一种基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法

1.本发明涉及配电网自动化领域，具体是指一种基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法。


背景技术：

2.用户在供电安全、品质等方面对配电网的要求越来越高，它的安全、可靠、灵活和经济都将直接影响到企业正常的生产和生活，配电网一旦发生故障，会造成严重的社会损失，给人们的生活带来极大阻碍。因此，对配电网络进行高水平故障自动定位的研究，具有很大的社会效益和经济效益。
3.随着我国配电网自动化的发展，故障传输信息增多：电气量信息、开关信息、保护信息等。如何有效利用这些信息，实现快速有效的故障定位，使配电网的潜力被最大程度开发是配电网自动化发展的趋势。现有的配电网故障定位方法，都存在各自的优缺点，需要因地制宜，根据当地实际情况采取相应的措施。
4.蚁群算法进行故障定位主要是把故障定位问题转化为旅行商(tsp)问题，利用蚁群算法进行局部及全局寻优，求得故障区段。它具有良好的正反馈和容错性，但是评价函数构造较难、需求种群过多、内部参数设置复杂、迭代次数较大。适用于具有馈线自动单元且结构简单的配电网。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为克服传统蚁群算法求解故障定位的缺陷，本方案提供一种基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法，本方案旨在解决现有技术中配电网故障点查找用时长、效率低等问题，提供了一种改进蚁群算法，克服传统蚁群算法在求解配电网故障定位问题的局限性。
6.本发明采用的技术方案是：基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法，包括以下步骤：
7.步骤1：馈线自动单元获取电流信息并上报，主站将开关过电流信息进行汇总分析；
8.步骤2：对所有开关进行区域划分，输入配电网的基本信息，如环网、分支标志开关、联络开关等情况，根据配电网类型，保留需要故障定位的区域；
9.步骤3：构造算法中的开关函数和评价函数；
10.步骤4：使用遗传算法获取较优解，依此形成初始信息素矩阵；
11.步骤5：根据区域划分后的故障信息和初始信息素，采用改进蚁群算法进行故障定位，输出定位结果。
12.进一步地，所述采用改进蚁群算法获得故障线路具体为：首先生成m只蚂蚁经过每个开关选择的路径并记录，形成迭代种群，随机选择个体进行交叉变异操作，然后这m只蚂蚁同时利用构造好的评价函数对区域划分后的开关信息进行评价值计算，使用轮盘赌法选
择个体，记录评价值低的个体，若未满足终止条件，则对下一代种群继续迭代，直至满足终止条件，评价值最小的解即为最优解，其中值为1的部分为故障线路。
13.进一步地，所述算法所需初始化变量包括种群规模、最大遗传代数、变异概率、信息素蒸发系数、精英蚂蚁数、最大迭代次数。
14.进一步地，所述终止条件为迭代次数达到设置最大迭代次数，其中最大迭代次数和种群规模根据配电网复杂程度确定，种群规模约为配电网节点数的1.5倍。
15.总而言之，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
16.改进后的蚁群算法汲取了遗传算法并行运算的特点，同时对m只蚂蚁进行评价函数计算和信息素更新，缩短运行时间，提升了故障定位的速度，缩短了响应时间；改进后的蚁群算法引入了遗传算法的交叉变异操作，提高蚁群搜索的随机性，因此能够解决传统蚁群算法在故障定位中可能陷入局部最优的问题，提高了故障定位的准确性。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
18.图1为本方案改进后蚁群算法程序框图；
19.图2为本方案所对应的系统结构示意图；
20.图3为本方案一个典型中低压配电单电源网络应用实例图；
21.图4为本方案一个典型中低压配电含分布电源网络应用实例图；
22.图5为本方案一个典型中低压配电单电源网络应用的定位结果图；
23.图6为本方案一个典型中低压配电含分布电源网络应用的定位结果图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图以及实施例，对本发明作出进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.如图1所示，本实施例提供一种基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法，以电流越限信号为基础，利用改进蚁群算法进行配电网故障定位，包括以下步骤：
26.步骤1：馈线自动单元获取电流信息并上报，主站将开关过电流信息进行汇总分析；
27.步骤2：对所有开关进行区域划分，输入配电网的基本信息，如环网、分支标志开关、联络开关等情况，根据配电网类型，保留需要故障定位的区域；
28.步骤3：构造算法中的开关函数和评价函数；
29.步骤4：使用遗传算法获取较优解，依此形成初始信息素矩阵；
30.步骤5：根据区域划分后的故障信息和初始信息素，采用改进蚁群算法进行故障定位，输出定位结果。
31.本实施例采用改进蚁群算法进行故障定位，而改进蚁群算法不能直接对参数进行操作，因此必须对电网故障定位问题进行0-1编码，将有过电流或线路故障表示为1，无过电
流或线路正常表示为0。
32.利用改进蚁群算法进行故障定位，开关函数反映了开关的期望状态，它的作用是将线路状态转化成开关是否有故障电流经过的状态，然后通过评价函数分析开关的故障电流数据，求得实际故障线路。
33.所述步骤1中，对于单电源配电网，将电源作为参考电源；对于多电源配电网，需要判断该开关的上下游电源，将上游电源作为参考电源。其中，参考电源输出功率方向订为正方向，采用方向功率元件检测电流方向，根据下式求得过电流信息矩阵。
[0034][0035]
式中，ij表示开关j当前流经电流的值，i
set
表示开关j预设电流的值。
[0036]
所述步骤2中，在面对分支较多的配电网时，可以采用区域划分的形式，减少计算维度。
[0037]
单电源辐射网将简化模型中节点最多的支路当成主区域，其余线路都是子区域。将子区域中最靠近主干的那个开关作为支路检测开关，当支路存在过电流信息时标记为1，没有标记为0。
[0038]
对于含有多个电源的环网开环运行的配电网，以联络开关为界点，将配电网划分成几个独立区域。每一个区域都是完整的单电源辐射网络，每个区域均以离电源最近的那个开关为区域判断标志，同样的，当区域存在过电流信息时标记为1，没有标记为0。
[0039]
对于含分布电源的配电网将简化模型中所有含电源的支路当成主区域，其余线路都是子区域。当支路存在过电流信息时标记为1，没有标记为0。
[0040]
若该支路检测开关标记为0时，该区域被屏蔽，不参与定位计算。
[0041]
所述步骤3中，对于单电源和多电源，开关函数的数学表达式是共通的，开关函数定义为：
[0042][0043]
式中，表示开关j的开关函数计算结果，表示了开关的期望状态；k
dgi
表示分布式电源接入电网的情况，若dgi接入电网，则为1，反之为0；s
ju
为开关下游线路故障状态的并集；s
jd
为开关上游线路故障状态的并集。
[0044]
所述步骤3中，评价函数定义为：
[0045][0046]
其中，n表示的是区段数；表示开关的期望值；w表示权重系数，通常取0.5；sk表示输入个体的第k个开关的故障信息。
[0047]
所述步骤5中，采用改进蚁群算法获得故障线路具体为：首先生成m只蚂蚁经过每个开关选择的路径并记录，形成迭代种群，随机选择个体进行交叉变异操作，然后这m只蚂蚁同时利用构造好的评价函数对区域划分后的开关信息进行评价值计算，使用轮盘赌法选择个体，记录评价值低的个体，若未满足终止条件，则对下一代种群继续迭代，直至满足终止条件，评价值最小的解即为最优解，其中值为1的部分为故障线路。
[0048]
如图2所示为实现本实施例故障定位的系统结构图，馈线自动单元(ftu)采取电流信息，并将采集的信息通过通信网络发向子站，再由子站发送给配电网自动化控制中心(scada)，也就是主站。同时开关处的馈线终端还可以接受来自scada下达的分合闸命令，经控制中心定位出故障线路后，向各馈线终端发出分合闸命令，隔离故障区域或恢复非故障区域。
[0049]
如图3所示为单电源配电网中线路l22发生短路故障时，经过区域划分后得到的简化配电网。图中，a为电源，sk为分段开关，li为配电网中的简化线路。根据实际电流情况，通过matlab进行改进蚁群算法的仿真，结果如图5所示，准确找出故障区域。
[0050]
如图4所示为含分布电源配电网中线路l3发生短路故障时，经过区域划分后得到的简化配电网。图中，a为电源，sk为分段开关，li为配电网中的简化线路。根据实际电流情况，通过matlab进行改进蚁群算法的仿真，结果如图6所示，准确找出故障区域。
[0051]
综上所述，本发明一种基于改进蚁群算法的配电网故障定位方法，在配电网故障发生时，通过馈线自动单元采集故障电流信号，上传给主站，主站利用本发明中的改进蚁群算法迅速进行故障定位。本发明在不额外增加硬件投入的情况下，提升了故障定位的速度和准确度，缩短了响应时间，降低了人工成本。
[0052]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。