黃國政，黃孟哲，吳洪波，關華深，甘慶祥，胡圣青，詹一佳

(廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000)

配電網(wǎng)自動化在歐洲、日本等發(fā)達國家起步較早，在20世紀70年代，各種開關的遠程監(jiān)控設備和電量自動采集裝置已投入應用，特別是隨著計算機及通信技術的發(fā)展，形成了包括遠程監(jiān)控、故障隔離、負荷管理等功能在內(nèi)的配電網(wǎng)自動化技術[1]。IEEE刊物在1988年正式提出了配電網(wǎng)自動化的概念，標志著電網(wǎng)進入了配電網(wǎng)自動化階段。20世紀末期，地理信息系統(tǒng)(GIS)應用到配電自動化[2]，豐富了配電網(wǎng)自動化的內(nèi)涵，配電網(wǎng)自動化在不斷的發(fā)展中逐步完善。近幾年來發(fā)達國家都將電網(wǎng)的發(fā)展重心放在智能配電網(wǎng)上，不少國家的智能配電網(wǎng)圍繞分布式電源-微電網(wǎng)-主動配電網(wǎng)展開，配電網(wǎng)開關故障信息主動上送已成為了配電網(wǎng)自動化關鍵指標。這些國家由于自動化終端覆蓋率較高，配電網(wǎng)開關故障信息一般采用直采方式實現(xiàn)，少有根據(jù)配電變壓器(以下簡稱“配變”)失壓信號倒推開關故障這方面的技術研究。

在我國，配電網(wǎng)自動化最近幾年才剛剛起步，逐步在國內(nèi)電網(wǎng)建設中得到重視，水平不斷提升[3-26]。目前由于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的自動化開關終端覆蓋率普遍較低，大部分配電網(wǎng)開關故障信息無法實時采集得到，配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控人員無法及時指揮故障開關的處理，威脅到配電網(wǎng)的安全運行，降低了電網(wǎng)服務水平，影響電力用戶的安全用電。為了解決這個問題，國內(nèi)大部分的運行監(jiān)控系統(tǒng)(operation control system，OCS)主站系統(tǒng)都利用從計量自動化系統(tǒng)獲取的配變失壓信息來倒推故障開關；但目前采用的推斷策略都比較簡單，如普遍采用“開關失壓配變數(shù)≥X且失壓配變數(shù)/配變總數(shù)≥Y%”等策略，缺乏科學性。這些策略在實際使用中存在如下問題：

a)不同OCS主站系統(tǒng)中隨機出現(xiàn)的配變失壓誤信號的概率和開關故障時漏發(fā)或漏收配變失壓信號的概率差異較大，無法保證策略在各OCS主站系統(tǒng)中使用的效果；

b)開關所連接的配變計量終端的數(shù)量對推斷結果正確性的影響較大，而策略沒有考慮該因素；

c)當故障開關的上一級開關所帶的配變有失壓信號出現(xiàn)時，推斷上一級開關為故障開關，沒有進行量化評估；

d)設置的參數(shù)固定，僅憑經(jīng)驗設置定值，不具備隨使用環(huán)境而動態(tài)調(diào)整的功能，策略適應性差。

針對以上問題，對一年多來廣東電網(wǎng)江門供電局OCS主站系統(tǒng)開關故障事項推斷結果出現(xiàn)的誤判和漏判情況進行了分析，梳理出影響推斷結果的兩大主要原因如下：

a)計量自動化系統(tǒng)隨機出現(xiàn)的配變失壓誤信號造成誤判；

b)OCS主站系統(tǒng)漏收或計量自動化系統(tǒng)[5-16,27-29]漏發(fā)配變失壓信號造成漏判。

要從根本上解決這個問題，需要分別找出隨機出現(xiàn)的配變失壓誤信號造成誤判概率的準確計算方法，以及漏收或漏發(fā)配變失壓信號造成漏判概率的準確計算方法，并制訂動態(tài)量化評估的策略?？紤]到在實際使用過程中，如果頻繁出現(xiàn)誤判，會浪費電網(wǎng)維護的人力物力，也會使OCS主站的數(shù)據(jù)權威性受到影響，而漏判的產(chǎn)生會增加用戶的停電時間，影響電網(wǎng)的供電服務質(zhì)量；因此，從配電網(wǎng)運維的現(xiàn)狀來分析，認為策略的制訂應以能避免誤判為優(yōu)先條件考慮，同時盡量減少漏判來作為衡量標準。

基于以上分析，本文嘗試從以下方面進行探討：

a)定義誤判率P1、最大誤判率P1,max、漏判率P2和最小漏判率P2,min等概念；

b)探討動態(tài)評估、優(yōu)化定值P1,max和P2,min的方法；

c)找出P1和P2的正確算法；

d)探討動態(tài)獲取P1和P2算式中參數(shù)的方法；

e)制訂滿足更高實用化要求的、更準確的推斷規(guī)則。

1 指標定義

所定義的誤判率P1、漏判率P2、最大誤判率P1,max和最小漏判率P2,min概念為本文首次提出和描述，λ為泊松分布公式中需要用到的重要參數(shù)，ρ為組合概率公式中主要參數(shù)。這里對λ和ρ所進行的定義是針對本方法的具體化描述，不影響其在原公式的特性。

1.1 誤判率

誤判率P1是指單位時間(5 min，可設定)內(nèi)，OCS主站收到與某開關相連配變的計量終端所發(fā)的配變失壓信號個數(shù)為n時，根據(jù)算法算出收到的n個及以上配變失壓信號全部都是隨機出現(xiàn)的配變失壓信號的概率。該概率是造成誤判開關故障的主要原因。

1.2 漏判率

漏判率P2是指當某開關真的出現(xiàn)了故障，由于該開關相連配變的部分計量終端會漏發(fā)或OCS主站系統(tǒng)漏收配變失壓信號的情況，根據(jù)算法算出收不到n個及以上配變失壓信號而造成漏判的概率，該概率是造成漏判開關故障的主要原因。

1.3 最大誤判率

最大誤判率P1,max是指在倒推研判過程中，當計算出來的誤判率P1小于該值時，推出開關故障事件才可能為真，否則，判定該開關故障事件為假。該值的初始值由人工設置，初始值設置應按最大可接受誤推斷結果考慮(如每月最大可接受1次誤推斷結果，可設定為0.01%，詳細計算說明見下一章)。

為了避免誤判，同時提升成功率，減少漏判，倒推功能投入運行后，P1,max需具備動態(tài)調(diào)整功能。影響調(diào)整的因素有2個，分別為倒推正確率和倒推成功率：倒推正確率為開關故障倒推正確數(shù)除以開關故障倒推數(shù)總數(shù)，數(shù)據(jù)的采集時間段為計算開始前一段時間，時段間隔可設定(如取前1個月)，計算周期也可設定(一般為1 d)；倒推成功率為開關故障倒推數(shù)除以開關故障總數(shù)，數(shù)據(jù)的采集時間段和計算周期與倒推正確率相同。

動態(tài)調(diào)節(jié)目標為優(yōu)先滿足倒推正確率100%。當計算出的倒推正確率小于100%時，每次自動按設定的步長(可設0.001%)降低P1,max，直到倒推正確率達到100%；在保證倒推正確率100%的情況下，如成功率沒達到100%，則按設定的步長逐步提高P1,max，向成功率100%此目標靠近。受這2個調(diào)整因素的影響，P1,max值一直處在動態(tài)變化之中。

1.4 最小漏判率

最小漏判率P2,min是指在倒推研判過程中，當計算出來的漏判率P2大于該值時，推出開關故障事件才可能為真，否則，判定該開關故障事件為假。如P1,max一樣，該值也由人工設置初始值，初始值設置應按可接受漏判事件的最小值比率(如可接受10%的可能事件被漏判，則設定為10%)。

與P1,max調(diào)整一樣，動態(tài)調(diào)節(jié)目標為優(yōu)先滿足倒推正確率100%。當計算出的倒推正確率小于100%時，主站系統(tǒng)則自動按設定的步長(可設1%)提高P2,min，直到正確率達到100%；在保證正確率100%的情況下，可與P1,max同步調(diào)整，按設定的步長逐步降低P2,min，向成功率100%此目標靠近。因此，P2,min值也一直處在動態(tài)變化之中。

1.5 λ與ρ值

λ是泊松分布公式中需要用到的重要參數(shù)，是指單位時間(5 min，可設定)內(nèi)系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機配變失壓信號的平均數(shù)量，為計算方便，一般取整數(shù)，小數(shù)部分按四舍五入處理。隨機配變失壓信號是由計量終端故障或由于配變故障引起的，信號之間無關聯(lián)，也與開關運行狀態(tài)無任何聯(lián)系，是一種孤立信號。這些信號是通過調(diào)度監(jiān)控人員對OCS主站系統(tǒng)[6-11]收到的信號進行確認后而統(tǒng)計出來的，統(tǒng)計周期可以人工設定。例如取單位時間為5 min，統(tǒng)計周期為30 d，設在λ計算時刻前30 d內(nèi)其被確認的隨機配變失壓信號總數(shù)為T，采用四舍五入函數(shù)(ROUND函數(shù))[7,30]計算，則

λ=ROUND(T/(30×24×12),0).

(1)

λ的計算周期可以人工設定，計算周期不應設得太長，建議為1 d，最多不要超過1周。

ρ為收到失壓配變信號的準確率，是組合概率公式中主要參數(shù)，是指在統(tǒng)計周期內(nèi)，某開關發(fā)生故障后OCS主站系統(tǒng)收到該開關所連接配變的計量終端發(fā)出的配變失壓信號的總數(shù)量Ns，除以該開關所連接配變的數(shù)量NT與開關發(fā)生故障次數(shù)Nf的積，即

ρ=Ns/NTNf.

(2)

ρ的統(tǒng)計周期可人工設定，由于開關發(fā)生故障的機會不多，統(tǒng)計周期設定的時間間隔應相對長一些，一般應在60 d以上，具體需要根據(jù)OCS主站系統(tǒng)的配置情況而定。如果在設定的周期內(nèi)OCS主站系統(tǒng)沒有該開關發(fā)生故障事件，則以所有開關發(fā)生故障事件進行統(tǒng)計，ρ取平均值[9]，即

ρ=Nsa/∑NT,iNf,i.

(3)

式中：Nsa為所有發(fā)生故障開關配變失壓信號的總數(shù)量；NT,i為第i個發(fā)生故障開關所連接配變的數(shù)量；Nf,i為該開關發(fā)生故障次數(shù)。

ρ值對應著每臺開關，需要實時計算該值，即每次計算P2時，都需要先進行ρ值的計算，其統(tǒng)計對象為計算時刻前統(tǒng)計周期(60 d)內(nèi)數(shù)據(jù)。

2 誤判概率和漏判概率的算法

2.1 誤判率P1的算法

因計量自動化終端本身的故障或配變故障停電而隨機出現(xiàn)的配變失壓信號，在排除異常計量自動化終端(短時內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)誤信號)后，這些隨機出現(xiàn)的配變失壓信號的特征滿足泊松分布的3個特征要素[14-16,27-31]，具體如下：

a)隨機出現(xiàn)配變失壓信號為離散的孤立信號[14]；

b)在無限短的時間內(nèi)不會同時出現(xiàn)2個配變失壓信號；

c)出現(xiàn)隨機配變失壓信號的個數(shù)與時間成正相關。

因此，可通過泊松分布公式計算出故障開關推斷結果的P1，算出的P1越低，說明收到的信號為隨機出現(xiàn)的配變失壓信號的可能性越低，其真正出現(xiàn)故障的可能性就越高，該推斷結果的正確率越高。泊松分布公式[27]為

P(n)=λne-λ/n!.

(4)

式中：P(n)為出現(xiàn)n個失壓信號的概率；λ值由OCS主站系統(tǒng)按式(1)自動計算獲取。

在單位時間內(nèi)出現(xiàn)n個及以上隨機配變失壓信號的概率

P1(N≥n)=1-P(0)-P(1)-…-P(n-1).

(5)

式中N為出現(xiàn)配變失壓信號數(shù)量的取值。

設配電網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)所采集的配變數(shù)量為W臺，每臺配電網(wǎng)開關所連接的配變數(shù)為M臺，則其單位時間內(nèi)出現(xiàn)n個及以上隨機配變失壓信號的概率

P1(N≥n)=(1-P(0)-P(1)-…-

P(n-1))M/W.

(6)

例如：某配電網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)所采集的配變數(shù)量W=30 000，某臺配電網(wǎng)開關所連接的配變數(shù)量M=10，OCS主站系統(tǒng)自動計算出λ=2。根據(jù)式(6)，則可算出在5 min內(nèi)該配電網(wǎng)開關所連接配變隨機出現(xiàn)2個及以上配變失壓信號的概率

P1(N≥2)=(1-P(0)-P(1))×10/30 000=

0.019 8%.

如果選擇2個及以上失壓信號作為判斷故障開關，則1 d內(nèi)出現(xiàn)錯判開關故障的個數(shù)為288×0.019 8%=0.057，即平均17.5 d可能會出現(xiàn)1次誤判。同理，該配電網(wǎng)開關所連接配變3個及以上失壓信號的概率

P1(N≥3)=(1-P(0)-

P(1)-P(2))×10/30 000=0.010 8%.

如果選擇3個及以上失壓信號作為判斷故障開關，則1 d內(nèi)出現(xiàn)錯判開關故障的個數(shù)為288×0.010 8%=0.031，即平均32.2 d可能會出現(xiàn)1次誤判。

從上面的計算可得出，在配變總數(shù)為W、開關所帶配變平均數(shù)為M、單位時間隨機出現(xiàn)的配變失壓信號數(shù)為λ不變的情況下，取n值越大，出現(xiàn)的誤判機會就越低，即準確率越高。同時可得知出現(xiàn)P1與M值成反相關、與λ值成正相關。

由此可見，只根據(jù)配變失壓信號的個數(shù)來判別開關是否出現(xiàn)故障的方法存在較大的缺陷，本方法設置了P1,max，當獲得配變失壓信號個數(shù)n后，根據(jù)式(6)算出的P1小于P1,max時，才能判事件可能為真。

2.2 漏判率P2的算法

由式(6)可知，n值取得越大，算出的P1就會越小，越滿足減少誤判的條件；但是，由于存在開關故障時部分配變失壓信號會出現(xiàn)漏發(fā)和漏收的情況，失壓配變信號的數(shù)量n值取得越大，造成漏推開關故障的可能性就越高。計算推理如下：某開關所連M臺配變失壓、收到n個配變失壓信號的概率

(7)

某開關故障后同時收不到n個及以上配變失壓配變信號的概率

(8)

例如：取M=10，OCS主站系統(tǒng)自動計算出被倒推開關ρ值為0.6，可得開關故障后同時收不到2個及以上配變失壓信號的概率

同理，開關故障后同時收不到3個及以上配變失壓信號的概率

當改變M值時，P2的變化較大，如以開關故障后同時收不到2個及以上配變失壓信號的概率P2計算為例：

取M=2，被倒推故障開關ρ=0.6時，可得

取M=3，被倒推故障開關ρ=0.6時，可得

可見，在開關所帶配變數(shù)為M不變時，n值取得越大，P2越大；n不變時，M值取得越大，P2越小。事件的P2越大，說明該事件的真實性越高；因此，為了減少開關故障被漏判，需要設置的P2,min參與判斷，當獲得配變失壓信號的數(shù)量n后，根據(jù)式(8)算出的P2大于P2,min時，才能判事件可能為真實。

3 倒推規(guī)則及特點

3.1 倒推規(guī)則

本方法通過式(6)計算出開關故障事件動態(tài)誤判率P1，通過式(8)計算出其動態(tài)漏判率P2，根據(jù)P1和P2值推斷出開關故障事件的真實性。倒推規(guī)則具體如下：

a)當根據(jù)收到的某開關所連接的配變失壓信號數(shù)量計算出P1和P2，且分別滿足P1P2,min時，判該開關故障事件為真。

b)當同一線路的上下級開關出現(xiàn)的配變失壓信號同時達到a)所述倒推條件時，可判定上級開關為故障開關。

3.2 本方法的特點

a)系統(tǒng)單位時間出現(xiàn)配變失壓誤信號的平均數(shù)量λ和開關故障后其配變失壓信號的準確率ρ由OCS主站系統(tǒng)自動計算得出，不需要人工干預，其隨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量而動態(tài)變化，能適應不同的運行環(huán)境，保持最優(yōu)值。

b)用于計算λ和ρ值的單位時間、數(shù)據(jù)統(tǒng)計周期、計算周期，以及最大誤判率P1,max和最小漏判率P2,min的調(diào)整步長等可人工設置和調(diào)整。

c)開關故障后其配變失壓信號的ρ可針對單個開關進行計算，結果更加準確。

d)P1,max和P2,min值可根據(jù)倒推結果自動調(diào)整，達到最優(yōu)目標。

4 倒推示例及結果比對

對實際發(fā)生的以下案例進行分析，比對本方法倒推出的結果和常規(guī)方法倒推出的結果，可知本方法推出的結果更準確。2個示例的圖1和圖2中，灰色配變表示主站收到該配變的失壓信號。

4.1 示例1(單配變失壓)

單配變失壓單線圖如圖1所示，某OCS主站系統(tǒng)配變數(shù)量W=30 000，每5 min平均出現(xiàn)隨機配變失壓信號數(shù)量λ=2，P1,max=0.015%，P2,min=5%，開關A的配變數(shù)量M=2，配變失壓信號的準確率ρ=0.7。開關A出現(xiàn)故障后，主站收到其所連接的配變的失壓信號數(shù)量n=1。假設常規(guī)策略規(guī)定為“開關失壓配變數(shù)≥2且失壓配變數(shù)/配變總數(shù)≥30%”，分別采用常規(guī)方法和本方法推判開關A是否出現(xiàn)失電故障。

圖1 單配變失壓單線圖Fig.1 Voltage loss single wiring diagram of single distribution transformer

a)常規(guī)的方法推判：

由于只有1個配變失壓，不滿足“開關失壓配變數(shù)≥2”條件，則推判出開關A沒出現(xiàn)失電故障。此結果與實際情況不相符。

b)本方法推斷：

P1(N≥n)=(1-P(0))×M/W=

0.000 058<0.015%.

由于P1和P2分別滿足P1P2,min，判斷該開關故障事件為真，開關A出現(xiàn)了失電故障。此結果與實際情況相符。

實際上在上述數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，2個配變出現(xiàn)1個失壓信息，開關故障的可能性較大。由此可見，采用本方法可針對具體開關，考慮其所連接的配變個數(shù)進行個性化判斷，更加精準。

4.2 示例2(跨開關配變失壓)

跨開關配變失壓單線圖如圖2所示，某OCS主站系統(tǒng)配變數(shù)量W=30 000，每5 min平均出現(xiàn)隨機配變失壓信號數(shù)量λ=2，P1,max=0.015%，P2,min=5%，開關A的配變數(shù)量MA=3，開關B的配變數(shù)量MB=8，開關C的配變數(shù)量MC=14，配變失壓信號的準確率ρ=0.7。當開關B出現(xiàn)故障時，主站系統(tǒng)分別收到：開關A所連接的配變的失壓信號數(shù)量nA=1；開關B所連接的配變的失壓信號數(shù)量nB=5。經(jīng)計算，開關C所連接的配變的失壓信號數(shù)量nC=6。假設常規(guī)策略規(guī)定為“開關失壓配變數(shù)≥2且失壓配變數(shù)/配變總數(shù)≥30%”，分別采用常規(guī)方法和本方法判定哪個開關出現(xiàn)失電故障。

圖2 跨開關配變失壓單線圖Fig.2 Voltage loss single wiring diagram of switching distribution transformer

a)常規(guī)的方法推判：

開關A不滿足“開關失壓配變數(shù)≥2”條件；

開關B滿足“開關失壓配變數(shù)≥2且失壓配變數(shù)/配變總數(shù)≥30%”條件；

開關C滿足“開關失壓配變數(shù)≥2且失壓配變數(shù)/配變總數(shù)≥30%”條件。

判斷結論：開關B、C都滿足失電的推斷條件，開關C是開關B的上一級開關；因此，判斷開關C出現(xiàn)失電故障，開關A、B沒出現(xiàn)失電故障。此結果與實際情況不相符。

b)本方法推斷：

對于開關A，故障誤判率P1A和漏判率P2A分別為：

P1A(N≥1)=

(1-P(0))×MA/W=0.000 087<0.015%.

可知P1AP2,min。

對于開關B，故障誤判率P1B和漏判率P2B分別為：

P1B(N≥5)=(1-P(0)-P(1)-P(2)-

P(3)-P(4))×MB/W=0.000 014<0.015%.

0.28>5%.

可知P1BP2,min。

對于開關C，故障誤判率P1C和漏判率P2C分別為：

P1C(N≥6)=(1-P(0)-P(1)-P(2)-P(3)-

P(4)-P(5))×MC/W=0.000 008<0.015%.

可知P1CP2,min。

判斷結論：經(jīng)過計算，開關A、B、C中只有開關B滿足失電的推斷條件。

雖然配變失壓的范圍擴展到開關C，但它的漏判率沒有大于設定值，開關C未被推斷為故障開關，避免了由于誤判上級開關的錯誤。判定開關B出現(xiàn)失電故障是最切合實際的結果，與實際情況一致。

由此可見，采用本方法可避免由于故障開關以外的配變出現(xiàn)失壓信號而導致的誤判，使得結果更加準確。

5 結束語

在OCS主站系統(tǒng)，通過配變失壓信號倒推開關故障是一種多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理的方法，也是對大數(shù)據(jù)挖掘利用的成功案例；但由于處于起步階段，采用的策略還不夠完善，本方法的提出也只是作為一種探索，希望通過引入誤判率和漏判率概念，建立數(shù)學模型，制訂切合實際的規(guī)則，采用動態(tài)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和獲取方法，使得本方法能適用不同的主站系統(tǒng)，推斷的結果越來越準確。今后將在應用過程中不斷完善本方法，提高OCS主站系統(tǒng)根據(jù)配變失壓信號倒推開關故障的準確性，從而提高配電網(wǎng)的調(diào)度監(jiān)控和供電服務水平。