基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性研究

黃彥璐，林躍歡，于力，陳柔依，丘曉茵

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510080； 2. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州 510623；

3.廣西電力科學(xué)研究院，南寧 530000)

0 引 言

供電電壓合格率是衡量供電質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]，是實(shí)際運(yùn)行電壓偏差在限值范圍內(nèi)的累計(jì)時(shí)間與電壓監(jiān)測總時(shí)間的百分比[2]。配網(wǎng)用戶供電電壓等級多、電壓偏差要求不同，為便于區(qū)域供電電壓合格率考核管理，電力企業(yè)將用戶分為A、B、C、D四類，分類考核，并通過加權(quán)匯總獲得區(qū)域電壓綜合合格率指標(biāo)[3]。

四類監(jiān)測點(diǎn)電壓合格率計(jì)算方法為：各類電壓合格率(%)=(該類考核點(diǎn)電壓合格率之和/該類考核點(diǎn)數(shù))×100%。區(qū)域電壓合格率V的計(jì)算方法為：

(1)

式中A、B、C、D為A類電壓合格率、B類電壓合格率、C類電壓合格率、D類電壓合格率；n為B類、C類、D類總個數(shù)。

為獲取不同種類供電電壓合格率，供電企業(yè)規(guī)定了電壓監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置要求。如圖1所示，A類電壓監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在帶供電負(fù)荷的變電站和20 kV、10 kV各段母線處；B類設(shè)置在35 kV、20 kV專線和110 kV及以上用戶端；C類設(shè)置在35 kV和20 kV非專線以及10 kV用戶端，按每10 MW負(fù)荷至少設(shè)一個點(diǎn)；D類設(shè)置在380 V/220 V線路首末兩端和部分重要用戶[2]。同時(shí)采取分級管理，供電所管理統(tǒng)計(jì)所在轄區(qū)內(nèi)D類低壓用戶，市場營銷部管理統(tǒng)計(jì)B、C類專線用戶，變電站及調(diào)度所管理統(tǒng)計(jì)A類監(jiān)測點(diǎn)電壓，最終由生計(jì)部統(tǒng)計(jì)各類電壓合格率，得到區(qū)域綜合電壓合格率。其中，A、B類電壓合格率由所有監(jiān)測點(diǎn)電壓合格率取平均求得；C、D類采取抽樣的方式，選取具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)電壓合格率計(jì)算該類電壓合格率。

圖1 配電網(wǎng)電壓監(jiān)測點(diǎn)考核類型劃分Fig.1 Assessment classification of voltage monitoring points in distribution network

上述分類統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)匯總獲取的區(qū)域綜合電壓合格率，存在抽樣偏差以及不計(jì)不同類型負(fù)荷占比等缺陷。同時(shí)，綜合電壓合格率是對越限進(jìn)行長時(shí)間統(tǒng)計(jì)，通常以日、月為統(tǒng)計(jì)周期、以季度為考核周期計(jì)算各類電壓合格率，以便監(jiān)管部門考察評分。大范圍、長時(shí)間統(tǒng)計(jì)淹沒了局部區(qū)段用戶用電特性，無法刻畫分析局部用戶不同時(shí)刻的電壓特性，難以為局部區(qū)域電壓治理提供技術(shù)支撐[4-8]。

隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，利用跨平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓時(shí)空特性的精細(xì)化評價(jià)已有了技術(shù)基礎(chǔ)[9-11]。文中融合計(jì)量自動化系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、配電SCADA系統(tǒng)構(gòu)建評價(jià)系統(tǒng)，并與地理信息系統(tǒng)連接，在地理信息圖中呈現(xiàn)低電壓時(shí)空特性。在空間上，按戶-變-線-站的層層聚合實(shí)現(xiàn)細(xì)化分析；在時(shí)間上，根據(jù)時(shí)段性采樣數(shù)據(jù)，識別局部用戶低電壓相似性，為后續(xù)分析治理提供技術(shù)支撐。

1 時(shí)空特性評價(jià)的數(shù)據(jù)處理

配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性涉及多個數(shù)據(jù)源，包括計(jì)量自動化系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、配電SCADA系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等系統(tǒng)中的電壓、電量、設(shè)備等參數(shù)及用戶基本信息。數(shù)據(jù)分為兩類，一類是和拓?fù)?、隸屬相關(guān)的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)；另一類是和電壓、電量實(shí)時(shí)變化相關(guān)的動態(tài)采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，為后續(xù)評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)處理

靜態(tài)數(shù)據(jù)主要反映用戶和臺變、臺變和饋線以及饋線和變電站的隸屬關(guān)系以及拓?fù)渎?lián)結(jié)關(guān)系，正常運(yùn)行時(shí)變化較小，可以視為靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)。由于用戶、臺變、饋線、變電站相關(guān)信息分散的存儲于生產(chǎn)管理系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)等系統(tǒng)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取。電力公司大多建有跨系統(tǒng)的公共信息模型(CIM)[12]，能夠支撐信息交互，確定用戶、臺變、饋線和變電站關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且結(jié)合地理信息系統(tǒng)和接線圖在地圖上進(jìn)行定位，為戶-變-線-站分層的電壓評價(jià)提供拓?fù)渲魏涂梢暬@示支撐。

1.2 動態(tài)采集數(shù)據(jù)處理

動態(tài)數(shù)據(jù)主要包括電壓、電量等實(shí)時(shí)更新的信息。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，電力信息采樣頻率不斷提升，為電壓精細(xì)化分析提供了數(shù)據(jù)支持。不同電壓等級的用戶電壓、電量等信息通過不同的系統(tǒng)采集，包括營銷系統(tǒng)、用采系統(tǒng)、計(jì)量自動化系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)采集方式也不同，有連續(xù)采樣和離散采樣，并且采樣的間隔也不一致，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。目前，我國配電網(wǎng)智能電能表已廣泛安裝，并且實(shí)現(xiàn)15 min以及更高頻率采樣，為電壓時(shí)空特性分析提供動態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2 配電網(wǎng)電壓空間特性分析

智能電能表的普及實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)對用戶電壓數(shù)據(jù)采集的低間隔、全覆蓋，為精細(xì)刻畫供電電壓合格率提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13-14]。隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的發(fā)展以及智能終端在配電網(wǎng)廣泛應(yīng)用，地理信息系統(tǒng)、用戶采集系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成和交互，為配電網(wǎng)透明化操作提供了平臺數(shù)據(jù)。

利用智能電能表等電壓采集裝置數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶的電壓偏差，并通過加權(quán)聚合，實(shí)現(xiàn)對配變、饋線、變電站的供電電壓合格率分層評價(jià)。改變傳統(tǒng)電壓合格率抽樣、廣域評價(jià)，為后續(xù)治理以及治理效果評估提供技術(shù)支持。具體評價(jià)結(jié)構(gòu)、評價(jià)流程如圖2、圖3所示。

圖2 配電網(wǎng)電壓空間特性評價(jià)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure for evaluating voltage space characteristics of distribution network

圖3 配電網(wǎng)電壓空間分層聚合流程Fig.3 Distribution network voltage space

2.1 用戶電壓合格率

隨著智能電能表大量安裝，以及通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大部分區(qū)域已實(shí)現(xiàn)用電信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集。基于智能電能表電壓采集數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶電壓偏差，計(jì)算公式如下：

(2)

式中ui為戶端實(shí)測電壓；uN為戶端標(biāo)稱電壓。

對于離散采樣的設(shè)備，戶端電壓合格率計(jì)算公式為：

(3)

式中CT表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)用戶電壓合格率；NT表示T時(shí)間內(nèi)用戶電壓越限次數(shù)；N表示T時(shí)間內(nèi)電壓總采樣次數(shù)。

對于連續(xù)采樣設(shè)備，戶端電壓合格率計(jì)算公式為：

(4)

式中Tt表示監(jiān)測時(shí)間內(nèi)用戶電壓越限時(shí)間；T表示監(jiān)測總時(shí)間。

2.2 配變綜合電壓合格率

配變電壓合格率的統(tǒng)計(jì)應(yīng)基于用戶。配電變壓器包括公用和專用變壓器，公用變壓器包含多個用戶，由于電壓采集點(diǎn)、電壓偏差允許范圍不同，因此需分開討論。

(1)公變臺區(qū)

公變臺區(qū)用戶數(shù)量較多，傳統(tǒng)上主要通過在首末兩端兩點(diǎn)抽樣進(jìn)行評價(jià)，由于用戶分布情況差異較大，配變首末端電壓不能準(zhǔn)確反映臺區(qū)用戶綜合電壓合格率情況。因此提出配變綜合電壓合格率，計(jì)算公式為：

(5)

式中TT表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)公變臺區(qū)綜合電壓合格率；CTk表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)第k個用戶的電壓合格率；m表示臺區(qū)總用戶數(shù)。

公變綜合電壓合格率是包含下屬所有用戶電壓特性的表征量，為后續(xù)計(jì)算提供了唯一性參數(shù)。

(2)專變臺區(qū)

專變臺區(qū)只有一個用戶，其電壓合格率計(jì)算公式同用戶電壓合格率。

2.3 饋線綜合電壓合格率

饋線下有多個公變和專變，各臺變綜合電壓合格率經(jīng)過前述計(jì)算，已經(jīng)唯一化。由于饋線中各變壓器容量差異較大，饋線電壓合格率計(jì)算需根據(jù)各臺變用電量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，計(jì)算公式為：

(6)

式中FT表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)饋線綜合電壓合格率；TTj表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)第j臺配變電壓合格率；ETj表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)第j臺配變的用電量；n表示饋線中配變總數(shù)。

上述計(jì)算的饋線綜合電壓合格率具有唯一性，便于比較不同饋線的電壓合格率指標(biāo)。

2.4 變電站綜合電壓合格率

變電站下轄饋線、專線等多個供電模式，其綜合電壓合格率計(jì)算方法同饋線綜合電壓合格率，對各條線路采用電量加權(quán)計(jì)算：

(7)

式中ST表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)變電站綜合電壓合格率；FTj表示T監(jiān)測時(shí)間內(nèi)第j條線路電壓合格率；ETj表示采樣T時(shí)間內(nèi)第j條線路的用電量；l表示變電站中線路總數(shù)。

基于戶-變-線-站分層級聚合的配電網(wǎng)電壓空間特性分析，改變了傳統(tǒng)電壓合格率廣域評價(jià)的模式，能夠?qū)ε_變、線路、變電站綜合電壓合格率分層排序，反映不同變電站、饋線等電壓偏差嚴(yán)重程度，并及時(shí)提醒警示，為后續(xù)治理提供技術(shù)支撐。

3 配電網(wǎng)電壓時(shí)間特性分析

配電網(wǎng)電壓空間特性分析實(shí)現(xiàn)了從廣域評價(jià)向局部的細(xì)化評價(jià)。傳統(tǒng)電壓合格率評價(jià)時(shí)域上選取月、季度等長時(shí)間范圍，長時(shí)間尺度的評價(jià)淹沒了一些重要的用戶用電信息，臺變和饋線下屬用戶可能存在相近的用電特性，在特定的時(shí)段電壓越限較為嚴(yán)重?，F(xiàn)有采樣設(shè)備多支持實(shí)時(shí)采樣或短時(shí)采樣，智能電能表的采樣間隔已實(shí)現(xiàn)15 min或更短。識別這些時(shí)段，發(fā)現(xiàn)用戶用電的時(shí)段性規(guī)律，有利于調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行或進(jìn)行技術(shù)改造。具體評價(jià)流程如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)時(shí)段性電壓不合格識別流程Fig.4 Non-conformity identification process of periodical voltage in distribution network

3.1 分時(shí)段電壓不合格率計(jì)算

以1 h為統(tǒng)計(jì)間隔，統(tǒng)計(jì)每天臺變、饋線各時(shí)段的電壓合格率，并計(jì)算各時(shí)段電壓不合格在一天中的占比。以臺變?yōu)槔?，根?jù)式(5)，時(shí)間間隔設(shè)定為1 h，計(jì)算一天24 h各時(shí)段綜合電壓合格率Tk。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各時(shí)段電壓不合格率占比，如式(8)所示：

(8)

式中k為時(shí)段數(shù)；Tk%表示各時(shí)段電壓不合格率占比值，如T1%表示0～1點(diǎn)時(shí)段電壓不合格率占比值；Tk表示各時(shí)段臺區(qū)綜合電壓合格率。

如果Tk%超過警示的閾值，則當(dāng)天該時(shí)段設(shè)置為警示時(shí)段，以供后續(xù)時(shí)段性電壓不合格識別。

3.2 時(shí)段性電壓不合格識別

時(shí)段性電壓不合格具有一定規(guī)律性，通常表現(xiàn)為連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)。如：季節(jié)性低電壓、部分臺變、饋線晚高峰低電壓等。時(shí)段性電壓不合格分析傳統(tǒng)多基于定性描述，發(fā)現(xiàn)較晚，缺少定量分析方法，難以及時(shí)識別。

在前述分時(shí)段電壓合格率計(jì)算的基礎(chǔ)上，對警示時(shí)段進(jìn)行識別，如果在一段時(shí)期內(nèi)(如：一個月)，警示時(shí)段出現(xiàn)的重復(fù)率超過設(shè)置的重復(fù)率閾值，則該時(shí)段標(biāo)識為時(shí)段性電壓不合格。這一識別方法，能夠自動及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓的時(shí)段性特性，充分發(fā)揮配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

其中，警示時(shí)段重復(fù)率閾值的設(shè)置可根據(jù)實(shí)際需要自行修改。

4 配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性分析系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在集成多個系統(tǒng)的配電自動化數(shù)據(jù)平臺上，通過臺變、饋線、變電站電壓時(shí)空特性分析，構(gòu)建一個分層顯示的配電網(wǎng)電壓特性分析系統(tǒng)。系統(tǒng)融合多源數(shù)據(jù)創(chuàng)建電壓特性分析數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫獲取用電信息分析配電網(wǎng)電壓空間特性，根據(jù)分層顯示的空間特性信息刻畫配電網(wǎng)電壓時(shí)間特性。并基于地理信息系統(tǒng)單線圖、圖形界面實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)電壓可視化應(yīng)用，協(xié)助運(yùn)管人員快速、有效感知供電電壓狀況，為后續(xù)治理提供技術(shù)支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性分析系統(tǒng)Fig.5 Analysis system for spatiotemporal characteristics of distribution network

4.2 配電網(wǎng)電壓空間特性分析

利用電壓時(shí)空特性評價(jià)中的計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)變電站、饋線、臺變綜合電壓合格率，以表格形式按層級分類、從高到低排序，供運(yùn)行人員查詢，為時(shí)段性分析、后續(xù)治理提供數(shù)據(jù)支撐。文中以單一饋線為例作詳細(xì)說明。

基于陸斡供電所10 kV兩小907線2018年2月用戶電壓數(shù)據(jù),按式(5)計(jì)算所有配變綜合電壓合格率。已知線路總長度47.149 km，運(yùn)行變壓器總數(shù)45 臺，其中公變34 臺，總?cè)萘? 950 kVA；專變11 臺，總?cè)萘? 075 kVA。文中專變綜合電壓合格率計(jì)算方法同專變出口終端采集數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果一致，在此不做分析。表1僅列出線路中公變臺區(qū)綜合電壓合格率低于98.6%(基于計(jì)量數(shù)據(jù)的高低電壓用戶(臺區(qū))判斷標(biāo)準(zhǔn))的公變。

表1 兩小907線末端部分公變電壓合格率Tab.1 Qualified rate of public transformer voltage at the end of two small 907 lines

表1中，公變臺區(qū)綜合電壓合格率從低到高排序。供電線路最末端合聳坡呈公變終端交采電壓合格率最低，符合電壓降落分布特性。對比公變臺區(qū)綜合電壓合格率計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)供電線路同樣較長的英俊百殿公變綜合電壓合格率最低。查詢英俊百殿公變拓?fù)鋱D，分析與其相關(guān)聯(lián)的用戶信息列表可知，140個用戶分布較分散，供電半徑達(dá)到1.5 km導(dǎo)致臺區(qū)綜合電壓合格率低于合聳坡呈公變的綜合電壓合格率。因此英俊百殿公變應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行低電壓治理。

4.3 配電網(wǎng)電壓時(shí)段特性識別

同一配變下的供電用戶間存在相近的用電特性，電壓波動時(shí)段存在一定規(guī)律性。以單一臺區(qū)為例，計(jì)算臺區(qū)一天24 h小時(shí)各時(shí)段綜合電壓合格率Tk、電壓不合格率占比Tk%，識別該臺區(qū)電壓不合格時(shí)段。

圖6展示大化局城區(qū)所古河街上公變2019年3月3號～10號電壓不合格率占比大于十二分之一的所有時(shí)段(已設(shè)定警示時(shí)段閾值為十二分之一)，圖中以色塊深淺表示占比值。如3號當(dāng)天的警示時(shí)段為10點(diǎn)～11點(diǎn)、15點(diǎn)～17點(diǎn)、20點(diǎn)～21點(diǎn)。預(yù)設(shè)重復(fù)率閾值為50%，對3號～10號內(nèi)所有警示時(shí)段進(jìn)行電壓不合格識別。累計(jì)日期內(nèi)，警示時(shí)段重復(fù)率超過閾值的時(shí)段為時(shí)段性電壓不合格。圖6中15點(diǎn)～16點(diǎn)警示時(shí)段重復(fù)率為100%，16點(diǎn)～17點(diǎn)警示時(shí)段重復(fù)率為75%，則以上兩個時(shí)段均為時(shí)段性電壓不合格。

圖6 公變臺區(qū)電壓不合格時(shí)段統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of unqualified period of voltage in public transformer station area

分析與古河街上公變相關(guān)聯(lián)用戶的用電信息，發(fā)現(xiàn)15點(diǎn)～17點(diǎn)之間，古河鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站帶動鄉(xiāng)民們進(jìn)行農(nóng)業(yè)技術(shù)實(shí)踐，引起該時(shí)段內(nèi)電壓合格率偏低。該識別方法能識別除早晚高峰時(shí)段外的電壓時(shí)段特性，發(fā)現(xiàn)用戶用電的時(shí)段性規(guī)律，有利于調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行。

4.4 GIS可視化顯示

配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性監(jiān)測系統(tǒng)能夠在地理信息圖層以顏色展示站-線-變-戶綜合電壓合格率。協(xié)助運(yùn)管人員快速、有效感知供電電壓狀況。如圖7所示，以南寧良慶區(qū)東風(fēng)北路部分供電線路為例，以顏色展示具體綜合電壓合格率。圖7中，①表示綜合電壓合格率超出考核標(biāo)準(zhǔn)值，②表示接近標(biāo)準(zhǔn)值，③表示供電電壓正常。

圖7 綜合電壓合格率圖形界面展示Fig.7 Graphical interface display of comprehensive voltage pass rate

5 結(jié)束語

提出一種考慮空間特性的配電網(wǎng)低電壓精細(xì)化評價(jià)方法，相較于傳統(tǒng)抽樣式評估方法，文中方法更為準(zhǔn)確且能精準(zhǔn)定位低電壓區(qū)域及時(shí)段。具體有以下優(yōu)勢：

(1)融合配電SCADA系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為與拓?fù)?、隸屬相關(guān)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和與電壓、電量實(shí)時(shí)變化相關(guān)的動態(tài)采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

(2)充分利用多源數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)評估站-線-變-戶多層級的整體或局部精細(xì)化電壓水平，分析配電網(wǎng)電壓的空間特性；

(3)基于分時(shí)段的臺變、饋線電壓合格率計(jì)算，找出警示時(shí)段，并識別時(shí)段性電壓不合格，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)電壓時(shí)間特性精細(xì)刻畫。

算例表明，配電網(wǎng)電壓時(shí)空特性分析能對整體或局部電壓合格率進(jìn)行排序、識別用戶用電的時(shí)段性規(guī)律，且基于GIS圖形界面實(shí)現(xiàn)短時(shí)期內(nèi)電壓合格率的可視化顯示。為后續(xù)治理以及治理效果評估提供技術(shù)支持。