占彤平，林旭軍，潘 丹，許 為，廖華東

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350000；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司，福建 福州 350000；3.國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

配電網(wǎng)在電力網(wǎng)中起重要作用，是一種分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)，主要由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器、隔離開關(guān)、無功補償器及一些附屬設(shè)施等組成，而饋線又稱電纜線，在電視系統(tǒng)中的主要作用為信號傳輸，通過饋線可將信號傳遞至前端系統(tǒng)，最終由電纜線傳輸?shù)礁饔脩舻碾娨暀C，該過程信號傳遞是配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性中最重要的因素，但配電網(wǎng)饋線在運行過程中易遭受干擾因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，因此，針對配電網(wǎng)饋線進行治理以及風(fēng)險評估預(yù)警將成為電力公司重點關(guān)注的問題之一。

1 配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性預(yù)測及預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)將自身分為3種形式，分別是就地式、集中式、分布式區(qū)段定位技術(shù)，針對配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障時，可通過區(qū)段定位技術(shù)采取預(yù)警措施，有利于最大限度地減少因配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障而造成的損失。當(dāng)前針對饋線故障區(qū)段定位技術(shù)進行的相關(guān)研究可發(fā)現(xiàn)，就地式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要采取定位的方式針對故障饋線區(qū)段進行切除工作，其實現(xiàn)原理主要利用現(xiàn)場的終端裝置與重合器、分段器共同協(xié)作，該過程中不涉及通信環(huán)節(jié)及主站；而集中式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要利用FTU實現(xiàn)區(qū)段定位功能，其實現(xiàn)原理為：配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，各部分饋線終端FTU將系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進行集中處理，并傳送至主站中心，從而恢復(fù)故障區(qū)段的供電；分布式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)主要將核心部分交由饋線終端實現(xiàn)，該過程對于通信功能要求較高，需采取實時數(shù)據(jù)上傳功能。三者之間均存在一定技術(shù)上的缺陷，但分布式饋線故障區(qū)段定位技術(shù)的實際應(yīng)用相對來講更加廣泛，因此成為眾多研究人員關(guān)注的焦點之一。

1.2 有源配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位技術(shù)

為彌補饋線故障區(qū)段定位技術(shù)中存在的缺陷，針對配電網(wǎng)饋線故障進行深入研究，發(fā)現(xiàn)直接將分布式電源并入配電網(wǎng)饋線中，可使配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電流水平更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致故障誤判的可能性出現(xiàn)，因此國內(nèi)外學(xué)者針對該現(xiàn)象采取大量研究，并提出有源配電網(wǎng)中引入饋線故障區(qū)段定位技術(shù)的觀點，可將設(shè)計方案分為就地信息以及新型有源配電網(wǎng)饋線故障定位方案，其中基于就地信息的故障饋線定位方案主要在傳統(tǒng)定位技術(shù)基礎(chǔ)上進行改良，可有效應(yīng)對分布式電源的直接并入對潮流方向和短路電流造成的影響，而新型有源配電網(wǎng)饋線故障定位方案主要針對配電網(wǎng)饋線故障發(fā)生時的各電氣量變化特征進行分析，并針對分析結(jié)果進行系統(tǒng)構(gòu)造，可針對故障區(qū)段進行定位預(yù)警，有利于配電網(wǎng)饋線的正常運行[2-3]。

2 基于負(fù)荷特性的用戶聚類分析及饋線自動化 干擾因素

配電網(wǎng)饋線發(fā)生故障時，負(fù)荷狀態(tài)將發(fā)生改變，此時可通過配電終端針對故障區(qū)段進行精準(zhǔn)定位，并利用遙控功能針對現(xiàn)場開關(guān)進行相關(guān)操作，控制開關(guān)的分合狀態(tài)，從而實現(xiàn)故障區(qū)段與非故障區(qū)段的隔離與恢復(fù)，因分布式電源的直接并入將造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)故障時，應(yīng)將分布式電源暫時退出運行，通過自動化算法恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行，負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型如圖1所示。

圖1 負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型Fig.1 Load state transition model

2.1 饋線自動化過程中的負(fù)荷狀態(tài)定義

正常狀態(tài)下的配電網(wǎng)饋線可保證用戶的正常用電，可將其定義為“正常態(tài)”，若配電網(wǎng)饋線的某個區(qū)段發(fā)生故障時，配電網(wǎng)饋線的負(fù)荷狀態(tài)將轉(zhuǎn)化為非正常狀態(tài)，此時將導(dǎo)致配電網(wǎng)饋線出現(xiàn)負(fù)荷失電。而負(fù)荷可分為故障區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷以及非故障區(qū)段的負(fù)荷，其中故障區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷處于故障狀態(tài)，可稱之為“故障態(tài)”，該狀態(tài)下的配電網(wǎng)饋線無法通過自動化過程恢復(fù)供電，而非故障區(qū)段的負(fù)荷可定義為“待恢復(fù)態(tài)”。隨著時間的推移，負(fù)荷的各部分狀態(tài)將伴隨饋線自動化過程互相轉(zhuǎn)變，在狀態(tài)遷移過程中可觀察到，“待恢復(fù)態(tài)”最終轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢B(tài)”為合理現(xiàn)象。

2.2 用戶負(fù)荷特性及聚類分析

針對電力用戶進行分類過程中的主要依據(jù)為用戶的所屬行業(yè)，其類型為工業(yè)用地、居住用地、公共設(shè)施以及市政用地等，同行業(yè)的不同用戶之間負(fù)荷特性存在較大差異，應(yīng)采用聚類分析法針對該現(xiàn)象進行分析，將同行業(yè)的用戶分為若干可比的類簇，聚類分析法的研究規(guī)則將通過反映用戶負(fù)荷特性的指標(biāo)進行規(guī)定，該方法的核心要素為ward法，依據(jù)ward法將所有用戶歸為一類，并按照使離差平方和增加最小的兩類合并，該過程按照推薦結(jié)果針對用戶進行分類，假設(shè)類K和K聚成一個新類K，則公式為：

通過上述公式可發(fā)現(xiàn)類K和K合并成一個新類K時，W＞W+W，此時類內(nèi)離差平方和增大，類K和K之間的距離 與離差平方和增加值成正比，其平方距離為：

表1 聚類分析指標(biāo)Tab.1 Indicators of cluster analysis

2.3 主動配電網(wǎng)饋線自動化動作干擾因素

通過研究發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)饋線各部分之間進行自動化操作時，易受干擾因素影響，而饋線自動化過程可強化配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展，具有重要作用。配電網(wǎng)饋線自動化過程中最重要的部分為信息傳遞，若信息傳遞有誤將造成配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，無法順利進行相關(guān)工作，而分布式電源的直接并入對于配電網(wǎng)的系統(tǒng)要求較高，若故障隔離階段以及負(fù)荷階段出現(xiàn)問題，將造成負(fù)荷特性發(fā)生改變，應(yīng)利用相關(guān)技術(shù)針對負(fù)荷特性進行預(yù)測，避免不合理的狀態(tài)進行遷移，有利于正確處理故障區(qū)段[6-7]。

3 配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性預(yù)測方法研究

3.1 用戶負(fù)荷預(yù)測

在聚類分析法的測試結(jié)果基礎(chǔ)上，可將行業(yè)用戶進行精準(zhǔn)細(xì)分，每一類負(fù)荷應(yīng)依據(jù)典型用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)計算負(fù)荷密度指標(biāo)：

其中η代表的含義為類用戶的負(fù)荷密度指標(biāo)；代表的含義為不同行業(yè)中存在的典型用戶編號；代表的含義為不同行業(yè)中存在的典型用戶數(shù)量；P代表的含義為第類用戶中第個典型用戶的負(fù)荷；A代表的含義為第類用戶第個典型用戶的建筑面積或占地面積。

通過相關(guān)參數(shù)針對使用建筑面積指標(biāo)計算的用戶進行負(fù)荷預(yù)測，其公式為：

式中：為用戶編號；P為第個用戶的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果；D為第個用戶所屬類型的負(fù)荷密度指標(biāo)；S為第個用戶的建筑面積；λ為第個用戶的容積率。

針對使用占地面積指標(biāo)計算的用戶，其負(fù)荷公式為：

式中：為用戶編號；P為第個用戶的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果；D為第個用戶所屬類型的負(fù)荷密度指標(biāo)；S為第個用戶的建筑面積。

3.2 饋線負(fù)荷預(yù)測

針對負(fù)荷疊加可采用典型用戶對于電能使用的相關(guān)數(shù)據(jù)作為主要依據(jù)，負(fù)荷疊加過程中可根據(jù)聚類分析法的結(jié)果以及典型用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)果進行匯總，最終得到總負(fù)荷，并考慮每一類用戶總負(fù)荷與典型用戶的負(fù)荷特征進行對比，將結(jié)果進行疊加。由用戶負(fù)荷疊加可針對饋線負(fù)荷特性進行預(yù)測，負(fù)荷同時率的確定可依據(jù)用戶用電負(fù)荷特性和負(fù)荷數(shù)值大小，并將用戶負(fù)荷同時率分為同類型和不同類型，同類型和不同類型的用戶負(fù)荷同時率公式如（8）、（9）所示：

通過上述預(yù)算結(jié)果可將饋線負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的公式歸納為：

4 新型有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位 預(yù)警實現(xiàn)技術(shù)

4.1 配電網(wǎng)電流序分量故障特征分析與全段定 位預(yù)警

配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)在運行過程中，易遭受干擾因素的影響，為保證配電網(wǎng)饋線的穩(wěn)定運行，將針對故障區(qū)段采取預(yù)警的方式提示維修人員進行相關(guān)維護工作，其流程首先應(yīng)針對故障區(qū)段的數(shù)據(jù)進行樣本采集，此時系統(tǒng)將采取故障預(yù)警模式，并針對故障區(qū)段的所屬類型進行判別以及定位，其中故障數(shù)據(jù)采集主要針對配電網(wǎng)饋線的故障區(qū)段兩端進行分析，并安裝智能饋線終端，以此采集線路的數(shù)據(jù)信息，而故障啟動的判據(jù)公式為：

通過該式子可計算饋線的電流突變量，并判定有源配電網(wǎng)饋線的故障區(qū)段位置，由智能饋線終端針對電流數(shù)據(jù)進行采集，并通過相關(guān)計算，進入故障類型判別流程，通過預(yù)警系統(tǒng)可將故障的類型進行判定，并精準(zhǔn)定位，有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位預(yù)警流程圖Fig.2 Flow chart of active distribution network feeder load characteristic fault section positioning and early warning

4.2 配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位預(yù)警實現(xiàn)技術(shù)

為保證故障區(qū)段定位預(yù)警技術(shù)的順利實現(xiàn)，本文將利用通信技術(shù)與智能饋線終端相互配合，實現(xiàn)電流信息數(shù)據(jù)的采集，并通過預(yù)警技術(shù)針對配電網(wǎng)饋線進行快速維護，有利于滿足用戶的用電需求。因故障區(qū)段定位中最重要的部分為信息傳遞，因此，本文將利用以太網(wǎng)技術(shù)與智能饋線終端聯(lián)合，形成高級樣機，并構(gòu)建通信模型，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，除此之外，序電流數(shù)據(jù)自身的故障標(biāo)識有利于故障區(qū)段預(yù)警技術(shù)迅速定位，并及時切除故障饋線區(qū)段。

5 新型有源配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性故障區(qū)段定位 預(yù)警裝置開發(fā)

5.1 智能終端樣機開發(fā)

為保證配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性的精準(zhǔn)預(yù)測，將針對智能終端樣機采取一體化設(shè)計模式進行開發(fā)，其硬件部分將由前面板、總線板以及后面板共同組成，針對電路設(shè)計將采用POWER、DI、DO、CPU以及AI插板共同組成，不同類型的插板功能各不相同，而軟件組成部分具有實時數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)裙δ?，該軟件可針對故障區(qū)段進行精準(zhǔn)定位，故障處理軟件的功能實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 故障處理軟件的功能實現(xiàn)流程圖Fig.3 Function realization flowchart of fault processing software

5.2 配電網(wǎng)饋線預(yù)警實現(xiàn)技術(shù)

為保證配電網(wǎng)饋線負(fù)荷特性的準(zhǔn)確預(yù)測，針對饋線的運行狀態(tài)進行評估，其中饋線負(fù)載率大于80%屬于饋線重載，大于100%視為饋線過載，為確定饋線存在的風(fēng)險，應(yīng)利用風(fēng)險概率和損失進行綜合評估，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)饋線為輻射型線路時，可靠性降低幅度為：

當(dāng)饋線為聯(lián)絡(luò)線路時，可靠性降低幅度為：

通過上述研究發(fā)現(xiàn)饋線風(fēng)險評估值為：

通過評估值的大小可判斷饋線的風(fēng)險等級，并計算可靠性降低比率：

饋線風(fēng)險級別與饋線風(fēng)險預(yù)警級別對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 饋線風(fēng)險級別與饋線風(fēng)險預(yù)警級別對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship between feeder risk level and feeder risk early warning level

6 結(jié)語

本文為保證配電網(wǎng)饋線電流的持續(xù)供應(yīng)，針對故障區(qū)段進行精準(zhǔn)定位，以最快的速度針對故障區(qū)段進行定位，并采取預(yù)警措施，有利于維修人員針對電網(wǎng)的故障及時維修，實現(xiàn)配電網(wǎng)饋線的維護，除此之外，針對饋線負(fù)荷過重現(xiàn)象，將通過風(fēng)險評估以及預(yù)警方法有效降低由饋線負(fù)荷過重造成的配電網(wǎng)可靠性降低等問題，在未來發(fā)展中，將針對裝置的精準(zhǔn)度進一步研究，使其廣泛應(yīng)用于市場之中。