霍 健 ，施冬明 ，鄭 雷 ，王 亮 ，盧 恒

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著用戶對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，配電網(wǎng)調(diào)控人員需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理配電系統(tǒng)中供電的各種異常及故障。但由于現(xiàn)代配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，配電自動(dòng)化終端無(wú)法遍及每一個(gè)設(shè)備，且配電設(shè)備、配電自動(dòng)化終端和通信網(wǎng)絡(luò)一般工作在戶外惡劣環(huán)境下［1］，在實(shí)際運(yùn)行中存在大量分支線失電、配變失電等故障，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)及配電自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到。針對(duì)這一類故障，利用配電線路負(fù)荷突變進(jìn)行故障預(yù)警是行之有效的方案；但配電線路負(fù)荷特性及負(fù)荷突變?cè)虻亩鄻有?，使得確定合理的負(fù)荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負(fù)荷突變進(jìn)行分支線失電、配變失電等故障告警的方法，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在配電網(wǎng)故障預(yù)警及診斷方面，文獻(xiàn)［2-3］提出了利用負(fù)荷變化進(jìn)行故障預(yù)警及辨識(shí)的方法；文獻(xiàn)［4-7］探討了利用電壓、電流等電氣量的變化情況，在無(wú)保護(hù)信息情況下進(jìn)行故障預(yù)警及定位的建模及實(shí)現(xiàn)方式。在配電系統(tǒng)負(fù)荷分析方面，文獻(xiàn)［8-9］將概率負(fù)荷分析等方法應(yīng)用于配電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)，為利用概率負(fù)荷分析確定負(fù)荷突變告警策略提供了參考。

本文在分析配電線路負(fù)荷特性及配電系統(tǒng)負(fù)荷突變?cè)虻幕A(chǔ)上，提出了基于負(fù)荷突變的配電系統(tǒng)故障預(yù)警方法?；诟怕守?fù)荷分析確定負(fù)荷突變量告警值；利用非同期賦值法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化量的采集與計(jì)算；通過(guò)合理設(shè)置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了該功能的開發(fā)與應(yīng)用。通過(guò)對(duì)濟(jì)南地區(qū)實(shí)際負(fù)荷突變告警案例及其原因的分析，證明了該方法對(duì)分支線失電、配變失電等無(wú)告警信息的配電系統(tǒng)故障，能夠有效地實(shí)現(xiàn)告警，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

1 配電系統(tǒng)負(fù)荷突變?cè)蚍治?/h2>

1.1 配電線路負(fù)荷特性分析

我國(guó)絕大部分的中壓配電系統(tǒng)以6~20 kV的配電線路為主構(gòu)成，根據(jù)負(fù)荷大小及其變化規(guī)律的不同，可大致分為三類［10］。

第一類，以居民用電、一般工商業(yè)負(fù)荷為主。負(fù)荷曲線隨時(shí)間變化比較平緩，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，其日、周負(fù)荷曲線如圖1所示，絕大部分城區(qū)配電線路負(fù)荷具有此類負(fù)荷特性。

圖1 常規(guī)10 kV線路日、周負(fù)荷曲線

第二類，負(fù)荷有較強(qiáng)的沖擊性，此類負(fù)荷一般為特殊的工業(yè)負(fù)荷。受沖擊性負(fù)荷影響，負(fù)荷曲線波動(dòng)較大，具有明顯的沖擊特性，其日、周負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 沖擊性較強(qiáng)負(fù)荷日、周負(fù)荷曲線

第三類，小負(fù)荷線路，其線路電流值在10 A以內(nèi)，且波動(dòng)較小，此類線路多為備用線路，其日、周負(fù)荷曲線如圖3所示。

圖3 沖擊性較強(qiáng)負(fù)荷日、周負(fù)荷曲線

具備上述第二類負(fù)荷特性的配電線路，多為特殊工業(yè)用戶的專用線路；具備第三類負(fù)荷特性的配電線路多為備用線路，因此，研究基于負(fù)荷突變的配電線路故障預(yù)警，主要針對(duì)第一類負(fù)荷特性的配電線路。

1.2 配電線路負(fù)荷突變?cè)蚍治?/h3>

配電線路發(fā)生分支線失電、配變失電等調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到的故障，反映在配電線路的負(fù)荷變化象征為負(fù)荷突然降低，對(duì)于以居民用電、一般工商業(yè)負(fù)荷為主，負(fù)荷曲線變化比較平緩的第一類配電線路，造成負(fù)荷突降主要有7種原因，造成配電線路負(fù)荷突降的原因、負(fù)荷變化情況及告警信號(hào)如表1所示。

表1 配電線路荷突降原因

表1中造成配電線路負(fù)荷突降的7種情況，前4種有告警信號(hào)，第5種、第7種無(wú)告警信號(hào)，對(duì)于第6種分支線跳閘的情況，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化功能的線路有告警信號(hào)，未實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化功能或配網(wǎng)自動(dòng)化功能異常的線路，無(wú)告警信號(hào)。

對(duì)于無(wú)告警信號(hào)的分支線跳閘、配變故障及主網(wǎng)故障沖擊造成的低壓用戶脫扣等情況，調(diào)控人員無(wú)法通過(guò)原有的集中監(jiān)控信息在第一時(shí)間獲得故障及異常信息，造成用戶長(zhǎng)時(shí)間停電，因此，迫切需要針對(duì)上述無(wú)告警的負(fù)荷突降情況制定告警策略，增設(shè)告警信號(hào)。

2 基于概率分析的負(fù)荷突變告警策略

利用負(fù)荷突變進(jìn)行配電系統(tǒng)故障告警，核心問(wèn)題是區(qū)別配電線路正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷變化和故障及異常時(shí)的負(fù)荷變化。對(duì)于圖1所示的具有第一類負(fù)荷特性的配電線路，利用概率負(fù)荷分析可以歸納其正常運(yùn)行情況下負(fù)荷變化的規(guī)律，從而確定負(fù)荷突降告警定值。

2.1 負(fù)荷變化量的概率分析

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)配電線路負(fù)荷數(shù)據(jù)每隔時(shí)間Δt保存一次，記為 i1、i2、i3……in。 則該線路的負(fù)荷變化變量序列 Δi可表示為：Δi=［i2-i1，i3-i2，…，in-in-1］；由于配電網(wǎng)支線故障均反應(yīng)為負(fù)荷突降，因此針對(duì)線路負(fù)荷變量序列中Δi數(shù)值小于零的部分進(jìn)行分析研究，記為序列 Δi＜0，滿足：

記負(fù)荷變量序列中數(shù)值小于零的部分序列Δi＜0絕對(duì)值為配電線路負(fù)荷跌落量， 以 Δi′表示，即Δi′=|Δi＜0|。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］中“元胞負(fù)荷”的概念，可將每條配電線路作為一個(gè)負(fù)荷元胞。統(tǒng)計(jì)每個(gè)元胞在一段時(shí)期內(nèi)負(fù)荷跌落量Δi′的概率，并將這些概率值根據(jù)對(duì)應(yīng)元胞負(fù)荷跌落量的大小來(lái)排序，所得到的離散序列可形成一條曲線，這條以元胞負(fù)荷跌落量Δi′為橫軸、以其概率p（Δi′）k為縱軸的曲線就是該元胞負(fù)荷跌落值的概率譜曲線。元胞負(fù)荷跌落值出現(xiàn)的概率為

式中：ni表示大小為Δi′k的負(fù)荷跌落值在該統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)；N為不同Δi′k的總個(gè)數(shù)。

將元胞負(fù)荷跌落值的概率譜曲線p（Δi′）作為元胞負(fù)荷跌落值Δi′的概率密度函數(shù)，則可以根據(jù)p（Δi′）求取 Δi′的累積概率分布函數(shù) F（Δi′）式中：F（Δi′m）為元胞負(fù)荷跌落值 Δi′落在［0，i′m］之間的概率。

2.2 負(fù)荷突降告警值

對(duì)圖1所示常規(guī)負(fù)荷特性的配電線路，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)其一定時(shí)期內(nèi)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）求取Δi＜0及負(fù)荷跌落量序列Δi′。將每條配電線路作為一個(gè)負(fù)荷元胞，利用式（2）獲取配電線路負(fù)荷跌落量譜曲線，求得該配電線路各負(fù)荷跌落值的概率p（Δi′）k。 根據(jù)其正態(tài)分布規(guī)律，可以確定合理的負(fù)荷突降告警值。

為正確區(qū)分負(fù)荷突降與正常負(fù)荷波動(dòng)，同時(shí)考慮減少無(wú)效告警信息，控制新增負(fù)荷突降告警后的信號(hào)監(jiān)控量，取累積概率分布函數(shù) F（Δi′m）=0.9 時(shí)的負(fù)荷突降值Δi′m作為負(fù)荷突降告警限值。即

Δi′alam=Δi′｛F（Δi′）=0.9｝ （4）

根據(jù)式（4），負(fù)荷突降限值的求取步驟為：選取配電線路一段時(shí)期內(nèi)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)前后每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行作差，選取差值為負(fù)的作為該線路負(fù)荷突降的樣本庫(kù)，并對(duì)該樣本庫(kù)進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，生成其負(fù)荷跌落值的概率譜曲線。確定概率分布在90%以內(nèi)的負(fù)荷突降為正常負(fù)荷波動(dòng)，并將該負(fù)荷突降數(shù)值確定為負(fù)荷突降越限告警限值Δi′alarm。

3 基于負(fù)荷突變的配電系統(tǒng)故障預(yù)警實(shí)現(xiàn)

在確定負(fù)荷突變告警策略及告警值的基礎(chǔ)上，在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)該故障預(yù)警的實(shí)際應(yīng)用，需解決兩個(gè)問(wèn)題。一是配電線路負(fù)荷變化量的采集，二是針對(duì)表1中第1項(xiàng)至第5項(xiàng)非故障原因造成或有其他對(duì)應(yīng)告警信號(hào)的負(fù)荷突降，抑制負(fù)荷突降告警信號(hào)的發(fā)出，以避免無(wú)效的告警信息。

在調(diào)度自動(dòng)化（EMS）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電線路負(fù)荷變化量的采集，最直接的方法是將其當(dāng)前時(shí)刻電流采樣數(shù)據(jù)與上一次采樣數(shù)據(jù)作差，但由于EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)法與歷史數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計(jì)算［11］，因此利用“非同期賦值法”求取配電線路負(fù)荷變化量。

一般情況下EMS系統(tǒng)對(duì)配電線路負(fù)荷電流量采樣間隔為300 s，針對(duì)需設(shè)置負(fù)荷突變告警的配電線路，設(shè)置變量 i（1）、i（2）、i（3），將線路電流實(shí)時(shí)采樣值賦予 i（1）、i（2），其中 i（1）的采樣周期 T1為 150 s，i（2）的采樣周期 T2為常規(guī)的 300 s，以 i（1）的采樣周期 T1為周期對(duì)實(shí)時(shí)采樣值 i（1）、i（2）做差，賦予 i（3），即

i（3）的計(jì)算原理如圖 4 所示。

圖4 “非同期賦值法”計(jì)算負(fù)荷電流變化量

對(duì)于將每個(gè)采樣周期計(jì)算的 i（3）組成的序列 i（3）=［i（3）1，i（3）2，i（3）3……］，由式（5）及圖4可知，i（3）2n-1=0，i（3）2n為有效的配電線路負(fù)荷變化量采樣值。因此，配電線路負(fù)荷跌落量 Δi′為

圖5 配電線路負(fù)荷突降告警信號(hào)生成、抑制及輸出流程

根據(jù)調(diào)度運(yùn)行需求，對(duì)表1中第1項(xiàng)至第6項(xiàng)中非故障原因造成或有其他對(duì)應(yīng)告警信號(hào)的負(fù)荷突降，需設(shè)置告警信號(hào)閉鎖，抑制負(fù)荷突降告警信號(hào)的發(fā)出。排除沖擊性負(fù)荷及小負(fù)荷線路，針對(duì)圖1所示常規(guī)負(fù)荷線路，若通過(guò)實(shí)時(shí)電流采樣值計(jì)算得到的Δi′＞Δi′alarm，需針對(duì)表 1 中第 1～6 種情況設(shè)置相對(duì)應(yīng)信號(hào)對(duì)負(fù)荷突降告警的抑制。其中，第5項(xiàng)合環(huán)調(diào)負(fù)荷的告警抑制條件為配電自動(dòng)化系統(tǒng)合環(huán)操作信號(hào)。配電線路負(fù)荷突降告警信號(hào)生成、抑制及輸出流程如圖5所示。

4 實(shí)例分析

以濟(jì)南地區(qū)10 kV梓軌線支線故障造成負(fù)荷突降為例，分析說(shuō)明本文所述故障告警策略實(shí)現(xiàn)過(guò)程及告警策略的有效性。

圖6 10 kV梓軌線元胞負(fù)荷跌落值的概率譜曲線

某日，由于配網(wǎng)自動(dòng)化無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)閉，10 kV梓軌線支線開關(guān)遙信位置信號(hào)、變位信號(hào)、跳閘信號(hào)均無(wú)法上傳至主站，調(diào)控人員無(wú)法通過(guò)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視線路支線故障。因此，以線路負(fù)荷突變告警作為支線故障判據(jù)。

首先以10 kV梓軌線一段時(shí)期內(nèi)負(fù)荷跌落歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用式（2）繪制其元胞負(fù)荷跌落值的概率譜曲線如圖 6所示。 根據(jù)式（3）、式（4），結(jié)合圖 6，可知對(duì)于該元胞負(fù)荷跌落值的概率分布函數(shù)F=0.9時(shí)對(duì)應(yīng)的電流跌落量Δi′為7.1 A。由此可確定對(duì)于10 kV 梓軌線，Δi′alarm=7.1A。

圖7 10 kV梓軌線負(fù)荷突降告警報(bào)文

確定負(fù)荷突變告警值后，在EMS系統(tǒng)設(shè)置該告警信號(hào)，利用非同期賦值法實(shí)時(shí)采集10 kV梓軌線電流跌落量，根據(jù)圖5所示流程生成并輸出告警信號(hào)。告警信號(hào)報(bào)文如圖7所示。

為檢驗(yàn)負(fù)荷突降告警的有效性和正確性，將當(dāng)日10 kV梓軌線實(shí)際負(fù)荷曲線與其典型負(fù)荷曲線對(duì)比如圖所示8所示。可以看出圖6中負(fù)荷突降告警信號(hào)與圖8中配電線路實(shí)際發(fā)生的三次非正常負(fù)荷跌落吻合。通過(guò)運(yùn)維人員巡視發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日10 kV梓軌線3次負(fù)荷突降均為線路發(fā)生支線故障造成，由此看出，在無(wú)支線故障信息情況下，所述負(fù)荷突變告警策略準(zhǔn)確有效地對(duì)線路的支線故障做出了告警，避免了分支線故障造成的用戶長(zhǎng)時(shí)間失電，提高了故障點(diǎn)查找及恢復(fù)供電的效率。

圖8 10 kV梓軌線當(dāng)日負(fù)荷曲線與典型負(fù)荷曲線對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)及配電自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到的分支線失電、配變失電等配電系統(tǒng)故障，配電線路負(fù)荷突變是有效的判別依據(jù)。但配電線路負(fù)荷特性及負(fù)荷突變?cè)虻亩鄻有裕沟么_定合理的負(fù)荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負(fù)荷突變進(jìn)行故障告警的方法有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在分析配電系統(tǒng)負(fù)荷突變?cè)虻幕A(chǔ)上，提出了基于負(fù)荷突變的配電系統(tǒng)故障預(yù)警方法并實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用?；诟怕守?fù)荷分析確定負(fù)荷突變量告警值；利用非同期賦值法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化量的采集與計(jì)算；通過(guò)合理設(shè)置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該功能的開發(fā)和應(yīng)用。在濟(jì)南地區(qū)10 kV梓軌線實(shí)際案例分析中，線路三次支線故障，該方法均準(zhǔn)確檢測(cè)并可靠發(fā)出告警信號(hào)，證明了該方法可以利用配電線路負(fù)荷突變對(duì)配電系統(tǒng)的分支線失電、配變失電等故障可靠地告警，從而避免用戶長(zhǎng)時(shí)間停電，提高故障點(diǎn)查找及恢復(fù)供電的效率。

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