基于動(dòng)態(tài)博弈的配變?nèi)嗖黄胶庵卫硌芯考皯?yīng)用?

唐冬來喻 梅沈 磊田軍太葉鴻飛李 平

（1.四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司 成都610041）（2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司客戶服務(wù)中心 成都610041）

1 引言

隨著配電網(wǎng)精益化管理的全面推行和售電市場(chǎng)的逐步放開，低壓配電網(wǎng)管理將聚焦供電可靠性提升和投資成本的節(jié)約。我國(guó)的供電企業(yè)采用低壓三相四線制供電［1］，而配電臺(tái)區(qū)下的三相用戶數(shù)量、使用電器功率、用電習(xí)慣均不一致，造成了配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡［2］。配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡對(duì)配電網(wǎng)供電安全、供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不良影響［3］，在供電安全方面，配變因重負(fù)荷相超載多，可能造成部分導(dǎo)線燒斷、低壓開關(guān)燒毀或者配變單相燒毀，影響低壓配電設(shè)備安全運(yùn)行，降低供電可靠性［4］。在供電質(zhì)量方面，配變一相或兩相畸重，將增大線路中的電壓降，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用［5］，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，配變產(chǎn)生零序電流，增加配變鐵損，配變最大不平衡時(shí)的變損是平衡時(shí)的3倍［6］，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡是配電網(wǎng)運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)的最主要體現(xiàn)之一，造成供電企業(yè)配電網(wǎng)精益化水平提升困難。

目前，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡已是一個(gè)全球性的問題，不僅國(guó)內(nèi)較普遍，在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家也普遍存在［7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲每年因配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡造成的經(jīng)濟(jì)損失約為10億歐元，我國(guó)供電企業(yè)配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡的數(shù)量有150余萬臺(tái)，占全國(guó)配變總數(shù)的五分之一，每年因配變?cè)斐傻慕?jīng)濟(jì)損失約為30億元，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡不僅影響低壓配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，而且嚴(yán)重造成供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益損失［8］，因此，如果有效開展配變?nèi)嗖黄胶庵卫?，?gòu)建動(dòng)態(tài)的治理機(jī)制［9］等問題亟待解決。

隨著電力電子技術(shù)的逐步完善，目前主要有換相開關(guān)型、電容型、電子電子型配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置，文獻(xiàn)［10］中提出了換相開關(guān)型配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置，由一個(gè)安裝在配變側(cè)的智能換相終端（負(fù)責(zé)負(fù)荷監(jiān)測(cè)與自動(dòng)換相控制）和若干個(gè)換相開關(guān)單元（負(fù)責(zé)執(zhí)行負(fù)荷換相的操作機(jī)構(gòu)）組成。智能換相終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配變低壓出線的三相電流，若超限，則進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，發(fā)出最優(yōu)換相控制指令，控制各換相開關(guān)單元按照規(guī)定換相流程執(zhí)行換相操作，實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷相序調(diào)整。文獻(xiàn)［11］中提出了電容型配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置，在相線間跨接電力電容器，利用連接在相線與零線之間的電力電容器對(duì)每一相進(jìn)行不等量無功補(bǔ)償，平衡相間的無功功率，降低三相不平衡度。文獻(xiàn)［12］、文獻(xiàn)［13］中，提出了電力電子型配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置，通過快速檢測(cè)出接入處無功、負(fù)序、諧波電流，根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制晶閘管輸出與檢測(cè)到的無功、負(fù)序、諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，綜合解決配電臺(tái)區(qū)無功、諧波、電壓波動(dòng)以及三相負(fù)荷不平衡等問題。

上述文獻(xiàn)對(duì)配變?nèi)嗖黄胶庵卫碇芯捎脤?duì)配變低壓側(cè)進(jìn)行調(diào)整的方式，治理成本高，且并未涉及到從用戶相位關(guān)系調(diào)整進(jìn)行配變?nèi)嗖黄胶庵卫恚S著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，利用低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［14］，進(jìn)行配電臺(tái)區(qū)的用戶、相位關(guān)系識(shí)別，利用三相負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈分析技術(shù)［15］，提供三相用戶相位關(guān)系動(dòng)態(tài)調(diào)整建議，輔助臺(tái)區(qū)經(jīng)理進(jìn)行治理，從根源上進(jìn)行配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理，已成為重要研究方向。

2 系統(tǒng)概述

基于低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別的配變?nèi)嗖黄胶庵卫硐到y(tǒng)由低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)采集及校驗(yàn)、動(dòng)態(tài)博弈分析模型和配變?nèi)嗖黄胶庵卫響?yīng)用三部分構(gòu)成，一是通過配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端向臺(tái)區(qū)總表、分支開關(guān)、用戶電表發(fā)送拓?fù)潢P(guān)系識(shí)別指令進(jìn)行“戶-相-變”關(guān)系的自動(dòng)識(shí)別，并結(jié)合電壓分布序列進(jìn)行精準(zhǔn)校驗(yàn)；二是對(duì)三相的用戶負(fù)荷信息進(jìn)行采集，采用Nash equilibrium模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈分析［16］，測(cè)算出三相用戶相位關(guān)系的調(diào)整建議；三是將用戶相位調(diào)整建議發(fā)送到臺(tái)區(qū)經(jīng)理的移動(dòng)作業(yè)終端，臺(tái)區(qū)經(jīng)理根據(jù)用戶相位關(guān)系調(diào)整建議后，實(shí)時(shí)反饋調(diào)整效果，并形成知識(shí)庫(kù)，動(dòng)態(tài)修訂Nash equilibrium博弈模型，如圖1所示。

圖1 配變?nèi)嗖黄胶庵卫硐到y(tǒng)功能圖

2.1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)采集及校驗(yàn)

我國(guó)的工頻交流電為50Hz，周期T=20ms，ABC三相的相位差120°，三相交流電的正向過零點(diǎn)相差時(shí) 間 為T/3，即6.67ms［17］，比 如A相 正 向 過 零 后6.67ms時(shí)間B相過零，再過6.67ms時(shí)間C相過零，工作在B相或C相的電表記錄A相正向過零點(diǎn)的時(shí)刻與所在相線下一個(gè)過零點(diǎn)的時(shí)刻，即可識(shí)別所在相線的相位；通過高速載波通信數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的方法估算時(shí)刻。

首先，通過安裝在配變側(cè)的配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端在已知相位上分別向配變臺(tái)區(qū)總表、分支開關(guān)、用戶電表等低壓配電網(wǎng)設(shè)備分別廣播發(fā)送周期性HPLC配電臺(tái)區(qū)識(shí)別信號(hào)，如圖2所示，識(shí)別信號(hào)由“識(shí)別碼”、“時(shí)間戳”、“相位信息”等字段構(gòu)成，發(fā)送的時(shí)間為正向過零點(diǎn)時(shí)刻，時(shí)間20ms后，再發(fā)送下一個(gè)報(bào)文；其次，配電臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備HPLC模塊接收配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端本地HPLC模塊發(fā)送的相位識(shí)別報(bào)文，配電臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備HPLC模塊接收到報(bào)文后，啟動(dòng)內(nèi)部的過零監(jiān)測(cè)判別（低壓設(shè)備時(shí)鐘與配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端時(shí)鐘同步），并記錄發(fā)送端報(bào)文時(shí)間，若接收到的報(bào)文時(shí)間周期與發(fā)送端一致，這為該相的相位，如果接收的報(bào)文為6.67ms或12.33ms后，則為其他的兩相識(shí)別信號(hào)，由于我國(guó)共用零線的配電臺(tái)區(qū)較多，此時(shí)有可能出現(xiàn)跨臺(tái)區(qū)注冊(cè)的情況；再其次，配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端通過HPLC輪詢已注冊(cè)的低壓戶表及設(shè)備，通過信息比對(duì)，并形成低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖；最后，在HPLC低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別的基礎(chǔ)上，增加分鐘級(jí)電壓分別序列校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過匹配總表、戶表的電壓相關(guān)性，進(jìn)行精準(zhǔn)校驗(yàn)，解決共零臺(tái)區(qū)串?dāng)_的問題，識(shí)別如圖2所示。

圖2 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別信號(hào)框圖

圖3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別原理圖

2.2 配變?nèi)嗖黄胶庵卫響?yīng)用

在配變臺(tái)區(qū)戶相變關(guān)系的自動(dòng)識(shí)別及精準(zhǔn)校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三相用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈建模，三相用戶均作為博弈的參與方，通過對(duì)三相用戶負(fù)荷歷史博弈分析，生成用戶相位調(diào)整建議，輔助臺(tái)區(qū)經(jīng)理進(jìn)行治理。

臺(tái)區(qū)經(jīng)理的移動(dòng)終端上接收到三相用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈分析模型生成的三相用戶調(diào)整建議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)用戶相位關(guān)系調(diào)整，在調(diào)整過程中，三相用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈分析模型可根據(jù)前期調(diào)整的部分用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈計(jì)算，對(duì)后續(xù)調(diào)整用戶進(jìn)行優(yōu)化，并生成用戶相位關(guān)系調(diào)整修訂清單，如圖4所示。

圖4 配變?nèi)嗖黄胶庵卫響?yīng)用功能圖

通過臺(tái)區(qū)經(jīng)理對(duì)配變臺(tái)區(qū)三相用戶負(fù)荷調(diào)整后，配變臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷不平衡度可由15%~80%，降低在10%以內(nèi)，如圖5、6所示，最后，將調(diào)整結(jié)果反饋到配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)整知識(shí)庫(kù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)訓(xùn)練案例分析功能，持續(xù)改進(jìn)配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡屬性及判定策略。

圖5 改造前配電臺(tái)區(qū)三相電流

圖6 改造后配電臺(tái)區(qū)三相電流

3 三相用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈分析模型

根據(jù)配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡的問題，利用A、B、C三相電力用戶的負(fù)荷信息，進(jìn)行Nash equilibrium博弈建模，A、B、C相用戶作為博弈參與者，各參與者以15min內(nèi)三相負(fù)荷平衡率最低為優(yōu)化目標(biāo)，利用Dijkstra算法進(jìn)行Nash equilibrium均衡。

設(shè)X是一個(gè)屬于歐式空間Rd的有限集，設(shè)A、B、C是博弈方選擇策略的有限集。一個(gè)函數(shù)S：X×A×B×C→X定義的軌跡為x=x.（x，a，b，c）通過遞歸，

設(shè)Xf∈X，表示一個(gè)終點(diǎn)集（博弈方1希望達(dá)到的），設(shè)∫∈（0，1﹞為貼現(xiàn)因子，引進(jìn)運(yùn)行因子：

另外定義調(diào)整時(shí)間

其中Xn是上述方程式對(duì)應(yīng)于控制序列的軌跡a.b.，在無混淆的情況下，使用?替代?（x，a.，b.，c.），總成本函數(shù)

當(dāng)?=+∞；?<1，運(yùn)行因子是有限值，?=1時(shí)，運(yùn)行因子趨向正無窮，當(dāng)博弈方1選擇a.∈Ah，博弈方2選擇b.∈Bh，博弈方3選擇c.∈Ch，博弈方1的目標(biāo)是使得博弈方2和博弈方3運(yùn)行因子最小，而博弈方2、博弈方3的目標(biāo)正好相反。

假設(shè)三個(gè)博弈方都可以觀察到互相的行為和狀態(tài)X，把?=?（X，Xf，S，A，B，C，?，g，?）作為三相負(fù)荷調(diào)節(jié)的博弈，博弈模型采用交替行動(dòng)。

博弈方1在每一次知道博弈方2、3的行為，在微分的離散中，此時(shí)博弈方2、3則視為干擾，反之亦然。

定義A表示博弈方1的未預(yù)期的策略級(jí)，定義B表示博弈方2的未預(yù)期的策略級(jí)，定義C表示博弈方3的未預(yù)期的策略級(jí)，設(shè)Xf C?CX，博弈為

從而得出A、B、C三相用戶最佳的動(dòng)態(tài)博弈結(jié)論，并生成A、B、C三相用戶相位關(guān)系調(diào)整建議，如圖7所示。

圖7 配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理建議表

4 系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 采用配電臺(tái)區(qū)“戶-相-變”關(guān)系自動(dòng)識(shí)別、電壓分布序列校驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)變化動(dòng)態(tài)跟蹤

配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端采用高速載波模塊與低壓分支開關(guān)、用戶智能電表進(jìn)行載波通信，配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端內(nèi)置邊緣物聯(lián)代理和邊緣計(jì)算功能，利用載波注冊(cè)信號(hào)進(jìn)行“戶-相-變”關(guān)系識(shí)別，利用電壓分布序列，匹配配電臺(tái)區(qū)總表與戶表之間的電壓曲線波動(dòng)偏差校驗(yàn)，以獲得準(zhǔn)確的“戶-相-變”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)戶表及設(shè)備異常變化的動(dòng)態(tài)跟蹤，解決了共用零線配變臺(tái)區(qū)高速載波信號(hào)串?dāng)_，距離配變較遠(yuǎn)的邊緣用戶識(shí)別成功率低的問題，“戶-相-變”關(guān)系自動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率由傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析方法的55%，提升至99.9%。

4.2 采用配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改善采集方式，提升電表及低壓配電設(shè)備的采集頻度

配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡分析要求分鐘級(jí)采集用戶電表、低壓配電設(shè)備的電流數(shù)據(jù)，現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)采用窄帶載波技術(shù)和輪詢的方式采集智能電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集效率低，速度慢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)召側(cè)困難。以200戶的配電臺(tái)區(qū)為例，僅采集用戶電表電量一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)就需要1h以上，已不能滿足配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理要求。配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端采用32個(gè)并法的高速載波模塊采集用戶電表和低壓配電設(shè)備的凍結(jié)電流信息，實(shí)現(xiàn)5min/次的采集和邊緣計(jì)算，為配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡分析提供數(shù)據(jù)支撐。

4.3 采用三相用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)博弈分析，輔助臺(tái)區(qū)經(jīng)理進(jìn)行治理，減少加裝調(diào)節(jié)裝置的費(fèi)用

傳統(tǒng)的配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理中，采用換相開關(guān)型、電容型、電子電子型三類配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司的統(tǒng)計(jì)，兩家公司大約有150萬臺(tái)三相負(fù)荷不平衡的配電變壓器，按配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡裝置平均兩萬元計(jì)算，若采用裝置需300億元。

同時(shí)，配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡調(diào)節(jié)裝置存在技術(shù)缺陷，例如：換相開關(guān)型裝置，頻繁的切換線路相位，每切換一次相位，會(huì)將引起配電臺(tái)區(qū)低壓載波的重新組網(wǎng)，影響用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集；電容型裝置，僅對(duì)功率因數(shù)低的配變臺(tái)區(qū)調(diào)節(jié)效果好，在功率因數(shù)高時(shí)，調(diào)節(jié)的作用甚微；電力電子型（SVG、APF等）裝置本身存在耗電量，增大配電臺(tái)區(qū)綜合線損。

采用三相用戶動(dòng)態(tài)博弈模型的應(yīng)用，通過Nash equilibrium博弈建模，生成優(yōu)化的三相用戶調(diào)整建議，在調(diào)整過程中，持續(xù)開展動(dòng)態(tài)博弈計(jì)算，提供三相用戶調(diào)整修訂意見，該治理方式突破了傳統(tǒng)治理方式投資大，技術(shù)存在缺陷的問題，從根源上解決了配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理的問題。

5 系統(tǒng)應(yīng)用展望

基于低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別的配變?nèi)嗖黄胶庵卫響?yīng)用改變了傳統(tǒng)的配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理方式，有效結(jié)合Nash equilibrium博弈模型和治理知識(shí)庫(kù)，從源頭上開展配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理，建立了配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理體系，提高了供電公司配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理水平，提升了供電可靠性，降低了配變臺(tái)區(qū)綜合線損率，同時(shí)通過配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理，最大程度發(fā)揮配變運(yùn)行效能，延緩配電臺(tái)區(qū)投資周期。

開展基于低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別的配變?nèi)嗖黄胶庵卫眄?xiàng)目建設(shè)，能實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整三相用戶負(fù)荷向智能化三相負(fù)荷數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析調(diào)整轉(zhuǎn)變，依托“戶-相-變”關(guān)系動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)亦可支撐營(yíng)配數(shù)據(jù)智能貫通、停電事件精準(zhǔn)研判等功能，發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值，提高用戶滿意度，提升公司主動(dòng)服務(wù)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

基于動(dòng)態(tài)博弈的配變?nèi)嗖黄胶庵卫響?yīng)用是國(guó)家電網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配變臺(tái)區(qū)提升供電可靠性精益化管理目標(biāo)的具體落實(shí)，開展低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別、動(dòng)態(tài)博弈模型等新技術(shù)的應(yīng)用落地，使國(guó)家電網(wǎng)公司配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理實(shí)現(xiàn)智能化，從數(shù)據(jù)本身挖掘?qū)ζ髽I(yè)有價(jià)值的信息，以創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)視角審視業(yè)務(wù)痛點(diǎn)，促進(jìn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別、動(dòng)態(tài)博弈模型在電力行業(yè)的應(yīng)用。配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理需要結(jié)合規(guī)章制度循序漸進(jìn)，通過系統(tǒng)自動(dòng)分析用戶相位調(diào)整清單，有效提升各級(jí)供電單位對(duì)配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理能力，從而達(dá)到降配電臺(tái)區(qū)綜合線損，提高配變臺(tái)區(qū)供電可靠性的目的。