配電網調度輔助決策及故障分析系統的制作方法

本發明涉及配電自動化領域，特別涉及一種配電網調度輔助決策及故障分析系統。

背景技術：

國內外的文獻大都是就配電網優化的某一部分進行理論的研究，實用性小，實用性的軟件系統更少。近年來，國內外已經對配電網運行方式的優化指標問題進行了一定的研究這些研究的優化指標體系都是從配電網的某一個方面來進行優化，沒有一個整體的優化目標，不能完全反映配電網絡的經濟性，技術性的要求。單一目標，主要包括：全網網損所反映的經濟性、支路開關操作次數反映的可靠性、合環沖擊電流造成可能誤動作的安全性等，難以適應配電網運行方式優化的復雜要求。在不同的運行狀態下，配電網運行方式優化考慮問題的側重點會有不同，比如在正常運行狀態下會加強關注經濟性，而在故障檢修狀態下則重點關注配電網運行的安全性和供電的可靠性，目前的配電網運行方式優化，大都只是針對單一狀態的配電網絡進行優化，孤立的去考慮問題，或者在正常運行狀態下針對經濟性進行優化，或者在故障狀態下恢復供電進行優化，沒有將三種運行狀態完整的結合起來，整體進行考慮。

目前用于電網運行方式編排類的電力系統包括其應用軟件只能說是從某種程度上對人工決策的支持,但絕不可能完全取代人工勞動,其配套的軟件實用性較之調度操作票或故障診斷類軟件要小得多,使得該類系統和軟件的開發較為緩慢。

目前國內的很多地方，其調度的運行方式完全是由運方根據以往的經驗和目前的負荷情況來編排的。人工編排運行方式存在很多問題。首先，人工編排容易出錯，難免會出現遺漏的現象；其次，人工編排的工作量巨大，運行方式的編排占用了運方人員的大部分時間，是其工作量大的原因之一；再次，人工編排運行方式效率不高，煩瑣的計算效率很低，在這方面，計算機具有無可替代的作用。

而配電網運行方式變化時，需要對配網狀態進行人工校驗新的狀態是否滿足運行要求，但該方法很難達到理想的效果。而對于計算機而言，只要規則正確，可以在極短的時間里，根據規則校驗運行方式。另外，運行方式的管理功能，比如運行方式的發布和查詢等，在傳統管理模式下，非常煩瑣，不便于信息共享。

鑒于人工編排運行方式的種種缺陷，基于市場的需要，隨著基于人工智能技術電力系統應用軟件開發的不斷深入，關于電網運行方式編排類系統和軟件的開發會成為電力系統應用軟件開發的一個新熱點。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供一種配電網調度輔助決策及故障分析系統，能校驗合環運行方式，選擇更經濟的運行方式且還有自動檢查并排除故障的能力。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的配電網調度輔助決策及故障分析系統，包括：

底層操作系統和商用數據庫，用于實現整套系統的正常運行；

實時數據庫，通過cim導入/導出模塊與電力管理系統pms以及第三方軟件實現數據傳輸與交換，并通過數據庫api模塊與外部的用電信息采集系統進行數據傳輸與交換；

軟件總線/通訊服務子系統，并通過通訊/事件記錄模塊與配電智能終端實現數據傳輸與交換；

圖形子系統，采用2d和/或3d顯示模式，用于整套系統的圖形圖像的處理和顯示；

電力系統算法分析庫，包括多種電力系統算法模塊，用于提供后臺算法支撐，根據選擇的操作項目的不同，讀取不同的實時數據并調用相應的算法模塊，通過網絡建模和拓撲分析模塊得到分析結果后輸出至圖形子系統進行數據處理和顯示。

進一步，所述電力系統算法分析庫中的電力系統算法模塊包括潮流算法模塊、合環潮流算法模塊、狀態估計算法模塊、拓撲優化搜索算法模塊、遺傳算法及線性規劃模塊。

進一步，所述操作系統包括unix、linux和/或windows,所述商用數據庫包括oracle和/或sqlserver。

進一步，系統進行合環電流校驗的步驟是根據運方能否合環的要求，最后通過實時合環電流計算的方法，實時校驗短路電流的大小，確保合環的操作能否進行，合環電流校驗一旦通過，通過命令下發通道，直接控制外部的智能開關和配電智能終端。

進一步，系統通過潮流算法模塊和遺傳算法及線性規劃模塊進行配電網重構，其步驟包括：收集配電網各個節點負荷；對分布式電源并網點出力進行預測；結合基本環二進制編碼對配電網開關狀態編碼；約束條件為潮流約束和電壓約束；采用綜合網損和負荷開關操作次數目標函數的遺傳算法優化得到開關狀態；更新開關狀態，將斷開開關作為聯絡開關，閉合開關作為分段開關；

進一步，系統的合環校驗是通過合環潮流算法模塊，并與供電公司的scada/ems系統實行對接，采集實時數據，進行合環和合環后潮流的比較，得出是否能夠進行合環操作的結論。

進一步，系統的運行方式合環電流校驗的步驟是根據閉環網絡循環迭代的思想，通過合環電壓、電流的約束條件，具體為合環方式下合環點兩端允許電壓差(絕對值)15％，電壓相角差不超過15％，合環產生的最大沖擊電流小于開關動作電流，校驗該運行方式下是否滿足運行要求。

進一步，系統的運行方式仿真是通過實時數據庫得到當前配電網實時數據，對調度人員對運行方式的下發流程和下發效果進行仿真，在仿真過程的每一步都要進行潮流校核和合環電流校核，檢查功率是否越限，電壓質量是否越限，負荷是否不平衡、合環電流是否在允許范圍，確保配電網實時調度的安全性。

本發明的有益效果是：

1)本發明的系統通過選擇適合配電網合環系統特點的潮流計算方法，保證系統的潮流計算收斂，同時建立配電網合環操作模型，并對合環穩態電流的計算和瞬時沖擊電流的計算進行詳細的推導，判斷合環電流是否越限，操作簡單方便；

2)本發明的系統能夠根據配電網運行方式評價標準及改進遺傳優化算法，自動搜索出適合目標的運行方式，通過潮流平衡和功率電流約束條件，進行詳細的計算和校核，確保重構后網絡運行方式正常；同時，通過基本環二進制編碼確保重構之后的路徑滿足無電氣孤網和無閉合環網要求；

3)本發明的系統在季度和月度的負荷歷史數據的基礎下，優化編排配網運行方式，給出合理的建議，對于饋線中的各個分段開關，給出運行方式的建議，在準實時數據的基礎下，對于饋線中存在的過載、電壓越限、運行效率低下等情況，給出合理性的建議，以及所產生的效果，智能化程度高，建議準確可靠；

4)監控系統做到實時、可靠并能與合環校驗功能、配網經濟重構功能相結合，對實時運行中發現的線路過載、電壓越限等異常情況，能實時夠給出報警提示，故障分析結果、并能夠給出合理的運行方式；并且能夠根據提示，給出更為經濟的優化運行方式。

5)本系統具備校驗所選運行方式的各種邏輯約束條件，為運行方式的審核者提供決策支持功能，避免人工決策的考慮不全而引起系統的安全隱患。

本發明的配電網調度輔助決策及故障分析系統，通過數據采集、計算能自動控制配電網做出最優選的運行方式且還有自動檢查并排除故障的能力，該系統功能強大，能夠與現有設備聯網使用，具備良好的推廣應用價值。

本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為本發明的系統架構示意圖；

圖2為本發明所述的功能模塊程序實現流程圖。

具體實施方式

以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，本發明的配電網調度輔助決策及故障分析系統，包括：

(1)底層操作系統和商用數據庫，用于實現整套系統的正常運行；根據開發需要，操作系統包括unix、linux和/或windows,商用數據庫包括oracle和/或sqlserver。

(2)實時數據庫，通過cim導入/導出模塊與電力管理系統pms以及第三方軟件實現數據傳輸與交換，并通過數據庫api模塊與外部的用電信息采集系統進行數據傳輸與交換；

(3)軟件總線/通訊服務子系統，并通過通訊/事件記錄模塊與配電智能終端實現數據傳輸與交換；

(4)圖形子系統，采用2d和/或3d顯示模式，用于整套系統的圖形圖像的處理和顯示；

(5)電力系統算法分析庫，包括多種電力系統算法模塊，用于提供后臺算法支撐，根據選擇的操作項目的不同，讀取不同的實時數據并調用相應的算法模塊，通過網絡建模和拓撲分析模塊得到分析結果后輸出至圖形子系統進行數據處理和顯示。本實施例中，電力系統算法分析庫中的電力系統算法模塊包括潮流算法模塊、合環潮流算法模塊、狀態估計算法模塊、拓撲優化搜索算法模塊、遺傳算法及線性規劃模塊。不同的模塊根據操作者的需要，能夠實現不同的功能呈現。

如圖2所示，本發明的配電網調度輔助決策及故障分析系統程序實現，包括：合環電流計算校驗模塊、配電網重構模塊和監控及故障分析模塊，監控及故障分析模塊運行時對電網實時數據進行監測，一旦發生故障狀態將故障情況上報并更新狀態調用重構模塊，得到符合要求的重構網架；重構模塊得到結果前需要通過合環電流校驗模塊。

具體而言，本發明能夠實現的功能如下：

一、合環運行方式校驗

1.1合環電流校驗

配網最大的特點就是閉環結構、開環運行。配電網分布于城市中的各個角落，組成了一個掛滿負荷的網絡，這個網絡中的每一個負荷都是由單一的母線供電。不同母線所帶的負荷區域用聯絡開關隔離，形成供電負荷島。正常情況下，聯絡開關都是開斷運行，以保證配電網的輻射狀運行結構。隨著配網的發展和社會對供電可靠性要求的提高，配網中出現了雙電源供電甚至多電源供電配網結構，以保證重要用戶的不間斷供電。當某個母線需要檢修或者發生故障時，該母線上的多電源供電的負荷就可以進行負荷轉移，通過合環操作，轉移到與之相連的其他母線上。合環操作的最大的受益就是可以減少用電的停電，大大的提高了供電的可靠性，而這個正是現代配網的追求。

在進行合環動作前，需要根據相關要求告知運方能否可以下發，通過實時合環電流計算的方法，實時校驗合環電流的大小，確保合環的操作能否進行。合環電流校驗一旦通過，就可以通過命令下發通道，直接控制智能開關和智能stu。

出于對電網系統安全的考慮，配網合環時，兩端的電壓差不能太大，否則會出現很大的電流，導致相連的兩條母線上的保護跳閘，反而導致供電事故。現在城市配網中這種合環操作很多，但是卻缺少有力的理論和分析軟件來指導這種操作，現場都是依靠運行人員的經驗來判斷是否進行合環，這樣，不僅很容易出現偏差，而且，運行人員的責任也很大。本項目不僅從理論上對配網合環的條件進行了理論分析，同時也開發了配網合環分析模塊，并與供電公司的scada/ems系統實行對接，采集實時數據，進行合環和合環后潮流的比較，得出是否能夠進行合環操作，從而對現場的合環操作提供參考。

1.2運行方式仿真功能

運行方式仿真是在當前配電網實時數據的基礎上，輔助調度人員對運行方式的下發流程和下發效果進行仿真，在仿真過程的每一步都要進行潮流校核和合環電流校核，檢查功率是否越限，電壓質量是否越限，負荷是否不平衡、合環電流是否在允許范圍等，充分考慮供電范圍、供電能力，電壓合格率、線損情況等，確保配電網實時調度的安全性。

1.3報表管理

提供合環運行方式校驗模塊報表功能，支持根據自定義模板導出多種格式報表。

二、配電網經濟性重構

2.1配電網重構

配電網重構又稱為配電網絡組態，或配電網絡饋線組態，配電網絡饋線重構。其基本思想是基于任何一個運行方式下的配電網都存在對應狀態的最優網絡拓撲結構，在該最優結構下，各負荷點的運行電壓、網絡損耗和負荷平衡協調優于其他方案。該網絡的拓撲結構隨著負荷和運行方式的變化而變化，最優拓撲結構的計算則被稱之為配電網重構。

配電網重構的自動觸發條件，主要有兩個：(1)運行方式中存在設備越限，包括功率越限和電壓越限等；(2)運行方式不經濟，在長時間內系統損耗很大，有很大的優化空間。

配電網重構的目標是在滿足安全約束的前提下，通過開關操作等方法改變配電線路的運行方式，消除支路過載和電壓越限，平衡饋線負荷，使網損最小。

配電網結合短期與超短期負荷預測的結果，并且考慮負載均衡、設備無越限、開關動作次數少、損耗降低等多種目標和約束。具體步驟包括：收集配電網各個節點負荷數據；對短期的負荷和分布式電源并網點出力進行預測；結合基本環二進制編碼對配電網開關狀態進行編碼；設定約束條件為功率平衡約束(潮流約束)和電壓電流約束(節點電壓在一定范圍內，各條饋線電流小于滿足動穩定和熱穩定的電流上限)；采用綜合網損和負荷開關操作次數目標函數的遺傳算法優化得到開關狀態保證經濟性和可靠性(網損權重和開關次數權重由用戶自定)；更新開關狀態，將斷開開關作為聯絡開關，閉合開關作為分段開關，為下一次重構做準備。

本系統可以實現以下功能：

(1)優化配電模式，消除設備越限，提高設備使用壽命；

(2)實現配網經濟運行，提高供電能力，降低配網網損；

(3)采用自動或人工介入的方式實現閉環控制，實現配電網運行方式的動態調控。

網絡重構算法本質上是一個優化算法，是一個離散變量的規劃問題。其中，消除支路過載和電壓越限，平衡饋線負荷，是約束條件，而使網損和開關操作次數的加權函數最小是目標函數。這個算法中，通過基本環二級制編碼的遺傳算法，實現自動尋優。

在選擇重構的路徑上，需要對各個供電路徑，進行開關遮斷容量的校核，通過短路電流計算，進行詳細的計算和校核，確保重構之后的路徑的正確性。

2.2運行方式合環電流校驗應用

根據合環電流校驗的結果，對于經常性的由于合環動作而致使電網中電流、電壓越限或合環時兩端電壓相差太大等原因，給出合理的運行方式診斷措施。

具體實施方式根據閉環網絡循環迭代的思想，通過合環電壓、電流等約束條件，搜索最佳的聯絡開關位置。

2.3報表管理

提供配電網經濟重構模塊報表功能，支持根據自定義模板導出多種格式報表。

三、配電網故障分析模塊

3.1配網運行防誤

在配網智能開關遙控操作的每一步執行前，均對執行后的結果進行潮流校核和合環電流校核，檢查功率是否越限，電壓質量是否越限，負荷是否不平衡、合環電流是否在允許范圍等，對執行過程中的誤操作進行實時提醒，確保配電網實時調度的安全性。

運行防誤功能在實際遙控和仿真遙控過程中均會執行。

3.2配電網監控及故障分析模塊

通過監控系統對配電網實時運行中的節點和支路的電流、電壓及電壓相角和有功無功功率進行實時監測，發現線路過載、電壓越限等異常情況并上報。具體為:逐次對各個節點電壓相角進行判斷，電壓和相角差是否滿足在合理運行范圍內，將不滿足的節點統計；逐次對各個支路有功和無功功率進行判斷是否處于合理范圍內，若超過上限則有可能影響動穩定性和熱穩定性，若超過下限則線路輕載經濟性較差，將不滿足的支路統計。

在已知故障的情況下，對配電網結構進行優化，將故障狀態下故障節點和支路及故障類型、節點和支路數據實時導入并根據上述重構程序進行優化。

3.3配電網狀態預測模塊

根據負荷預測和并網分布式電源出力的預測，在保持當前網架結構時對配電網下一時間段的運行狀態進行計算，得到下一時間斷面出現越限或可能出現越限的節點或支路，并利用預測數據進行配電網重構優化，作為可能的故障狀態處理方案。

3.3報表管理

提供配電網監控即故障分析報表功能，支持根據自定義模板導出多種格式報表

四、配電網運行監測

4.1調度可視化

基于圖形子系統，提供友好的可視化調度界面，配網調度將基于帶實時運行信息的一次接線圖進行。

本實施例中，軟件采用c++的qt庫開發，具備良好的軟件、硬件兼容性，能跨平臺支持unix、linux、windows等各種操作系統。avc系統采用全中文操作界面，界面友好，使用方便，在不同系統平臺上保持一致的人機界面，并具有在線幫助功能。

對于系統優化決策的建議、命令、執行情況，以及保護、檢修等異常信息提供事項信息播報功能；對控制量越限、遙信變位、閉鎖信息等給出告警信息；告警方式包括畫面、音響、語音、文字；所有告警信息均包含豐富細節，可以分類查詢；事項信息支持同步發布到scada系統的調度員工作站。

支持從pms中導入配網模型及圖形信息，減少系統維護的工作量，考慮到信息網絡安全的規范，可以先從pms將模型導出到文件中，再拷貝到安全i區中，導入本系統對設備進行運行情況實時監測：

(1)變壓器的運行狀態，各側母線電壓；分接頭檔位；流經變壓器的有功功率、無功功率和電流；變壓器各側開關狀態；母分或母聯開關狀態等。

(2)電容器、電抗器開關狀態；電源進線開關狀態以及有功、無功、電流等。

(3)與設備熱備用判斷有關的刀閘信號。

(4)影響電容器、電抗器投切與變壓器分接頭升降的相關保護信號。

(5)avc系統在運行界面上能在線顯示系統一次接線圖以及以上所檢測的數據。

(6)地區電網范圍內電廠的發電機的有功、無功、高壓母線電壓等數據。

(7)svc及其它電壓、無功調節設備/裝置的運行數據。

(8)系統頻率值。

(9)統計量和計算量，如：網損、廠站功率因數、總有功負荷、總無功負荷……。

4.2數據校驗

包括以下情況：

(1)對于電壓值按照電壓等級，設定一對上下限值，如果電壓值不為零也不在上下范圍之內，則判斷電壓值異常，不對該電壓進行判斷。如：10kv母線電壓設定的上下值為8kv-12kv，則當電壓值為13kv時判斷為電壓值異常。

(2)如果并聯的兩段母線，其電壓量測差超過一定的數值(如10kv的母線為0.2kv)，則表明該量測有誤。例如并聯的兩個10kv母線，一個電壓為10.21kv，一個為10.45kv，則表明該量測有誤。

(3)如果主變檔位值不在最大值和最小值之間，判斷檔位量測錯誤。

(4)如果調檔操作前后，檔位值未變化而母線電壓變化或者母線電壓變化而檔位值未變化，證明量測有誤。

(5)如果開關的遙信值與開關電流遙測值不一致，證明量測有誤。

(6)如果遙測值連續多個周期完全相同，則判斷該遙測量測為死數據。

(7)可接入ems系統的狀態估計數據，作為對實時量測數據的補充判據。

4.3數據擬合

由于本系統需要從多個系統導入數據，因此數據之間的同步存在問題。例如從ems中獲取scada的數據，周期為1-5秒。而從智能開關中獲取的數據是分鐘級。

需要根據這些實時量測數據，并結合歷史數據，依靠線性插值并實現擬合，修正為適合應用的平滑斷面數據。

4.4數據過濾

引入ems系統的狀態估計數據，利用實時數據與狀態估計數據進行對比分析，實現對噪音數據、不合理數據、零數據、短時間尖峰數據系統可靠濾除。

對變壓器檔位值在調檔過程中，經常會出現的0檔、中間檔數據，有效濾除，避免滑檔誤判。

不良數據具有辨識能力和過濾能力確保優化決策算法的高可靠性，保證主站系統的總體可用率不低于ems狀態估計的可用率。

4.5數據辨識

針對主網的ems數據：

(1)通過電網實時數據、設備狀態數據和網絡拓撲分析，自動判斷變壓器、電容器、電抗器和svc/svg設備的運行狀態是投運、熱備用、冷備用，還是掛牌檢修狀態。

(2)利用對保護信號的檢測，處理設備的保護異常閉鎖。

(3)能根據網絡拓撲判斷變壓器的運行方式是并列運行還是分裂運行。

針對智能開關的開關位置辨識：

從一區通過正向隔離裝置傳出的智能開關的開關位置，做出開關位置是否正確的判斷。

判斷的依據包括：根據遺傳算法和經驗規則，推算開關的位置狀態，如果發現在多個情況下，都發生不一致的情況，則系統告警，提示調度人員進行開關位置的校核。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。