基于智能電表的配電網(wǎng)需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法

王謙，黃雙，張偉

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000 ；2.積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估作為態(tài)勢(shì)感知的重要一環(huán)，可實(shí)時(shí)把握電網(wǎng)及設(shè)備的健康狀態(tài)，并結(jié)合歷史態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)態(tài)電網(wǎng)及設(shè)備的演變態(tài)勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，有效指導(dǎo)調(diào)度及運(yùn)維檢修人員快速搶修和智能檢修[1-3]。

當(dāng)前高中壓輸配電領(lǐng)域是運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估研究的熱點(diǎn)，對(duì)低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的研究較少。文獻(xiàn)[4]提出一種通過(guò)輸電網(wǎng)變壓器內(nèi)部多種量測(cè)信息的融合實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[5]提出一種將變壓器健康影響因子進(jìn)行模糊化處理的綜合評(píng)價(jià)方法；文獻(xiàn)[6]提出一種運(yùn)用主觀貝葉斯理論對(duì)高壓輸電線(xiàn)路進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[7]提出一種運(yùn)用不確定性可信度理論對(duì)輸電網(wǎng)斷路器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[8]提出一種運(yùn)用“N-1”靜態(tài)安全分析對(duì)電力系統(tǒng)的綜合運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[9]提出一種運(yùn)用數(shù)據(jù)融合及挖掘技術(shù)對(duì)配電變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“配變”)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[10]提出一種運(yùn)用雷達(dá)圖對(duì)各因子量進(jìn)行中壓配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[11]提出一種運(yùn)用多級(jí)網(wǎng)格化理論進(jìn)行復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[12]提出一種運(yùn)用多層分布式權(quán)重理論進(jìn)行中壓配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的方法；文獻(xiàn)[13]提出一種運(yùn)用置信區(qū)間可信度理論進(jìn)行中壓配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法。上述方法從不同的角度對(duì)高壓輸電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)、變壓器、高壓斷路器等網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和未來(lái)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

上述方法在終端配置齊全、量測(cè)質(zhì)量較高的高壓輸電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng)中具有較好的適應(yīng)性，但在終端配置不均、量測(cè)質(zhì)量較差的低壓配電網(wǎng)中其適應(yīng)性受到一定制約。目前，隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)在低壓方面的深入推進(jìn)，智能電表作為需求側(cè)低壓用戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)配置，已被廣泛應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)中。因此，在當(dāng)前低壓線(xiàn)路配電采集終端配置較少的情況下，基于現(xiàn)有條件，研究低壓配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法具有重要的實(shí)際意義。

Tdi(i=1,2,…,n)為智能電表i在A相上的接入點(diǎn)；Tfi(i=1,2,…,n)為智能電表i在中性線(xiàn)上的接入點(diǎn)；Rs為配變等效電阻；Rd1為A相出線(xiàn)至接入點(diǎn)Td1的低壓線(xiàn)路等效電阻；Rdi(i=2,3,…,n)為A相上各相鄰接入點(diǎn)之間的等效電阻；Rf1為中性線(xiàn)出線(xiàn)至接入點(diǎn)Tf1的低壓線(xiàn)路等效電阻；Rfi(i=2,3,…,n)為中性線(xiàn)上各相鄰接入點(diǎn)之間的等效電阻；Rli為智能電表i與接入點(diǎn)Tdi之間的等效電阻；Rzi為智能電表i與接入點(diǎn)Tfi之間的等效電阻。圖1 低壓配電網(wǎng)簡(jiǎn)化單線(xiàn)圖Fig. 1 Simplified single-line diagram of low-voltage distribution network

本文從現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)特點(diǎn)出發(fā)，提出低壓回路阻抗的概念，以及基于回路阻抗的低壓配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估原理，根據(jù)該原理與智能電表實(shí)時(shí)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出了一種基于智能電表的配電網(wǎng)低壓需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法。

1 基于回路阻抗的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估原理

智能電表可對(duì)低壓需求側(cè)的電流、電壓和功率信息等進(jìn)行采集和上送，利用低壓智能電表采集的量測(cè)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電設(shè)備及配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前的低壓配電網(wǎng)多為三相四線(xiàn)制，圖1為某配變低壓側(cè)A相上接入智能電表和負(fù)荷的簡(jiǎn)化單線(xiàn)圖。

從圖1可以看出，配變、A相線(xiàn)路、T接線(xiàn)路、智能電表、負(fù)荷及中性線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)供電回路。其中：智能電表下游的負(fù)荷阻抗是由低壓用電設(shè)備的數(shù)量和阻抗決定的，其值不確定；智能電表上游的供電回路，即由配變、A相線(xiàn)路、T接線(xiàn)路、智能電表、中性線(xiàn)組成的供電回路，其線(xiàn)路本身的阻抗參數(shù)一定，正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)突變；如果線(xiàn)路阻抗發(fā)生突變，則表示該智能電表上游的供電線(xiàn)路發(fā)生故障。根據(jù)該原理可對(duì)低壓配電網(wǎng)需求側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)估。根據(jù)智能電表采集到的電流和電壓數(shù)據(jù)，可由電流和電壓變化速率的比值近似確定智能電表上游的回路阻抗值，具體描述為：

[UG-(Rs+Zdi+Zfi)(Ibi+Ibp)-(Rli+Rzi)Ibi-

UG+(Rs+Zdi+Zfi)(Iai+Iap)+(Rli+Rzi)Iai]/

(Iai-Ibi)=Rs+Zdi+Zfi+Rli+Rzi+

[(Rs+Zdi+Zfi)(Iap-Ibp)/(Iai-Ibi)]=

Zwi+[(Rs+Zdi+Zfi)(Iap-Ibp)/(Iai-Ibi)].

(1)

(2)

式中：Vi為ta至tb時(shí)刻智能電表i的電壓變化量ΔUi與電流變化量ΔIi的比值；Ui為智能電表i的電壓，用下標(biāo)a、b表示時(shí)刻ta、tb的參數(shù)值，下同；Ii為智能電表i的電流；UG為配變上游中高壓配電網(wǎng)絡(luò)等效電源電壓，為簡(jiǎn)化計(jì)算及滿(mǎn)足工程需求，認(rèn)為ta、tb兩個(gè)時(shí)刻的等效電源電壓相同；Zdi為智能電表i上游A相支路阻抗；Zfi為智能電表i上游中性線(xiàn)支路阻抗；Ip為除智能電表i以外的所有智能電表對(duì)饋線(xiàn)各支路的影響電流；Zwi為智能電表i上游回路阻抗。

在ta、tb兩個(gè)時(shí)刻，由于負(fù)荷的隨機(jī)切除和投運(yùn)，各智能電表的實(shí)時(shí)電流是有變化的，但若ta至tb時(shí)刻的間隔足夠小，則可以認(rèn)為實(shí)時(shí)電流的變化與負(fù)荷i有關(guān)，與其他負(fù)荷無(wú)關(guān)，即近似認(rèn)為Iap=Ibp，因此式(1)可簡(jiǎn)化為

(3)

式中Uai≠Ubi，Iai≠I(mǎi)bi。實(shí)際上Iap與Ibp是不同的，因此可以用多個(gè)時(shí)刻的回路阻抗Zwi的平均值對(duì)其進(jìn)行修正。

2 配電網(wǎng)低壓需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法

2.1 智能電表數(shù)據(jù)融合

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)向低壓需求側(cè)的延伸，大量具備遠(yuǎn)方抄表功能的智能電表配置在負(fù)荷終端，有效解決了低壓量測(cè)信息采集困難的問(wèn)題，為低壓配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估提供了有利條件[14]。

智能電表的數(shù)據(jù)融合如圖2所示。需求側(cè)智能電表首先通過(guò)RS232/485總線(xiàn)，將智能電表采集到的電壓、電流、功率、電量等信息匯集到集中器中，然后通過(guò)光纖通信、無(wú)線(xiàn)傳輸、載波通信3種方式將匯集后的量測(cè)數(shù)據(jù)上送到遠(yuǎn)方的用電信息采集系統(tǒng)[15]；而用電信息采集系統(tǒng)將配變與智能電表的從屬關(guān)系及智能電表的量測(cè)采集信息轉(zhuǎn)發(fā)到配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)中，DMS再融合配變上游中壓線(xiàn)路運(yùn)行情況對(duì)配變數(shù)據(jù)、智能電表數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，并根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估分析。

圖2 智能電表的數(shù)據(jù)融合Fig. 2 Data fusion of smart meter

為減輕通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和減少數(shù)據(jù)流量，智能電表上送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)配置采樣間隔一般為5 min。DMS首先根據(jù)配變、低壓饋線(xiàn)、智能電表的變線(xiàn)戶(hù)關(guān)系，對(duì)智能電表采集的量測(cè)“生”數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)分析，然后將辨識(shí)后的“熟”數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及提取，最后將提取的“熟”數(shù)據(jù)發(fā)送給運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行分析應(yīng)用。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法

DMS基于大量智能電表采集的量測(cè)值信息和中壓配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)第1節(jié)所述原理，可對(duì)低壓用戶(hù)側(cè)的配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行工程性分析評(píng)估。

建立需求側(cè)實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)表(demand side real-time voltage data
Table，DRVT)記錄配電網(wǎng)低壓需求側(cè)智能電表采集到的實(shí)時(shí)電壓量測(cè)信息，具體描述為

CDRVT={Ue,Ue-1,…,Ue-j,…,U3,U2,U1}.

(4)

式中：CDRVT為DRVT的變量符號(hào)；Ue-j為當(dāng)前時(shí)刻之前第j個(gè)采樣周期的智能電表電壓值，e為采樣點(diǎn)數(shù)，j=0,1,2,…,e-1。需求側(cè)實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)表中可以記錄1～3 h內(nèi)的所有電壓量測(cè)值，一般取2 h，按采樣間隔為5 min計(jì)算，e=24。

建立需求側(cè)實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)表(demand side real-time current data
Table，DRCT)記錄配電網(wǎng)低壓需求側(cè)智能電表采集到的實(shí)時(shí)電流量測(cè)信息，具體描述為

CDRCT={Ie,Ie-1,…,Ie-j,…,I3,I2,I1}.

(5)

式中：CDRCT為DRCT的變量符號(hào)；Ie-j為當(dāng)前時(shí)刻之前第j個(gè)采樣周期的智能電表電流值，j=0,1,2, …,e-1。

建立需求側(cè)實(shí)時(shí)回路阻抗數(shù)據(jù)表(demand side real-time loop resistance data
Table，DRRT)記錄配電網(wǎng)低壓需求側(cè)智能電表上游的實(shí)時(shí)回路阻抗信息，具體描述為

CDRRT={Ze,Ze-1,…,Ze-j,…,Z3,Z2,Z1}.

(6)

(7)

式中：CDRRT為DRRT的變量符號(hào)；Ze-j為當(dāng)前時(shí)刻之前第j個(gè)采樣周期的智能電表上游回路阻抗值，j=0,1,2,…,e-1，k=0,1,2,…,j-1。

DRVT、DRCT和DRRT皆為輪詢(xún)滾動(dòng)表，具備固定的表長(zhǎng)度，表中元素隨著時(shí)間推移按照先進(jìn)先出的順序更新。

基于DRRT，對(duì)低壓配電網(wǎng)需求側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估如下：

a)若DRRT中的Ze及其之前的連續(xù)h(一般取h=3)個(gè)數(shù)據(jù)Ze-1,Ze-2,…,Ze-h+1的值為-1時(shí)，表示該智能電表上游A相或中性線(xiàn)低壓饋線(xiàn)發(fā)生斷線(xiàn)故障。

b)若DRRT中的Ze及其之前的連續(xù)h(一般取h=3)個(gè)數(shù)據(jù)Ze-1,Ze-2,…,Ze-h+1的值為-2時(shí)，則表示該智能電表下游負(fù)荷未啟動(dòng)。

c)若DRRT中的Ze及其之前的連續(xù)g(一般取g=25 920)個(gè)數(shù)據(jù)Ze-1,Ze-2,…,Ze-g+1的值為-2時(shí)，則表示該智能電表下游負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)電狀態(tài)，可能已斷電或者存在竊電行為，具體情況需進(jìn)一步確認(rèn)。

d)當(dāng)DRRT中的智能電表回路阻抗越報(bào)警限值的次數(shù)SA超過(guò)閾值SLA時(shí)，表示該智能電表上游線(xiàn)路存在老化，需及時(shí)檢修更換。

(8)

式中：Zm為智能電表在第m個(gè)采樣點(diǎn)的回路阻抗；ZLA為智能電表回路阻抗老化報(bào)警限值。

e)當(dāng)DRRT中智能電表上游老化線(xiàn)路回路阻抗的個(gè)數(shù)SB超過(guò)閾值SLB時(shí)，表示該智能電表上游線(xiàn)路存在嚴(yán)重老化，需立即檢修更換。

(9)

式中ZLB為智能電表回路阻抗老化故障限值。

f)上述條件皆不滿(mǎn)足時(shí)，表示該智能電表的上游回路處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

由以上分析可知，低壓配電網(wǎng)需求側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估可由智能電表上游回路阻抗值的變化規(guī)律確定。

3 實(shí)例分析

3.1 短期狀態(tài)評(píng)估

圖3為智能電表1—4在2 h內(nèi)的電壓、電流及回路阻抗的測(cè)量數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，取h=3，ZLA=3 Ω，SLA=12，ZLB=6 Ω，SLB=12。

(a)電壓

(b)電流

(c)回路阻抗圖3 智能電表1—4量測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig. 3 Measurement data curves of smart meters

根據(jù)第2節(jié)所述方法，由圖3(a)和3(b)分別建立智能電表1—4的DRVT和DRCT，并根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算各時(shí)刻回路阻抗值，生成智能電表1—4的DRRT，得到圖3(c)所示的回路阻抗曲線(xiàn)。

對(duì)于智能電表2，其數(shù)據(jù)點(diǎn)1—4的回路阻抗值為-1，連續(xù)為-1的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為4，大于h，根據(jù)第2.2節(jié)的評(píng)估條件a可知，智能電表2上游發(fā)生斷線(xiàn)故障。

對(duì)于智能電表4，其數(shù)據(jù)點(diǎn)1—5的回路阻抗值為-2，連續(xù)為-2的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為5，大于h，根據(jù)第2.2節(jié)的評(píng)估條件b可知，智能電表4下游負(fù)荷處于未啟動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于智能電表3，其上游老化線(xiàn)路回路阻抗的個(gè)數(shù)為17次，超過(guò)報(bào)警次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值SLA(12次)，根據(jù)第2.2節(jié)的評(píng)估條件d可知，智能電表3上游線(xiàn)路的老化問(wèn)題嚴(yán)重，需及時(shí)檢修處理。

對(duì)于智能電表1，其各時(shí)刻回路阻抗值皆不滿(mǎn)足第2.2節(jié)的評(píng)估條件a—e，根據(jù)評(píng)估條件f可知，智能電表1的上游線(xiàn)路處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 中長(zhǎng)期狀態(tài)評(píng)估

智能電表5—7在7個(gè)月內(nèi)61 056個(gè)采樣點(diǎn)的回路阻抗曲線(xiàn)如圖4所示，取ZLA=3 Ω，SLA=12，ZLB=6 Ω，SLB=12，g=25 920。

圖4 智能電表5—7回路阻抗曲線(xiàn)Fig. 4 Loop impedance curves of smart meters

由圖4可知，智能電表5回路阻抗值隨著時(shí)間的變化不斷增大，在第4個(gè)月數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)為34 560時(shí)，其回路阻抗值超過(guò)報(bào)警限值3 Ω，此時(shí)需及時(shí)檢修處理，并將回路阻抗降低，否則將導(dǎo)致線(xiàn)路絕緣老化向不可逆方向發(fā)展。當(dāng)?shù)?.5個(gè)月數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)為56 592時(shí)，其回路阻抗超過(guò)故障限值6 Ω，此時(shí)線(xiàn)路老化程度嚴(yán)重，絕緣存在隨時(shí)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，需及時(shí)檢修更換。

智能電表6和智能電表7回路阻抗值為-2的持續(xù)時(shí)間都超過(guò)5.5個(gè)月，持續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為54 128和48 296，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)需求側(cè)負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間無(wú)用電行為判定持續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)g(25 920)，判斷智能電表6和7存在竊電或家中無(wú)人的可能，需進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)排查確認(rèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于回路阻抗的配電網(wǎng)低壓需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法。首先由智能電表的電壓和電流量測(cè)值變化速率的比值近似確定回路阻抗值，基于需求側(cè)DRVT和DRCT生成需求側(cè)DRRT，然后根據(jù)DRRT進(jìn)行配電網(wǎng)低壓需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。最后，通過(guò)短期和中長(zhǎng)期數(shù)據(jù)變化情況對(duì)本文所提方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用要求。