考慮分布式光伏的低壓臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)方法

劉曉軍，高彬彬，張 剛，夏遠(yuǎn)德，劉元振

（國(guó)網(wǎng)喀什供電公司，新疆 喀什 844200）

隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)和農(nóng)業(yè)用電需求不斷增加，導(dǎo)致大量分布式光伏并網(wǎng)接入電網(wǎng)，這對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和運(yùn)行效率都產(chǎn)生了一定的影響[1]。因此，準(zhǔn)確辨識(shí)線損異常臺(tái)區(qū)并及時(shí)采取措施治理線損異?，F(xiàn)象，對(duì)于提升配電網(wǎng)運(yùn)行效率、降低線損具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)線損異常辨識(shí)方法進(jìn)行了研究。有專家提出了一種基于改進(jìn)的支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）的線損異常辨識(shí)方法，并將該方法應(yīng)用于某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證；另有專家提出了一種基于模糊理論與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的配電網(wǎng)線損異常辨識(shí)方法。但現(xiàn)有方法大都以配電網(wǎng)線損正常為前提條件，在考慮分布式光伏接入的低壓臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)中存在一定的不足，因此有必要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 低壓臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)特征

低壓臺(tái)區(qū)的線損波動(dòng)特征主要分為兩類：一類是分布式光伏接入引起的線損波動(dòng)；另一類是電壓、電流互感器變比故障引起的線損波動(dòng)。對(duì)兩類線損波動(dòng)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，從關(guān)聯(lián)度大小可知，分布式光伏接入引起的線損波動(dòng)特征關(guān)聯(lián)矩陣與電壓、電流互感器變比故障引起的線損波動(dòng)特征關(guān)聯(lián)矩陣之間的關(guān)聯(lián)程度較高，與分布式光伏接入引起的低壓臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)特征關(guān)聯(lián)度相對(duì)較低[2]。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，低壓臺(tái)區(qū)線損率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在分布式光伏接入、電壓、電流互感器變比故障、配電變壓器故障等多種不確定因素，線損率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較弱。

2 含分布式光伏的低壓臺(tái)區(qū)異常線損特點(diǎn)分析

通過(guò)兩個(gè)基礎(chǔ)模型對(duì)分布式光伏前后的線損來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，如圖1 所示。模型A 為未接入光伏配電網(wǎng)，相反，模型B 為接入光伏配電網(wǎng)，其中模型使用的負(fù)荷、電源、線路阻抗都是相同的。設(shè)整個(gè)電路長(zhǎng)為L(zhǎng)、線路單位阻抗為R+jX，所接負(fù)荷的功率為PL+jQL；在模型B 中電源距離分布式光伏接入位置為K，光伏出力為PPV+jQPV。模型A 的線損ΔP；模型B 電源距離分布式光伏接入之間的線損為ΔP1和分布式光伏到負(fù)荷之間的線損ΔP2，總線損為ΔP∑。

圖1 簡(jiǎn)化的配電網(wǎng)模型圖

設(shè)分布式光伏發(fā)出的無(wú)功功率為0，并采用近似計(jì)算法，節(jié)點(diǎn)電壓近似為U。

如圖1 可知模型A 的線損為：

模型B 的線損為：

模型B 的總線損為：

接入分布式光伏前后配電網(wǎng)線損變化量為：

由式（5）可知，在接入分布式光伏后，低壓臺(tái)區(qū)線路損耗的加減呈現(xiàn)出一種不確定性，若分布式光伏發(fā)出的功率小于兩倍的負(fù)荷量，會(huì)降低配電網(wǎng)的線路損耗；若分布式光伏發(fā)出的功率等于兩倍的負(fù)荷量，配電網(wǎng)線路損耗不發(fā)生變化；若分布式光伏發(fā)出的功率大于兩倍的負(fù)荷量時(shí)，反而使得配電網(wǎng)線路損耗增加。

分布式光伏引起的線損不確定性，也給線損異常判斷帶來(lái)了問(wèn)題：（1）分布式光伏發(fā)電時(shí)，由于光伏組件等設(shè)備的運(yùn)行特性，會(huì)造成電能損耗，進(jìn)而導(dǎo)致低壓臺(tái)區(qū)線損異常。（2）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致低壓臺(tái)區(qū)出現(xiàn)電壓、電流不平衡的情況，進(jìn)而使低壓臺(tái)區(qū)線損異常[3]。

3 線損異常臺(tái)區(qū)判別流程

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于低壓臺(tái)區(qū)采集的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)類型多樣，同時(shí)受到設(shè)備故障、電壓質(zhì)量等因素影響，使得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存在數(shù)據(jù)缺失、異常點(diǎn)、異常值等情況。因此，需要對(duì)采集到的低壓臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在線損數(shù)據(jù)預(yù)處理中，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。由于采集系統(tǒng)中的采集終端對(duì)數(shù)據(jù)的采集和記錄方式不一致，導(dǎo)致同一臺(tái)區(qū)的線損數(shù)據(jù)在不同采集終端中具有不同的屬性值，并且不同終端之間存在差異。在線損數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，首先需要將線損異常樣本與正常樣本進(jìn)行分類和歸一化處理，將線損率大于正常值的樣本定義為臺(tái)區(qū)線損異常樣本，將線損率小于正常值的樣本定義為臺(tái)區(qū)線損正常樣本[4]。

3.2 特征指標(biāo)選取

在臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)中，特征指標(biāo)的選取是影響模型訓(xùn)練精度的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)臺(tái)區(qū)線損異常樣本，選取線損數(shù)據(jù)中的特征指標(biāo)?？紤]到臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性，采用主成分分析法對(duì)臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。主成分分析是一種降維技術(shù)，其基本思想是將一個(gè)變量的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)線性變換變成幾個(gè)變量的線性組合，即將原始變量進(jìn)行降維，從而減少原始數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性?；谥鞒煞址治龇?，可以通過(guò)提取臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)中的特征指標(biāo)來(lái)建立模型。根據(jù)臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)特性選取的特征指標(biāo)主要包括：線損均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度和峰度等。其中，線損均值是衡量臺(tái)區(qū)線損異常樣本數(shù)量最常用的指標(biāo)，變異系數(shù)是衡量臺(tái)區(qū)線損異常樣本離散程度最常用的指標(biāo)，而偏度則用于描述臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)離散程度和分布情況，峰度則用于衡量臺(tái)區(qū)線損異常樣本離散程度和分布情況。

4 線損異常判定方法

4.1 基于灰色關(guān)聯(lián)度的線損異常指標(biāo)選取

4.1.1 灰色關(guān)聯(lián)度概念

灰色關(guān)聯(lián)度概念是一種用于分析和評(píng)估不確定性和模糊性數(shù)據(jù)的方法。它是由中國(guó)科學(xué)家陳三立在1980年代初提出的。灰色關(guān)聯(lián)度理論基于灰色系統(tǒng)理論，它通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)序列中的變化趨勢(shì)和模式進(jìn)行分析，揭示出因素之間的關(guān)聯(lián)程度。灰色關(guān)聯(lián)度可以用于研究多個(gè)因素之間的相關(guān)性，并且可以處理部分已知信息的情況下的數(shù)據(jù)不完整問(wèn)題。它適用于各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析，包括工程、經(jīng)濟(jì)、管理、環(huán)境科學(xué)等。

在灰色關(guān)聯(lián)度分析中，首先需要確定一個(gè)參考因素，然后將其他因素與參考因素進(jìn)行比較。通過(guò)計(jì)算各個(gè)因素的關(guān)聯(lián)度，可以評(píng)估它們與參考因素之間的相關(guān)性程度。關(guān)聯(lián)度值越大，表示兩個(gè)因素之間的相關(guān)性越高?；疑P(guān)聯(lián)度分析可以幫助我們?cè)趶?fù)雜的數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，并洞察因素之間的關(guān)系。它常用于預(yù)測(cè)、決策分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題中，為決策提供科學(xué)依據(jù)。

計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度的關(guān)聯(lián)度系數(shù)和關(guān)聯(lián)度表達(dá)式分別為：

4.1.2 線損相關(guān)指標(biāo)分析

線損率反映了一個(gè)臺(tái)區(qū)的線損水平，所以選擇線損率作為臺(tái)區(qū)線損的映射量[5]。在臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和用戶固定的前提下，考慮溫度對(duì)光伏的影響，以及光伏對(duì)線損影響的潛在可能，同時(shí)考慮與用戶相關(guān)的電量指標(biāo)，選取光伏發(fā)電量、平均溫度、相對(duì)濕度、供電量和售電量等進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，探索考慮分布式光伏接入的線損關(guān)聯(lián)因素。

以某實(shí)際配電臺(tái)區(qū)拓?fù)錇榛A(chǔ)，定義臺(tái)區(qū)1 有3個(gè)光伏用戶，光伏接入總?cè)萘繛?2kW；臺(tái)區(qū)2 有15 個(gè)光伏用戶，光伏接入總?cè)萘繛?5kW。對(duì)兩個(gè)臺(tái)區(qū)的光伏發(fā)電量、平均溫度、相對(duì)濕度、供電量、售電量和線損率因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，可得出以下結(jié)論：（1）供電量和售電量對(duì)線損率的關(guān)聯(lián)度比較大。（2）臺(tái)區(qū)1 光伏用戶少，光伏發(fā)電量較少，光伏發(fā)電量和平均溫度對(duì)線損率的關(guān)聯(lián)度都比較低(關(guān)聯(lián)度小于0.7)；臺(tái)區(qū)2 光伏用戶多，光伏發(fā)電量比較大，平均光伏發(fā)電量約占平均售電量的25%，光伏發(fā)電量和平均溫度對(duì)線損率的關(guān)聯(lián)度也較高(關(guān)聯(lián)度大于0.7)。

根據(jù)上述分析，光伏發(fā)電量的大小將影響光伏發(fā)電量對(duì)線損的影響程度，當(dāng)光伏發(fā)電量比較大的時(shí)候，光伏發(fā)電量對(duì)線損率的關(guān)聯(lián)度比較大，反之當(dāng)光伏發(fā)電量比較小的時(shí)候，光伏發(fā)電量對(duì)線損率的關(guān)聯(lián)度比較低。因此，在實(shí)際線損異常判別時(shí)，應(yīng)首先對(duì)臺(tái)區(qū)的情況進(jìn)行分析，再結(jié)合關(guān)聯(lián)度分析選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行離群點(diǎn)檢測(cè)，尋找線損異常的數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷臺(tái)區(qū)線損是否有異常的可能。

4.2 基于時(shí)間離散度的線損異常臺(tái)區(qū)判別

4.2.1 時(shí)間離散度計(jì)算

對(duì)于分布式光伏而言，其主要輸出電量為太陽(yáng)能電池板所接收的光能，而非電力系統(tǒng)內(nèi)部消耗的電能，其與電力系統(tǒng)內(nèi)部電能損耗之間存在一定的差異，因此在考慮分布式光伏對(duì)配電網(wǎng)線損分析影響時(shí)，應(yīng)首先考慮分布式光伏電量對(duì)線損分析的影響。

基于分布式光伏電量信息計(jì)算得到臺(tái)區(qū)線損時(shí)間離散度可表示為：

其中，nj為第j 簇的總天數(shù)；tk為數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

4.2.2 線損異常臺(tái)區(qū)判別

低壓臺(tái)區(qū)線損率是衡量低壓臺(tái)區(qū)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，具有明確的經(jīng)濟(jì)含義。由于其與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，可將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量與電能計(jì)量裝置計(jì)量的電量進(jìn)行疊加，從而形成綜合線損。通過(guò)綜合線損可以反映出分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能是否為用戶所用，從而進(jìn)一步判斷線損異常的原因[6]。

基于對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的分析，本節(jié)從以下兩個(gè)方面對(duì)低壓臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)進(jìn)行研究：

通過(guò)分析分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與臺(tái)區(qū)用戶用電之間的關(guān)系，得到臺(tái)區(qū)分布式光伏電量與臺(tái)區(qū)用戶電量之間的關(guān)系曲線。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，其在運(yùn)行過(guò)程中存在波動(dòng)，因此需要對(duì)其所發(fā)電能進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，將擬合后的電量和實(shí)際電量進(jìn)行對(duì)比，從而確定出分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能是否為用戶所用。對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。

異常系數(shù)是用來(lái)判斷一個(gè)臺(tái)區(qū)是否異常的，為方便比較，對(duì)臺(tái)區(qū)時(shí)間離散度量化處理。通過(guò)本文方法，并根據(jù)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)分析，參考以往文獻(xiàn)，當(dāng)異常系數(shù)大于0.5 時(shí)判定為異常臺(tái)區(qū)。臺(tái)區(qū)線損異常系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：x 為臺(tái)區(qū)線損異常系數(shù)；cj為第j 簇離群點(diǎn)所占總離群點(diǎn)的比重；tjmax為Tj的最大值；n 為總天數(shù)。

5 結(jié)論

由于低壓臺(tái)區(qū)線損率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在分布式光伏接入、電壓、電流互感器變比故障、配電變壓器故障等多種不確定因素，線損率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較弱。本文針對(duì)低壓臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)問(wèn)題，基于分布式光伏電量信息，分析了包含分布式光伏的低壓臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損異常辨識(shí)。