一种智能配电网信息物理融合保护系统及方法

摘要

本发明涉及一种智能配电网信息物理融合保护系统及方法，该系统包括智能配电网物理信息采集层、计算机网络传输层、数据分析层和保护设备执行层；智能配电网物理信息采集层用于采集配电网电力数据；计算机网络传输层用于利用计算机网络将采集到的配电网数据状态信息传输到数据分析层；数据分析层用于利用采集到的配电网数据状态信息检测配电网是否发生异常或故障，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备；保护设备执行层用于接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。本发明能够快速且准确地分析配电网故障并给出处理方案，实现供电作业的快速恢复。

说明书

技术领域

本申请涉及配电网技术领域，尤其涉及一种智能配电网信息物理融合保护系统及方法。

背景技术

电力供应包括发电、输电、配电等一系列过程，其中配电是其中较为重要的环节，主要任务是将电力能源按照用户需求分配给用户。随着科学技术的发展，配电这一环节也逐渐向着智能化、自动化方向发展。这样在提高配电作业效率和质量的同时，也使得配电系统更紧密、更深层次地结合在一起，这就导致一旦其中一个节点出现故障问题，整个配电系统都会面临瘫痪，因此配电系统中都会配有相应的控制保护设备，一旦发生故障或异常工况时，可以以最快的速度找出故障并排除。然而，当前的保护系统发展较为滞后，无法完全跟上智能配电网故障蔓延的速度，因此如何快速且准确地分析智能配电网故障，并进行隔离和恢复成为当下研究的重点。

关于配电网故障的研究在很多文献中都进行相关分析和探讨，比如现有技术中的一种含DG配电网分层分区协同故障新解决方案，通过在线路不同位置安装带电子绝缘电阻测试仪和重合闸装置的开关设备，实现故障点的自动定位，并以此排除故障，保证其余配电线路正常作业。比如另一现有技术中的一种基于地理信息系统的配电网分析平台，通过节点与设备、电路之间的连接关系搜索异常区段，最后利用反向搜索法进行精准进行配电网故障定位。该方法不仅能准确地定位故障与继电保护的距离，而且能在配电网径向布置中准确地定位线路。

基于上述研究，开发一种配电网保护系统，该系统能够集故障判断、故障定位、故障处理为一体，提高彼此之间的交互效率，在发生故障和异常后，能够以最快速度做出反应，隔离故障，保证非故障区域配电作业能够正常运行，降低故障损失率，是目前需要解决的主要问题。

发明内容

本申请提供了一种集故障判断、故障定位、故障处理为一体的智能配电网信息物理融合保护系统及方法。

本申请采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于计算机网络的智能配电网信息物理融合保护系统，包括智能配电网物理信息采集层、计算机网络传输层、数据分析层和保护设备执行层；

所述智能配电网物理信息采集层用于采集配电网电力数据；

所述计算机网络传输层用于利用计算机网络将采集到的配电网数据状态信息传输到数据分析层，所述计算机网络传输层是智能配电网物理信息采集层与数据分析层连接的纽带；

所述数据分析层用于利用采集到的配电网数据状态信息检测配电网是否发生异常或故障，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备；

所述保护设备执行层用于接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。

进一步地，所述智能配电网物理信息采集层包括多个电流互感器，用来检测配电网电力电流量。

进一步地，所述计算机网络传输层包括中继器、网卡、交换机、调制解调器和路由器；

所述中继器用于负责信号的复制、调整和放大功能，消除信号死角；

所述网卡用于将计算机连接到计算机网络当中的关联设备；

所述交换机用于通过报文交换接收和转发数据到目标设备；

所述调制解调器用于负责信号转换；

所述路由器用于接收调制解调器发来的电信号，再把信号发射出去。

进一步地，所述数据分析层包括DSP芯片，所述DSP芯片用于接收所述路由器的电信号，并进行故障处理、故障定位和故障判断。

进一步地，所述保护设备执行层为保护非故障配电网部分，自动将故障设备从配电系统中切除的设备；

所述保护设备执行层包括控制单元、短路器本体、取能单元和信号处理单元。

本发明还提供了一种基于计算机网络的智能配电网信息物理融合保护方法，包括以下步骤：

智能配电网物理信息采集层采集配电网电力数据；

计算机网络传输层利用计算机网络将采集到的配电网数据状态信息传输到数据分析层；

数据分析层利用采集到的配电网数据状态信息检测配电网是否发生异常或故障，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备；

保护设备执行层接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。

进一步地，检测配电网是否发生异常或故障，包括：

确定配电网电流信号样本；

将配电网电流信号分为测试样本和训练样本；

训练样本训练神经网络，测试样本得出测试结果，所述测试结果为阈值θ

判断传输层单元输出是否大于阈值θ

其中，θ

若存在故障，则对比不同故障特征，确定具体发生何种故障。

进一步地，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备，包括：

调用区域划分子程序进行配电网区域划分；

抗元输入、编码；

初始种群产生，设置t＝0，t为迭代次数；

抗体适成度计算；

抗体多样性计算；

判断是否结束操作，若结束，继续进行步骤7；否则，作为父代种群进行免疫操作，并配合记忆库，完成更新种群操作；

将免疫算法计算出来的抗体的适应度值作为蚁群算法的输入；

蚁群算法初始化；

按照各路径信息素的浓度，选择故障或非故障路径；

根据选择结果，结合馈线终端的实际上传信息和期望状态求取评价函数，保留最优结果；

计算信息素挥发系数，并计算各支路信息素增量；

产生父代种群；

执行免疫操作，生成新的种群；

并且更新信息素；

判断是否满足迭代终止条件，若满足，输出故障区段，否则，进入下一轮迭代，重新进行运算。

进一步地保护设备执行层接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业，包括：

获取网络参数及故障线路的故障数据信息；

根据所述网络参数及故障线路的故障数据信息对网络进行简化，生成配电网拓扑；

根据配电网拓扑查找失电区是否有分布式电源，即DG，若没有DG，则进行隔离故障处理；若有DG，则进行DG孤岛划分；

利用获取的网络参数及故障线路的故障数据信息进行二进制混合算法求出供电恢复方案，恢复送电。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请的一种智能配电网信息物理融合保护系统及方法，系统首先选取智能配电网物理信息采集层，采集配电网上的电流信息；然后通过计算机网络传输组件将信息传输到数据分析层当中并进行处理与分析，实现故障判断、故障定位；最后由保护设备执行层根据判断和定位结果，给出故障处理方案，控制隔离保护设备将故障部分从配电系统中切除，保护非故障区域不受影响。

结果表明：所设计系统应用下，配电网故障判断、故障定位以及故障处理等系统模块给出的结果与设定结果一致，且完成时间在10s之内，由此说明本系统能够快速且准确地分析配电网故障并给出处理方案，实现供电作业的快速恢复。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合保护系统的框架结构图；

图2为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合保护系统中的电流互感器接线示意图；

图3为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合保护系统的保护设备执行层的隔离保护设备组成结构；

图4为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合保护方法的流程图；

图5为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合系统的配电网拓扑图；

图6为本发明一实施例的一种智能配电网信息物理融合保护系统布置图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

配电网是电力系统发生故障最多的系统，常见故障类型和故障原因如下表1所示。

表1 智能配电网故障类型和原因

当前的智能配电网多数都是分布式配电网，这种方式最大的特点是不同配电线路彼此可以相互独立，因此一旦其中一个节点发生故障或异常，可以通过隔离开关将故障段暂时排除配电系统，保证非故障配电网能够继续运行。根据上述背景，本文研究一种保护系统；该系统通过计算机网络实现故障自动检测、隔离以及恢复。具体如下文所示：

本申请公开的一种智能配电网信息物理融合保护系统，系统框架搭建主要分为四层，包括依次设置的智能配电网物理信息采集层、计算机网络传输层、数据分析层和保护设备执行层，如图1所示；

智能配电网物理信息采集层用于采集配电网电力数据；

计算机网络传输层用于利用计算机网络将采集到的配电网数据状态信息传输到数据分析层，所述计算机网络传输层是智能配电网物理信息采集层与数据分析层连接的纽带；

数据分析层用于利用采集到的配电网数据状态信息检测配电网是否发生异常或故障，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备；

保护设备执行层用于接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。

智能配电网物理信息采集层包括多个电流互感器，用来检测配电网电力电流量。配电线路从中穿心而过，采集交流电流信号，然后送入到与之配套的测量仪表当中，显示电流值。本系统当中的电流互感器为AKH-0.66，其内部采用优质纯铜线圈专业机器绕制，精准平整安全可靠，经久耐用，外部采用优良ABS阻燃材质，抗高温，防老化，时刻保护配电线安全。电流互感器、配电线和测量仪表之间的接线示意图如图2所示。

在电流互感器采集到配电网中电流之后，需要通过计算机网络传输组件将其传输到中央处理器当中，进行数据分析。计算机网络传输层包括中继器、网卡、交换机、调制解调器和路由器。计算机网络传输组件中各个设备的作用和选型具体如表2所示。

表2 计算机网络传输组件构成

数据分析层包括DSP芯片。一个系统中最重要的就是数据的分析和计算。本系统当中选择DSP芯片来执行此项任务，具体为根据电流信号分析判断是否发生故障行为，故障地点以及故障隔离方案的生产。选择的DSP芯片为TI公司研发的TMS320F28335。与其他DSP相比，能耗低、运行速度快、存储量大。TMS320F28335芯片主要参数如下：

高性能32位定点DSP TMS320F28035；时钟频率60MHz；外扩存储器IIC FLASH512K，SPI FLASH 512K；144PIN引出CPU所有IO，方便二次开发。DSP芯片用于接收所述路由器的电信号，并进行故障处理、故障定位和故障判断。

保护设备执行层，顾名思义，就是指保护非故障配电网部分，自动将故障设备从配电系统中切除的设备。保护设备执行层包括控制单元、短路器本体、取能单元和信号处理单元。控制单元负责流程的程序管理；断路器本体负责保护过载、短路和欠电压保护功能；取能单元负责取出指令输送到下一指令处；信号处理单元负责信号的获取、信号放大和处理还有信号执行的功能。对于在本系统当中的隔离保护设备选型为MWE232-D。MWE232-D组成结构如图3所示。

其中，MWE232-D优点是灵敏度高，可以在接收到命令后，0.01s做出响应，迅速截断故障部分，控制故障影响范围。

本申请还公开了一种基于计算机网络的智能配电网信息物理融合保护方法，包括以下步骤：

智能配电网物理信息采集层采集配电网电力数据；

计算机网络传输层利用计算机网络将采集到的配电网数据状态信息传输到数据分析层；

数据分析层利用采集到的配电网数据状态信息检测配电网是否发生异常或故障，一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给保护设备执行层的保护设备；

保护设备执行层接收分析层的故障隔离命令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。

基于图4系统运行主程序，划分三个主要功能模块，包括故障判断、故障定位、故障处理等。数据分析层被配置为用于执行故障判断、故障定位，保护设备执行层被配置为用于执行故障处理。下面进行具体分析。

(1)故障判断

故障判断，即判断是否发生故障或者异常问题。在这里需要用到分类算法。分类算法有很多，以其中的神经网络为例，具体过程如下：

步骤1：确定配电网电流信号样本；

步骤2：将配电网电流信号分为测试样本和训练样本；

步骤3：训练样本训练神经网络，测试样本得出测试结果，所述测试结果为阈值θ

步骤4：判断传输层输出是否大于阈值θ

其中，θ

步骤5：若存在故障，则对比不同故障特征，确定具体发生何种故障。

(2)故障定位

接着上述步骤完成故障识别和判断之后，进入故障定位模块，分析故障具体发生的位置。在这里需要用到免疫蚁群混合算法，具体过程如下：

步骤1：调用区域划分子程序进行配电网区域划分；

步骤2：抗元输入、编码；

步骤3：初始种群产生，设置t＝0，t为迭代次数；

步骤4：抗体适成度计算；

步骤5：抗体多样性计算；

步骤6：判断是否结束操作，若结束，继续进行步骤7；否则，作为父代种群进行免疫操作，并配合记忆库，完成更新种群操作；

步骤7：将免疫算法计算出来的抗体的适应度值作为蚁群算法的输入；

步骤8：蚁群算法初始化；

步骤9：按照各路径信息素的浓度，选择故障或非故障路径；

步骤10：根据选择结果，结合馈线终端的实际上传信息和期望状态求取评价函数，保留最优结果；

步骤11：计算信息素挥发系数，并计算各支路信息素增量；

步骤12：产生父代种群；

步骤13：执行免疫操作，生成新的种群；

步骤14：并且更新信息素；

步骤15：判断是否满足迭代终止条件？若满足，输出故障区段，否则，进入下一轮迭代，重新进行运算。

(3)故障处理

基于上述研究结果，进行故障处理，具体流程如下：

步骤1：获取网络参数及故障线路的故障数据信息；

步骤2：根据网络参数及故障线路的故障数据信息对网络进行简化，生成配电网拓扑；

步骤3：根据配电网拓扑查找失电区是否有分布式电源，即DG，若没有DG，则进行隔离故障处理；若有DG，则进行DG孤岛划分；

步骤4：利用获取的网络参数及故障线路的故障数据信息进行二进制混合算法求出供电恢复方案，恢复送电；

步骤5：故障处理完毕。

本申请为验证所设计系统在配电网故障处理中的应用性能，进行系统实现与测试。

(1)系统测试环境

系统测试的环境涉及网络、软件、客户端、应用服务器和数据服务器等多个方面，见表3。

表3 系统测试环境

(2)配电网简化

以包含DG的10kV配电网络为例，对其进行简化，并搭建配电网拓扑图，进行仿真，如下图5所示。

其中，图5中基本参数设置情况如下表4所示。

表4 10kV配电网络基本参数表

(3)保护系统布置

在区段1、2、5、8、14、17、20、22、27、28、30、35、36等处安装电流互感器，在每两个节点中间处安装隔离保护设备。布置示意图如下图6中(a)和(b)所示。

(4)系统运行参数设置

故障判断、故障定位、故障处理三个主要程序运行参数设置情况如下表5所示。

表5 系统软件程序运行主要参数设置

(5)保护功能实现

假设在节点1和2之间的线路发生了永久性故障，现在利用所设计的系统进行故障判断、故障定位以及故障处理，结果如下表6所示。

表6 保护系统功能实现结果

从表6中可以看出，所设计系统应用下，故障判断、故障定位以及故障处理等系统模块给出的结果与设定结果一致，且在10s之间完成一系列过程，速度较快。由此说明，本系统能够快速且准确地分析配电网故障并给出处理方案，能尽快恢复供电作业。

本申请的系统首先选取电流信息采集设备——电流互感器，并把他布置在配电网上，采集配电网上的电流信息，然后通过计算机网络传输组件将信息传输到DSP芯片当中并进行处理与分析，实现故障判断、故障定位，最后根据判断和定位结果，给出故障处理方案，控制隔离保护设备将故障部分从配电系统中切除，保护非故障区域不受影响。结果表明：所设计系统应用下，配电网故障判断、故障定位以及故障处理等系统模块给出的结果与设定结果一致，且完成时间在10s之内，由此说明本系统能够快速且准确地分析配电网故障并给出处理方案，实现供电作业的快速恢复。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。