络发生故障后，根据故障前后的电流波形，通过同步采样差动算法从电流幅度与不同线路末端相位角，推导出故障的位置，通过分布式能源(distributed energy resource,der)提供的短路电流信号与故障位置处出口电流的大小实现对故障的隔离，当一条馈线出口开关由故障跳开后，该出口开关的下游开关将发出故障信号，并通过对等通信的方式与相邻开关进行通信校验寻找联络开关。每个智能配电终端根据自身监控开关处检测到的故障电流信息和从下游开关处智能配电终端接收到的故障电流的信息，来判定故障发生所在的电气区段。此时故障馈线区域的负荷将全部由另一条馈线供电，根据供电馈线的供电能力与失电区域的负荷与该区域内der的容量差关系，计
算该区域内负荷与剩余带载供电能力的关系，根据上述关系制定出分布式故障定位、隔离与恢复(fault location,isolation and service restoration，flisr)策略，将不能满足处的开关设置为断开的新联络开关，使下游待供电区域重新进入算法的故障恢复阶段进行计算，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略。该方法根据线路的实时负载率，制定并生成灵活的故障恢复方法，提高分布式fa的供电恢复能力。
附图说明
[0038]
图1为本发明的故障恢复示意图；
[0039]
图2为本发明的差动保护算法示意图；
[0040]
图3为本发明的adn原理图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0042]
一种基于线路负载率与对等通信的分布式馈线自动化恢复方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0043]
步骤1：在主动配电网线路出现故障时，采用同步采样的差动算法确定故障区段；
[0044]
所述步骤1的具体方法为：
[0045]
在主动配电网线路出现故障时，采用同步采样差动算法对故障点两端的容性电流计算比较，并通过一阶低通滤波器减小故障电流的波形曲线，然后通过开关跳闸之前的0.5s电流波形计算故障发生后的电流相角，最后根据电流相角的关系，搜索到故障区域。
[0046]
如图2所示，所述步骤1的具体步骤包括：
[0047]
(1)确定出线开关上是否出现过电流故障信号，如是，保护跳闸，并启动差动算法以确定故障区域；同时，出线开关与相邻开关通信并传递电流波形及过电流信号。
[0048]
(2)确定两个相邻的开关是否发生过电流现象。如是，则转到下一步；如果馈线一侧的开关过电流而另一侧未过电流，则故障位于该馈线两端之间，需将这些开关断开；如果两开关均未过电流，则故障不在此馈线内。
[0049]
(3)通过故障前后相邻两开关的电流波形，i
1r
，i
1i
，i
2r
，i
2i
可由θ1＝tg-1
(i
1r
/i
1i
)与θ2＝tg-1
(i
2r
/i
2i
)计算得出；相角可通过从线路两端采样的故障电流波形计算；通过故障前后相邻两开关的电流波形以及相角信息实现对故障区域的判断与隔离，若|θ
1-θ2|∈(180
°‑
δ，180
°
δ)，δ为实际误差系数同时考虑了由线对地电容引起的电流相位波动；则故障位于此馈线部分内；否则，将寻求其他相邻的开关；
[0050]
其中，通过从线路两端采样的故障电流波形，计算故障电流相角的公式如下：
[0051]
[0052][0053]
这样就可以从电流幅度i1，i2与不同线路末端相位角，推导出故障的位置。该差动算法的示意图如图2所示。
[0054]
(4)继续搜索下游的相邻开关并重复步骤(2)和步骤(3)直到找到故障区域，锁定故障发生区域的具体位置。
[0055]
步骤2、基于步骤1确定的故障区段，线路故障前后的故障电流波形通过对等通信的方式相互传递，并将故障电流的信息输出至智能配电终端；
[0056]
在本实施例中，在通信过程中，智能分布式fa终端可对5g通信状态进行自检测，并依据当前通信系统状态采用不同逻辑接受方法发送、获得所需信息。
[0057]
所述步骤2的具体步骤包括：
[0058]
(1)5g通信模块获得系统信息。5g通信模块获得静态拓扑模型、动态拓扑模型以及电流采集模块获取的步骤1中所计算的过电流信号信息；
[0059]
(2)通信状态自检测。在通信过程中，智能分布式fa终端可对5g通信状态进行自检测，并依据当前通信系统状态采用不同逻辑接受方法获得所需信息到智能配电终端。当通信系统状态良好时进入步骤(3),否则进入步骤(4)；
[0060]
(3)5g无线通信系统正常时，5g通信模块将故障所在位置的过电流信息以及故障位置信息以报文的形式发送给相邻的馈线智能终端，并接收来自下游开关的电流检测信息，实现相邻开关处的智能配电终端间交换信息。
[0061]
(4)5g系统出现短时繁忙时，在最新发送的拓扑消息的时间内收到的答复数减少。若此时通信质量减小到小于最小值，则系统依据当前通信质量信息动态更新时间，使得分布式fa终端的等待时间增加10％。上述增加等待时间的过程可以周期性地重复执行，保证终端可以接收到足够的信息。使得当前故障报文能够成功发送，并接收来自下游开关的电流检测信息，实现相邻开关对定位故障区域信息的获取。
[0062]
所述步骤2中，在多联络、多分段的多电源配电网接线模式下，根据本发明提出的分布式fa处理方法，当一条馈线出口开关由于故障跳开后，该出口开关的下游开关将发出故障信号，并通过对等通信的方式与相邻开关进行通信校验寻找联络开关。
[0063]
在本实施例中，在对馈线自动化智能终端之间相互通信时，分布式电流信息在智能配电终端通过对等通信网络与相邻开关处的智能配电终端间交换信息，每个智能配电终端根据自身监控开关处检测到的故障电流信息和从下游开关处智能配电终端接收到的是否检测到故障电流的信息，来判断故障是否发生在监控开关与下游开关之间的电气区段。
[0064]
步骤3、智能配电终端接收到步骤2的故障电流的信息后，根据故障所在区域故障期间的孤岛保护是否启动以及der是否提供短路电流判断故障发生的情形，并且在激活故障的出口保护后将启动保护条件，切除故障。
[0065]
所述步骤3的具体步骤包括：
[0066]
(1)根据步骤2中传输的过电流开关位置信息，检测配电网中der所在位置处的短路电流大小，如果der出口电流较小且无法捕获dg侧开关上的过电流信号，执行步骤(2),否则，执行步骤(3)；
[0067]
(2)当前故障所在位置的上下游开关以及其他分布式电源接入配电网的开关处均未过电流，采用步骤1中的差动保护算法启动差动算法确定故障区域。
[0068]
(3)由于der可以提供短路电流至短路点，因此可以在故障位置的上游或者下游开关处检测到过电流，步骤1中的差动保护算法启动解决短路故障发生在一个der的上游或发生在一个der的下游的类似故障定位问题。
[0069]
(4)根据定位到的故障位置信息，激活启动保护条件，断开故障所在位置上下游的开关，切除故障，实现对故障的隔离。
[0070]
在本实施例中，对于包含有大量der(distributed energy resource,der)的主动配电网(active distribution network,adn)系统而言，在故障发生时可能会有如下三种情况发生：
[0071]
1)所有分布式电源的孤岛保护都未启动。
[0072]
2)部分分布式电源的孤岛保护启动。
[0073]
3)所有分布式电源的孤岛保护都启动。
[0074]
根据以上三种情况中分布式电源(distributed generator,dg)容量以及故障期间的出口电流。通过检测到的过流信号信息启动保护措施，在系统dg容量可能较小且在故障期间的出口电流可能较小而无法捕获dg侧开关上的过电流信号时，通过出口开关处的过电流信号来激活保护措施。
[0075]
通过出口开关处的过电流信号根据差动保护算法来激活启动保护条件。
[0076]
步骤4：在步骤3中故障切除后，故障所在馈线处的负载根据线路负载率进行转移，根据非故障区域内的剩余带载供电能力，向下游开关递归计算使下游待供电区域进入到故障恢复阶段进行计算各开关的开合信息，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略，清除故障。
[0077]
所述步骤4的具体方法为：
[0078]
(1)在步骤3中对故障隔离后，该故障出口开关的下游开关将发出故障信号，并通过对等通信的方式与相邻开关进行通信校验寻找联络开关。
[0079]
(2)确定好联络开关后，将故障所在馈线处的负载根据线路负载率进行转移，判断非故障区域内的剩余带载供电能力，根据供电馈线的供电能力、失电区域的负荷以及该区域内der的容量之间的关系，确定联络开关组的开合信息；
[0080]
(3)根据联络开关组的开合信息来判断恢复策略是否能够满足损失容量，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略，清除故障。
[0081]
对于发生故障的馈线，根据联络开关组的算法来判断恢复策略是否能够满足损失容量，依据对其提供供电能力的馈线与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差，计算出在该区域内负荷是否能满足其剩余带载供电能力。如果满足，在flisr策略下继续以下游开关进行递归计算直至不能满足为止。然后，将不能满足处的开关设置为断开的新联络开关，使下游待供电区域重新进入算法的故障恢复阶段进行计算，最终得出适用于主动配电
网的故障恢复策略。
[0082]
在本实施例中，对于发生故障的馈线，根据联络开关组的算法来判断恢复策略是否能够满足损失容量，依据对其提供供电能力的馈线与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差，得出适用于主动配电网的故障恢复策略。在多连接和多分支的配电网络中，ieee 1547-2003规定der在访问配电网络后不能作为孤立的孤岛来供电。在这种情况下，连接到断路器的der对于配电系统只能视为负载开关而不是电流断路器。因此，在故障恢复过程中不能将der视为配电网中的新电源点，而只能视为传统的多连接多分支配电网络中的负电源负载。其中对于步骤3中的三种情况，根据提供供电能力的馈线与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差均能获得分布式处理flisr策略。
[0083]
在多联络、多分段的多电源配电网接线模式下，根据本发明提出的分布式处理方法，当一条馈线出口开关由于故障跳开后，该出口开关的下游开关将发出故障信号，并通过对等通信的方式与相邻开关进行通信校验寻找联络开关。此时该馈线区域的负荷将全部由另一条馈线供电。如果此时供电馈线的供电能力小于失电区域的负荷与该区域内der的容量差，即将der假设为负负荷，计算在此区域内负荷是否能满足其剩余带载供电能力。如果满足，则继续以下游开关进行递归计算直至不能满足为止。然后，将不能满足处的开关设置为断开的新联络开关，使下游待供电区域重新进入算法的故障恢复阶段进行计算，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略。
[0084]
在本实施例中，所述步骤4中，对于发生故障的馈线，根据联络开关组的算法来判断恢复策略是否能够满足损失容量，依据对其提供供电能力的馈线与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差，得出适用于主动配电网的故障恢复策略。在多连接和多分支的配电网络中，ieee 1547-2003规定der在访问配电网络后不能作为孤立的孤岛来供电。在这种情况下，连接到断路器的der对于配电系统只能视为负载开关而不是电流断路器。因此，在故障恢复过程中不能将der视为配电网中的新电源点，而只能视为传统的多连接多分支配电网络中的负电源负载。
[0085]
此时发生故障的馈线区域中的负荷将全部由另一条馈线供电，供电恢复策略通过递归计算供电馈线的供电能力与失电区域的负荷以及该区域内der的容量差得到。
[0086]
具体实现过程以图3所示系统为例说明。在该主动配电网系统中，负载开关4和5之间发生了故障。两个分布式能源分别通过开关3与6接入配电网，它们的接入会改变短路电流的分布。图3中断路器1是馈线出口开关。开关7是联结开关。在故障发生时可能会有如下三种情况发生：
[0087]
1)所有分布式电源的孤岛保护都未启动。
[0088]
2)部分分布式电源的孤岛保护启动。
[0089]
3)所有分布式电源的孤岛保护都启动。
[0090]
尽管访问adn的分布式电源(distributed generator,dg)容量可能较小且在故障期间的出口电流可能较小而无法捕获dg侧开关上的过电流信号，但保护可以简单地通过出口开关处的过电流信号来激活而无需每个开关处的失压信号。因为本发明采用了分布式fa过程，且激活故障的出口保护后将启动条件。因此，步骤1中提出的差动保护适用于上述三种情况，具体如下：
[0091]
1).情况1：der提供短路电流至短路点，因此开关3、5和6为过电流，此时传统馈线
自动化无法处理。本发明步骤1中提出的差动保护算法可以解决短路故障发生在一个der的上游或发生在一个der的下游的类似故障定位问题。假设馈线出口断路器中的保护是0s的电流快速跳闸保护，根据馈线提供供电能力与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差表1中给出了adn的分布式处理flisr策略。
[0092]
表1情况1时and示意图
[0093][0094]
2).情况2：当开关3处的der提供短路电流而开关6处的der无法提供短路电流，此时开关3为过电流而开关5和6为非过电流。或开关6处的der通提供短路电流而开关3处的der无法提供短路电流，此时开关5和6处于过电流状态而开关3为非过电流。这两种情况都可以通过提出的差动保护算法来解决。我们选择一个开关3处der提供短路电流而开关6处der无法提供短路电流的情况。此时根据馈线提供供电能力与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差表2给出了flisr的详细策略。
[0095]
表2情况2时and示意图
[0096][0097]
3).情况3：没有der提供短路电流。此时开关3、5和6均未过电流。此时故障情况与发生在传统配网时相同，传统馈线自动化可以进行处理且本发明提出的差动保护算法同样有效。此时根据馈线提供供电能力与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差，adn的分布式处理flisr策略如表3所示。
[0098]
表3情况3时and示意图
[0099][0100][0101]
通过上述分布式处理flisr策略，对于发生故障的馈线，依据对其提供供电能力的馈线与失电区域的负荷以及所在区域内der的容量差，可以计算出在该区域内负荷是否能满足其剩余带载供电能力。如果满足，在flisr策略下继续以下游开关进行递归计算直至不
能满足为止。然后，将不能满足处的开关设置为断开的新联络开关，使下游待供电区域重新进入算法的故障恢复阶段进行计算，最终得出适用于主动配电网的故障恢复策略。本发明所述基于线路负载率的故障恢复策略，根据联络开关组的算法来判断恢复策略是否能够满足损失容量。adn的故障恢复通过上述过程实现，如图1所示。
[0102]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0103]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0104]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0105]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。