配電網(wǎng)故障在線監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)緒論1.1目的及意義電能的使用在當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)重要的話題，電能的使用關(guān)系到各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我們對(duì)于供電的可靠性、電能質(zhì)量等方面的要求越來越高配電網(wǎng)的作用是，首先從輸電網(wǎng)（部分是從地區(qū)的發(fā)電廠）接受電能。之后，再將電能分配到各個(gè)用戶之中。它承擔(dān)了電能分配的任務(wù)，也承擔(dān)了配電網(wǎng)與數(shù)電網(wǎng)之間電能輸送的任務(wù)。能夠在配電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，快速地診斷故障、定位故障，并且實(shí)現(xiàn)故障的隔離，以及及時(shí)恢復(fù)供電已經(jīng)成為電力工作者十分關(guān)注的一個(gè)研究方向。近些年來，分布式電源的出現(xiàn)越來越多，并且配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜多樣，規(guī)模也漸漸變大，其電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不斷復(fù)雜。據(jù)相關(guān)消息統(tǒng)計(jì)，2015年以前，我國(guó)分布式電源裝機(jī)容量大概有5500萬kW以上。并且這還是在不含小型水能發(fā)電的分布式電源的基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)字將超過全國(guó)同期總共裝機(jī)容量的4%。在這其中，也包括了一些我們常見的分布式電源，例如：光伏發(fā)電、分布式天然氣發(fā)電、小型生物質(zhì)發(fā)電等[1]。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的能源預(yù)測(cè)報(bào)告中顯示，截止到2020年時(shí)，接近2億kW將會(huì)是我國(guó)屆時(shí)分布式電源的裝機(jī)容量。這將占到同期全國(guó)總量中的一成左右。到2030年，分布式電源容量將會(huì)超過5億kW，占據(jù)全國(guó)近兩成的比例[2]。分布式電源DG因?yàn)樗母咝?、方便的特性得到了廣泛的發(fā)展應(yīng)用，但是其弊端也是顯而易見的。一旦分布式電源接入到配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)的供電可靠性必回大大提高。但是，這也會(huì)影響到配電網(wǎng)的潮流方向、電壓質(zhì)量的水平。甚至，分布式電源的接入會(huì)在配電網(wǎng)的繼電保護(hù)、故障定位、線路檢修等部分對(duì)配電網(wǎng)造成難以想象的弊端[3]。近些年來，隨著我國(guó)電能使用量的不斷增加，我國(guó)對(duì)電能的使用提出了更高的要求，更高的穩(wěn)定性與可靠性不可或缺，這也對(duì)作為電力傳輸紐帶的配電網(wǎng)而言提出了更高的要求。目前，超過百分之六十的分布式電源接入到配電網(wǎng)之后的運(yùn)行方式都是并網(wǎng)運(yùn)行[4]。。漸漸增多的分布式電源接入到配電網(wǎng)后，使得其結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，電流的流向也從原來的單一流向，變?yōu)楝F(xiàn)在的雙向，這導(dǎo)致了接入DG后電能質(zhì)量的下降[5]。除此之外，電網(wǎng)的運(yùn)行管理也逐漸復(fù)雜，甚至出現(xiàn)困難。同時(shí)，這也導(dǎo)致了配電網(wǎng)故障定位與在線監(jiān)測(cè)的難度的提高。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障定位技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)在的配電網(wǎng)越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尋找合適的配電網(wǎng)故障定位方法具有極為重要的意義。1.2課題研究背景本論文的研究課題基于人工智能算法中的遺傳算法，來進(jìn)行配電網(wǎng)故的在線監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為此，我將分別通過配電網(wǎng)的故障監(jiān)測(cè)與故障定位兩方面來詳細(xì)介紹這些內(nèi)容。1.2.1配電網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀配電網(wǎng)自動(dòng)化（DistributionNetworkAutomation）近些年來發(fā)展迅速，尤其是在這個(gè)智能電網(wǎng)不斷發(fā)展的時(shí)代。而最近出現(xiàn)的分布式電源的應(yīng)用，導(dǎo)致在更為復(fù)雜的配電網(wǎng)故障定位中，更需要配電網(wǎng)自動(dòng)化所檢測(cè)到的配電網(wǎng)運(yùn)行信息。在現(xiàn)代的配電網(wǎng)自動(dòng)化中，我們會(huì)在配電網(wǎng)的各個(gè)開光上，通過安裝配電開關(guān)監(jiān)控終端裝置（FeederTerminalUnit，簡(jiǎn)稱FTU），來獲取流經(jīng)各個(gè)開關(guān)的故障電流信息，并且通過通信技術(shù)，可以將該采集到的信息上傳至數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（簡(jiǎn)稱SCADA）系統(tǒng)中，然后啟動(dòng)故障定位程序來進(jìn)行故障定位。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SupervisoryControlAndDataAcquisition，簡(jiǎn)稱SCADA），SCADA這種技術(shù)起源于電網(wǎng)調(diào)度的領(lǐng)域，在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化提出之后，SCADA技術(shù)發(fā)展至今，并延伸至配電網(wǎng)中。1965年，美國(guó)東北部大部分州發(fā)生了一次史無前例的大規(guī)模的停電事故，這也致使美國(guó)的電網(wǎng)公司認(rèn)識(shí)到了，我們需要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化的技術(shù)，不能僅僅依靠于模擬現(xiàn)實(shí)的各類信息[6]。從這時(shí)候開始，在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了這樣的一種情況，就是開始將僅僅一開于計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)用轉(zhuǎn)移至以考慮安全情況為主的情況之中。這種情況的出現(xiàn)也就導(dǎo)致了，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的出現(xiàn)，這也算是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的平臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、要信、遙控、遙調(diào)的“四遙”功能[7]。饋線自動(dòng)化技術(shù)（FeederAutomation，簡(jiǎn)稱FA）成為了配電網(wǎng)自動(dòng)化的正常運(yùn)行，故障監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部分，這也為配電網(wǎng)自動(dòng)化的長(zhǎng)久發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也解決了中低壓配電網(wǎng)的饋線電路的各種問題[8]。1.2.2配電網(wǎng)故障定位方法的發(fā)展現(xiàn)狀在不同等級(jí)的配電網(wǎng)中，我們對(duì)于故障監(jiān)測(cè)、對(duì)于故障定位的精度要求都不盡相同，所以我們?cè)诓煌鹊囊笙?，可以大致將故障定位的方法分為兩大類[9]：1）測(cè)距類方法配電網(wǎng)測(cè)距類方法原先是為了快速準(zhǔn)確定位到故障點(diǎn)，并且盡快恢復(fù)受到故障影響的非故障區(qū)域的供電，這類方法最早是來源于輸電線路的故障測(cè)距方法。但是隨著分布式電源DG的接入，配電網(wǎng)的負(fù)荷變多，單電源供電變?yōu)槎嚯娫垂╇?，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，再想使用測(cè)距類方法進(jìn)行準(zhǔn)確快速地定位，實(shí)現(xiàn)的難度也相對(duì)較大。根據(jù)測(cè)距原理而來的常用方法有：阻抗法、S波注入法、行波法等[10]。阻抗法的原理很簡(jiǎn)單：就是首先，我們要假設(shè)線路的阻抗是均勻不變的，然后我們來測(cè)量出不同故障時(shí)的電壓值和電流值，通過測(cè)量出的電壓、電流值來計(jì)算出故障回路的阻抗，最后我們將單位長(zhǎng)度線路的阻抗值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以得到測(cè)量點(diǎn)到故障區(qū)段的距離。如果，當(dāng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜時(shí)候，尤其是分布式電源接入到配電網(wǎng)之后，阻抗法就會(huì)出現(xiàn)故障定位誤判的問題。雖然經(jīng)過研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過研究，得到了一些方法來減少線路阻抗參數(shù)和線路負(fù)荷對(duì)故障定位的影響，但是定位精度不高仍然是最為重要的問題[11]。行波法的原理就是當(dāng)配電網(wǎng)線路的發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)行波信號(hào)，這樣的行波信號(hào)會(huì)在發(fā)生故障之后向兩側(cè)傳輸，而我們需要做的是測(cè)量出這列行波信號(hào)在母線和故障點(diǎn)之間的所需時(shí)間來計(jì)算并找出故障點(diǎn)的位置[12]。行波法起源于輸電網(wǎng)的故障定位的應(yīng)用中，后來才推廣適應(yīng)到配電網(wǎng)的故障定位里，如果配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜多變，我們就需要針對(duì)相應(yīng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)研究后進(jìn)行改進(jìn)，才能適應(yīng)相應(yīng)配電網(wǎng)故障的定位。信號(hào)注入法就是向一個(gè)不處于工作狀態(tài)的PT注入一個(gè)特殊的電流信號(hào)，并且對(duì)這個(gè)電流信號(hào)的流通路徑進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)故障定位。但是，一旦過度接地電阻過大，這種方法的精度就會(huì)下降，如果過度接地電阻很大很大，這種方法甚至?xí)ㄎ皇?。而我?guó)的電網(wǎng)都存在的嚴(yán)格的要求，我國(guó)配電網(wǎng)的等級(jí)大部分為10kV的配電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的故障接地電阻一般都超過了10kΩ，在這樣的情況下再次去進(jìn)行信號(hào)注入法的使用就難以得到令人滿意的結(jié)果。因此信號(hào)注入法，在我國(guó)普遍10kV的配電網(wǎng)故障定位中很難解決問題[13]。2）定段類方法配電網(wǎng)故障定位定段類的方法原理就更為簡(jiǎn)單，其實(shí)就是利用FTU來測(cè)量得到發(fā)生短路故障時(shí)候的短路電流，通過與測(cè)量到的正常運(yùn)行時(shí)的電流值進(jìn)行比較分析，我們就很輕易地知道了每一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)是否流經(jīng)過流電流，最后我們通過每個(gè)區(qū)段兩端的開關(guān)上的過流信息來找到發(fā)生故障的區(qū)段。相比于測(cè)距類的方法，定段類方法發(fā)展時(shí)間更短，最先出現(xiàn)的直接類的算法，例如矩陣算法。經(jīng)過配電網(wǎng)迅速地發(fā)展，矩陣算法會(huì)在故障定位中出現(xiàn)例如精度太低等種種問題，又出現(xiàn)了了以遺傳算法（Geneticalgorithm，簡(jiǎn)稱GA）為典型例子的人工智能算法。a.直接算法矩陣算法是最早出現(xiàn)的配電網(wǎng)故障定位的算法，也是使用最多的直接算法，目前對(duì)矩陣算法的改進(jìn)的研究也有很多。矩陣算法最為簡(jiǎn)單，所以它所需要的故障信息的要求也不是很高。我們這需要知道各個(gè)開關(guān)是否流經(jīng)過流電流即可，并不需要故障電流的方向、大小，這也使得我們所需要的電氣量的傳輸非常小，但是，如果配電網(wǎng)中接入有分布式電源的話，此時(shí)在進(jìn)行故障定位的話，就會(huì)導(dǎo)致故障定位的效率低下，甚至出現(xiàn)誤判錯(cuò)判的情況[14]。b.間接算法運(yùn)用矩陣算法來進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位的基礎(chǔ)是依據(jù)于FTU上傳的故障信息，例如故障電流，這就會(huì)使得一旦由FTU上傳的信息由于天氣環(huán)境等原因而產(chǎn)生畸變，就會(huì)導(dǎo)致矩陣算法的定位出現(xiàn)誤判，甚至錯(cuò)判。所以，誕生了許多許多的人工算法，來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)，但是，這些算法與例如矩陣算法的傳統(tǒng)的直接算法不同，我們將之區(qū)別開來統(tǒng)稱為間接算法。經(jīng)常見到的一些算法有以下幾種算法：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ArtificialNeuralNetworkAlgorithms，簡(jiǎn)稱為ANNA），其原理就是來模仿人類的神經(jīng)系統(tǒng)來進(jìn)行處理傳輸信息。它能夠模仿人類的圣經(jīng)系統(tǒng)處理問題的過程。這種方法具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，就是這種方法處理問題的時(shí)候是通過神經(jīng)元和神經(jīng)元之間的權(quán)重來處理問題的。所以這就使得這種方法具有像人一樣的很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力。而且在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元之間的計(jì)算是相互獨(dú)立的，不受干擾，可以同時(shí)來處理接收到的各種信息。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法運(yùn)用到配電網(wǎng)定位的過程中具有學(xué)習(xí)與容錯(cuò)能力這樣明顯的優(yōu)勢(shì)，但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來處理配電網(wǎng)故障診斷問題時(shí)也有一些缺點(diǎn)：推理能力弱，適應(yīng)性差，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練還需要大量的樣本。除此之外，當(dāng)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)需要重新訓(xùn)練。遺傳算法（GeneticAlgorithm，簡(jiǎn)稱為GA）,其原理就是模仿生物學(xué)中，達(dá)爾文的遺傳進(jìn)化過程來計(jì)算模擬得到最優(yōu)解的過程。它可以模擬自然進(jìn)化的過程，當(dāng)遺傳算法應(yīng)用到配電網(wǎng)故障診斷時(shí)，這種方法具有高效率和高容錯(cuò)率的優(yōu)良性能，能夠在配電網(wǎng)故障診斷的過程中得到全局最優(yōu)化和局部最優(yōu)化的結(jié)果?？赡艽嬖诘膯栴}就是如何能更快更好的建立數(shù)學(xué)模型。專家系統(tǒng)（ExpertSystem，簡(jiǎn)稱為ES），其實(shí)就是一個(gè)程序系統(tǒng)。但是這個(gè)程序系統(tǒng)中擁有大量的專門的知識(shí)與人工的經(jīng)驗(yàn)。他可以對(duì)某一領(lǐng)域的問題進(jìn)行推理判斷，并且通過人工智能技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，甚至通過一個(gè)或多個(gè)優(yōu)秀專家所提供的該領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，來模擬人類的決策，它可以迅速地將保護(hù)裝置、斷路器的工作邏輯關(guān)系用直觀的規(guī)則表示出來，并且診斷結(jié)論也符合用戶語言表達(dá)習(xí)慣。但是專家系統(tǒng)存在固有缺陷，知識(shí)獲取瓶頸、容錯(cuò)能力差、對(duì)拓?fù)浞从尺t緩、知識(shí)庫(kù)維護(hù)困難以及無法處理在診斷中出現(xiàn)的不確定因素等等缺陷，這也限制了專家系統(tǒng)的實(shí)用性。除此之外，對(duì)于配電網(wǎng)故障定位的方法還有很多種，例如：基于Petri網(wǎng)理論的故障診斷方法；基于粗糙集理論的故障診斷方法；基于模糊理論的故障診斷方法等等。本文將主要運(yùn)用人工智能算法中的遺傳算法來進(jìn)行對(duì)含有分布式電源的配電網(wǎng)故障進(jìn)行定位。1.3本文內(nèi)容概述本文通過遺傳算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的故障定位與在線監(jiān)測(cè)，下面將分條闡述本文的主要內(nèi)容。首先，本文分析了配電網(wǎng)的重要性，以及配電網(wǎng)故障定位的目的及意義，介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的配電網(wǎng)故障定位的各種方法，并對(duì)其方法給出一定的評(píng)價(jià)。其次，本文介紹了配電網(wǎng)和分布式電源DG的一些基礎(chǔ)知識(shí)，然后詳細(xì)分析了當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后與之前的區(qū)別于影響。再次，通過FTU和SCADA的聯(lián)系詳細(xì)地介紹了有關(guān)配電網(wǎng)故障定位的硬件設(shè)計(jì)。然后，本文介紹了遺傳算法的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并且將遺傳算法運(yùn)用到配電網(wǎng)故障定位之中，列出相關(guān)表達(dá)式，得出一定的結(jié)論。最后，通過實(shí)例，利用MATLAB仿真得到最終的結(jié)論，并進(jìn)行總結(jié)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。2配電網(wǎng)及分布式電源2.1配電網(wǎng)的分類配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中的一個(gè)聯(lián)系輸電網(wǎng)和用戶之間的紐帶，是電力輸送的重要環(huán)節(jié)，電力網(wǎng)發(fā)生的故障的情況大部分都是配電網(wǎng)的故障。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，不同種類的電力用戶也越來越多，同時(shí)各種分布式電源的接入，致使我國(guó)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，所以我們需要了解一下不同標(biāo)準(zhǔn)下配電網(wǎng)的分類情況，如下圖所示：高壓配電網(wǎng)（110kV、66kV、35kV）配電網(wǎng)電壓等級(jí)不同中壓配電網(wǎng)（20kV、10kV）低壓配電網(wǎng)（380V、220V）架空配電網(wǎng)配電網(wǎng)線路類型不同電纜配電網(wǎng)線-纜混聯(lián)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同樹狀網(wǎng)環(huán)狀網(wǎng)圖2-1配電網(wǎng)的分類Fig.2-1ClassificationofDistributionNetworks圖2-2典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2-2Typicaldistributionnetworkstructure2.2配電網(wǎng)故障類型

電力系統(tǒng)的短路故障實(shí)際上非常復(fù)雜，但是我們可以簡(jiǎn)化理解為，電力系統(tǒng)的短路故障主要就是指相間短路和相地短路。

所以，我們又可以通過發(fā)生故障的相的數(shù)目的不同，又把上面的兩類分為單相接地短路、兩相接地短路、兩項(xiàng)相間短路、三相短路和三相接地短路。因?yàn)?，在電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生兩相以上的多相短路時(shí)，短路電流的值就會(huì)非常的大，此時(shí)我們可以非常容易的監(jiān)測(cè)到故障電流，并且發(fā)現(xiàn)故障。可是，一旦發(fā)生單相接地故障，我們并不容易發(fā)現(xiàn)故障，所以在配電網(wǎng)中，我們又對(duì)單相接地故障分為以下兩類：表2-1單相接地故障的類型Tab.2-1TypesofSinglePhaseGroundingFaults單相接地短路類型特征系統(tǒng)中性點(diǎn)是經(jīng)電阻接地或直接接地故障電流很大系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或非直接接地故障電流很小，需用專門的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)2.3分布式電源的介紹2.3.1分布式電源的概述伴隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力能源的使用量也越來越大。傳統(tǒng)的能源的發(fā)電不僅利用效率不高，而且對(duì)環(huán)境的污染影響也很大。所以，近些年來，分布式電源得到的飛速的發(fā)展，而且分布式電源的發(fā)展對(duì)于能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)方面顯得越來越關(guān)鍵，分布式電源也成為了電力系統(tǒng)專業(yè)人士經(jīng)常研究的議題。以新能源發(fā)電為代表的分布式電源的發(fā)展，使得傳統(tǒng)能源的使用減少，不僅如此，分布式電源種類眾多，同時(shí)分布式電源可以在保證供電可靠性方面有很高的質(zhì)量。常見的一些有：風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電等等。由于分布式電源的使用越來越廣泛，分布式電源的優(yōu)點(diǎn)越逐漸顯現(xiàn)于人們的眼前，但是一旦分布式電源接入到配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化、電流流向、甚至電流大小也都隨之變化。首先，分布式電源如何接入到配電網(wǎng)的方式有多種多樣，但是這對(duì)于配電網(wǎng)而言就會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，甚至就需要我們對(duì)于配電網(wǎng)的構(gòu)架規(guī)劃也需要有所變動(dòng)。其次，當(dāng)配電網(wǎng)中存才分布式電源時(shí)，無論分布式電源是否故障運(yùn)行，配電網(wǎng)的正常運(yùn)行都會(huì)受到一定程度的影響。最后，只要配電網(wǎng)中接入一個(gè)或者多個(gè)分布式電源，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)就會(huì)有所不同，配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)變得更加復(fù)雜，這就會(huì)使我們對(duì)配電網(wǎng)故障進(jìn)行定位的時(shí)候增加了難度。如果接入到配電網(wǎng)的分布式電源不只一個(gè)，甚至更多，容量更大，那么我們需要處理的情況就會(huì)更加的復(fù)雜。總之，當(dāng)今的電力系統(tǒng)中接入分布式電源已經(jīng)成為了一種不可動(dòng)搖的大趨勢(shì)，所以我們?nèi)绾翁幚砗梅植际诫娫唇尤氲脚潆娋W(wǎng)之后的各種負(fù)面影響，使得分布式電源接入到配電網(wǎng)后是配電網(wǎng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、高效，這對(duì)我們促進(jìn)供電系統(tǒng)的發(fā)展具有非常重要的意義[15]。2.3.2分布式電源的分類

不同的分布式電源接入到配電網(wǎng)的方式都不盡相同，但是大致可以分為三類，分別為：基于連接方式、發(fā)電所所使用的可再生能源和DG的類型。表2-2分布式電源的分類Tab.2-2DistributedGenerationClassification分類標(biāo)準(zhǔn)類型1類型2是否聯(lián)網(wǎng)單獨(dú)分布式電源聯(lián)網(wǎng)分布式電源發(fā)電能源以化石燃料為能源以可再生能源發(fā)電技術(shù)類型DG僅用于供電DG為熱電聯(lián)產(chǎn)或者是熱電冷聯(lián)產(chǎn)形式2.3.3分布式電源的接入準(zhǔn)則

分布式電源需要與配電網(wǎng)連接，當(dāng)我們使分布式電源在政策允許的狀態(tài)下和配電挖進(jìn)行電氣連接，稱為分布式電源的并網(wǎng)。常見的并網(wǎng)連接方式有：逆變器連接、電纜連接、變壓器連接等。表2-3分布式發(fā)電常見的并網(wǎng)接口方式Tab.2-3CommonConnectionModeofDistributedGeneration分布式發(fā)電類型典型容量范圍常見的接口光伏發(fā)電幾W~幾百KWDC/AC變換器風(fēng)能發(fā)電幾百KW~幾MW異步發(fā)電機(jī)微型內(nèi)燃機(jī)幾十KW~幾MWDC/AC變換器IEEE在制定DG并網(wǎng)準(zhǔn)則中,定義了兩個(gè)系數(shù)來衡量DG如何接入配電網(wǎng)[15]：表2-4衡量DG接入配電網(wǎng)的系數(shù)表示Tab.2-4CoefficientRepresentationforMeasuringDGAccesstoDistributionNetworks衡量系數(shù)定義剛度系數(shù)DG的接入點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流與額定電路的比值。短路電流貢獻(xiàn)系數(shù)DG的接入點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流與配電網(wǎng)短路電流之比。所以，由此可得，這兩個(gè)系數(shù)是成反比的，剛度系數(shù)越小，配電網(wǎng)受到分布式電源影響的概率就越大。2.4分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響如果我們將分布式電源接入到原先只有一個(gè)電源的配電網(wǎng)中，就使得配電網(wǎng)成為一個(gè)多電源進(jìn)行供電的結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化就使得系統(tǒng)電流的大小、方向都隨之變化。除此之外，還會(huì)造成系統(tǒng)無功功率的變化，這就可能會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)出現(xiàn)一些誤動(dòng)或者拒動(dòng)的情況。當(dāng)我們把分布式電源接入到配電網(wǎng)之后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有原先的單電源結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，這必然會(huì)使得系統(tǒng)的電壓容量增大，這就使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性存在隱患。與此同時(shí)，繼電保護(hù)也將會(huì)受到分布式電源的容量的影響，并且容量越大，受到的影響越大，這就會(huì)使系統(tǒng)更加的不穩(wěn)定[16]。如圖2-3的不含分布式電源DG的配電網(wǎng)模型中，當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)短路故障，我們首先不得不做的就是尋找到故障區(qū)段，為后續(xù)的故障排除、恢復(fù)供電提供基礎(chǔ)。假定，圖中線路L6段發(fā)生短路故障，那么其上游的開關(guān)K5、K6可通過安裝的FTU裝置，所以可以在開關(guān)K5、K6上檢測(cè)到故障電流信息，而其他的開關(guān)沒有流過故障電流將不能檢測(cè)到故障信息。當(dāng)DG接入到配電網(wǎng)之后，配電網(wǎng)的電流方向不得不將發(fā)生變化，在這種多電源供電的情況下，配電網(wǎng)的故障定位必然會(huì)變得復(fù)雜，電流方向的復(fù)雜性導(dǎo)致不能輕易判斷出故障電流，容易造成誤判錯(cuò)判。圖2-3不含DG的配電網(wǎng)模型Fig.2-3DistributionNetworkModelwithoutDG一旦分布式電源接入到配電網(wǎng)中，由于配電網(wǎng)的情況變得復(fù)雜，一開始人們常用的方法也極為復(fù)雜，具體過程如下，首先，我們先把該配電網(wǎng)系統(tǒng)看成一個(gè)單電源供電的系統(tǒng)，并將其故障定位的情況記錄下來；然后，再將分布式電源DG1單獨(dú)接入到配電網(wǎng)的情況進(jìn)行假設(shè)，由于此時(shí)又是單電源的配電網(wǎng)，所以我們又可以再將這種情況記錄下來；之后，再將分布式電源DG2單獨(dú)接入配電網(wǎng)依次斷開之前接入的電源，將其形成一個(gè)單電源供電的系統(tǒng)，找出故障區(qū)段，最終進(jìn)行對(duì)比分析，整合對(duì)照，得出結(jié)果。這種方法雖然麻煩，但是也能夠找到故障的區(qū)段。但是隨著智能算法的不斷發(fā)展，高效性與準(zhǔn)確性的要求不斷提高，越來越多的人工智能算法的提出，這也為含有分布式電源的配電網(wǎng)故障定位問題提供了更好的方法[17]。圖2-4含DG的配電網(wǎng)模型Fig.2-4DistributionNetworkModelwithDG3配電網(wǎng)故障在線監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1概述在配電網(wǎng)故障在線監(jiān)測(cè)與定位中，通常在各開關(guān)上裝配上配電開關(guān)監(jiān)控終端（簡(jiǎn)稱FTU）裝置，可以獲取配電網(wǎng)中各個(gè)開關(guān)的故障信息，并可以將該信息上傳到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（簡(jiǎn)稱SCADA）系統(tǒng)中，然后啟動(dòng)故障定位程序來進(jìn)行故障定位。圖3-1典型的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)Fig.3-1TypicalFeederAutomationSystem3.2FTU終端饋線設(shè)備饋線自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象也稱為饋線自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端。遠(yuǎn)方終端與智能開關(guān)有機(jī)配合，遠(yuǎn)方終端實(shí)時(shí)采集智能開關(guān)各種數(shù)據(jù)，并執(zhí)行主站控制命令，對(duì)智能開關(guān)進(jìn)行相關(guān)操作。SCADA系統(tǒng)再與遠(yuǎn)方終端通信，得到想要的遙測(cè)、遙信等數(shù)據(jù)，并下傳控制中心的遙控命令，進(jìn)行各種要求的操作等。饋線自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)對(duì)象有：DTU站所終端設(shè)備、FTU饋線終端設(shè)備、TTU配變終端設(shè)備、RTU地調(diào)開關(guān)設(shè)備。SCADA系統(tǒng)是通過監(jiān)控終端對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視。對(duì)于不同的設(shè)備有配套功能的終端，大致分為DTU(與之配合設(shè)備是環(huán)網(wǎng)柜)、FTU(與之配合設(shè)備是柱上開關(guān))、TTU(與之配合設(shè)備是變壓器)和RTU(與之配合設(shè)備是變電所出線開關(guān))。RTU/DTU/FTU對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，而TTU對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。本文中主要采用FTU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，所以下面將對(duì)FTU饋線終端設(shè)備進(jìn)行介紹。FTU饋線終端一般安裝在柱上開關(guān)側(cè)。一般來說，因柱上開關(guān)大部分是沿著架空線路分散安裝，相距較遠(yuǎn)，則規(guī)定1臺(tái)FTU管控1臺(tái)柱上負(fù)荷開關(guān)。開關(guān)應(yīng)具有電動(dòng)可操作機(jī)構(gòu)，能夠遠(yuǎn)方操作，操作電源24VDC/48VDC/220VDC均可。線路正常時(shí)由充電電源、操作電源給分、合閘線圈提供電源，故障時(shí)由電池提供。負(fù)荷開關(guān)與FTU配合如下圖所示，只需將相應(yīng)接口信號(hào)線連接即可。FTU是監(jiān)測(cè)架空線路開關(guān)的終端設(shè)備，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，它也是居民及工農(nóng)業(yè)用電的主要供電設(shè)備。圖3-2FTU連接示意圖Fig.3-2FTUconnectiondiagramFTU主要功能:1)采集開關(guān)的遙測(cè)遙信數(shù)據(jù)，要求遙信有變位時(shí)能主動(dòng)上報(bào)。2)根據(jù)主站下達(dá)遙控命令，進(jìn)行分合開關(guān)操作。3)自帶蓄電池，要求開關(guān)失去交流電源后，仍然能進(jìn)行分、合操作。4)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。5)具有過電流識(shí)別功能，為尋找故障點(diǎn)提供依據(jù)。3.3饋線自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)的通訊網(wǎng)3.3.1SCADA系統(tǒng)通訊網(wǎng)概述圖3-3通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3-3CommunicationNetworkArchitecture通信網(wǎng)在SCADA系統(tǒng)中的功能如圖所示，從此圖我們可以清楚地看出，饋線自動(dòng)化終端FTU采集開關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后通過通信系統(tǒng)與子站聯(lián)系，子站通過通信網(wǎng)再與主站互聯(lián)。主站的控制命令，再通過通信系統(tǒng)，經(jīng)過子站系統(tǒng)下達(dá)給各饋線終端，從而達(dá)到控制開關(guān)設(shè)備的目的。通信網(wǎng)在這里起著聯(lián)絡(luò)紐帶作用。因此必須保證通信網(wǎng)的有效性和可靠性，否則饋線自動(dòng)化就不可能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的作用。通信網(wǎng)在配網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中的主要作用如下:1)監(jiān)視各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，上傳各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。2)控制中心命令及時(shí)可靠地下傳給各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。3)將各終端設(shè)備與控制中心連接，組成大局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)資源共享。SCADA通信網(wǎng)的主要特點(diǎn)有如下三點(diǎn)：1)傳輸信息量大、測(cè)點(diǎn)多。線路上有柱上開關(guān)、刀閘、負(fù)荷開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等，用戶側(cè)有電度表、配電終端等，這樣的測(cè)點(diǎn)就有上千，數(shù)據(jù)是非?？捎^的。2)通信介質(zhì)多樣化。對(duì)于配網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，需控制、采集的設(shè)備對(duì)象多種多樣，每個(gè)設(shè)備需求不同，使得與之配合的通信介質(zhì)也有很多種可以選擇。目前市場(chǎng)上常見的通信介質(zhì)有:雙絞線、光纖、電纜、微波、無線等，我們需要根據(jù)設(shè)備要求，去選擇適合的、性價(jià)比高的介質(zhì)，所以配網(wǎng)饋線自動(dòng)化通信網(wǎng)是個(gè)混合式的通信網(wǎng)。3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一來因?yàn)椴杉瘑卧N類多，二來因?yàn)榈赜蚩缭綇V，要想達(dá)到所要求的速率，必須采取分級(jí)分層結(jié)構(gòu)原則，由1個(gè)主站，若干個(gè)子站組成。各個(gè)子站負(fù)貴所在區(qū)域的設(shè)備終端。子站再將所有數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)給主站。設(shè)備終端根據(jù)實(shí)時(shí)性需求，還可以繼續(xù)分層。配網(wǎng)饋線自動(dòng)化通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大壯觀。3.3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下圖是4種常見網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，下面分別對(duì)這4種結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行介紹。圖3-4常見的4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3-4FourCommonNetworkArchitectures1)星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)控制簡(jiǎn)單。主站控制中央節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端采用專線式，由中央節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息及下達(dá)命令，控制方式簡(jiǎn)單明了。故障診斷和隔離容易。故障點(diǎn)很容易判斷，而且隔離時(shí)只要將故障點(diǎn)的終端設(shè)備分閘即可。但是星形網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用高和安裝工作量可觀。每個(gè)終端都需要與中央節(jié)點(diǎn)連線。并且中央節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)較重，形成瓶頸，可靠性也得不到保障。一旦中央節(jié)點(diǎn)癱瘓，它負(fù)責(zé)的區(qū)域就會(huì)失去聯(lián)系。2)總線型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)總線型網(wǎng)絡(luò)根據(jù)線路走向鋪設(shè)-根電纜，附近終端設(shè)備就近掛在這根電纜上。這種方式所需電纜數(shù)量變少了，而且增減設(shè)備比較方便。但是，總線型網(wǎng)絡(luò)傳輸距離有限。所有設(shè)備信息傳輸都是公用一根總線，為了達(dá)到-定的傳輸速率，所掛在總線上的設(shè)備數(shù)量受限制，傳輸距離也有限。除此之外，故障診斷和隔離困難?？偩€上若發(fā)生一個(gè)故障點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)癱瘓，而且很難尋找故障點(diǎn)。3)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可使用光纖將每臺(tái)設(shè)備連接起來形成一個(gè)環(huán)?？刹捎秒p環(huán)自愈網(wǎng)改善網(wǎng)絡(luò)性能。采用光纖后，傳輸速率很快。但是其擴(kuò)充性能不好。新增或者刪除網(wǎng)中接點(diǎn)，必須斷網(wǎng)，而且還要根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新組網(wǎng)。4)樹形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)樹形網(wǎng)特點(diǎn)是有個(gè)總根接收全網(wǎng)數(shù)據(jù)，而且分支還可以再帶子分支。樹形網(wǎng)絡(luò)容易找到故障點(diǎn)和隔離故障區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能優(yōu)越。但是樹形網(wǎng)絡(luò)可靠性弱，根發(fā)生故障，則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸癱瘓。3.3.3通信介質(zhì)目前配網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)常用的通信介質(zhì)有：無線、光纖、雙絞線和載波等。1)無線信道這里指的是超短波無線信道，它的主要特點(diǎn)如下。a.技術(shù)成熟、節(jié)省投資。在建設(shè)中，不需要架設(shè)線纜，施工簡(jiǎn)單。b.實(shí)時(shí)性較差。因?yàn)闊o線電收發(fā)信機(jī)是間斷工作，產(chǎn)生收發(fā)延遲，加上傳輸速率較低，又受頻率資源的限制，不可能給一個(gè)系統(tǒng)很多頻率，這就給故障的快速處理，系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)時(shí)性傳輸帶來了困難。c.可靠性較差。無線信道的傳輸受天氣、地形等干擾比較大，特別是對(duì)于城市環(huán)網(wǎng)，天線安裝困難，又由于城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑物不斷出現(xiàn)，不斷地破壞著無線信道的暢通。2)光纖光纖是一種非常好的通信介質(zhì)，可以和架空線或電力電纜一同敷設(shè)。光纖分兩種:多模和單模。單模傳輸距離遠(yuǎn)，但價(jià)格偏高，正常距離大于20公里。多模光纖價(jià)格低，傳輸距離不長(zhǎng)，正常在4公里以內(nèi)。光纖需要光端機(jī)配合才能收發(fā)數(shù)據(jù)，正常具有T口(發(fā))、R口(收)。采用光纖作為傳輸介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn):a.傳輸速率高。光纜通信的傳輸速率高于其他任何通信介質(zhì)，因此，不僅能使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性最強(qiáng)，而且也為配網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展提供了很寬裕的通信容量。b.可靠性高。光纜通信的比特誤差率(誤碼率)優(yōu)于10E-9,遠(yuǎn)優(yōu)于其他通信方式。c.抗干擾性強(qiáng)。光纜通信不受電磁波或其他強(qiáng)電磁場(chǎng)的影響，對(duì)配網(wǎng)饋線自動(dòng)化的環(huán)境條件尤為有利。d.投資稍大。從目前來看，光纜通信的造價(jià)可能略高于其它通信方式，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，對(duì)于測(cè)點(diǎn)多，負(fù)荷密度大的城市建設(shè)來說，還是比較合算的。3)雙絞線雙絞線一般是用兩根銅導(dǎo)線相互纏繞形成。它可以分為帶屏蔽層和非屏蔽層。它主要優(yōu)缺點(diǎn)如下:a.傳輸速率較高，可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。b.可靠性較高，它的誤碼率低，只要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，是能夠滿足系統(tǒng)的通信可靠性要求的。c.抗干擾性稍差。它不受空間無線電波的干擾，但易受高壓工頻強(qiáng)電磁場(chǎng)和雷電的干擾，所以在線路安裝時(shí)要遠(yuǎn)離高壓線，給施工造成一定的麻煩，而且通信設(shè)備要采取嚴(yán)格的防雷措施。d.投資適中。這種通信信道的投資就目前而言，界于光纜和無線之間。總之，這種通信方式也是一種較好的選擇方式。4)載波通信國(guó)外，載波通信主要用作正常時(shí)的監(jiān)控。10KV電力線載波通信主要的優(yōu)點(diǎn)是不需要另外建設(shè)通信線路，節(jié)省投資，但是10KV電力線分支線多，負(fù)載的穩(wěn)定性不好，而且當(dāng)饋線(即通信信道)發(fā)生短路、接地和斷線故障時(shí)，必須保證通信仍然可靠，實(shí)現(xiàn)該功能的技術(shù)難度大。目前，雖然國(guó)內(nèi)已有解決這些難題的報(bào)導(dǎo)，但還需驗(yàn)證。35KV電力線載波通信技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但傳輸速率低，在數(shù)據(jù)傳輸量不大的情況下，可以作為主站至分站間的通信。3.4饋線自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊:饋線自動(dòng)化SCADA、配網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)DMS、配網(wǎng)饋線自動(dòng)化地理信息平臺(tái)系統(tǒng)GIS。SCADA系統(tǒng)主要是完成對(duì)廠站、饋線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析、處理、故障隔離與恢復(fù)送電;GIS系統(tǒng)平臺(tái)主要是對(duì)配電網(wǎng)各種資料的管理，包括地理圖形和設(shè)備檔案，在地理圖形上能真實(shí)反映線路的實(shí)際走向，各種電力設(shè)施的地理位置、各設(shè)備的資料信息，以及集成SCADA和DMS界面等。DMS系統(tǒng)主要完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、狀態(tài)預(yù)估、負(fù)荷預(yù)測(cè)、潮流分析和故障診斷等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為將SCADA、GIS、DMS有機(jī)地結(jié)合在一起。在GIS地理信息系統(tǒng)上，不僅可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和負(fù)荷預(yù)測(cè)。SCADA系統(tǒng)是整個(gè)配網(wǎng)饋線自動(dòng)化基層。從功能上看，饋線自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:1)數(shù)據(jù)采集功能。主要采集廠站、各設(shè)備終端的遙信、遙測(cè)、脈沖量和時(shí)鐘信息等數(shù)據(jù)。2)數(shù)據(jù)傳輸及處理功能。將采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要有以下幾種數(shù)據(jù)處理：模擬量處理；歸零處理，消除零飄；越限處理；狀態(tài)量處理；保存脈沖值，計(jì)算電量，并存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。3)遙控遙調(diào)功能。由調(diào)度工作站發(fā)出控制命令。SCADA系統(tǒng)經(jīng)過核實(shí)接收命令并執(zhí)行。4)提供數(shù)據(jù)共享的接口。4基于遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位當(dāng)我們利用傳統(tǒng)的算法，例如矩陣算法，來進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位時(shí)，我們必須要利用FTU上傳的每個(gè)開關(guān)的過流信息，然而，在配電網(wǎng)的正常運(yùn)行下，F(xiàn)TU上傳到SCADA的電流信息不可能完全不會(huì)受到外界各種自然環(huán)境的影響，一般情況下，豆花發(fā)生信息的畸變。一旦信息畸變?cè)龆嘀?，我們?cè)龠M(jìn)行故障定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和容錯(cuò)性就不得不變差。如果再次使用矩陣算法進(jìn)行故障定位就需要更為詳細(xì)的電氣量，比如電流的幅值、相位等等。這就對(duì)電力通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求。所以，在小信息量傳輸?shù)那闆r下仍然可以確保配電網(wǎng)故障定位的準(zhǔn)確性和容錯(cuò)率，我們采用了基于遺傳算法(簡(jiǎn)稱GA)的配電網(wǎng)故障定位，通過選擇、交叉、遺傳、變異，來加快算法的收斂，避免了陷入到局部最優(yōu)解之中，這為我們進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位提供了一種可靠并且有效的方法。4.1遺傳算法概述遺傳算法作為近些年發(fā)展迅速的人工智能算法，其在圖像處理、管理決策等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常豐富，其優(yōu)勢(shì)也顯而易見。關(guān)于遺傳算法GA的基本運(yùn)算過程如表4-1所示：表4-1遺傳算法運(yùn)算過程Tab.4-1GeneticAlgorithms運(yùn)算過程定義目的常用方法編碼把問題的可行解從其解空間轉(zhuǎn)換到遺傳算法、能處理的搜索空間的轉(zhuǎn)換。編碼的好壞直接影響到選擇、交叉、變異等遺傳運(yùn)算。二進(jìn)制編碼、格雷碼編碼、浮點(diǎn)數(shù)編碼等選擇從群體中選出優(yōu)質(zhì)的個(gè)體保存，優(yōu)勝劣汰。把群體中優(yōu)質(zhì)個(gè)體保存遺傳至下一代中。最佳保留法、輪盤賭選擇法等交叉利用交叉來模仿生物進(jìn)化的基因重組的過程對(duì)個(gè)體的某基因進(jìn)行交叉產(chǎn)生新的個(gè)體。單點(diǎn)交叉、多點(diǎn)交叉法和算術(shù)交叉法變異變異是小概率的基因改動(dòng)從而產(chǎn)生新的個(gè)體。改善算法的局部搜索能力，維持群體多樣避免優(yōu)質(zhì)信息丟失。基本位變異、均勻變異、邊界變異、高斯變異等在我們進(jìn)行遺傳算法尋找最優(yōu)解的過程中，提出了適應(yīng)度這個(gè)概念。所謂適應(yīng)度函數(shù)就是來評(píng)價(jià)我們所尋找到的最優(yōu)解的優(yōu)劣程度的標(biāo)準(zhǔn)。它也是衡量一個(gè)種群的好壞的標(biāo)桿。當(dāng)然，適應(yīng)度高的個(gè)體，就會(huì)有更大的概率遺傳到下一代；相反，適應(yīng)度低的個(gè)體，就會(huì)有很小的幾率遺傳到下一代。而我們對(duì)應(yīng)個(gè)體的度量，所利用的就是適應(yīng)度函數(shù)。但是，我們不可能進(jìn)行無限次數(shù)的迭代計(jì)算，所以，我們不得不設(shè)置一個(gè)終止的條件，例如：最優(yōu)解的個(gè)體適應(yīng)度值以及達(dá)到我們?cè)O(shè)定的要求,或者迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)，或者迭代的子代的適應(yīng)度已經(jīng)不隨迭代次數(shù)的上升而上升時(shí)，算法就要終止，這就是遺傳算法的終止條件。以下是遺傳算法的基本流程圖：圖4.1遺傳算法基本流程圖Fig.4.1Basicflowchartofgeneticalgorithm4.2遺傳算法在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用當(dāng)我們對(duì)配電網(wǎng)故障區(qū)段定位的過程，本質(zhì)上就是一個(gè)尋找最優(yōu)函數(shù)解的過程，并且存在0-1的一個(gè)離散的約束條件，我們可以建立如下數(shù)學(xué)模型：（4-1）式中：n為變量維數(shù)，即為配電網(wǎng)線路區(qū)段總數(shù)；f（X）為適應(yīng)度函數(shù)，用于評(píng)價(jià)所求解的優(yōu)劣；X（i）表示第i條線路區(qū)段的狀態(tài)值[19]。4.2.1編碼方式一般而言，在配電網(wǎng)中，開關(guān)和線路一般只存在故障狀態(tài)和非故障狀態(tài)這兩種。所以，我們可以來用二進(jìn)制數(shù)0和1來表示狀態(tài)的信息。假定“1”代表故障狀態(tài)，“0”代表非故障狀態(tài)。則對(duì)于第i個(gè)開關(guān)設(shè)備和第i條線路的狀態(tài)我們可以分別用Ii和Li來表示。其中Li的取值只能為，Li=0表示非故障狀態(tài)；Li=1表示故障狀態(tài)。但是這只是存在于開環(huán)運(yùn)行的環(huán)狀配電網(wǎng)或者單電源輻射狀的結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榇藭r(shí)的潮流方向必然是始終從電源流向負(fù)載，開關(guān)的狀態(tài)只有兩種，要么Ii=0表示非故障狀態(tài)，要么Ii=1表示故障狀態(tài)。但是一旦分布式電源接入到配電網(wǎng)之后故障電流的方向則會(huì)有所變化，因?yàn)榇藭r(shí)的故障電流不僅僅是由系統(tǒng)電源所提供，而且分布式電源也提供了一部分電流，所以此時(shí)此刻的故障電流將會(huì)帶有方向性。所以，我們以系統(tǒng)電源為參考電源，來重新定義開關(guān)的狀態(tài)信息，規(guī)定有參考電源流向負(fù)載的功率方向?yàn)檎?，則定義：當(dāng)Ii=1時(shí)，表示開關(guān)設(shè)備流過的故障電流方向與所規(guī)定的正方向相同；Ii=0表示開關(guān)設(shè)備無故障電流流過；當(dāng)Ii=-1時(shí)，表示開關(guān)設(shè)備流過的故障電流方向與所規(guī)定的方向相反。4.2.2開關(guān)函數(shù)基于GA的配電網(wǎng)故障診斷定位時(shí)要根據(jù)FTU終端饋線裝置上傳的故障過流信息來定位故障區(qū)段。開關(guān)函數(shù)就是建立在開關(guān)狀態(tài)和線路故障狀態(tài)之間聯(lián)系上的函數(shù)關(guān)系式，它可以將配電網(wǎng)中區(qū)段的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為開關(guān)的期望狀態(tài)信息。開關(guān)函數(shù)對(duì)于遺傳算法在配電網(wǎng)故障定位方面上的應(yīng)用至關(guān)重要，所以我們的重點(diǎn)應(yīng)該放在開關(guān)函數(shù)的建立上面。相對(duì)于多電源供電的配電網(wǎng)而言，單電源供電的配電網(wǎng)其開關(guān)函數(shù)形式簡(jiǎn)單，可以得到下式的開關(guān)函數(shù)：（4-2）式中：為編碼后開關(guān)j下游di一個(gè)饋線區(qū)段的狀態(tài)，1表示線路故障，0表示線路正常；為邏輯或運(yùn)算；表示第j個(gè)開關(guān)的期望狀態(tài)信息。首先以單電源輻射狀的配電網(wǎng)為例：圖4.2單個(gè)電源的輻射狀配電網(wǎng)模型Fig.4.2RadialDistributionNetworkModelwithSinglePowerSupply上圖為單個(gè)電源的輻射狀配電網(wǎng)，開關(guān)CB為進(jìn)線斷路器，開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5為分段開關(guān)，L1、L2、L3、L4、L5、L6為線路區(qū)段，所有開關(guān)處都安裝有監(jiān)控終端FTU。根據(jù)文獻(xiàn)可以得到，當(dāng)某段線路發(fā)生故障時(shí)，該故障區(qū)段靠近電源側(cè)的開關(guān)都會(huì)有故障電流流過，開關(guān)函數(shù)的值只和相應(yīng)開關(guān)之后的線路區(qū)段是否有發(fā)生故障有關(guān)[20]。則開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的期望狀態(tài)函數(shù)為：（4-3）式中：為第段線路的狀態(tài)信息，“”表示邏輯“或”運(yùn)算，表示相應(yīng)開關(guān)下游線路區(qū)段的集合。根據(jù)上式可得，圖中所示的每個(gè)開關(guān)設(shè)備對(duì)應(yīng)的期望開關(guān)函數(shù)：（4-4） 所以，對(duì)于單電源輻射狀的配電網(wǎng)，每個(gè)開關(guān)是否流過故障電流只取決于該開關(guān)之后的線路是否發(fā)生了故障。但是當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)之后，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，由于分布式電源的增多使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷地變化，原先的開關(guān)函數(shù)已經(jīng)無法滿足要求，所以必須要構(gòu)建新的開關(guān)函數(shù)來滿足我們的需求。因?yàn)?，我們可以通過每個(gè)開關(guān)將網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)部分，所以，通過每個(gè)開關(guān)將系統(tǒng)分為不同的兩部分，包含電源的部分為前半部分，其余部分為后半部分，建立新的開關(guān)函數(shù)如下：（4-5）式中：“”表示邏輯“或”運(yùn)算；為電源開關(guān)系數(shù)，分別為開關(guān)前半部分和后半部分的電源是否接入配電網(wǎng)，“1”為電源接入配電網(wǎng)，“0”為電源為接入配電網(wǎng)；分別表示從開關(guān)到系統(tǒng)前半部分區(qū)域的電源、后半部分區(qū)域的電源的路徑上所經(jīng)過的所有線路區(qū)段的狀態(tài)值；分別表示開關(guān)的前半部分區(qū)域和后半部分區(qū)域中線路區(qū)段的狀態(tài)值；、分別表示開關(guān)的前半部分區(qū)域和后半部分區(qū)域的線路區(qū)段總數(shù)。圖4-3含DG的配電網(wǎng)模型Fig.4-3DistributionNetworkModelwithDG以上圖為例，圖中所示三電源供電網(wǎng)絡(luò)，S為系統(tǒng)電源，DG1,DG2為分布式電源，根據(jù)公式可得：（4-6）4.2.3適應(yīng)度函數(shù)當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)監(jiān)控終端FTU上傳至主站的實(shí)際值與經(jīng)過推到得出的開關(guān)函數(shù)期望值之間的差值就是適應(yīng)度函數(shù)的值。它反映了開關(guān)與線路過流信號(hào)之間的關(guān)系，它是評(píng)價(jià)所求解的優(yōu)劣度的關(guān)鍵。根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的定義，以及查找文獻(xiàn)，我們可以構(gòu)建出如下式的適應(yīng)度函數(shù)：（4-7）式中：為常數(shù)，一般取總體種群數(shù)的2~3倍；為配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的總數(shù)；為發(fā)生故障時(shí)FTU上傳的故障電流信息；為開關(guān)函數(shù)。的值越大，表示的實(shí)際值與期望值越接近，故障定位的精度就越高。但是經(jīng)過計(jì)算研究表明，故障線路到電源點(diǎn)所經(jīng)過的路徑上的線路區(qū)段的狀態(tài)我們無法確定。所以采用上式構(gòu)建的適應(yīng)度函數(shù)雖然可以找對(duì)故障的區(qū)段，但也可能會(huì)造成故障區(qū)段與電源點(diǎn)之間的線路狀態(tài)誤判。所以，為了提高故障定位的精確性，避免發(fā)生上述問題，我們對(duì)原有的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，得到以下新的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式：(4-8)式中：為介于0,1之間的權(quán)系數(shù)，通常取0.5；線路區(qū)段各段的狀態(tài)。以單電源的配電網(wǎng)模型為例，設(shè)線路區(qū)段故障，改進(jìn)后的適應(yīng)度函數(shù)想要取得最大值，必須有等式右側(cè)中間項(xiàng)為零；而且，等式右半部分最后項(xiàng)也為零的時(shí)候，評(píng)價(jià)度函數(shù)最大，所以，只能當(dāng)同時(shí)為零時(shí)，才取得最大值，這樣就可以避免誤判。5MATLAB遺傳算法程序設(shè)計(jì)5.1仿真過程概述為了驗(yàn)證本文前面提到的基于遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位的準(zhǔn)確性，下面將利用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而得到本文提出算法的優(yōu)缺點(diǎn)。圖5-1含DG的配電網(wǎng)模型Fig.5-1DistributionNetworkModelwithDG首先，以圖5-1的簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)模型為例，建立基于MATLAB的仿真模型。如圖所示，S為系統(tǒng)的主電源，DG1、DG2為分布式電源，CB1、CB2、CB3分別為S、DG1、DG2的進(jìn)線斷路器，S1-S6為不同的分段開關(guān)，L1-L7為線路饋線區(qū)段?；谶z傳算法的配電網(wǎng)故障定位仿真，我們先對(duì)遺傳算法的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：種群個(gè)體數(shù)40,染色體節(jié)點(diǎn)的數(shù)7(即為線路饋線區(qū)段的段數(shù))，迭代次數(shù)為50，突變概率為0.04，交叉概率為0.2,公式4-7和公式4-8中W為常熟，一般取種群數(shù)量的2倍左右，所以不妨設(shè)。然后，根據(jù)公式4-5或公式4-6，可以得到圖5-1中所有分段開關(guān)的函數(shù)表達(dá)式。即，將隨機(jī)生成的不同的解帶入到公式4-5或公式4-6中，得到每一個(gè)分段開關(guān)的函數(shù)值，然后將得到的值帶入到公式4-8中，計(jì)算得到的每一個(gè)解的適應(yīng)度，對(duì)我們隨機(jī)生成的解的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)過50次的迭代，當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)的值不在變化，我們就找到了最優(yōu)種群，也就找到了最優(yōu)解。5.2不含分布式電源的故障定位仿真我們先對(duì)圖5-1所示的不含分布式電源的配電網(wǎng)模型設(shè)置單一故障，當(dāng)CB1、CB2、CB3中只有CB1接入電網(wǎng)，假設(shè)我們?cè)O(shè)置線路L3發(fā)生接地故障，此時(shí)由FTU上傳至SCADA的故障電流信息為：[111000](5-1)所以，由公式4-8可得適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)解為：(5-2)然后，再通過MATLAB進(jìn)行進(jìn)行遺傳算法仿真，得到結(jié)果如圖所示：圖5-2線路3仿真結(jié)果Fig.5-2Simulationresultsofline3fault如圖5-2所示，當(dāng)算法迭代進(jìn)行到第11代時(shí)，平均適應(yīng)度函數(shù)值達(dá)到77.5，接近我們理論得到的80，此時(shí)我們得到了最優(yōu)種群，最大適應(yīng)度函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)個(gè)體中基因值為1對(duì)應(yīng)的線路為L(zhǎng)3，所以定位成功。我們?cè)俅螌?duì)圖5-1所示的不含分布式電源的配電網(wǎng)模型設(shè)置單一故障，當(dāng)CB1、CB2、CB3中只有CB1接入電網(wǎng)，假設(shè)我們?cè)O(shè)置線路L2發(fā)生接地故障，此時(shí)由FTU上傳至SCADA的故障電流信息為：[100000](5-3)所以，由公式4-8可得適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)解為：(5-4)然后，再通過MATLAB進(jìn)行進(jìn)行遺傳算法仿真，得到結(jié)果如圖所示：圖5-3線路2仿真結(jié)果Fig.5-3Simulationresultsofline2fault如圖5-3所示，當(dāng)算法迭代進(jìn)行到第6代時(shí)，平均適應(yīng)度函數(shù)值達(dá)到7