配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)研究＊

李勤超,高久國,余暢,王驍,張彪

（國網(wǎng)浙江安吉縣供電有限公司，浙江安吉 313300）

1 引言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模較大，出現(xiàn)故障頻率相對較高。隨著電源大量接入，負荷管理要求也相對升高，自動化配電網(wǎng)獲取更大控制空間[1]。為提升配電網(wǎng)供電安全性，在停運事故中形成可控制故障恢復(fù)方案。配電網(wǎng)處于電源能源最末端，直接向電力系統(tǒng)中提供可靠性電源，電場大量接入勢必會對電網(wǎng)可靠性造成一定影響。未來配電網(wǎng)朝著智能化方向發(fā)展，必須將控制技術(shù)高度集成到配電設(shè)備中，形成配電網(wǎng)停運風險可靠性必將面臨嚴峻考驗[2]。

目前針對該問題，已經(jīng)有了一些好的研究成果。周天等人提出基于啟發(fā)式算法的配電網(wǎng)停運風險防控。構(gòu)建電網(wǎng)恢復(fù)控制代價多目標優(yōu)化模型，采用基于貪心策略的啟發(fā)式算法求解配電網(wǎng)停運回復(fù)問題[3]。該方法提高了配電網(wǎng)供電可靠性和停運恢復(fù)過程的經(jīng)濟性，但是存在耗時過長問題。Zhang W 等人針對配電網(wǎng)停運故障水平預(yù)測存在的高冗余、準確率低的問題，提出基于特征選擇和集成學(xué)習的配電網(wǎng)停運故障防控方法[4]。通過對配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理，總結(jié)了涉及天氣、負荷和設(shè)備的23種配電網(wǎng)初始故障特征，提出配電網(wǎng)故障等級劃分的新方法。結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析，改進了Relief-F算法不能消除冗余的特點。利用強分類器對配電網(wǎng)停運故障進行風險防控。該方法應(yīng)用過程較為復(fù)雜，無法廣泛應(yīng)用。

針對以上傳統(tǒng)方法存在的問題，利用自動化防控技術(shù)對配電網(wǎng)停運風險進行風險控制，并對故障問題安全預(yù)警，充分考慮故障安全分析及大規(guī)模清潔能源接入配電網(wǎng)停運風險功能，通過實例驗證配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)實用性。

2 配電網(wǎng)停運風險評估

配電網(wǎng)在電網(wǎng)中起到電能支配作用。配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)由配電電氣元件連接組成，將整個配電網(wǎng)看成線與點結(jié)合的結(jié)構(gòu)進行整個網(wǎng)絡(luò)拓撲連線分析。

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)停運風險僅針對配電網(wǎng)停運導(dǎo)致的風險，用于反映配電網(wǎng)特定環(huán)境下某種損失出現(xiàn)給整個電網(wǎng)造成風險，使用可能性與后果乘積描述：

公式(1)中：p表示配電網(wǎng)停運事件發(fā)生概率；s表示配電網(wǎng)停運事件造成損失。

配電網(wǎng)停電事故發(fā)生由于配電網(wǎng)設(shè)備突然停運，在實際運行過程中，配電網(wǎng)設(shè)備突然停運通常由設(shè)備損壞引起，包括設(shè)備老化、設(shè)備損壞、人為操作不當及自然因素等情況[5-6]。綜合上述自身因素和環(huán)境因素，構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備突然停運概率模型如下所示：

公式(2)中：na表示a個配電網(wǎng)設(shè)備突然停電事故相關(guān)系數(shù)；Aa表示a個配電網(wǎng)設(shè)備突然停電自身因素；Ba表示a個配電網(wǎng)設(shè)備突然停電外界因素[7-8]。

根據(jù)用戶對配電網(wǎng)供電可靠性要求、突然中斷供電對用戶用電安全、經(jīng)濟損失造成影響程度可分為三個等級，為更加細致劃分，采用負荷單位時間容量恢復(fù)收益作為用電負荷重要性量化指標：

公式(3)中：Zb表示b個負荷單位時間內(nèi)停電損失；ab表示b個負荷單位時間內(nèi)突然停電人身安全威脅；bb表示b個負荷單位時間內(nèi)突然停電經(jīng)濟損失；cb表示b個負荷單位時間內(nèi)供電可靠性標準。

針對配電網(wǎng)停運風險評估，采用多元化線性邏輯回歸模型進行擬合分析，同時考慮惡劣環(huán)境、重過載因素，對配電網(wǎng)影響作用進行分析，隨著時間變化該風險逐漸增大，可使用ARIMA來描述。配電網(wǎng)停運風險變化示意圖如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)停運風險變化示意圖

整體評估方案是基于多元化線性邏輯回歸模型定期評估的，再結(jié)合時間序列推測配電網(wǎng)停運風險變化情況，風險值達到預(yù)期標準就會發(fā)出配電網(wǎng)風險預(yù)警。

3 配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)

基于配電網(wǎng)停運風險評估，在自動化配電網(wǎng)發(fā)生突然停運現(xiàn)象時，可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)投入饋線備用容量作為失電負荷轉(zhuǎn)供，改善配電網(wǎng)供電可靠性，從提高配電網(wǎng)經(jīng)濟效益出發(fā)，研究自動化防控技術(shù)。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

依據(jù)配電網(wǎng)運行狀況數(shù)據(jù)，可從設(shè)備自身、周圍環(huán)境及人為因素三個方面進行整理。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括歷史數(shù)據(jù)清洗與處理，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，圖3為數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理過程

上述數(shù)據(jù)來自于不同配電網(wǎng)設(shè)備信息，為保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠?qū)罄m(xù)影響分析及數(shù)據(jù)清洗進行整理，需通過數(shù)據(jù)剖析、規(guī)則編訂及腳本編寫等工具實現(xiàn)相關(guān)工作。異常值數(shù)據(jù)監(jiān)測是數(shù)據(jù)處理過程中一項重要工作，對于異常值處理，常用監(jiān)測方法包括殘差分析、頻數(shù)分析及缺失值診斷等。及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并剔除，對擬合模型造成影響的異常數(shù)據(jù)進行處理。

3.2 建模要素評估

依據(jù)配電網(wǎng)停運事件設(shè)備相關(guān)信息、事件發(fā)生地點、時間、溫度等數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)停運事件頻繁項集。對停運事件相關(guān)因素展開分析，為以后模型構(gòu)建提供依據(jù)，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)停運事件相關(guān)因素分析

依據(jù)上述相關(guān)因素可知，設(shè)備老化與健康度低是判斷配電網(wǎng)突然停運因素，基于上述因素對配電網(wǎng)停運風險進行評估。

3.3 建模與訓(xùn)練

在spark mLib支持下進行多元化非線性邏輯回歸模型訓(xùn)練，由此訓(xùn)練模型流程如圖4所示。

圖4 多元化非線性邏輯回歸模型訓(xùn)練

配電網(wǎng)設(shè)備故障率可以衡量配電網(wǎng)變壓器當前狀態(tài)，設(shè)備故障率大于指定閾值時，說明配電網(wǎng)可能出現(xiàn)停運現(xiàn)象，此時應(yīng)及時安排維修。

使用y=f(x)描述回歸過程，其中f 表示自變量與因變量之間的關(guān)系，自變量表示數(shù)據(jù)特征，包括設(shè)備內(nèi)在狀態(tài)G、負載率H、三相不平衡J和天氣K。配電網(wǎng)停運自動化防控模型采用下列公式作為決策函數(shù)：

公式(4)中：i表示配變變量；λ(i)表示sigmoid函數(shù)；θ表示模型回歸系數(shù)。

基于已有數(shù)據(jù)進行機器學(xué)習，應(yīng)用多元化非線性邏輯回歸模型對配電網(wǎng)停運風險進行建模分析，實現(xiàn)對配電網(wǎng)停運風險自動化控制。

3.4 自動化防控技術(shù)實施

基于配電網(wǎng)停運自動化防控模型，采用多電源協(xié)調(diào)控制方法，利用多個恢復(fù)區(qū)域內(nèi)剩余容量可供電源，對區(qū)域內(nèi)待恢復(fù)負荷進行供電處理。

配電網(wǎng)停運風險自動化防控具體實施步驟如下所示：

Step 1：基于配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)模型，初始化設(shè)備參數(shù)，并對設(shè)備進行容量等值，綜合配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)設(shè)備，初始化停運區(qū)域內(nèi)所有可供電電源損失集合為{m1，m2，…，mq，…，mlq}；

Step 2：在可供電電源損失集合中選擇任意一個電源，求取負荷容量，生成多個“電源-負荷-風險”對；

Step 3：針對電源多個“電源-負荷-風險”對，查找相應(yīng)路徑節(jié)點上所有配電網(wǎng)設(shè)備；

Step 4：選擇電源可行恢復(fù)過程集合中的任意子過程，判斷其供電路徑是否滿足電壓電流約束條件。如果滿足，則需計算子過程的風險控制值；反之，如果不滿足，則需重新選取新的子過程進行判斷。對于滿足約束條件的子過程，可保證配電網(wǎng)停運風險自動化防控方案不越限；

Step 5：選擇停運區(qū)域內(nèi)所有可供電電源損失集合中未被遍歷的電源，重復(fù)上述步驟，獲取各個電源投入最優(yōu)子過程作為當前過程最優(yōu)化方案；

Step 6：排除停運區(qū)域內(nèi)已經(jīng)恢復(fù)的供電負荷，及時更新拓撲結(jié)構(gòu)，生成新的負荷停電區(qū)域，直至無法生成新的子過程，獲取初步配電網(wǎng)停運風險自動化防控方案。如果初步方案獲取后，配電網(wǎng)已經(jīng)恢復(fù)，則說明該方案滿足要求，退出流程；否則轉(zhuǎn)到Step7；

Step 7：針對初步配電網(wǎng)停運風險自動化防控方案，對形成恢復(fù)停運區(qū)域剩余容量進行等容交換，供電源使用；

Step 8：選取停運區(qū)域未被遍歷的停電負荷，重復(fù)上述步驟，求取最優(yōu)備選子過程；

Step 9：排除停運區(qū)域內(nèi)供電負荷以及相應(yīng)電源，更新配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，獲取配電網(wǎng)停運風險自動化防控最終方案。

4 實例分析

利用國網(wǎng)浙江安吉縣供電有限公司實際運行環(huán)境，進行實例分析，一次驗證提出方法的有效性。配電網(wǎng)饋線配電簡化圖如圖5所示。

圖5 配電網(wǎng)饋線配電

由圖5可知，3 個常用聯(lián)絡(luò)開關(guān)為K14-K16，節(jié)點1-13上所連接的負荷都是可控負荷，各個節(jié)點對應(yīng)相應(yīng)控制開關(guān)。假設(shè)開關(guān)K5和母線之間線路出現(xiàn)故障，可將母線15出線斷路器及分段開關(guān)隔離，此時虛線區(qū)域為停運區(qū)域。

以該區(qū)域為研究重點，將傳統(tǒng)配電網(wǎng)停運風險控制技術(shù)與配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)的防控效果在配電網(wǎng)停運事件相關(guān)因素下進行對比分析。

(1)老化、投運年限長

在老化、投運年限長相關(guān)因素下，將兩種風險控制技術(shù)的防控效果進行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 老化、投運年限長因素下兩種技術(shù)防控效果

依據(jù)表2所示結(jié)果，將兩種技術(shù)防控效果隨著投運年限長而逐漸降低，當投運年限長為50年時，自動化防控技術(shù)防控效果達到最低為89%，而傳統(tǒng)控制技術(shù)最低防控效果為32%。由此可知，在老化、投運年限長相關(guān)因素下，傳統(tǒng)控制技術(shù)防控效果較差，而對自動化防控技術(shù)影響較小。

(2)長期負載

在長期負載相關(guān)因素下，將兩種風險控制技術(shù)的防控效果進行對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 長期負載因素下兩種技術(shù)防控效果

由表3可知：在長期負載相關(guān)因素下，傳統(tǒng)控制技術(shù)防控效果受到影響較大，自動化防控技術(shù)防控效果受到影響較小。

綜上所述：無論是老化、投運年限長相關(guān)因素，還是長期負載相關(guān)因素，自動化防控技術(shù)防控效果比傳統(tǒng)防控技術(shù)防控效果要好。

5 結(jié)束語

綜合考慮配電網(wǎng)負荷恢復(fù)收益，研究配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)，通過該技術(shù)求取得到配電網(wǎng)停運風險控制方案，在一定程度上提高了配電網(wǎng)供電可靠性。結(jié)合配電網(wǎng)線路特點，實現(xiàn)故障集成、風險評估，為調(diào)度運行人員停運風險評估提供可靠性決策依據(jù)，大大提高工作效率。

針對配電網(wǎng)復(fù)雜性和不確定性問題，提出了配電網(wǎng)停運風險自動化防控技術(shù)，解決了配電網(wǎng)異動事件受檢修工作約束問題，為今后類似問題解決提供幫助。