自動化運維系統故障自愈算法淺析

郭敬東， 劉文亮， 羅富財， 沈立翔

（國網福建省電力有限公司，福建 福州 350003）

近年來，隨著信息化建設的快速發展，IT 技術在企業信息系統建設及產業發展中的作用更加突出。目前，全球范圍內大型企業的信息化系統建設由分散到集中，從碎片化到整體化，但過于龐雜的信息管理系統所包含的繁復的網絡設備、儲存設備、服務器、業務系統給維護人員帶來極大困擾［1-3］。系統的集中化、規范化、統一化需要自動化技術來完成，通過調度自動化系統管理，在提高運行自動化程度的同時方便各環節工作人員的參與，從而減輕運維人員工作量，提升工作效率［4］。

故障自愈是指在系統故障發生時實現實時告警、預診斷分析后快速恢復故障的技術。自愈是一種自發性、非依賴性的自我恢復機制，具有穩定性和平衡性的特點［5］。故障自愈依靠自愈系統來實現，其目的是保證整個系統安全可靠和高效運行［6］。因此，本研究圍繞故障自愈系統的實現來開展，以配電網為例，通過建立故障自恢復數學模型，來實現智能配電網系統的故障自愈。

1 基于智能配電網的自愈系統

1.1 配電網故障自愈模式

智能配電網結構分為主站層、子站層和終端層3個層次，整個智能配電網系統以主站層為核心，主站層負責整個系統的信息交換、數據處理與上傳、信息挖掘等工作；子站層負責主站層與終端層之間的通信、整個系統的數據采集、網絡重構等工作；終端層由大量終端智能設備組成，主要負責整個系統的數據跟蹤、用電調整和故障探測［7］，如圖1 所示。配電網故障自愈主要分為基于主站的集中式自愈和基于相鄰智能終端點對點通信的就地式自愈，由于就地式自愈對對等通信有較高的響應性和可靠性要求，使得目前廣泛使用的自動化運維系統難以滿足對等通信要求，而集中式自愈模式由于具有較高的范圍感知性、故障匯集性及故障處理精確性，其在自動化運維系統參數配置方面更具優勢［8］。

1.2 基于故障自愈算法的故障系統設計

配電網的故障自愈對電網的結構、裝備和通信技術要求較高，故障自愈的目的是保證配電網的安全性及高效性。其故障自愈方面主要有故障預警、在線狀態監測、配電風險評估及事故應急預防。整個配電網故障自愈系統主要由基礎層、支撐層和應用層構成［9］。配電網一般呈樹狀結構，包含大量T 形接點。隨著配電網絡電纜化率的快速普及，這類T 形接點具有不可控的特點。配電網下存在多個配電站，每個配電站均有一條電纜線作為電源進線，然后分散多條電纜線作為出線，進線、出線與母線之間有一個類似于T形接點的控制開關來控制整個線路的通斷［10］。

配電網絡發生故障后，與電流信息類似，故障信息將在各終端與相鄰配電終端間相互交換，由于故障自愈的最終目的是恢復供電，因此在故障自愈時要求配電網網損最小、負荷斷電率最小且開關次數最少，這可以看作是求一個函數最優解的問題。在對函數進行求解時，由于同時存在3 個目標函數，因此在實際求解過程中可能出現不具備參考意義的解或極端解，為了降低算法模型的求解難度，同時模擬實現故障發生時的最優恢復策略，可以將此類多目標問題轉化為一個單目標問題，可通過引入一個權重因子來實現。當同時考慮到配電網網損、負荷斷電率和開關次數時，其目標函數可以表示為

式（1）中，floss表示配電網網損，fL，cut表示負荷斷電造成的損失，fbreak表示開關次數造成的損失，α、β、γ分別表示配電網網損、負荷斷電率和開關次數的權重因子。

floss的目標函數如下所示：

式（3）中，floss，a表示配電網中第a個網絡的有功功率損耗，Rg表示配電網的集合，Rg，a表示第a個網絡集合以及最后連通所剩余的配電網絡，ra表示配電網支路電阻，Pa、P?a分別表示流過第a條支路末端的有功功率與無功功率，Ua表示第a條支路末端的節點電壓。

fL，cut表示配電網故障時因切除不同等級的負荷造成的損失，fL，cut目標函數如下所示：

式（4）中，Pcut，a表示配電網發生故障后負荷被切除的功率，Rcut表示負荷被切除的集合，Scut，a表示故障發生時負荷被切除后造成的損失。

fbreak表示開關次數造成的損失，當配電網發生故障時，由于聯絡開關的開斷可能會使電纜線上部分節點發生過電壓，因此需要在floss和fL，cut的基礎上，使聯絡開關的開斷次數最小。關于fbreak的目標函數如下所示：

式（5）中，Lb表示開關狀態量，1 表示開關閉合，0 表示開關斷開，Tb表示配電網發生故障后開關的集合，Nb表示配電網發生故障前開關的集合。整個故障自愈模型需要滿足一定的約束條件，由于同時存在3 個目標函數，導致故障自愈模型存在多個約束條件，如線路容量約束、系統功率約束、孤島區供電約束、電壓波動率約束、輻射狀網絡約束等。

當系統發生故障時，由于負荷間位置相距較遠，因此可將故障區域看做一個控制單元（Control unit，CU），考慮到配電網故障自愈的floss、fL，cut、fbreak3 個約束條件，因此發生故障時有3種解決方案。

在整個配電網故障恢復過程中，對于無備用供線電的控制單元，當負荷容量低于分布式發電（Distributed generation，DG）容量時，控制單元將獨自向本地負荷供電形成孤島區；當一個控制單元內負荷容量高于DG 容量時，則需要卸載配電網中部分負荷。本研究借助量子粒子群算法優異的全局收斂性，對目標函數進行算法尋優，但量子粒子群算法在尋優過程中易產生不可行解，因此基于圖論的基本原理，對量子粒子群算法進行調整。為了實現配電網上的故障自恢復，可以將故障自愈方法分成生成狀態矩陣、劃分網絡區域、修正網絡、校驗負荷4個部分。

2 基于圖論的量子粒子修正算法驗證

2.1 故障自愈系統建模

本研究將基于圖論理論的配電網故障自愈模型應用到智能配電網的故障恢復中，并對該模型的有效性進行驗證。該自愈模型包含35 個網絡節點和41 條支路，其中包含6 條聯絡支路，6 個DG，容量均為450 kVA，分別連接于配電網系統的7、13、19、22、27、34 節點，設配電網系統中線路的額定電壓為UNV，則各平衡節點的電壓為1.01UNV，權重因子α、β、γ分別為0.6、0.3、0.1，允許配電系統電壓波動值為1%，設置粒子群算法粒子總數為400、粒子維度為42、迭代次數為600，整個配電網系統架構如圖2所示。

2.2 線路發生永久性故障解決辦法

線路永久性故障包括PCC（Point of common coupling）點線路永久性故障和非PCC 點線路永久性故障，當PCC點線路發生故障時開關1斷開，配電網系統變成一個孤島，故障恢復問題轉變為一個孤島區供電問題。由于配電網包含多個DG 點，當PCC 點發生故障后，負荷供電無法支撐，配電系統崩塌，所有負荷失電，可以通過斷開開關4、12、22、28，關閉開關21、30，將配電系統轉化為2 個孤島區。此操作在切除部分2 級負荷的同時保留了所有1 級負荷，且該方式使2個孤島區的網損值最小。如圖3所示。

圖3 PCC點線路永久性故障恢復結果Fig.3 The permanent fault recovery results of PCC point line

當非PCC 點發生永久性故障時，即當開關4、5 之間斷開時，開關4 打開，配電系統由1 個大網與2 個網絡組成，另一個網絡形成孤島，此時整個配電網的負荷需求大于DG 的有功功率，這將導致整個配電網崩塌。使用本研究故障恢復策略后，當非PCC 點斷開之后，通過斷開開關25、關閉開關21來實現網絡重構恢復供電。這種方式開關次數少，無需切除負荷，因此不會造成整個配電網絡的負荷損失，網絡重構后網損約67.5 kW，該值大于故障恢復前，但仍屬于合理取值范圍。如圖4所示。

圖4 非PCC點線路永久性故障恢復結果Fig.4 The permanent fault recovery results of non-PCC point line

2.3 算法優越性驗證

為證明本研究基于圖論的量子粒子修正算法的優越性，可將本研究算法與傳統量子粒子群算法進行比較，其結果如圖5 所示。結果顯示，與傳統量子粒子群算法相比，基于圖論的量子粒子修正算法最大程度減少了不可行解的數量（不可行解個數=0），而傳統量子粒子群算法存在較多不可行解（不可行解個數=188），這導致傳統量子粒子群算法最終無法收斂于最優解附近。因此本研究基于圖論的量子粒子修正算法在收斂性方面和減少不可行解方面都要優于傳統量子粒子群算法。

圖5 基于圖論的量子粒子修正算法收斂效果Fig. 5 The convergence effect of quantum particle correction algorithm based on graph theory

3 結 論

故障自愈是自動化運維系統中的重要功能模塊，其目的是保障系統的穩健與可持續運行。故障自愈是在海量的數據集報警信息中主動采集數據，然后針對故障實時告警并積極做出處理的一種自我保護與恢復機制。本研究以智能配電網為例，根據配電網的結構特點對配電網故障進行分析，并提出了基于圖論的量子粒子修正算法故障自愈模型。通過實測驗證了本研究提出的故障自愈算法具有較強的收斂性。在計算過程中，不但顯著降低了迭代過程中不可行解的個數，且操作簡單，說明本研究提出的基于圖論的量子粒子修正算法可以使整個模型快速收斂于最優解。但本研究仍存在一些不足，因為驗證本研究算法的有效性而設計的35 個節點配電系統結構不夠復雜，因此在以后的工作中仍需要針對更加復雜的配電系統進行研究。