基于營配大數(shù)據(jù)的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

袁忠軍，王 丹，段湛輝，陳業(yè)偉，李明勇，張寧歡

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司都勻供電局，貴州 都勻 558004；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司都勻荔波供電局，貴州都勻 558499；3.杭州昊美科技有限公司，浙江杭州 311121）

配電網(wǎng)是電網(wǎng)中連接輸電網(wǎng)與電力用戶的紐帶。據(jù)統(tǒng)計，約有80%的用戶停電是由配電系統(tǒng)故障造成的。如何快速、準(zhǔn)確的檢測、定位配電網(wǎng)故障是提高用電可靠性的基礎(chǔ)。為此，國內(nèi)外諸多專家、學(xué)者、研究人員對配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)以及故障區(qū)段定位技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出了諸多理論和方法。其中，傳統(tǒng)方法主要是基于測量得到的電壓［1］、電流［2］等電氣特征或其他參數(shù)［3］來實(shí)現(xiàn)的。在此基礎(chǔ)上，也有一些基于故障指示器［4］、重合閘［5-6］等輔助設(shè)備的定位方法。近年來也有學(xué)者提出了基于遺傳算法［7］、混合整數(shù)線性規(guī)劃分析模型［8］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9］等的新型故障定位方法。

然而，以上方法用到的定位技術(shù)都相對比較單一，在實(shí)際應(yīng)用中精度較低，難以滿足現(xiàn)場需求。而多源數(shù)據(jù)融合［10］、以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)［11-12］能很好的解決上述問題，因此日益受到重視。本文通過對營配大數(shù)據(jù)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出了一種新的快速故障區(qū)段定位方法。

1 營配大數(shù)據(jù)分析

1.1 營配大數(shù)據(jù)源

營配大數(shù)據(jù)是電力大數(shù)據(jù)的一個分支，其實(shí)質(zhì)是營配系統(tǒng)中各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化信息數(shù)據(jù)的集合。它主要包括配網(wǎng)GIS平臺、配網(wǎng)三遙開關(guān)后臺、故障定位系統(tǒng)、95598營銷系統(tǒng)、計量自動化系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、移動作業(yè)終端GPS系統(tǒng)等產(chǎn)生數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不但來源廣、而且結(jié)構(gòu)各異、數(shù)據(jù)多變、體量巨大。

1.2 營配大數(shù)據(jù)挖掘主要技術(shù)

1.2.1 多源數(shù)據(jù)融合

多源數(shù)據(jù)融合的實(shí)質(zhì)為多層級、多層面的信息整合，即對來自各個信息源的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、關(guān)聯(lián)分析，并對這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行估計與整合處理［13］。例如，對電力系統(tǒng)電能資產(chǎn)生命周期的管理、配電調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)都是基于數(shù)據(jù)融合而實(shí)現(xiàn)的，故多源數(shù)據(jù)融合的目的是打破電力系統(tǒng)各部門之間的數(shù)據(jù)壁壘，形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

1.2.2 營配大數(shù)據(jù)分析挖掘

同多源數(shù)據(jù)融合過程一樣，營配大數(shù)據(jù)分析挖掘主要是指對與電力營配系統(tǒng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理［14］。無論是對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)還是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析挖掘，都離不開統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、建模仿真等算法的支持［15］，而隨著各類智能檢測設(shè)備在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，電網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)在以級數(shù)倍增加，這無疑為算法模型的優(yōu)化提供了助力［16］。

目前，電力大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)多是通過多元回歸手段來監(jiān)控其設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)［17］，或者用于配電網(wǎng)規(guī)劃［18］，或者用于建立風(fēng)險防控體系［19］，或者構(gòu)建以狀態(tài)綜合評價為目標(biāo)的配網(wǎng)設(shè)備綜合分析模型［20］等，其從根本上講都是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在海量數(shù)據(jù)下的新發(fā)展。

2 配電網(wǎng)故障定位現(xiàn)狀分析

目前，許多地區(qū)的10 kV配電網(wǎng)已配置了各種方案的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。除供電可靠性要求較高的地區(qū)外，以就地型的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)或故障指示器系統(tǒng)為主。

就地型的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)基于在配網(wǎng)線路上配置的若干臺自動化開關(guān)。當(dāng)線路發(fā)生故障時，通過變電站出口斷路器的兩次重合，在自動化開關(guān)的配合下，即可完成故障區(qū)間的隔離，恢復(fù)非故障區(qū)間的供電。

故障指示器應(yīng)用在輸配電線路、電力電纜及開關(guān)柜進(jìn)出線上，用于指示故障電流流過的裝置。一旦線路發(fā)生故障，巡線人員即可借助故障定位系統(tǒng)的短信或通過巡線尋找報警的指示器，確定故障點(diǎn)位于某組故障指示器之后。

在實(shí)際生產(chǎn)中，一般就地型的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)并未配置主站。當(dāng)發(fā)生配網(wǎng)故障，線路就地故障隔離完畢后，調(diào)度無法得知故障區(qū)間，需通知供電所巡線，尋找閉鎖開關(guān)。故障指示器系統(tǒng)同樣存在以上問題，需要人工在線路最后一個告警的故障指示器到線路末端之間巡線，查找故障點(diǎn)。以上兩種系統(tǒng)只是在本地指示了故障的范圍，均不能直接給出故障區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。因而在配網(wǎng)搶修過程中，需要花費(fèi)大量時間確定故障區(qū)間，直接影響供電可靠性。尤其是農(nóng)網(wǎng)線路長、開關(guān)位置偏僻，巡線花費(fèi)的時間更長，該問題更加突出。

3 營配大數(shù)據(jù)故障區(qū)段定位方法

針對前面提到的問題，本文提出了一種基于異構(gòu)、多源的營配大數(shù)據(jù)的故障區(qū)段定位新方法。

3.1 算法概述

該算法主要有以下幾個步驟。

3.1.1 生成配電網(wǎng)的拓?fù)湫畔?/p>

可以利用現(xiàn)有的電力地理信息系統(tǒng)來生成配電網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅰＲ簿褪菍⑴潆娋W(wǎng)線路上的桿塔、架空線段、配網(wǎng)自動化開關(guān)（配網(wǎng)自動化終端）、故障指示器和配電變壓器的信息，錄入到電力地理信息系統(tǒng)中，并據(jù)此得到線路設(shè)備的拓?fù)溥B接關(guān)系。這些故障指示器和自動化開關(guān)自然的把現(xiàn)網(wǎng)分成了若干段，雖然這些區(qū)段并不是等長的。用數(shù)學(xué)符號記錄如下：

其中，n為區(qū)段個數(shù)。在故障指示器和自動化開關(guān)沒有重合的情況下，它等于故障指示器個數(shù)加上自動化開關(guān)個數(shù)減1：

為每個區(qū)段分配屬性。

除了故障指示器和自動化開關(guān)之外，還可以引入95598營銷系統(tǒng)的客戶投訴數(shù)據(jù)，以及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。這樣，單個區(qū)段的屬性可以表示為：

其中，F(xiàn)表示故障指示器，S表示自動化開關(guān)，T表示95598營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而O表示其他數(shù)據(jù)，比如歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、重大自然災(zāi)害數(shù)據(jù)等。

不難看出，這些數(shù)據(jù)不但數(shù)據(jù)來源不同，而且是異構(gòu)的。比如故障指示器和自動化開關(guān)數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的，而營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)則可能是半結(jié)構(gòu)化的，甚至非結(jié)構(gòu)化的。因此，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中需要把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換，以便于后期處理。

3.1.2 計算每個區(qū)段權(quán)值

計算權(quán)值的方法是對每種屬性值進(jìn)行計算，然后再加權(quán)求和。比如，對第i個屬性，其加權(quán)屬性值之和為：

其中，Wj為權(quán)重，其取值跟數(shù)據(jù)源強(qiáng)相關(guān)。k為屬性個數(shù)，這里等于4。Vpi表示第i個節(jié)點(diǎn)上屬性P在的值。

3.1.3 設(shè)置一個判讀是否故障的閾值Te

將每一個區(qū)段值與故障閾值Te進(jìn)行比較，如果其值大于等于閾值，則認(rèn)為是潛在的故障區(qū)段：

Dj＝1的區(qū)段就是潛在的故障區(qū)段，而Dj＝0的區(qū)段則是非故障區(qū)段。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

基于前面提出的算法模型，可以逐步實(shí)現(xiàn)其算法，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.2.1 根據(jù)電力地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成拓?fù)湫畔?/p>

這一階段的系統(tǒng)信息包括：變電站、架空線段、配電網(wǎng)自動化開關(guān)、以及故障指示器。以圖1的示例配電網(wǎng)模型為例，它包含的信息有：變電站出口FCB、架空線段 ABCDEF，配網(wǎng)自動化開關(guān)PVS1、PVS2、PVS3，以 及 故 障 指 示 器 FID1、FID2、FID3。

根據(jù)自動化開關(guān)和故障指示器自然分段的結(jié)果就是圖1中所示的架空線段A至F，它們構(gòu)成了基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中的每條線段都是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中的一個對象。如圖2所示。

3.2.2 對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每個對象賦予屬性

這些屬性是拓?fù)湫畔⒌闹陵P(guān)重要的組成部分，也是本定位算法的核心之一。它的分配規(guī)則如下。

配電網(wǎng)自動化開關(guān)管理的線路區(qū)間范圍是該開關(guān)及與之相鄰開關(guān)之間的架空線段。以開關(guān)PVS1為例，它管理的區(qū)間范圍是ABCD，配網(wǎng)自動化開關(guān)對應(yīng)的線路區(qū)間范圍如表1所示。

表1 配電網(wǎng)自動化開關(guān)對應(yīng)的線路區(qū)間范圍Tab.1 Corresponding line interval range of distribution network automation switch

故障指示器管理的線路區(qū)間范圍是該故障指示器與相鄰開關(guān)之間的架空線段。以故障指示器FID2為例，它管理的區(qū)間范圍是DE，故障指示器對應(yīng)的線路區(qū)間范圍如表2所示。

表2 故障指示器對應(yīng)的線路區(qū)間范圍Tab.2 Linesection scope corresponding to fault indicator

據(jù)此，并結(jié)合電力地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及生成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以得到相應(yīng)的屬性表如表3所示。

表3 拓?fù)鋵ο髮傩訲ab.3 Properties of topology objects

其中，null表示此對象目前還沒有相應(yīng)的屬性值。它們會在系統(tǒng)運(yùn)行時根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行賦值。比如在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，95598營銷系統(tǒng)接到投訴電話，報告說某一地區(qū)停電。系統(tǒng)對這一信息進(jìn)行處理，并把客戶提到的區(qū)段映射到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，其結(jié)果可能是線段B到D區(qū)間故障，此時，拓?fù)鋵ο驜CD的“95598”列就會被賦予相應(yīng)的值。同時，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，BCE段由于某些原因經(jīng)常出現(xiàn)故障，因此可以同時對象BCE的“其他”屬性賦值，也就是BCE行的“其他”列也被賦值。賦值完成后，對應(yīng)的拓?fù)鋵傩员砣绫?所示。

表4 運(yùn)行時拓?fù)鋵傩员硎纠齌ab.4 Sample properties of topology objects at runtime

3.2.3 給每種屬性賦予響應(yīng)的權(quán)重

每種屬性的權(quán)重值一般會各不相同，甚至不同區(qū)域供電網(wǎng)也各不相同。比如城市配電網(wǎng)跟農(nóng)村配電網(wǎng)由于配網(wǎng)設(shè)備的不同，其權(quán)重值差別很大。一般來說，可以根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)置初始權(quán)重，然后采用一種自適應(yīng)的算法來動態(tài)調(diào)整它的值，以達(dá)到最優(yōu)。在本文中，可以設(shè)置各自的權(quán)重值如下：

① 故障指示器：WF＝1

②配電網(wǎng)自動化開關(guān)：WS＝1

③95598營銷系統(tǒng)：WT＝0.6

④ 其他（如歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)）：WO＝0.5

需要注意的是，WT的值也是動態(tài)可變的。如果接到多個95598電話報告同一地區(qū)故障，那么可以適當(dāng)?shù)奶岣咂錂?quán)重值。WO與之類似，其值與歷史經(jīng)驗(yàn)可信度直接相關(guān)。

3.2.4 對每個拓?fù)鋵ο笥嬎闫鋵傩缘募訖?quán)值

把上一步得到的權(quán)重值代入公式（1），并把對應(yīng)的屬性也代入進(jìn)去，可以得到其計算公式為：

3.2.5 計算每個屬性的值

由于每種數(shù)據(jù)源的結(jié)構(gòu)是不一樣的，需要對其進(jìn)行特征提取，以得到需要的特征值。

首先，通過APN網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以實(shí)時采集到配電網(wǎng)自動化終端上傳的負(fù)荷側(cè)電壓、電源側(cè)電壓、開關(guān)位置、閉鎖和故障信號。通過分析這些信息，可從中提取出相應(yīng)的開關(guān)ID，并進(jìn)一步得到其所關(guān)聯(lián)的線路區(qū)段。

然后，通過查詢歷史故障記錄表，從中找出故障指示器ID、故障線路及發(fā)生故障的時間等信息，將其與開關(guān)信息就行關(guān)聯(lián)計算，以得到同一時刻的故障ID及其關(guān)聯(lián)的線路區(qū)段信息。

對于95598營銷系統(tǒng)信息，則是根據(jù)用戶上報的故障信息，通過數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、特征提取等操作以轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以識別的信息，并進(jìn)一步映射到第一步得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中。

歷史經(jīng)驗(yàn)信息的處理與之類似，它是在收到上報的故障信息之后，結(jié)合歷史故障處理經(jīng)驗(yàn)，通過算法映射到相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的。

在對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時候，可以把數(shù)據(jù)歸一化處理，然后通過四舍五入的方式將其值轉(zhuǎn)換為0或者1，以減少計算量。

3.2.6 設(shè)置判定線路是否故障的閾值Te

跟第（3）步中權(quán)重值的設(shè)置類似，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先設(shè)置一個初始閾值，然后通過迭代的方式不斷調(diào)整閾值，以得到符合該配電網(wǎng)實(shí)際情況的最優(yōu)值。這里設(shè)置閾值為：Te＝1.5。

需要注意的是，閾值Te的選擇對最終結(jié)果的影響很大。如果閾值設(shè)置太大，會導(dǎo)致有些故障線段被標(biāo)注成非故障的，也就是漏報；而如果閾值設(shè)置過小，會導(dǎo)致有些非故障線段被標(biāo)注成有故障的，也就是錯報。在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設(shè)置一個初始經(jīng)驗(yàn)值，然后在生產(chǎn)環(huán)境中通過不斷的測試來調(diào)整這個值，以達(dá)到區(qū)域最優(yōu)。另一方面，也可以通過引入多重閾值機(jī)制，并對其賦予不同的優(yōu)先級來緩解這一問題。

3.2.7 判定線路是否故障

把每個拓?fù)鋵ο蟮募訖?quán)屬性值與故障域值Te進(jìn)行比較，并根據(jù)公式（2）將其標(biāo)注為故障的或者非故障的。

3.3 算法驗(yàn)證

下面從兩種典型的應(yīng)用場景來驗(yàn)證算法的有效性。

（1）場景1：系統(tǒng)收到故障指示器FID2和自動化開關(guān)PVS2上報的告警信息，沒有95598影戲系統(tǒng)投訴數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以得到其屬性數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 案例1拓?fù)鋵傩员鞹ab.5 Properties of topology objects for case 1

把表5中值代入公式（3）中并求值，可以得到個區(qū)段的加權(quán)屬性值如表6所示。

表6 案例1屬性數(shù)據(jù)Tab.6 Properties data for case 1

從表6可以看出，D和E就是潛在的故障區(qū)段。

（2）場景2：由于某些原因，系統(tǒng)沒有采集到自動化開關(guān)及故障指示器的信息，而多個95598故障投訴信息表明CDEF這一片區(qū)可能出現(xiàn)了故障，并且歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明D和E是故障多發(fā)區(qū)段。在這種情況下，由于多個用戶均有類似的投訴，因此需要提高95598相應(yīng)屬性的權(quán)重，然后再結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。最終，同樣可以判斷出D和E是潛在的故障區(qū)段。

3.4 應(yīng)用測試與分析

基于某縣級供電公司的10 kV配電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，應(yīng)用上述算法設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套自動化的故障區(qū)段定位服務(wù)。它通過基于營配大數(shù)據(jù)的集成和配網(wǎng)GIS平臺，接入配網(wǎng)“三遙”開關(guān)后臺、故障定位系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)95598模塊、計量自動化系統(tǒng)、移動作業(yè)終端GPS的海量數(shù)據(jù)、以及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，經(jīng)過營配大數(shù)據(jù)集成平臺的數(shù)據(jù)處理云服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)平臺服務(wù)，通過信息化手段實(shí)現(xiàn)區(qū)段定位自動化，以解決其配網(wǎng)故障“盲調(diào)”的問題。

該系統(tǒng)的主要功能模塊劃分如圖3所示。

其中，“故障定位計算服務(wù)”實(shí)現(xiàn)了本文提出了故障區(qū)段定位算法。圖4展示了故障區(qū)間定位的可視化結(jié)果。

3.5 定位準(zhǔn)確性分析

經(jīng)過近半年在某地區(qū)4條10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際驗(yàn)證，其定位結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)的定位成功率達(dá)到了71%，而現(xiàn)場巡線證實(shí)了其定位的準(zhǔn)確率更是高達(dá)100%。這充分說明本方法可以為調(diào)度提供清晰可靠的故障區(qū)間，從而為解決配電網(wǎng)“盲調(diào)”問題提供了有力的技術(shù)支撐。

3.6 停電時間分析

配網(wǎng)故障線路停電時間為從故障發(fā)生到確定故障點(diǎn)，并進(jìn)行故障搶修到線路復(fù)電的時間。其現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證結(jié)果為：從原來近三年平均停電時間9.78 h，到現(xiàn)在平均停電時間5.03 h，可以看出，本方法可以大幅縮短停電時間4.75 h，這對提高供電的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時也大幅降低了用戶投訴率，提高了居民用電的滿意度，達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié)束語

本文針對某縣局配電網(wǎng)存在的“盲調(diào)”問題，從理論上提出了一種基于營配大數(shù)據(jù)的故障區(qū)段定位方法。通過分析現(xiàn)有的故障指示器、配電網(wǎng)自動化開關(guān)、95598營銷系統(tǒng)、以及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，提出了一種數(shù)學(xué)模型把這些異構(gòu)的多源數(shù)據(jù)有機(jī)的融合了起來。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的算法驗(yàn)證證實(shí)了算法的有效性；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后在現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行的一系列測試證明了該算法的準(zhǔn)確性和可靠性。

該故障定位系統(tǒng)也存在一些不足之處。比如不同數(shù)據(jù)源的閾值選擇對定位結(jié)果的影響很大，并且在不同縣域配電網(wǎng)系統(tǒng)中閾值的選取也是不一樣的。接下來的工作重點(diǎn)之一便是研究一種自適應(yīng)的閾值選取算法，并且考慮引入機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，自動的挖掘出更合適的閾值，以自適應(yīng)不同縣域的配電網(wǎng)系統(tǒng)，并且進(jìn)一步降低工作的復(fù)雜度，提高定位的適應(yīng)性和可靠性。