配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性預(yù)測及預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)

占彤平　林旭軍　潘丹　許為　廖華東

摘 要：為了掌握配電網(wǎng)饋線在負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行情況，采用聚類分析方法針對配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性進(jìn)行預(yù)測，利用預(yù)警技術(shù)將配電網(wǎng)饋線中存在的故障區(qū)段進(jìn)行報(bào)警處理，并采集序電流數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)自身存在的故障標(biāo)識(shí)有利于故障區(qū)段技術(shù)迅速定位，并及時(shí)切除故障饋線區(qū)段，考慮配電網(wǎng)饋線在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易出現(xiàn)可靠性降低問題，提出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警方法，為電網(wǎng)系統(tǒng)的未來發(fā)展提供有效手段。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)饋線;負(fù)荷特性;故障區(qū)段定位預(yù)警技術(shù);聚類分析

中圖分類號(hào)：TM715;U491.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0121-05

Abstract： In order to grasp the operation of distribution network feeders under load conditions， the cluster analysis method is used to predict the load characteristics of the distribution network feeders， and the early warning technology is used to alarm the fault sections in the distribution network feeders. At the same time， the sequence current data are collected. The fault identification of the data itself is conducive to the rapid positioning of the faulty section and the faulty feeder section is timely removed. Considering that the distribution network feeder is prone to reliability degradation during operation， the methods of risk assessment and early warning are proposed， which provides an effective means for the future development of power grid system

Key words：? distribution network feeder; load characteristics; fault section positioning and early warning technology; cluster analysis

配電網(wǎng)在電力網(wǎng)中起重要作用，是一種分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)，主要由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器、隔離開關(guān)、無功補(bǔ)償器及一些附屬設(shè)施等組成，而饋線又稱電纜線，在電視系統(tǒng)中的主要作用為信號(hào)傳輸，通過饋線可將信號(hào)傳遞至前端系統(tǒng)，最終由電纜線傳輸?shù)礁饔脩舻碾娨暀C(jī)，該過程信號(hào)傳遞是配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性中最重要的因素，但配電網(wǎng)饋線在運(yùn)行過程中易遭受干擾因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，因此，針對配電網(wǎng)饋線進(jìn)行治理以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警將成為電力公司重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

1 配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性預(yù)測及預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)將自身分為3種形式，分別是就地式、集中式、分布式區(qū)段定位技術(shù)，針對配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障時(shí)，可通過區(qū)段定位技術(shù)采取預(yù)警措施，有利于最大限度地減少因配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障而造成的損失。當(dāng)前針對饋線故障區(qū)段定位技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究可發(fā)現(xiàn)，就地式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要采取定位的方式針對故障饋線區(qū)段進(jìn)行切除工作，其實(shí)現(xiàn)原理主要利用現(xiàn)場的終端裝置與重合器、分段器共同協(xié)作，該過程中不涉及通信環(huán)節(jié)及主站;而集中式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要利用FTU實(shí)現(xiàn)區(qū)段定位功能，其實(shí)現(xiàn)原理為：配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，各部分饋線終端FTU將系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，并傳送至主站中心，從而恢復(fù)故障區(qū)段的供電;分布式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要將核心部分交由饋線終端實(shí)現(xiàn)，該過程對于通信功能要求較高，需采取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳功能。三者之間均存在一定技術(shù)上的缺陷，但分布式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用相對來講更加廣泛，因此成為眾多研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1-2]。

1.2 有源配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)

為彌補(bǔ)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)中存在的缺陷，針對配電網(wǎng)饋線故障進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)直接將分布式電源并入配電網(wǎng)饋線中，可使配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電流水平更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致故障誤判的可能性出現(xiàn)，因此國內(nèi)外學(xué)者針對該現(xiàn)象采取大量研究，并提出有源配電網(wǎng)中引入饋線故障區(qū)段定位技術(shù)的觀點(diǎn)，可將設(shè)計(jì)方案分為就地信息以及新型有源配電網(wǎng)饋線故障定位方案，其中基于就地信息的故障饋線定位方案主要在傳統(tǒng)定位技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，可有效應(yīng)對分布式電源的直接并入對潮流方向和短路電流造成的影響，而新型有源配電網(wǎng)饋線故障定位方案主要針對配電網(wǎng)饋線故障發(fā)生時(shí)的各電氣量變化特征進(jìn)行分析，并針對分析結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)造，可針對故障區(qū)段進(jìn)行定位預(yù)警，有利于配電網(wǎng)饋線的正常運(yùn)行[2-3]。

2 基于負(fù)荷特性的用戶聚類分析及饋線自動(dòng)化 干擾因素

配電網(wǎng)饋線發(fā)生故障時(shí)，負(fù)荷狀態(tài)將發(fā)生改變，此時(shí)可通過配電終端針對故障區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并利用遙控功能針對現(xiàn)場開關(guān)進(jìn)行相關(guān)操作，控制開關(guān)的分合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段與非故障區(qū)段的隔離與恢復(fù)，因分布式電源的直接并入將造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)將分布式電源暫時(shí)退出運(yùn)行，通過自動(dòng)化算法恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型如圖1所示。

2.1 饋線自動(dòng)化過程中的負(fù)荷狀態(tài)定義

正常狀態(tài)下的配電網(wǎng)饋線可保證用戶的正常用電，可將其定義為“正常態(tài)”，若配電網(wǎng)饋線的某個(gè)區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)饋線的負(fù)荷狀態(tài)將轉(zhuǎn)化為非正常狀態(tài)，此時(shí)將導(dǎo)致配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)負(fù)荷失電。而負(fù)荷可分為故障區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷以及非故障區(qū)段的負(fù)荷，其中故障區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷處于故障狀態(tài)，可稱之為“故障態(tài)”，該狀態(tài)下的配電網(wǎng)饋線無法通過自動(dòng)化過程恢復(fù)供電，而非故障區(qū)段的負(fù)荷可定義為“待恢復(fù)態(tài)”。隨著時(shí)間的推移，負(fù)荷的各部分狀態(tài)將伴隨饋線自動(dòng)化過程互相轉(zhuǎn)變，在狀態(tài)遷移過程中可觀察到，“待恢復(fù)態(tài)”最終轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢B(tài)”為合理現(xiàn)象[4-5]。

2.2 用戶負(fù)荷特性及聚類分析

針對電力用戶進(jìn)行分類過程中的主要依據(jù)為用戶的所屬行業(yè)，其類型為工業(yè)用地、居住用地、公共設(shè)施以及市政用地等，同行業(yè)的不同用戶之間負(fù)荷特性存在較大差異，應(yīng)采用聚類分析法針對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，將同行業(yè)的用戶分為若干可比的類簇，聚類分析法的研究規(guī)則將通過反映用戶負(fù)荷特性的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，該方法的核心要素為ward法，依據(jù)ward法將所有用戶歸為一類，并按照使離差平方和增加最小的兩類合并，該過程按照推薦結(jié)果針對用戶進(jìn)行分類，假設(shè)類KK和KL聚成一個(gè)新類KM，則公式為：

通過上述公式可發(fā)現(xiàn)類KK和KL合并成一個(gè)新類KM時(shí)，WM>WK+WL，此時(shí)類內(nèi)離差平方和增大，類KK和KL之間的距離 與離差平方和增加值成正比，其平方距離為：

將離差平方和算法應(yīng)用于聚類分析中，若同類行業(yè)之間的離差平方和小，即D2KL<0，表示的含義為樣本之間具有較高相似度;若不同類型的行業(yè)之間離差平方和大，及D2KL>0，表示的含義為樣本之間具有較低的相似度。通過離差平方和的大小可精準(zhǔn)判斷樣本間存在的相似程度，負(fù)荷聚類分析的要求，聚類分析指標(biāo)如表1所示。

2.3 主動(dòng)配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化動(dòng)作干擾因素

通過研究發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)饋線各部分之間進(jìn)行自動(dòng)化操作時(shí)，易受干擾因素影響，而饋線自動(dòng)化過程可強(qiáng)化配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展，具有重要作用。配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化過程中最重要的部分為信息傳遞，若信息傳遞有誤將造成配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，無法順利進(jìn)行相關(guān)工作，而分布式電源的直接并入對于配電網(wǎng)的系統(tǒng)要求較高，若故障隔離階段以及負(fù)荷階段出現(xiàn)問題，將造成負(fù)荷特性發(fā)生改變，應(yīng)利用相關(guān)技術(shù)針對負(fù)荷特性進(jìn)行預(yù)測，避免不合理的狀態(tài)進(jìn)行遷移，有利于正確處理故障區(qū)段[6-7]。

3 配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性預(yù)測方法研究

3.1 用戶負(fù)荷預(yù)測

在聚類分析法的測試結(jié)果基礎(chǔ)上，可將行業(yè)用戶進(jìn)行精準(zhǔn)細(xì)分，每一類負(fù)荷應(yīng)依據(jù)典型用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算負(fù)荷密度指標(biāo)：

其中ηm代表的含義為m類用戶的負(fù)荷密度指標(biāo);i代表的含義為不同行業(yè)中存在的典型用戶編號(hào);T代表的含義為不同行業(yè)中存在的典型用戶數(shù)量;Pmi代表的含義為第m類用戶中第i個(gè)典型用戶的負(fù)荷;Ami代表的含義為第m類用戶第i個(gè)典型用戶的建筑面積或占地面積。

通過相關(guān)參數(shù)針對使用建筑面積指標(biāo)計(jì)算的用戶進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，其公式為：

式中：U為用戶編號(hào);PU為第U個(gè)用戶的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果;DU為第U個(gè)用戶所屬類型的負(fù)荷密度指標(biāo);SU為第U個(gè)用戶的建筑面積;λU為第U個(gè)用戶的容積率。

針對使用占地面積指標(biāo)計(jì)算的用戶，其負(fù)荷公式為：

式中：R為用戶編號(hào);PR為第R個(gè)用戶的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果;DR為第R個(gè)用戶所屬類型的負(fù)荷密度指標(biāo);SR為第R個(gè)用戶的建筑面積[8-9]。

3.2 饋線負(fù)荷預(yù)測

針對負(fù)荷疊加可采用典型用戶對于電能使用的相關(guān)數(shù)據(jù)作為主要依據(jù)，負(fù)荷疊加過程中可根據(jù)聚類分析法的結(jié)果以及典型用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行匯總，最終得到總負(fù)荷，并考慮每一類用戶總負(fù)荷與典型用戶的負(fù)荷特征進(jìn)行對比，將結(jié)果進(jìn)行疊加。由用戶負(fù)荷疊加可針對饋線負(fù)荷特性進(jìn)行預(yù)測，負(fù)荷同時(shí)率的確定可依據(jù)用戶用電負(fù)荷特性和負(fù)荷數(shù)值大小，并將用戶負(fù)荷同時(shí)率分為同類型和不同類型，同類型和不同類型的用戶負(fù)荷同時(shí)率公式如（8）、（9）所示：

通過上述預(yù)算結(jié)果可將饋線負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的公式歸納為：

4 新型有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位 預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 配電網(wǎng)電流序分量故障特征分析與全段定 位預(yù)警

配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，易遭受干擾因素的影響，為保證配電網(wǎng)饋線的穩(wěn)定運(yùn)行，將針對故障區(qū)段采取預(yù)警的方式提示維修人員進(jìn)行相關(guān)維護(hù)工作，其流程首先應(yīng)針對故障區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本采集，此時(shí)系統(tǒng)將采取故障預(yù)警模式，并針對故障區(qū)段的所屬類型進(jìn)行判別以及定位，其中故障數(shù)據(jù)采集主要針對配電網(wǎng)饋線的故障區(qū)段兩端進(jìn)行分析，并安裝智能饋線終端，以此采集線路的數(shù)據(jù)信息，而故障啟動(dòng)的判據(jù)公式為：

通過該式子可計(jì)算饋線的電流突變量，并判定有源配電網(wǎng)饋線的故障區(qū)段位置，由智能饋線終端針對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過相關(guān)計(jì)算，進(jìn)入故障類型判別流程[10]，通過預(yù)警系統(tǒng)可將故障的類型進(jìn)行判定，并精準(zhǔn)定位，有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位預(yù)警流程如圖2所示。

4.2 配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)

為保證故障區(qū)段定位預(yù)警技術(shù)的順利實(shí)現(xiàn)，本文將利用通信技術(shù)與智能饋線終端相互配合，實(shí)現(xiàn)電流信息數(shù)據(jù)的采集，并通過預(yù)警技術(shù)針對配電網(wǎng)饋線進(jìn)行快速維護(hù)，有利于滿足用戶的用電需求。因故障區(qū)段定位中最重要的部分為信息傳遞，因此，本文將利用以太網(wǎng)技術(shù)與智能饋線終端聯(lián)合，形成高級(jí)樣機(jī)，并構(gòu)建通信模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，除此之外，序電流數(shù)據(jù)自身的故障標(biāo)識(shí)有利于故障區(qū)段預(yù)警技術(shù)迅速定位，并及時(shí)切除故障饋線區(qū)段[11-12]。

5 新型有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位 預(yù)警裝置開發(fā)

5.1 智能終端樣機(jī)開發(fā)

為保證配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性的精準(zhǔn)預(yù)測，將針對智能終端樣機(jī)采取一體化設(shè)計(jì)模式進(jìn)行開發(fā)，其硬件部分將由前面板、總線板以及后面板共同組成，針對電路設(shè)計(jì)將采用POWER、DI、DO、CPU以及AI插板共同組成，不同類型的插板功能各不相同，而軟件組成部分具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)裙δ?，該軟件可針對故障區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)定位[13]，故障處理軟件的功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

5.2 配電網(wǎng)饋線預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)

為保證配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性的準(zhǔn)確預(yù)測，針對饋線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其中饋線負(fù)載率大于80%屬于饋線重載，大于100%視為饋線過載，為確定饋線存在的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)利用風(fēng)險(xiǎn)概率和損失進(jìn)行綜合評(píng)估，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)饋線為輻射型線路時(shí)，可靠性降低幅度為：

當(dāng)饋線為聯(lián)絡(luò)線路時(shí)，可靠性降低幅度為：

通過上述研究發(fā)現(xiàn)饋線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值為：

通過評(píng)估值的大小可判斷饋線的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并計(jì)算可靠性降低比率：

饋線風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別與饋線風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別對應(yīng)關(guān)系如表2所示[14-15]。

6 結(jié)語

本文為保證配電網(wǎng)饋線電流的持續(xù)供應(yīng)，針對故障區(qū)段進(jìn)行精準(zhǔn)定位，以最快的速度針對故障區(qū)段進(jìn)行定位，并采取預(yù)警措施，有利于維修人員針對電網(wǎng)的故障及時(shí)維修，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線的維護(hù)，除此之外，針對饋線負(fù)荷過重現(xiàn)象，將通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及預(yù)警方法有效降低由饋線負(fù)荷過重造成的配電網(wǎng)可靠性降低等問題，在未來發(fā)展中，將針對裝置的精準(zhǔn)度進(jìn)一步研究，使其廣泛應(yīng)用于市場之中。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 潘霄，沈方，張明理，等.基于需求相關(guān)性分組預(yù)測的主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃方法[J].可再生能源，2019（4）：582-587.

[2] 管鑫，劉會(huì)家，張振，等.主動(dòng)配電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測研究[J].電工電能新技術(shù)，2019（1）：31-38.

[3] 李穎，張躍，吳琳，等.自下而上的主動(dòng)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線化預(yù)測方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2019（2）：106-111.

[4] 王建萍，潘庭龍. 風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行控制策略研究[J].可再生能源，2016（12）：1 804-1 810.

[5] 張沈習(xí)，袁加妍，程浩忠.主動(dòng)配電網(wǎng)中考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的分布式電源規(guī)劃方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（S1）：1-9.

[6] 潘超，孟濤，蔡國偉.主動(dòng)配電網(wǎng)廣義電源多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃[J].電工電能新技術(shù)，2016（03） ：41-46，75.

[7] 張明理，宋卓然，梁毅.基于飽和負(fù)荷密度的城市遠(yuǎn)景空間負(fù)荷預(yù)測[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（1）：2-18.

[8] 肖白，劉慶永，房龍江.基于模糊粗糙集理論和時(shí)空信息的空間負(fù)荷預(yù)測[J].電力建設(shè)，2017（1）：58-67.

[9] 張沈習(xí)，李珂，程浩忠.間歇性分布式電源在主動(dòng)配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2015（11）：45-51.

[10] 陳屹東，程浩忠，黃錦華情景分析在飽和負(fù)荷預(yù)測中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016（6）：7-13.

[11] 尚芳屹，楊宗麟，程浩忠改進(jìn)Verhulst模型在飽和負(fù)荷預(yù)測中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015（1） ：64-68.

[12] 張騰飛，黎旭昕.含光伏源的微電網(wǎng)孤島/聯(lián)網(wǎng)平滑切換控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015（4） ：904-910.

[13] 陳宇豪，王磊，楊宇.風(fēng)儲(chǔ)直流微網(wǎng)孤島運(yùn)行控制研究[J].分布式能源，2016（1）：40-46.

[14] 曾鳴，楊雍琦，劉敦楠.能源互聯(lián)網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)營模式及關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016（1）：114-124.

[15] 劉小聰，王蓓蓓，李揚(yáng).計(jì)及需求側(cè)資源的大規(guī)模風(fēng)電消納隨機(jī)機(jī)組組合模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015（14）：3 714-3 723.