配網(wǎng)非標(biāo)準(zhǔn)接線與接線模式識別研究

沈澄泓，周長星，丁玉書

(1.浙江泛海智行電力科技有限公司，浙江 杭州 310052;2.國家電網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

浙江某中型城市的中心城區(qū)網(wǎng)架是由40個電纜環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，電纜線路不妨礙城市的交通，它供電可靠，不易受災(zāi)害的影響。中心城區(qū)以外的配網(wǎng)采用架空線或電纜和架空線的混合網(wǎng)架(以下簡稱混合網(wǎng)架), 架空線路的成本低、可操作性強。

混合網(wǎng)架的線路如果規(guī)劃不合理就會在線路故障時，即使用分段開關(guān)強行隔離故障后仍有多于10臺的客戶變壓器被迫停電，本文把這樣的有問題的接線稱為非標(biāo)準(zhǔn)接線。

非標(biāo)準(zhǔn)接線可以分為分段不合理、末端無聯(lián)絡(luò)和自身聯(lián)絡(luò)。配網(wǎng)單線(從一個10kV電源出來的線路稱為單線)的接線通常很復(fù)雜，而國內(nèi)單線非標(biāo)準(zhǔn)接線的鑒別都由人工完成，效率低。

該市中心城區(qū)的純電纜網(wǎng)架由于分隔點較多，每個用戶的故障都比較容易單獨隔離，所以網(wǎng)架較少出現(xiàn)多于10臺的客戶變壓器停電的情況。這時更應(yīng)該考慮的不是單線是否為標(biāo)準(zhǔn)接線，而是整個中心城區(qū)網(wǎng)架的接線模式。

在輸配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的研究中，國內(nèi)外學(xué)者對接線模式的識別進行了大量研究，例如基于拓撲分析和模式識別的理論等[1-4],但極少有識別配網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接線的研究。本文對供電公司提供的網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)進行研究，選用供服提供的基于XML的CIM和SVG文件來解析和提取節(jié)點之間的兩兩連接關(guān)系和設(shè)備信息，然后把網(wǎng)架用深度優(yōu)先遍歷或廣度優(yōu)先遍歷算法分割成一棵棵接線樹。對于非中心城區(qū)混合網(wǎng)架的單線，運用遞歸的方法，對接線樹中每個網(wǎng)絡(luò)分段(通過分段開關(guān)隔開)和單線的末端進行逐一分析，判斷每個分段或單線末端的客戶變壓器數(shù)量是否超過10臺，即非標(biāo)準(zhǔn)接線，如果單線為非標(biāo)準(zhǔn)接線則要區(qū)分是分段不合理還是末端無聯(lián)絡(luò)。對于中心城區(qū)純電纜的網(wǎng)架，提取接線樹組的特征(接線樹組可以包含若干接線樹)并和已建立的專家特征庫進行匹配，從而進行典型接線模式的識別。

1 原始數(shù)據(jù)處理

浙江某中型城市網(wǎng)架是由中心城區(qū)的純電纜網(wǎng)和非中心城區(qū)的混合網(wǎng)絡(luò)組成，全市電網(wǎng)共有大約3000條單線，其中2000條是架空線或架空線和電纜的混合線路，其余近1000條純電纜單線大多是在中心城區(qū)。網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是從供電公司提供的CIM和SVG數(shù)據(jù)里獲取的。CIM(公共信息模型)描述了電網(wǎng)的所有主要對象，用對象類和屬性及他們之間的關(guān)系來描述電網(wǎng)。SVG是一種圖像文件格式，意思是可縮放的矢量圖形，它可以展示高分辨的電網(wǎng)拓撲Web圖形頁面。從CIM和SVG文件中可以提取10kV電源、斷路器、線路、環(huán)網(wǎng)柜/開閉所母線、變壓器間的連接關(guān)系作為算法程序的輸入，數(shù)據(jù)處理程序同時輸出兩兩連接關(guān)系的節(jié)點編號、節(jié)點名稱、節(jié)點設(shè)備類型和狀態(tài)、饋線名等。有了兩兩連接關(guān)系就可以從每一個10kV變電站母線電源節(jié)點開始遍歷整條單線的所有元素。表1所示的為數(shù)據(jù)預(yù)處理的部分輸出結(jié)果。

表1 數(shù)據(jù)預(yù)處理兩兩連接關(guān)系的輸出Tab.1 Data preprocessing output of pairwise connection relationship

本研究中，CIM和SVG文件的數(shù)據(jù)預(yù)處理用Python語言來完成，非標(biāo)準(zhǔn)接線和接線模式的識別用C語言來實現(xiàn)以提升識別效率。

2 拓撲分析

配電網(wǎng)絡(luò)拓撲分析有多種方法，如傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析法[5-10]、網(wǎng)絡(luò)拓撲的快速方法等，而城市配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計不用考慮開關(guān)狀態(tài)時常變化的實時情況，所以用傳統(tǒng)的分析方法是最為恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，由一組節(jié)點、一組邊以及它們之間的映射組成,圖是配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)一種的數(shù)學(xué)抽象。10kV電源母線、開關(guān)站母線、開關(guān)甚至線路等元素都是圖中的節(jié)點，圖中的邊表示元素是相連的。

樹是一種具有特殊性質(zhì)的圖，連通無回路的無向圖稱為無向樹。樹的末端節(jié)點稱為樹葉，唯一沒有父節(jié)點的節(jié)點稱為根節(jié)點，其他節(jié)點稱作分支點。

非標(biāo)準(zhǔn)接線和接線模式的識別第一步是要通過處理兩兩連接關(guān)系建立起一棵棵接線樹，這樣網(wǎng)絡(luò)就被各個接線樹分割開。可以把變電站的電源節(jié)點看成是一棵樹的根節(jié)點，把出線看成一棵樹，圖1展示了從某一變電站的母線引出的兩棵出線樹。

把配電網(wǎng)看成是由一棵棵以變電站的10kV母線為根結(jié)點的出線樹組成的，為了獲得這些出線樹的信息，需要對配電網(wǎng)進行遍歷，即要求從電源點開始到末節(jié)點尋找接線樹所有的節(jié)點和支路。遍歷的主要目的是找到屬于出線樹或稱作接線樹的所有設(shè)備節(jié)點，然后進行識別，確定混合網(wǎng)絡(luò)的單線接線樹是否為非標(biāo)準(zhǔn)接線或確定純電纜網(wǎng)架接線樹組的接線模式。接線樹的遍歷方法可以分為深度和廣度優(yōu)先遍歷，它們的作用相似，除了遍歷到的節(jié)點的排列順序會有差異。

圖1 出線樹Fig.1 Outgoing line tree

例如，廣度優(yōu)先遍歷的具體搜尋過程是在訪問圖中的某個起始節(jié)點V0以后，繼續(xù)訪問與V0相鄰的所有未被訪問過的節(jié)點V1,V2……Vm,然后再依次訪問與V1,V2……Vm相鄰的所有沒有被訪問過的節(jié)點。直到所有的節(jié)點都被訪問。廣度優(yōu)先搜索利用隊列技術(shù)，從一個節(jié)點出發(fā)，將這個節(jié)點未被訪問的鄰居節(jié)點依次放入隊列中，然后從隊列的頭依次取出每個節(jié)點進行訪問。上圖1中廣度優(yōu)先遍歷和深度優(yōu)先遍歷的搜索順序分別為1->2->8->3->9->10->4->11->12->5->13->6->7,1->2->3->4->5->6->7->8->9->10->11->13->12。在C語言程序中，采用遞歸調(diào)用的方法來實現(xiàn)廣度或深度優(yōu)先遍歷。

非中心城區(qū)的混合網(wǎng)絡(luò)的遍歷是以單線為基本單位，單線從10kV的變電站電源節(jié)點開始，一直到和其他單線間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)結(jié)束，一條單線一般包括十幾到兩百多個節(jié)點。中心城區(qū)的電纜網(wǎng)絡(luò)的遍歷是以接線組(單線組)為基本單位，接線組不被聯(lián)絡(luò)開關(guān)分斷，它起始于10kV電源節(jié)點并終止于其他10kV電源節(jié)點或線路末端，一個接線組可以包括幾條互相有聯(lián)絡(luò)的單線，因此可以有多個電源點，而每條單線只能有一個電源點。

3 混合網(wǎng)架非標(biāo)準(zhǔn)接線識別

3.1 非標(biāo)準(zhǔn)接線

混合網(wǎng)絡(luò)的非標(biāo)準(zhǔn)接線分為分段不合理與末端無聯(lián)絡(luò)。如果單線圖中某個可以被兩個分段開關(guān)分隔的網(wǎng)段或單線的末端超過10臺用戶變壓器，但是通過增加分段開關(guān)就可以使每個分段間的變壓器數(shù)不多于10臺，就叫作分段不合理。下圖2為分段不合理的示意圖，兩個分段開關(guān)之間的變壓器數(shù)超過10臺，當(dāng)兩個開關(guān)之間的任何一個點出現(xiàn)故障時，必須同時打開兩個開關(guān)來隔離故障，這樣兩個開關(guān)間的用戶變壓器只能全部停電，單線的其余部分可以照常供電。但是供電公司通過在兩個分段開關(guān)間增設(shè)新的分段開關(guān)可以把圖2轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)接線，使增加分段后每段中的變壓器數(shù)不多于10臺。

圖2 分段不合理示意圖Fig.2 Schematic diagram of unreasonable segmentation

上圖3為末端無聯(lián)絡(luò)的示意圖，分段開關(guān)1和2之間的網(wǎng)段中變壓器超過10臺，因為從A點向下延伸的子樹中變壓器也已超過10臺，所以在分段開關(guān)1和2之間的無論什么位置增設(shè)分段開關(guān)都不能把圖3轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)接線，例如在A的兩側(cè)增設(shè)分段開關(guān)，兩個分段開關(guān)間的變壓器數(shù)總是11臺。一般在A點延伸出來的子樹的末端添加聯(lián)絡(luò)(聯(lián)絡(luò)至其他的電源)，就可以把圖3改造成標(biāo)準(zhǔn)接線。非標(biāo)準(zhǔn)接線的網(wǎng)段可以出現(xiàn)在單線的中間，也就是任意兩個分段開關(guān)之間，也可以出現(xiàn)在單線的末尾，即最后一個分段開關(guān)的下游，而且某個網(wǎng)段可能同時是分段不合理和末端無聯(lián)絡(luò)。

圖3 末端無聯(lián)絡(luò)示意圖Fig.3 Schematic diagram of no tie line at the end

此外某條單線A至少有一個聯(lián)絡(luò)的情況下，如果聯(lián)絡(luò)線所在的單線的電源和單線A的電源是同一變電站的同一段母線的話，這樣的接線稱為自身聯(lián)絡(luò)，它也屬于非標(biāo)準(zhǔn)接線[11-15]。

3.2 識別流程

在找到架空線或架空線和電纜線混合網(wǎng)架的所有電源點后，用廣度優(yōu)先遍歷算法找到屬于每條單線的所有節(jié)點。由于整個網(wǎng)架是相互連通的，要運用邊際條件把各條單線完美地分割開。一般來講兩條單線是通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)分隔的，因為聯(lián)絡(luò)開關(guān)一般是打開的所以比較容易標(biāo)識，如果由于數(shù)據(jù)原因聯(lián)絡(luò)開關(guān)是閉合的，就要通過開關(guān)兩側(cè)所連節(jié)點的饋線名是否相同來判斷，如果開關(guān)兩側(cè)的節(jié)點所屬的饋線名不同，則開關(guān)是聯(lián)絡(luò)開關(guān)。由于一個用戶變壓器可以主要由一條單線供電，另一條單線為備用供電，此時分隔兩條單線的開關(guān)的兩側(cè)雖然為不同的饋線，開關(guān)卻并非聯(lián)絡(luò)開關(guān)，兩條單線也不是相互聯(lián)絡(luò)的關(guān)系。在合理地分割單線后，用下圖4所示的流程來識別單線是否為非標(biāo)準(zhǔn)接線。流程圖詳細描述了出現(xiàn)分叉的情況和如何判斷分段不合理與末端無聯(lián)絡(luò)。

圖4 非標(biāo)準(zhǔn)接線識別流程Fig.4 Non standard wiring identification process

例如要識別圖5所示的單線，從電源點出來后分段開關(guān)1的后面存在分叉，且下游有2個聯(lián)絡(luò)開關(guān)(聯(lián)絡(luò)開關(guān)1和2)，分段開關(guān)2和4的下游各有一個聯(lián)絡(luò)開關(guān)，這表明分段開關(guān)2和4在兩條不同的分支上需要分別識別。程序運用遞歸方法往單線的下游尋找成對的分段開關(guān)并且第二個分段開關(guān)的后面必須有聯(lián)絡(luò)(聯(lián)絡(luò)開關(guān))，在上面一條支路中分段開關(guān)2和分段開關(guān)3之間只有六個用戶變壓器所以是標(biāo)準(zhǔn)接線，而下面一條支路中分段開關(guān)4和分段開關(guān)5之間有11臺變壓器屬于分段不合理的非標(biāo)準(zhǔn)接線。分段開關(guān)3的下游沒有其他分段開關(guān)，從分段開關(guān)3開始判斷單線的末端是否有非標(biāo)準(zhǔn)接線，由于后面有11臺變壓器，這一段的接線為末端無聯(lián)絡(luò)。分段開關(guān)5下游雖然有一個分段開關(guān)6，但是分段開關(guān)6的后面沒有聯(lián)絡(luò)，由于分段開關(guān)5和6即使斷開也無法有效隔離開關(guān)間的故障(開關(guān)6的下游無法被有效供電)，所以不用考慮5和6之間是否是非標(biāo)準(zhǔn)接線。從分段開關(guān)5開始判斷下游有無非標(biāo)準(zhǔn)接線，事實上它后面只有四臺變壓器，所以是標(biāo)準(zhǔn)接線。綜上圖5所示的單線為非標(biāo)準(zhǔn)接線，它有一個分段不合理和一個末端無聯(lián)絡(luò)[16-20]。

圖5 單線示意圖Fig.5 Single line diagram

3.3 識別結(jié)果

對浙江某中型城市的某縣的所有單線的識別結(jié)果顯示，該縣共538條單線，其中標(biāo)準(zhǔn)接線為175條，非標(biāo)準(zhǔn)接線為360條，3條因數(shù)據(jù)錯誤(設(shè)備間無連接關(guān)系)無法識別。非標(biāo)準(zhǔn)接線的單線中，僅末端無聯(lián)絡(luò)的單線有107條，僅分段不合理的單線有160條，同時為末端無聯(lián)絡(luò)且為分段不合理的有62條，僅為自身聯(lián)絡(luò)問題的有31條?？梢姳疚乃龅姆椒ê烷_發(fā)的軟件可以非常有效地識別非標(biāo)準(zhǔn)接線。由于采用了C語言編制用于識別的算法程序，效率較高，目前識別一條單線需要大約1分鐘， 538條單線一個白天便能識別完。 該中型城市的供電公司計劃對非標(biāo)準(zhǔn)接線進行全面的改造，而計算機識別為運維部門提供了非常有效和必需的數(shù)據(jù)分析。

4 電纜網(wǎng)接線模式識別

由于純電纜網(wǎng)少出現(xiàn)多于10臺用戶變壓器因故障停電的情況，進行非標(biāo)準(zhǔn)接線的判別并不是必需的，本文更注重于對中心城區(qū)電纜網(wǎng)架的接線組進行接線模式識別，來判斷電網(wǎng)在有故障的情況下是否能被有效轉(zhuǎn)供。例如，雖然單源輻射連接的成本很低，但是供電可靠性較差，當(dāng)線路有故障時可能會導(dǎo)致全線的停電。雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性高，適合于負荷密度發(fā)展到相對高水平的城市中心。

在接線模式識別中，識別的是單線組，單線組區(qū)別于單線之處在于，單線組不被聯(lián)絡(luò)開關(guān)所分斷，單線組或接線組的端點是10kV的電源節(jié)點(變電站母線段)或線路的末端。

4.1 理論基礎(chǔ)

模式識別是用計算機去完成以前只有人才能做的智能活動。在對配網(wǎng)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和拓撲分析后，滿足識別要求的模式需要抽取特征(例如電源數(shù))，作為進一步辨識的依據(jù)。要求選擇出的所有特征能夠很好地代表這個模式，另一方面要盡可能地減少特征的數(shù)量，從而能進行最有效的判別。

接線模式識別的方法有多種，最為常用的是統(tǒng)計決策的方法。統(tǒng)計決策模式識別方法從所研究的模式中選擇x個特征，每個模式由這些特征構(gòu)成，并在x維空間中用一個向量表示，從而使每個接線模式在x維空間中占據(jù)一個位置。同類的模式相距較為接近，而不同模式間的相互距離應(yīng)該較遠。

運用統(tǒng)計決策方法進行接線模式識別就是用特征匹配的方法，把要識別的模式特征與已知的模式特征庫進行比對，如果欲識別的接線模式的特征與特征庫中某個已知模式的特征足夠相似，則可以相應(yīng)地判定要識別的接線模式[21-25]。

4.2 配網(wǎng)接線模式識別

4.2.1 典型接線模式

在分析浙江某中型城市中心城區(qū)純電纜線路的接線方式時，結(jié)合該市的實際情況，首先考察幾類典型的接線模式，如單電源輻射接線、手拉手單環(huán)網(wǎng)接線、雙環(huán)網(wǎng)接線、主備接線模式(又稱“N-1”接線)等。

電纜線路的單電源輻射接線很經(jīng)濟，配電線路較其他接線模式短、有新的負荷時接線容易。缺點主要是供電可靠性較差，故障時會發(fā)生全線停電。

手拉手單環(huán)網(wǎng)的兩個電源可以來自同一變電站的兩段不相同母線或不同的變電站。環(huán)網(wǎng)柜通常是電纜單環(huán)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)點，環(huán)網(wǎng)柜有兩個負荷開關(guān)，所以可以分斷任意一段線路的故障。

雙環(huán)網(wǎng)接線模式中某一條線路發(fā)生故障時，線路被劃分為幾部分且被其余線路轉(zhuǎn)供，供電可靠性高。

“N-1”主備接線模式是指N條線路連成環(huán)網(wǎng)，其中某條線路作為備用線路常態(tài)運行時不帶負載運行，如果有一條線路出線故障，則通過切換把備用線正式投入運行。主備接線模式供電可靠性較高。

(a)單電源輻射接線模式(a)Single power radiation connect mode

4.2.2 特征提取

本文詳細分析了城市配電網(wǎng)電纜線路的典型接線模式，并研究了典型接線模式對應(yīng)的接線樹數(shù)據(jù)后，決定提取電源、聯(lián)絡(luò)線、開關(guān)柜數(shù)量、是否有備用線等特征來區(qū)分不同接線模式。城市配電網(wǎng)接線模式的特征式為

Cf=(s,p,t,c,b,f)

(1)

式中：s表示待識別模式內(nèi)的電源母線數(shù)，p表示待識別模式內(nèi)的電源變電站數(shù)，t表示待識別模式內(nèi)的聯(lián)絡(luò)線(聯(lián)絡(luò)開關(guān))數(shù)，c表示待識別接線模式內(nèi)開關(guān)站(開閉所或環(huán)網(wǎng)柜)的個數(shù)，b表示待識別模式內(nèi)備用線數(shù)，f表示網(wǎng)架類型，若網(wǎng)架為電纜網(wǎng)，則f=1，若網(wǎng)架為架空網(wǎng)，則f=2。

建立典型配網(wǎng)接線模式的知識特征庫，對要識別的接線模式提取特征式，然后與知識特征庫進行比對，最終獲得需要識別的接線模式的名稱。表2給出了配電網(wǎng)電纜網(wǎng)絡(luò)的典型接線模式特征庫[26-28]。整個模式識別過程由圖7所示。

表2 配電系統(tǒng)電纜網(wǎng)絡(luò)典型接線模式特征庫Tab.2 Feature library of typical connection modes of cable network system

圖7 統(tǒng)計決策模式識別流程Fig.7 Statistical decision pattern recognition process

4.3 識別結(jié)果

浙江某中型城市中心城區(qū)的網(wǎng)架大多由環(huán)網(wǎng)組成，整個網(wǎng)絡(luò)包括大約40個電源節(jié)點和430個環(huán)網(wǎng)柜/開閉所節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)的部分結(jié)構(gòu)見圖8(a)，圖中E表示電源節(jié)點，H表示環(huán)網(wǎng)柜，K表示開閉所。該網(wǎng)絡(luò)的一個典型接線模式雙環(huán)網(wǎng)如圖8(b)所示。

(a)某中型城市中心城區(qū)部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(a)Partial grid structure of a medium-sized city’s central urban area

對拓撲數(shù)據(jù)進行處理后，取得電源節(jié)點、開關(guān)節(jié)點、環(huán)網(wǎng)柜/開閉所節(jié)點之間的兩兩連接關(guān)系，然后利用遍歷算法找到網(wǎng)絡(luò)中所有的接線樹組。提取接線樹組的特征之后，把各個特征式和表2所示的特征庫進行比對，找到接線模式名。

程序共分離出幾十個接線樹組，通過特征匹配，其中27個屬于4電源的雙環(huán)網(wǎng)接線模式，3個是2電源的單環(huán)網(wǎng)，一個是單電源輻射接線模式。此外，有14個接線樹組屬于非典型接線模式，它們大多是包含有4-6個電源的環(huán)網(wǎng)。單輻射接線的可靠性最低需要進行改造，由于電纜雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和靈活性,該中型城市的供電公司已經(jīng)把中心城區(qū)改造成以雙環(huán)網(wǎng)為主的結(jié)構(gòu)。此外從該城市中心城區(qū)的網(wǎng)架可見，在國內(nèi)二三線的中型城市中，環(huán)網(wǎng)特別是雙環(huán)網(wǎng)是非常流行的接線模式，它符合繁華城市發(fā)展的需求。

5 結(jié)論

本文對配電網(wǎng)的非標(biāo)準(zhǔn)接線和接線模式識別算法進行了研究和探討，并在此理論基礎(chǔ)上，編制了Python和C語言程序?qū)φ憬持行统鞘械恼麄€城市配網(wǎng)的拓撲數(shù)據(jù)進行了處理并對中心城區(qū)以外的混合網(wǎng)架的單線的非標(biāo)準(zhǔn)接線以及中心城區(qū)電纜網(wǎng)的接線模式進行了高效識別，取得了十分滿意的效果，這項成果已經(jīng)形成了軟件產(chǎn)品。接下來希望能對配網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行進一步研究，例如有效辨別配網(wǎng)的脆弱性、識別架空網(wǎng)架的接線模式、進一步提高識別效率等，為電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和運維的科學(xué)管理決策提供可靠的依據(jù)和數(shù)據(jù)技術(shù)支撐。