2.1.1.1 专利行业分类
根据国务院发布的《国民经济行业分类》（GB/T4754—2017），电力行业包括“电力生产”和“电力供应”两方面。电力生产包括火力发电、热电联产、水力发电、核力发电、风力发电、太阳能发电、生物质能发电和其他电力生产。
表2-1 国民经济行业分类表电力生产部分
2.1.1.2 行业现状
经过多年的发展，中国电力工业进入了从高速发展转向高质量发展的关键阶段。由于装机规模的不断提升，全国发电量也相应地由2010年度的4.23MkWh增至2019年度的7.33MkWh。
图2-1 2010—2019年我国发电量
在宏观经济稳中向好、第二产业及服务业用电量快速增长、高新及战略性新兴产业不断发展的影响下，近些年来我国的发电量和社会用电量均逐年上升，侧面证明了我国电力行业的蓬勃发展。电力行业是国家重要的基础能源行业，是保障企业正常运行和经济社会发展的重要基础。
电力系统中各种电压的变电所及输配电线路组成的整体，称为电力网。配电网是电力网中起分配电能作用的网络。如果把输配电网络比作人体的血管，配电网就是遍布全身的毛细血管，负责电力传输的“最后10千米”。我国配电建设投资额由2010年度的3448亿元增加至2019年度的5012亿元。
图2-2 2010—2019年我国全社会用电量
图2-3 2010—2019年我国配电网建设投资额
电力行业对于现代经济的作用也很突出，是我国经济发展战略中优先发展的重点领域，同时也是社会公用事业的重要组成部分之一。配电网是电力系统中用户接受电能的最后一个环节，随着人民生活水平的提高，人们对供电可靠性、电能质量的要求也越来越高。大电网的形成，电力事业的高速发展，加上电力部门对自身电能质量和供电可靠性要求的提高，确保供电的安全性、经济性以及可靠性已经是现在电力部门最紧要的问题。
处理配电网故障主要有三个步骤，即定位故障、隔离故障和恢复供电。首先是定位故障，在出现故障时要及时进行定位工作，这个程序一般是利用配电网的继电自动化和断路器来完成，一般持续的时间只有几毫秒。这种模式是网络式的保护程序，一般利用对等模式的网络系统，或者是主从模式的通信网络，来快速定位故障位置和专业隔离故障的位置，从而可以在出现故障时在离故障点比较近的位置来实施跳闸。
其次是隔离故障。近年来经济的发展对配电网的要求也更高，其发展也更为复杂，大多数配电网是采用电源供电或环网供电模式，在发生故障时要及时隔离故障，保证故障发生在最小的范围之内，其他的非故障区域可以保持正常供电。进行这项工作持续的时间会稍微长一些，达到秒或分钟级。
传统的配电网故障检测与诊断方法已远远落后于电力系统发展的要求，因此，寻求一种更可靠、更有效的配电网故障检测与诊断方法具有重要的现实意义。
2.1.1.3 国内外研究现状
1.配电网自动化研究现状
世界上不少国家对配电网自动化建设热情较高。法国、日本的配电自动化覆盖率已经分别达到90%和100%。不同国家受到各自国情的影响，在配电网自动化体系的构建过程中，展现出了不同的设计理念，选择了不同的建设模式，每个国家电网建设的进度也有很大区别。例如德国，较高的电网系统可靠性大大减少了系统优化的工作，也缩小了这一类投资的盈利空间，所以在配电自动化的投资方面持保留态度。
（1）法国：主要停留在SCADA水平
法国实施了较高水平的配电网供电体系，现阶段法国的中压配网等级已经达到了20千伏，优势在于线损大大降低，但超长的线路使得故障频发。所以，法国也急需进行配电自动化系统的建设。目前来看，法国的配网依然是以SCADA为基础来操作实行的，通过这种形式能够将正常区域和故障区域分离开来，最高程度地供应电能，使系统可靠性大大提升。
（2）英国：重视供电的可靠性(https://www.xing528.com)
在英国，大部分的配电线路都呈放射状分布，因此实现自动化的过程中必须以保障供电的可靠性为第一要务。为了达到这一目标，英国的电力公司投入了大量的精力进行配电网自动化的研发。以二次配电网为基础，筹建了“ARC”工程，借助远动系统来提高电网供电的可靠性。两年之后，“ARC”工程的项目建成，使得供电系统的安全性大大提升，停电率降低了15%，停电时间缩短了30%。
（3）韩国：可靠性和经济效益并重
韩国最初建设配电自动化系统是为了保障供电可靠性，但项目落成后却获得了意外之喜，整个项目最大的收获并非缩短停电时间带来的经济效益，而是电网损耗降低、供电范围变大以及配电费用降低后获取的收益。电网可靠性提升使得供电企业的形象有所提升，为企业赢得了附加效益，同时韩国的配电自动化系统不仅实现了可靠性的提升，还在经济效益的提升上迈出了一大步。
韩国在建设大城市的供电网络时，针对其覆盖面大、人口密度大的特点，选用的配网模式是将大规模DAS与单服务器型大规模DAS综合运用的方式，而农村地区的人口密度不大，数量也少，所以选择了小规模DAS。大规模DAS中设置了自主研发的MFC（微软基础类库）地理信息系统，主要用来监测和控制配网系统。
韩国比较注重配电网自动化的通信建设，在选取通信方式时越来越倾向于选择TRS、光纤以及CDMA等，不过因为大部分农村地区都选择电话线作为唯一的通信手段，因此很难在短时间内实现全面更新。
从整体结构看，我国配电网自动化系统发展分为三个阶段：第一阶段的配网自动化系统不含远动监视和控制功能；第二阶段的配网自动化系统最能向用户显示自动化带来的优越性，它在故障自动分段的基础上提供了遥控和遥测功能；第二阶段的配网自动化系统稍加补充就升级为第三阶段配网自动化系统，便于使人们理解在第一阶段的配电自动化系统中就配备了的故障位置检测继电器的有效性。
2.故障诊断的研究现状
（1）利用重合器和分段器来定位故障的方法
在发生配电故障的时候，即环网在辐射状或开环运行时，通过重合器和分段器可以将故障进行定位。这种方法原理比较简单。重合器安装在配网线路上，在检测的过程中如果出现了故障电流，发生了自动跳闸的问题，重合器会在一段时间之后自动重合。分段器如果没有达到预期的次数，故障会尽快被解除，重合器需要一直稳定在合闸状态，并且在经过一定时间之后恢复到预定状态，从而为下次出现故障做好准备。采用这种方法对设备的要求很高，并且还需要分清是变电所还是分段重合器出现的故障。
（2）利用SCADA系统以及FTU（配电开关监控终端）配合法来定位故障
SCADA系统是信息数据的监控和采集系统。这项系统对于电力行业具有重要的作用，相关的技术发展也很成熟，对现场运行的很多设备可以进行管理和控制，有效地采集、监控数据信息并进行调节。其工作的原理是通过数据的采集系统把取得的参数和系统运行的状况来做结果比较，通过气动或是电动机的自动调节系统，来纠正一些偏离了设计的运行参数。使用FTU的参数并且经过实际的运算，可以准确定位故障，该方法被称为FTU故障定位方法。对于辐射状网和树状网以及其他一些开环运行的环网结构，在分析发生故障的区域时要根据沿线的电流是否存在故障来判断故障的位置。环网的运行状态下，如果发生了断路故障，电流会从不同电源点流向故障点。
（3）根据故障指示器和智能故障定位仪来定位故障
故障指示器安装在线路上，当故障发生时，线路电路发生突变，引起故障指示器翻牌。抢修人员在查找线路故障时，查找距离变电站最远的一个翻牌的故障指示器，即可定位故障在该指示器的后端。智能故障定位仪的原理和故障指示器的原理类似，安装在线路上。该定位仪加装了通信模块，当故障发生时，将第一个发生电流突变的故障定位仪的安装位置以手机短信的方式发送给抢修人员，抢修人员即可定位到故障发生的大概位置。定位仪通过太阳能电池板供电。笔者所在单位这两者使用较多，并且取得了较好的效果。特别是智能故障定位仪的应用，大幅地提升了故障定位的精度，缩短了复电时间。
在配电网发生故障的时候，按照发生故障的电子系统中的功率传输方向，也就是根据和电源干线的远近距离，可以将整个系统分成三个部分，即故障的上游区、发生故障区和故障的下游区。对于故障上游区域，在干线支路上找到电源干线，将电源干线上的断路器合上，这样就可以将故障上游区的供电恢复。对于发生故障的区域，可以将故障线路两边的开关拉开，隔离故障区域，并且通知专业的电路修理人员来处理。在故障下游区域，即使合上了电源干线的断路器，依然不能将非故障区域的供电恢复，仍然需要联络开关来将区域供电恢复。在故障之后将供电恢复的措施主要是针对故障的下游区域，常见的方法是在隔离故障之后，使用尽可能少的操作开关次数，并且花费尽可能短的恢复时间，为非故障区域尽快恢复供电。我们提倡线路间进行末端环网并可能对线路进行合理分段，在故障发生时，进行环网供电，断开故障点两端的第一个开关，即可对故障进行快速的隔离。
3.故障隔离技术研究现状
配电网故障诊断是从技术上提高配电网运行安全可靠性的重要手段，准确定位故障、分析故障原因、提出故障恢复方案能够减少停电时间，加快线路的恢复，减少因停电造成的经济损失。因此，配电网故障诊断技术的研究有着十分重要的理论和实用价值。目前，国内外比较典型的配电网故障诊断方法有故障电流法、专家系统法、人工神经网络法、基于模糊理论的方法、基于优化技术的方法和基于数据挖掘的方法。
（1）故障电流法：是以图论为基础，根据配电网的拓扑模型进行故障诊断。其基本原理是根据配电网络的结构写出网络描述矩阵和根据故障信号写出配电网络故障信息矩阵，进而由网络描述矩阵和故障信息矩阵相乘后得到一个描述矩阵，随后对描述矩阵进行规格化处理，得到故障判断矩阵，当发生故障时，依据故障判断矩阵进行故障判别和定位。该方法依据系统潮流的变化来判断，当发生故障时，系统的结果和参数变化使得潮流的计算和分析处理耗时较长，会影响诊断和恢复处理速度，难以达到理想的效果。
（2）专家系统法：是利用计算机技术将相关领域的理论知识和专家的经验融合在一起，通过数据库、知识库、推理机、人机接口、解释程序和知识获取程序的有机连接，达到具备解决专业领域问题的能力。专家系统在配电网故障诊断中的典型应用是基于产生式规则的系统，它把保护的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用规则表示出来，形成故障诊断专家系统的知识库，通过查找知识库对报警信息进行推理，获得诊断结论。专家系统虽然能够有效模拟故障诊断专家完成故障诊断，但是在实际应用中存在知识库建立困难、校核和维护困难、容错能力差等局限性，容易造成诊断错误。
（3）人工神经网络法：是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的理论化数学模型，是一种大规模并行处理系统。它的最大特点是采用人工神经元及它们之间的有向权重连接来获取处理问题的知识，具有很强的自学习能力，在学习完成之后，还具有一定的泛化能力和容错能力，即使输入信号带有一定的干扰噪声，仍能给出正确的输出结果。它的这些优点对其在配电网故障定位中的应用具有重要的意义，主要用来进行故障识别和故障定位。
（4）基于模糊理论的方法：模糊理论是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能理论。在系统中，由于保护或断路器的误动作、拒动，信道传输干扰，保护动作时间偏差等因素的影响，输、配电网络故障诊断存在不确定性，而模糊理论可以适应不确定性问题，擅长模拟人类思维中的近似推理、语言变量来表述专家的经验，得到问题的多个可能的解决方案，并根据其模糊度的高低进行排序，进而得出问题的最佳解决方案。因此，基于模糊理论的方法比较适用于故障诊断，目前已经在配电网故障定位中得到了应用。
基于模糊理论的故障诊断系统，虽然可以增强处理不确定性问题的能力，但是采用模糊理论进行电网故障诊断还需寻求有效的手段对电网中的各种不确定性问题进行客观的模糊表达，需要充分利用历史统计数据和经验知识。当诊断对象的结构发生变化时，如何对模糊知识库进行快速、有效的更新维护也需要更进一步研究。
（5）基于优化技术的方法：是国内外学者提出的进行电网故障定位的一种新思路，根据电网故障的特点设定假想事故集的目标函数，利用各种优化算法根据适应度值对假想事故集进行更新，直至搜索到适应度最大的假想事故集，作为最终故障诊断结果。其实质是将故障诊断问题转化为无约束的0-1整数规划问题进行寻优处理。这类方法的基本思路是：根据保护动作原理，将故障诊断问题表示为0-1整数规划问题，然后用优化算法求解。配电网故障诊断中使用的优化算法主要有遗传算法、模拟退火算法和基于覆盖集理论的算法。基于优化技术的方法在信息发生畸变，出现复杂的故障模式的时候，难以保证诊断结果的可靠性。
（6）基于数据挖掘的方法：是近年来研究比较活跃的领域，是人工智能与数据库技术相结合的产物。它是利用数据挖掘研究的各种算法从大量数据中挖掘出隐含其中的知识。近年来，已有研究者开始把数据挖掘技术引入电力系统的故障诊断中，并取得了一些成功的经验。数据挖掘技术在电力系统故障诊断中的应用目前正处于起步阶段，如何把诊断对象与数据挖掘技术结合，确定诊断对象的诊断模型，以及如何把数据挖掘和传统的人工智能技术相结合，是进一步深入研究的课题。
电力系统的故障大部分发生在配电网，配电网发生故障后，故障诊断系统根据监测系统得到的相关信息对配电网发生的故障进行实时分析和判断，提出正确有效的健全区域停电恢复策略，帮助调度员准确确定故障位置，隔离故障区域，快速恢复非故障区域供电。随着技术的日趋成熟，配电网故障诊断及隔离技术必将在提高配电网运行安全可靠性方面发挥巨大的作用。
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