基于拍频测量技术的多分支配电网络故障软自愈方法研究

《Results in Engineering》：Research on Soft self-healing Method for Fault in Multi branch Distribution Network Based on Beat Frequency Measurement Technology

配电网故障自愈方法研究旨在通过拍频测量技术实现快速故障定位，构建三层次代理结构优化多分支网络的自愈策略，并验证该方法显著提升系统MTBF和可靠性。

　　该研究提出了一种基于拍频测量技术的多分支配电网故障软自愈方法，旨在提高配电网运行的稳定性与可靠性，减少人工干预的必要性，并实现对电网的智能化和自适应管理。这种方法通过向电网注入高频信号，并利用这些信号与系统中自然存在的信号（如工频信号）之间产生的拍频现象，实现对故障的快速定位和类型识别。在此基础上，构建了配电网拓扑模型，分析高频信号在传输过程中的衰减特性，从而实现故障的快速识别。此外，该方法设计了三层代理结构，以支持配电网的软自愈操作，使得系统在发生故障后能够快速隔离故障区域并恢复非故障区域的正常供电。

在当前的配电网故障处理研究中，已有一些方法被提出，如基于多级串联和自适应网络的新型自愈网络（SAND-SHN）故障检测技术，以及零序电流和电压控制策略用于多模块多电平变换器（MMC）的故障自愈。然而，这些方法在实际应用中存在一些问题，如计算复杂度高、对数据质量依赖性强、难以满足工业场景的实时性要求等。此外，基于混合整数线性规划的在线自愈方案虽然在计算速度和满足在线自愈需求方面表现良好，但其系统可靠性提升率仍有待提高。而基于两阶段网络通信架构的自愈方法虽然能优化电网运行状态，但可能引入额外的通信延迟，影响故障自愈的及时性，进而增加系统状态的不确定性。

基于上述问题，本文提出了一种新的多分支配电网故障软自愈方法，利用拍频测量技术实现故障的快速定位。该方法通过将配电网抽象为图模型，结合节点导纳矩阵和传输线理论，分析高频信号在不同线路段上的传播特性，包括信号的衰减、反射和折射等。通过计算每个开关位置处的信号强度，评估信息熵的变化，进而确定故障点。这种方法在处理故障时，能够有效区分瞬时性故障和永久性故障，并据此制定不同的自愈策略。对于瞬时性故障，可以通过自动重合闸快速恢复供电；对于永久性故障，则需要隔离故障区域，并通过备用电源或联络开关转移非故障区域的负荷，以实现供电恢复。

该方法的设计重点在于构建三层代理结构，以提高配电网自愈能力。该结构结合了“集中-分散”的混合模式，将全局优化决策权交给上层控制中心代理，而将故障快速隔离和本地恢复任务分配给靠近单个设备的下层代理。这种分层结构能够平衡决策效率和区域自主性，提高系统整体的可靠性、灵活性和容错能力。实验结果显示，该方法能够显著提高系统平均无故障时间（MTBF）和系统可靠性提升率（SRIR），表明其在提升电网稳定性方面具有明显优势。

为了验证该方法的实际应用效果，实验研究在不同故障条件下评估了其自愈能力，并分析了其对电网稳定性的影响。实验设置包括50个节点和20条支路的中型测试网络，以模拟实际电网运行环境。同时，通过逐步增加网络规模（从50个节点到200个节点，从20条支路到80条支路），验证了该方法在大规模配电网中的可扩展性。实验结果显示，随着网络规模的扩大，故障定位时间、通信开销和资源占用均呈线性增长，而没有指数级增长，表明该方法具有良好的可扩展性，适用于大规模电网的自愈需求。

此外，实验还测试了该方法在不同信噪比（SNR）条件下的定位准确性。结果表明，在SNR低于15 dB时，定位误差随着噪声的增加而显著上升；而当SNR高于15 dB时，定位误差趋于稳定，且误差范围控制在较低水平，即MAE≤0.14 km，RMSE≤0.17 km。这说明该方法在中等及以上信噪比环境下具有良好的鲁棒性，能够有效抑制噪声干扰，保持较高的定位精度。

为了进一步验证该方法在复杂运行条件下的性能，实验设计了多个故障场景，包括多分支同时故障和连续故障。实验结果表明，在同时故障和连续故障的情况下，该方法仍能保持较低的定位误差，且IEVR为负，SRIR为正，说明系统在面对多故障时仍能有效降低不确定性，提高可靠性。尽管在多故障场景下的性能略低于单故障场景，但相较于传统方法仍具有显著优势，证明了该方法在处理多故障情况下的适用性。

在分布式电源接入的场景下，实验进一步分析了该方法对拍频信号特性的影响以及其对故障定位精度的干扰情况。结果表明，分布式电源的接入会导致拍频信号的信噪比降低约7.3 dB，并可能增加故障定位误差（MAE）0.04-0.07 km，同时降低IEVR和SRIR。然而，即使在这些干扰条件下，该方法仍能保持较高的定位精度（MAE<0.20 km）和正的系统可靠性提升率（SRIR>0.25），说明其具有较强的抗干扰能力，并适用于高比例分布式电源接入的配电网。

在经济可行性方面，该方法的实施成本主要包括高频信号注入设备、智能开关、通信模块和控制系统等的升级费用。以本文研究的配电网为例，初始投资估算约为200万元人民币。而其经济效益主要体现在通过提高电网可靠性，减少停电损失。假设每年停电次数从10次减少到2次，每次停电时间从4小时减少到0.5小时，平均停电损失为1万元/小时，那么该方法每年可节省约38万元的停电损失。其简单的投资回收期约为5.3年，表明该方法在经济上具有可行性。

综上所述，本文提出的基于拍频测量技术的多分支配电网故障软自愈方法，不仅能够实现故障的快速和准确定位，还能够有效提升电网的可靠性与稳定性。该方法结合了高频信号注入、信息熵分析和三层代理结构，具有较强的适应性和可扩展性，适用于不同规模和复杂程度的配电网。实验结果表明，该方法在多种故障场景和噪声环境下均表现出良好的性能，特别是在高比例分布式电源接入的情况下，仍能保持较高的定位精度和系统可靠性提升率。此外，该方法在经济成本方面也具备一定的可行性，能够在合理的时间内实现投资回收，为智能电网的建设提供了有力的技术支持。