配电网故障分析处理的拓扑分析原理及实现

配电网故障分析处理的拓扑分析原理及实现
苏标龙，张瑞鹏，杜红卫，许先锋，卢玉英
（国电南瑞科技股份有限公司南京市210061）
摘要：本文从拓扑构建和分析入手，详细论述了配电网故障分析处理的原理。

具体实现的过程中充分考虑应用开发的通用性和灵活性两方面，将拓扑构建分成了静态拓扑和应用拓扑两个阶段，以针对不同的应用需求。

在完成拓扑构建的基础上，故障分析处理依据故障处理的特定原则对事故区域进行拓扑分析，通过拓扑区域的划分和比较确定故障区域并得到非故障失电区域的转供路径，最后形成事故处理最优方案。

关键词：DMS，故障分析，拓扑分析，故障隔离，负荷转供
The Principle and Realization of Topology Analysis about Fault
Process in Distribution Network
ABSTRACT:This paper summarizes the basic structure and primary application of topology in Distribution Manager System (DMS). Topology analysis contains data structure and arithmetic, in consideration of universality and particularity we separate topology analysis into static topology and app-topology. This paper discuss the basic principle about fault process in power distribution network. Through the contrast of different area, we get the conclusion about fault area, non-fault area and load transfer trace.
KEY WORDS：DMS，fault analysis，topology analysis，fault isolation，load transfer
1引言
配电网故障分析处理是配网管理系统中一项重要的高级应用。

它的主要功能是根据系统中的设备模型信息建立整个电力网络的实时拓扑模型，并接受配网SCADA提供的实时监控信息，根据各配电终端或故障指示器检测到的故障报警，结合变电站、开闭所等的继电保护信号、开关跳闸等故障信息，启动故障处理，确定故障类型和发生位置并形成故障处理方案。

根据需要，可提供事故隔离和恢复供电的一个或两个以上的操作预案，辅助调度员进行遥控操作，达到快速隔离故障和恢复供电的目的[1]。

本文把故障分析处理过程划分为拓扑构建、故障分析处理两大部分。

拓扑构建负责将实际配电网络中设备之间的相对关系描述成满足一定应用需求的拓扑模型，提供给其他的高级应用使用；故障分析处理则通过特定的拓扑分析方法对已形成的拓扑模型进行分析，最终得到处理方案。

2拓扑构建
2.1 网络拓扑的基本概念[2]
本文所讨论的网络拓扑引用拓扑学中的相应概念，它研究的是与大小、形状无关的点、线关系的方法。

配网系统中的网络拓扑把配电网络中的电气设备（如开关）抽象为一个点，把电力传输介质（如馈线）抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是配电网络的拓扑结构。

网络的拓扑结构反映出网中各个实体之间的结构关系，是支撑配网各项高级应用的基础，对网络拓扑分析的性能，和高级应用分析的可靠性和效率都有重大影响。

具体应用进行拓扑分析时对拓扑模型使用的侧重点各有不同，主要体现在拓扑分析的数
据结构和算法上。

出于应用开发的通用性和灵活性，对网络首先采用一个通用的拓扑描述，该拓扑描述所使用的数据结构和算法简洁可靠，并且能够满足一般应用的需求，称之为“静态拓扑”；针对其他特殊需求的高级应用则可以通过已经生成的静态拓扑进一步生成各应用所需的拓扑描述，称之为“应用拓扑”。

2.2 静态拓扑
静态拓扑的实质就是通过关系库中的数据建立一套完整的层次库，利用层次数据之间的关系快速定位操作设备信息。

静态拓扑的内容就是以一定数据组织方式存放的网络模型结构信息。

静态拓扑的数据结构设计采用了“数据结构头——数据结构体”相分离的设计思想。

对于各种不同的数据源（如：不同的关系数据库、表结构相异的数据文件），通过相应的程序接口来形成网络模型数据。

这种设计目的是为了当数据来源发生变化的时候，依然能够通过不同的接口将异构的数据整理形成一套结构统一的网络模型数据，从而使得建立于静态拓扑之上的各应用程序保持稳定（如图1）[3]。

图1 静态拓扑数据结构生成原理图 Fig.1 Principle of static topology data structure 静态拓扑对全网的设备形成一个双向链表式的“设备---节点”数据结构，相当于为全网建立了一套完整的设备以及设备之间连接关系的信息模型。

利用这套模型，可以快速定位设备和设备之间的关系。

静态拓扑中的数据依赖于配电系统网络结构，因此，在生成静态模型数据之后，除非网络结构发生变化，否则静态拓扑的模型数据不会改动。

在静态拓扑网络结构描述中，
由于表达的是设备之间的连接关系，所以对所有的设备类型无须再区分设备是单端、双端、三端设备，也不再区分是开断设备还是非开断设备，一律采用设备所连接点和节点所连设备来描述。

图2 配电网拓扑分析数据描述结构
Fig.2 Data structure of topology analysis in distribute network
该静态拓扑的优点在于使用较少的变量信息将全网设备之间的联接关系描述完整。

由于在相邻设备的表述上最为直观，所以对“传递类型”的应用分析特别有效。

比如电气拓扑、接线分析等。

2.3 故障分析的应用拓扑
配网故障分析处理应用的要求是在接收到配网故障信息之后能够快速正确的隔离故障，并对非故障失电区域进行合理的转供电。

由于故障处理的特殊性，使得该应用对拓扑分析处
理的效率要求较高，需要对原有的静态拓扑做进一步的转换和处理，形成自己的应用拓扑。

2.3.1 广义节点的形成
广义节点的含义是：利用开断类型的设备相连形成的连通区域，将这个连通区域内所有的节点合并而成的一个节点，成为广义节点。

经过广义节点的转换，大大简化了网络结构，省略了故障分析上不需要关注的细节。

图3 广义节点转换示意图
Fig.3 General node transition
此外，由广义节点组成的拓扑结构为进一步形成各广义节点对应的设备群做准备。

通过形成设备群将设备模型以类型和连接关系相区分，进而形成一套结构完整的设备层次关系，各层次之间相互指引，实现网络局部范围快速搜索的目的。

2.3.2形成设备之间的层次关系
新构建的设备层次关系需要将这样几个关系表达完整：
1、节点与广义节点的对应关系。

使用广义节点表述的应用拓扑将静态拓扑中的许多节点合并，需要将原节点与广义节点的对应关系记录下来，以便在拓扑还原的过程中使用。

2、广义节点与设备的对应关系
该连结关系将设备按类型和连接关系区分，在信息存储上考虑了广义节点和设备的连结关系，提高了搜索效率。

经过上述拓扑构建过程，已为所有的模型数据并形成了对应关系，下面就可以开始进行故障处理了。

3故障分析拓扑处理原理[4]
3.1 区域划分
故障处理以变电站出线的跳闸开关为起始，向下游进行拓扑分析，将整个拓扑分析区域划分为失电区域，告警区域和故障上游区域三个部分。

1、首先找到跳闸开关所在广义节点，将该点推入搜索队列，作为整个搜索的起始。

2、对搜索队列循环，获得与该广义节点所连结的设备，按照类型分别进行分析，从而
获得新的广义节点。

3、搜索队列循环完毕时，也生成了停电区域的信息。

4、在停电区域的基础上结合开关的过流信号生成告警区域。

5、在停电区域的基础上结合开关的过流信号生成故障上游区域。

整个事故区域的拓扑分析情况可以用下图来表示。

通过这三个区域的互补关系就能够进一步定位出故障区域和故障下游失电区域。