楊小磊，路軼，陳剛，胡佳佳，周哲民

(1.國網(wǎng)四川省電力公司,成都 610041； 2.國網(wǎng)資陽供電公司, 四川 資陽 641300； 3.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

0 引 言

當(dāng)下，配電網(wǎng)絡(luò)在我國迅速發(fā)展、更新?lián)Q代[1-6]，同時，由于配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，線路電力設(shè)備繁多，配電網(wǎng)絡(luò)所面臨的過電壓問題逐漸突出，設(shè)備運(yùn)行故障時有發(fā)生[7-9]。目前學(xué)者已越來越多關(guān)注對各種配電網(wǎng)運(yùn)行問題開展快速和有效的監(jiān)測控制，從而可以減少停電造成的經(jīng)濟(jì)損失[10-11]。

當(dāng)前，運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，配電網(wǎng)運(yùn)行中重過載、設(shè)備低電壓、線損等問題依舊突出[12-14]。針對部分線路(包括配網(wǎng)饋線段)僅在波峰時段出現(xiàn)短時重載或過負(fù)荷的情況，如何對此類異常運(yùn)行情況進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線路負(fù)荷分配調(diào)整，使運(yùn)行曲線畫像更優(yōu)化，提出最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線控制策略成為眾多學(xué)者的研究重點。

此外，如何根據(jù)已知低電壓類型特征，使用低電壓模式識別方法，篩選可通過轉(zhuǎn)供或改變負(fù)荷分配等解決的線路低電壓問題類型。如何針對配網(wǎng)畫像中線損較高的線路，調(diào)整部分高負(fù)荷、長時間、長距離線路供電策略，提高設(shè)備利用率，降低線損均為當(dāng)下配電網(wǎng)運(yùn)行中急需解決的問題。

一些學(xué)者已經(jīng)分別對上述問題進(jìn)行了研究分析，文獻(xiàn)[15-16]對配電網(wǎng)低電壓的問題提出處理措施，例如，做到分批、全面地對該線路所配變壓器運(yùn)行檔位進(jìn)行排查與建檔；加強(qiáng)低電壓用戶的負(fù)荷需求管理，裝設(shè)配變綜合監(jiān)測儀；采用相應(yīng)的并聯(lián)補(bǔ)償及串聯(lián)補(bǔ)償方案等措施。文獻(xiàn)[17-20]對線損計算與降損技術(shù)措施進(jìn)行了研究，研究者分別提出了基于深度學(xué)習(xí)的，以及基于改進(jìn)K-Means聚類和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的臺區(qū)線損率計算方法?；诖?，提出優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式、增加無功補(bǔ)償裝置、合理分配電流密度、減少高耗能設(shè)備使用、加強(qiáng)低壓線路三相負(fù)荷平衡管理和諧波治理等節(jié)能降損措施。但如何考慮重過載、低電壓、線損問題的多種運(yùn)行方式下的最優(yōu)選擇仍沒有文獻(xiàn)進(jìn)行深入研究。

基于此，本文充分利用營銷用系統(tǒng)配變負(fù)荷數(shù)據(jù)、用戶行業(yè)分類，主配一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼芭渚W(wǎng)相關(guān)運(yùn)行信息，拓展調(diào)控云大饋線精準(zhǔn)負(fù)荷畫像并完善配電網(wǎng)多級畫像功能。最后提出考慮重過載、低電壓、線損問題的多種運(yùn)行方式下的最優(yōu)選擇，并給出案例分析。

1 精準(zhǔn)配網(wǎng)多級畫像

本文目的在于研究基于歷史大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)負(fù)荷畫像方法。具體言之，基于海量仿真數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用人工智能方法，根據(jù)負(fù)荷的類型和負(fù)荷特性指標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷畫像的特征提?。桓鶕?jù)負(fù)荷的調(diào)控能力分類進(jìn)行畫像，包括強(qiáng)可調(diào)控、弱可調(diào)控、不可調(diào)控幾種類型。根據(jù)負(fù)荷畫像標(biāo)準(zhǔn)和畫像特征，以決策樹方法進(jìn)行多級分類，通過聚類等方法進(jìn)行精細(xì)化分類。

1.1 數(shù)據(jù)來源

(1)用采系統(tǒng)：配變的P 、Q、 三相電壓電流值(歷史值)。

(2)營銷系統(tǒng)：配變基礎(chǔ)臺賬，行業(yè)分類。

(3)主配一體化系統(tǒng)：配變與大饋線對應(yīng)關(guān)系，線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系，遙信位置。

(4)調(diào)控云：線路及配變基本參數(shù)

(5)供服系統(tǒng)：重過載、低電壓臺區(qū)等。

(6)open3000系統(tǒng)：10 kV母線電壓、站內(nèi)開關(guān)P、Q、I。

(7)同期系統(tǒng)：線損信息。

數(shù)據(jù)需做如下準(zhǔn)備：

(1)需將用采系統(tǒng)配變與主配一體化系統(tǒng)配變對應(yīng)，采集值處理成高壓側(cè)值，異常值需排除，空值需處理。

(2)需提供供服系統(tǒng)與oms系統(tǒng)接口，以便將異常運(yùn)行信息、敏感用戶信息等上傳至調(diào)控云。供服系統(tǒng)統(tǒng)計的配變異常運(yùn)行信息需與主配一體化體系配變對應(yīng)。本文以宜賓地區(qū)為例，展示數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。分別為網(wǎng)損統(tǒng)計、過載設(shè)備統(tǒng)計、重載設(shè)備統(tǒng)計和低壓設(shè)備統(tǒng)計。

1.2 實現(xiàn)平臺

目前配網(wǎng)設(shè)備已結(jié)構(gòu)化上調(diào)控云，主配一體化系統(tǒng)的遙信值通過人工置位上傳至調(diào)控云，調(diào)控云圖計算及負(fù)荷畫像功能可結(jié)合線路拓?fù)潢P(guān)系分析負(fù)荷特征，潮流計算可在調(diào)控云上部署實施，后續(xù)在調(diào)控云維護(hù)線路和配變的參數(shù)信息后，分析程序可基于調(diào)控云部署實施。精準(zhǔn)配網(wǎng)多級畫像實現(xiàn)平臺如圖1所示。

圖1 精準(zhǔn)配網(wǎng)多級畫像實現(xiàn)平臺

1.3 基于運(yùn)行特性的配網(wǎng)多級精準(zhǔn)畫像方法

本文以已有的調(diào)控云提供的負(fù)荷成分畫像為基礎(chǔ)，結(jié)合配電網(wǎng)運(yùn)行特性分析與歷史數(shù)據(jù)庫，豐富并完善針對運(yùn)行特征的配網(wǎng)多級精準(zhǔn)畫像，可將配網(wǎng)分解為配變、饋線和變電站等逐級設(shè)備進(jìn)行分別畫像，并形成靜態(tài)畫像部分和動態(tài)畫像部分。

由于負(fù)荷特性是引起配網(wǎng)運(yùn)行問題的主要對象，因此負(fù)荷的畫像以配變?yōu)閱挝?，在分類畫像中完善?fù)荷特性指標(biāo)，比如可包括不同時間尺度的最大(小)負(fù)荷、平均負(fù)荷、峰谷差、負(fù)荷率、最小負(fù)荷率等；同時分類進(jìn)行負(fù)荷變化的影響因素畫像，比如可定義為溫度敏感性負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)敏感性負(fù)荷、價格敏感性負(fù)荷、政策敏感性、節(jié)假日敏感性等；分類進(jìn)行調(diào)控能力畫像，比如強(qiáng)可調(diào)控、弱可調(diào)控、不可調(diào)控等。還可考慮與檢修營銷策略相關(guān)的畫像。負(fù)荷畫像的主要方法是確定畫像評價標(biāo)準(zhǔn)，以決策樹方法進(jìn)行多級分類，通過聚類方法進(jìn)行精細(xì)化分類。負(fù)荷固有屬性的變化隨時間的變化比較小，將其定義為靜態(tài)畫像。

下面以配電網(wǎng)用戶用電行為為例，給出靜態(tài)畫像的相關(guān)模型。用電行為的畫像核心是獲得用戶用電的特征，即通過真實的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析：

(1)

式中SSE表示傳統(tǒng)的誤差平方和計算方法；k表示該劃分中的個體數(shù)量；ci表示第i個劃分；x表示ci中的個體；mi表示樣本均值。

式(1)描述了樣本分類過程中的計算準(zhǔn)則，然后使用K-means聚類算法能夠獲得具有多個特征的聚類。

在傳統(tǒng)K-means聚類算法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用最大熵原理來進(jìn)行特征精細(xì)化過濾，隨機(jī)變量x的計算熵為：

(2)

式中Ω為隨機(jī)變量x取值集合；p(x)為隨機(jī)變量x的概率。

在傳統(tǒng)K-means聚類分類d中，所有用戶特性的熵為：

(3)

式中Nd表示分類總數(shù)；Mi表示第i個分類的總樣本，M表示總樣本。

獲得用戶特性熵后，可以計算特征ti與用戶類別之間的最大相關(guān)信息熵D(s,d)：

(4)

式中Muv表示特征ti在分類v中的總樣本；I(ti,d)表示S中的特征ti與分類d之間的信息相關(guān)度；S表示經(jīng)過篩選后的最優(yōu)特征集；NS表示該集合中的特征數(shù)量。

獲得式(4)后可以辨別特征與分類之間的信息相關(guān)度，進(jìn)而定義相關(guān)系數(shù)ρ(ti,tj)：

(5)

式中cov(ti,tj)表示特征ti和tj的協(xié)方差；ρti和ρtj分別為特征ti和tj的標(biāo)準(zhǔn)差。

用相關(guān)系數(shù)來表示特征之間的關(guān)系，還需要從最優(yōu)的角度進(jìn)行去除分類內(nèi)的冗余，因此要設(shè)置冗余指標(biāo)：

(6)

結(jié)合式(5)和式(6)，可以獲得最優(yōu)特征分類：

I=max{D(S,d)-R(S)}

(7)

利用人工智能中的深度學(xué)習(xí)方法求解式(7)后即可得到用戶用電特征的最優(yōu)分類，從而形成用戶用電特征畫像。

在負(fù)荷畫像基礎(chǔ)上，運(yùn)用配網(wǎng)運(yùn)行特性的分析，有針對性地根據(jù)異常運(yùn)行狀態(tài)分級對配變、饋線和變電站進(jìn)行逐級畫像，比如配變重載、過載、低電壓等屬性畫像，饋線過載、低電壓、高線損等屬性畫像，變電站負(fù)荷高密度、聯(lián)絡(luò)不足等屬性畫像。對于某些可量化的指標(biāo)可采用層次分析法等評價歸類，對于不可完全量化的指標(biāo)可采用模糊聚類等方法進(jìn)行歸屬。與運(yùn)行相關(guān)的畫像可能由于運(yùn)行方式改變而變化，可定義為動態(tài)畫像。

通過配網(wǎng)精準(zhǔn)畫像，可明確各級配網(wǎng)的運(yùn)行狀況，為精準(zhǔn)優(yōu)化調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

2 配網(wǎng)運(yùn)行問題解決方法

2.1 線路重過載問題

線路重過載包括變電站10 kV出線重過載和配網(wǎng)饋線段重過載。變電站10 kV出線重載即線路負(fù)載電流達(dá)到70%的CT(電流的互感器)額定值1小時及以上，過載即線路負(fù)載電流超過CT額定值；配網(wǎng)饋線段重載即該段線路的負(fù)載電流達(dá)到70%的額定載流量1小時及以上，過載即負(fù)載電流大于該段線路額定載流量。

線路供電半徑不合理、線徑較小、負(fù)荷較為集中、用電負(fù)荷較大等均會引起線路重過載，會影響線路的供電能力?？啥ㄎ痪€路重過載區(qū)段，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行負(fù)荷畫像，進(jìn)行分類解決。

如可調(diào)整其所在配網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)或負(fù)荷分配改善重過載問題。

(1) 負(fù)荷波動導(dǎo)致的線路短時過載。

如圖2所示運(yùn)行方式， L3斷開，根據(jù)負(fù)荷曲線，A線路在t1～t2時刻出現(xiàn)短時過載。

圖2 線路重過載

①可結(jié)合配網(wǎng)拓?fù)鋵ε渥兙珳?zhǔn)畫像，定位區(qū)域T5配變在t1，t2的相鄰時刻t1′，t2′時刻與A線路負(fù)荷曲線高度擬合，可能是引起A線路(饋線段)短時過負(fù)荷的主要原因；

②可通過負(fù)荷畫像定位t1′，t2′時刻負(fù)荷增長過多的配變，若此類配變較為集中，考慮改變運(yùn)行方式，如增設(shè)斷開點。

改變運(yùn)行方式，將T5區(qū)域倒換方式至B線路供電：合上L3,斷開L2。通過對T3、T4、T5區(qū)域負(fù)荷畫像，得到B線路新的負(fù)荷曲線，對比線路參數(shù)，判斷是否會過負(fù)荷。通過對T1、T2區(qū)域負(fù)荷畫像，得到A線路新的負(fù)荷曲線，若均不過載，可調(diào)換運(yùn)行方式，解決A線路短時過載問題。

(2)配變重載。

進(jìn)行單臺配變負(fù)荷畫像，對負(fù)荷超過80%額定容量2小時及以上的配變根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行定位，查找負(fù)荷密集區(qū)，解決由于配變布點不足引起的配變重過載問題。

以變電站10 kV出線過載為例，給出配網(wǎng)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法。

變電站出線過載后，要及時切除過載部分，因此配網(wǎng)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程包含兩部分：未過載配網(wǎng)區(qū)域的最大化恢復(fù)供電、失電網(wǎng)絡(luò)的失負(fù)荷量最小。

未過載配網(wǎng)區(qū)域的最大化恢復(fù)供電模型為：

(8)

失電網(wǎng)絡(luò)的失負(fù)荷量最小模型如下：

(9)

式中βj表示節(jié)點j的負(fù)荷比例系數(shù)；Pjd和Qjd分別表示節(jié)點j的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷。

式(9)中還應(yīng)該服從式(8)中的約束條件。求解式(8)和式(9)是二層規(guī)劃求解問題，利用傳統(tǒng)非線性規(guī)劃求解法即可以獲得最優(yōu)解。

2.2 低電壓問題

(1)使用配變低電壓模式識別方法，即對各配變進(jìn)行畫像，對比已知低電壓類型配變畫像，區(qū)分引起配變低電壓的原因，分類解決。已知配變低電壓類型：

①中性點未接地;

②三相負(fù)荷不平衡;

③配變檔位不合理;

④配變重過載或負(fù)荷集中區(qū);

⑤供電半徑不合理;

⑥大工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷;

⑦其他。

對于前三類低電壓問題，可協(xié)調(diào)運(yùn)檢營銷解決，對于④、⑤、⑥類低電壓問題，對此類配變通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行定位，對存在多臺配變低電壓的區(qū)域進(jìn)行分析。對于前三類低電壓問題，本文給出案例處理結(jié)果如下：首先通過篩選用采數(shù)據(jù)，獲取出現(xiàn)過的所有低電壓時刻，進(jìn)一步，獲取低電壓最嚴(yán)重的配變，咨詢調(diào)度人員低電壓參考值，輸出低壓曲線與實際電壓的對比。

通過篩選出的配變在低電壓時刻點進(jìn)行調(diào)整檔位或者投入電容器查看是否對電壓造成影響。最后在每一個低電壓時刻驗證調(diào)整后可改善電壓輸出策略內(nèi)容展示。

(2)供電半徑不合理導(dǎo)致的低電壓問題。

如圖3所示，運(yùn)行方式1為A線路與B線路間聯(lián)絡(luò)開關(guān)L3斷開，配變區(qū)域T5出現(xiàn)低電壓。

圖3 運(yùn)行方式1

若改變運(yùn)行方式，如圖4所示，以方式2運(yùn)行時，通過潮流計算，可得到T5新的電壓值，可判斷是否解決低電壓問題。

圖4 運(yùn)行方式2

(3)大工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷引起的低電壓問題。

針對負(fù)荷性質(zhì)復(fù)雜的線路，尤其是工業(yè)性質(zhì)負(fù)荷占比較高的聯(lián)絡(luò)線，通過負(fù)荷畫像，對無功分布情況、電壓降落情況進(jìn)行分析。從而選擇合理的斷開點。運(yùn)行方式1如圖5所示。

圖5 運(yùn)行方式1

如圖6所示，T2、T5區(qū)域工業(yè)負(fù)荷性質(zhì)占比較高，T2區(qū)域無功不足導(dǎo)致配變低電壓?？赏ㄟ^改變運(yùn)行方式，改變線路無功分布，改善低電壓問題，如方式2所示。

圖6 運(yùn)行方式2

2.3 線損問題

將同期系統(tǒng)定位的高損元件與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜团渥冐?fù)荷性質(zhì)相結(jié)合，調(diào)整負(fù)荷分布，降低線損。

通過負(fù)荷畫像，定位長期輕載或空載配變區(qū)域，通過改變此類負(fù)荷分配，改善線損。

如圖3和圖4所示，方式1由于T5區(qū)域長期輕載運(yùn)行，A線線損較大。A線實際線損：(W為電能，單位kW·h)

?WA=WA-(WL1+WL2+WL5)

(10)

B線實際線損：

?WB=WB-(WL3+WL4)

(11)

方式2，A、B線理論線損?WA′、?WB′可通過潮流計算得到，若?WA′+?WB′

在運(yùn)行方式2下， A線實際線損：

?WA″=WA″-(WL1+WL2)

(12)

B線實際線損：

?WB″=WB″-(WL1+WL2)

(13)

若?WA″+?WB″

2.4 多種運(yùn)行方式下的最優(yōu)選擇及案例分析

對于聯(lián)絡(luò)情況較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，存在多種運(yùn)行方式選擇。將線路重載率、低電壓率、平均線損率分配不同的分值，作為一個綜合指標(biāo)，考量不同運(yùn)行方式的合理性。

線路重載率=線路負(fù)荷/額定容量×100%。

低電壓率=低電壓臺數(shù)/總配變臺數(shù)×100%。

線損率=(供電量-售電量)/供電量×100%。

平均線損率=(線損率1+線損率2+率率線損率n)/n。

若在某一運(yùn)行方式下，線路重載率在70%及以上，分值為0，線路重載率低于70%，分值為50;低電壓率在30%及以上，分值為0，低電壓率在20%～30%，分值為10，低電壓率在10%～20%，分值為20，低電壓率在0%～10%，分值為30；平均線損率在40%及以上，分值為0，平均線損率在20%～40%，分值為10，平均線損率在0%～20%，分值為20。(總分100分)。分值分布如表1所示。

表1 分值分布

本文選取如圖7～圖9三種運(yùn)行方式下的方案進(jìn)行案例分析，圖7～圖9分別對應(yīng)方案1,2和3,具體如下：

如圖7所示，如方式1所示，開關(guān)L3、L5、L6斷開，T12區(qū)域出現(xiàn)低電壓(低電壓率32%)，C線路線損率50%，A線路重載(重載率72%)。A線線損率為a1，B線線損率為b1，D線線損率為d1，平均線損率為35%。方案1得分為10分。

圖7 運(yùn)行方式1

如圖8所示，將方式調(diào)整為方式2，A線路重載問題得到解決，T12區(qū)域仍舊低電壓(低電壓率21%)，C線路線損率降低至30%，A線線損率為a2，B線線損率為b2，D線線損率為d2(d2=d1)，平均線損率為15%。則方案2得分為80分。

圖8 運(yùn)行方式2

如圖9所示，將方式調(diào)整為方式3，A線路重載問題得到解決，T12區(qū)域低電壓問題解決(低電壓率1%)，C線路線損率降低至30%，A線線損率為a3(a3=a2)，B線線損率為b3(b3=b1)，D線線損率為d3，平均線損率為35%。方案3得分為90分。

圖9 運(yùn)行方式3

將運(yùn)行方式方案按得分值進(jìn)行排序，得分高的為優(yōu)選方案。即方案3為優(yōu)選方案。

3 結(jié)束語

本文提出了區(qū)域設(shè)備最優(yōu)化控制的精準(zhǔn)配網(wǎng)多級畫像應(yīng)用方法。

首先充分利用營銷用系統(tǒng)配變負(fù)荷數(shù)據(jù)、用戶行業(yè)分類，主配一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼芭渚W(wǎng)相關(guān)運(yùn)行信息，拓展調(diào)控云大饋線精準(zhǔn)負(fù)荷畫像并完善配電網(wǎng)多級畫像功能。

其次提出考慮重過載、低電壓、線損問題的多種運(yùn)行方式下的最優(yōu)選擇，并給出案例分析，對運(yùn)行方式方案按得分值進(jìn)行排序，得分高的為優(yōu)選方案。

以本文研究結(jié)果為基礎(chǔ)的最大優(yōu)化配網(wǎng)區(qū)域設(shè)備控制策略，可以有效改善重過載、低電壓、線損、最優(yōu)方式選擇等問題。