余佳，王曉榮，戴月升，李軒

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；3. 內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司呼和浩特供電公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050））

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，智能采集設(shè)備終端鋪設(shè)率大大提高，需求側(cè)終端電氣化已成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢[1]。然而，現(xiàn)有配電系統(tǒng)己經(jīng)不能適應(yīng)城市建設(shè)和發(fā)展的用電要求，除此之外，近年來低壓配電系統(tǒng)中用戶違約用電、私自搭接線路等問題頻繁出現(xiàn)[2-3]，影響配電網(wǎng)安全運行的同時，也對供電企業(yè)經(jīng)營風(fēng)險以及配網(wǎng)運行經(jīng)濟性產(chǎn)生了影響。在日常的生產(chǎn)實踐中若想盡可能避免上述問題，首先需要明確臺區(qū)的拓撲結(jié)構(gòu)，進而保障臺區(qū)分布智能化監(jiān)控。然而，在日常的配電運維管理工作中，往往存在戶變連接關(guān)系不清晰，尤其是新建臺區(qū)，部分拓撲根本無法直接獲取，需要采取人工摸查，工作量巨大，造成了人力物力的浪費，而且這種方式也存在獲取臺區(qū)拓撲不準確的風(fēng)險，同時，當臺區(qū)拓撲發(fā)生變動時，不能及時發(fā)現(xiàn)問題，造成了臺區(qū)拓撲接線圖、單線圖質(zhì)量下降、臺區(qū)線損不正確、停電定位準確率降低等諸多問題[4]。有效的配電網(wǎng)實時建模對于臺區(qū)負荷平衡管理、降低配電網(wǎng)線損率、提升設(shè)備使用壽命、促進配電網(wǎng)安全高效運行具有重要的意義。

為此，首先從配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點、供電方式和配網(wǎng)模型信息集成技術(shù)三方面分析了配電網(wǎng)的技術(shù)概況。在此基礎(chǔ)上，從線變關(guān)系、戶變關(guān)系以及用戶間拓撲辨識技術(shù)等三方面綜述了配電網(wǎng)實時建模關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀，并進一步圍繞配電網(wǎng)實時建模關(guān)鍵技術(shù)，從配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償和三相不平衡管理、基于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）的配電網(wǎng)實時建模技術(shù)以及配電網(wǎng)信息模型與自動校核等方面對未來可能的研究方向進行了展望，希望能為未來的研究提供參考。

1 配電網(wǎng)信息集成技術(shù)

配電網(wǎng)信息集成技術(shù)可在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)與外部系統(tǒng)模塊間建立有效鏈接，實現(xiàn)兩者間的信息交互與共享機制，主要包括模塊融合技術(shù)、系統(tǒng)多版本協(xié)同技術(shù)、多累模型導(dǎo)入技術(shù)以及異質(zhì)化圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)等幾類。

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，模型版本管理負責(zé)可分為離線版和在線版兩部分，分別包含離線圖形文件和在線圖形文件的全過程管控，具體實現(xiàn)過程包含模型同步、模型審核、模型導(dǎo)入、模型拼接以及異動信息檢測5部分。系統(tǒng)包含2個數(shù)據(jù)庫：離線庫和在線庫，分別對應(yīng)不同的圖形文件。此外，模型可通過信息交互總線與外部系統(tǒng)模塊對接，具體包括模型服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、實時數(shù)據(jù)服務(wù)以及日前數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Distribution network automation system diagram

2 配電網(wǎng)實時建模研究

配電網(wǎng)實時建模的關(guān)鍵在于如何利用兩側(cè)數(shù)據(jù)辨識配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)配電網(wǎng)的實時建模。配電網(wǎng)實時建模中的物理拓撲分析方法主要可分為以下3類：1）線變關(guān)系，即線路與配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器的所述關(guān)系；2）變戶關(guān)系，即配電網(wǎng)用戶與所屬配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器之間的關(guān)系；3）配電網(wǎng)臺區(qū)饋線關(guān)系，即配電網(wǎng)用戶的拓撲鏈接關(guān)系。配電網(wǎng)物理拓撲研究分類框架如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)物理拓撲研究分類框架Fig.2 Research framework of distribution network physical topology analysis

2.1 線變關(guān)系辨識

線變關(guān)系辨識指的是線路與所屬配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器對應(yīng)關(guān)系的識別，線變關(guān)系的精準辨識是保障配電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵要素之一[5-7]。在低壓配電網(wǎng)運行中，為了解決配網(wǎng)線路間負荷的不平衡問題以最小化供電損耗，配變倒閘操作可能使線路與附近變壓器的對應(yīng)所屬關(guān)系有臨時的改變，此時若相應(yīng)的線變關(guān)系數(shù)據(jù)更新不及時，則會造成系統(tǒng)中線變關(guān)系與實際數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異。此外，若同一配電網(wǎng)區(qū)域存在變壓器增設(shè)或線路調(diào)整的情況，同樣會出現(xiàn)上述差異，最終會對配網(wǎng)安全運行管理產(chǎn)生影響[8-9]。

傳統(tǒng)的線變關(guān)系辨識一般采用人工巡檢的方式校驗，主要依靠望遠鏡或紅外線設(shè)備對桿塔進行檢查，存在排查面積大、效率低、出錯率高、人力成本較高等缺陷。也有研究依據(jù)停電紀錄對系統(tǒng)內(nèi)的線變關(guān)系進行更新調(diào)整校核，相比于人工巡檢具有較好的準確度，然而此類方式對完整停電數(shù)據(jù)記錄的要求極高，在實際中適應(yīng)性較差。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和低壓配電網(wǎng)量測表計安裝的大范圍、高密度普及，配網(wǎng)運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在廣度和精度方面都有了極大的提高，為線變關(guān)系的辨識提供了新的解決途徑。文獻[10]基于臺區(qū)能量守恒原理，構(gòu)建了基于偏相關(guān)系數(shù)的配電網(wǎng)臺區(qū)線變關(guān)系特性分析模型，能夠極大提高線變關(guān)系辨識的精度；文獻[11]以配電網(wǎng)臺區(qū)出口電壓在三相負荷平衡與不平衡的差異性為切入點，提出了基于出口電壓歸算的線變關(guān)系校驗方法，有效解決了原有單相方法中，出口單相電壓不對稱所導(dǎo)致的線變關(guān)系校驗失效的難題。

2.2 變戶關(guān)系辨識

變戶關(guān)系辨識指的是用戶與所屬配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器對應(yīng)關(guān)系的識別，用戶作為配電網(wǎng)臺區(qū)供電的終端，變戶關(guān)系的精準辨識同樣是保障配電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵要素之一[12]。為了匹配配電網(wǎng)用戶規(guī)模和類型的快速增長，近年來配電網(wǎng)臺區(qū)設(shè)備的擴容更新非常頻繁，由于相關(guān)數(shù)據(jù)更新的不及時和管理的不完善，與上述“線變關(guān)系”的問題類似，同樣存在用戶的配電網(wǎng)臺區(qū)歸屬的系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實際情況不匹配的問題，這種不匹配關(guān)系會影響線損率的計算，進而影響結(jié)算的公平性，同時也會對配電網(wǎng)的高效運行管理產(chǎn)生影響，也會在一定程度上降低供電企業(yè)的用戶滿意度，影響企業(yè)形象[13]。

目前，在實際中變戶關(guān)系的辨識主要采用基于載波通信的信號檢測和基于停電校核的現(xiàn)場檢測兩種方式[14]。其中，停電校核的方式需要分區(qū)按計劃停電，通過分析統(tǒng)一臺區(qū)下用戶停電時間的差異性，可確定當前時刻配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器與各用戶的關(guān)系，該種方式目前仍用于智能電表或量測設(shè)備尚未普及的老舊小區(qū)，然而，這種方式會影響臺區(qū)居民的正常用電，會降低用戶滿意度，且效率低下，同樣存在一定誤差?；谳d波通信的方式主要依靠對變壓器與用戶兩端的載波數(shù)據(jù)進行分析，進而分析實際的變戶關(guān)系，但這種方式一方面容易受到干擾，實際中存在一定的誤差；另一方面，受負荷波動性的影響，對于某些負荷波動較大的臺區(qū)依然需要人工走訪校核，實際應(yīng)用效率差[15-16]。

隨著用戶信息采集系統(tǒng)的完善和普及，也有研究試圖通過對用戶用電數(shù)據(jù)的深度挖掘或一致性分析，實現(xiàn)變戶關(guān)系拓撲的精準高效辨識[17-18]。

2.3 配電網(wǎng)臺區(qū)饋線拓撲辨識

現(xiàn)階段，相比于前述的“線變”和“變戶”關(guān)系，由于配電網(wǎng)臺區(qū)用戶分布的分散性和隨機性以及用戶間還存在所接相位的差異性，臺區(qū)饋線拓撲信息的不一致問題最為嚴重，極大影響了配電網(wǎng)的安全高效運行。傳統(tǒng)的實際工作中依然依靠人力逐步排查實現(xiàn)系統(tǒng)拓撲數(shù)據(jù)與實際信息的校核，此類以人工為主的校核方式依舊存在成本較高、效率低且受人為因素影響、校核精度較低等一系列問題。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推薦和各類量測儀表的普及，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的配電網(wǎng)臺區(qū)饋線拓撲辨識的算法研究已成為目前的主要趨勢[19]。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的拓撲辨識算法注重挖掘用戶間量測信息的相關(guān)性以及多元變量的耦合特性，進而實現(xiàn)饋線拓撲的精準辨識。文獻[20]構(gòu)建了用戶電壓信息的相關(guān)性分析模型，通過分析各個量測點電壓信息的相關(guān)性和梯度，實現(xiàn)了用戶鄰接點的精準識別，并以此為基礎(chǔ)還原臺區(qū)饋線拓撲。文獻[16]和文獻[21]以臺區(qū)用戶的相對所屬關(guān)系為切入點，分別構(gòu)建了考慮分接點耦合效應(yīng)的回歸分析模型和考慮量測信息幅值與相角相關(guān)性的誤差分析模型，從而實現(xiàn)臺區(qū)饋線的拓撲辨識。文獻[22]提出一種能有效辨識低壓配電網(wǎng)用戶差異性的識別系統(tǒng)。文獻[23]通過檢驗電壓曲線的離散點明確各區(qū)縣相似性關(guān)系，進而實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的用戶拓撲關(guān)系辨識。文獻[24]基于海量智能電表的量測數(shù)據(jù)，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的低壓配電網(wǎng)拓撲辨識方法。

3 配電網(wǎng)實時建模關(guān)鍵技術(shù)

3.1 配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化及三相不平衡管理技術(shù)

配電網(wǎng)無功優(yōu)化是保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的重要途徑之一，一方面涉及無功補償設(shè)備的投資決策優(yōu)化，另一方面也涉及到配電網(wǎng)中各元件的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，均可表示為多目標、多關(guān)鍵約束的非線性優(yōu)化問題[25-29]。近年來，針對配電網(wǎng)無功優(yōu)化的研究主要涉及到以下幾方面：

1）優(yōu)化目標。目標函數(shù)的選擇是配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題的核心，目標函數(shù)既可能涉及到配電網(wǎng)臺區(qū)云運行費用、配電網(wǎng)運行網(wǎng)損等經(jīng)濟性問題，也需要考慮配電網(wǎng)電壓偏差、設(shè)備投切次數(shù)最小等安全性問題，恰當?shù)哪繕撕瘮?shù)對選擇最優(yōu)最終的優(yōu)化結(jié)果和解決實際問題具有重要意義[30-33]。

2）關(guān)鍵約束。由上述分析可知，配電網(wǎng)的無功優(yōu)化問題涉及到配網(wǎng)運行的諸多方面，在不同的目標函數(shù)下，均涉及多類型約束，具體的關(guān)鍵約束分類如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)無功優(yōu)化關(guān)鍵約束Fig.3 Key constraints of reactive power optimization in distribution network

3）求解算法。配電網(wǎng)的無功優(yōu)化問題本身是一個涉及到多變量的問題，其中包括連續(xù)變量、離散變量以及多類型約束的混合非線性規(guī)劃問題，且大多數(shù)情況下目標函數(shù)復(fù)雜，甚至不可微，這對常規(guī)的優(yōu)化求解過程造成了非常大的困難。一般可通過非線性約束的線性化，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題或混合整數(shù)問題進行求解，或通過遺傳算法、粒子群算法等啟發(fā)式算法進行求解[34-36]?？紤]到某些問題初始數(shù)據(jù)少，建模困難，也有研究采用模糊優(yōu)化法和專家系統(tǒng)法進行分析求解[37]。

隨著需求側(cè)電氣化程度的增高，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的同時，多樣性的用戶類型以及對電壓質(zhì)量需求的變高給低壓配電網(wǎng)臺區(qū)的三相平衡帶來了新的挑戰(zhàn)。三相平衡指的是配電網(wǎng)負荷被均勻分配在三相上，使得電壓和電流指標趨于一致，此時配電網(wǎng)系統(tǒng)運行效率較高。針對三相不平衡問題，國內(nèi)外展開了大量研究并取得一定成果。文獻[38]給出了三相不平衡的定義，并進一步分析了三相不平衡臺區(qū)的判定在實際中的應(yīng)用方式，進而從4個方面概述分析了三相不平衡的原因及危害，如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)三相不平衡原因及危害Fig.4 Cause and harm of three-phase unbalance in distribution network

已有的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究中鮮有考慮配電網(wǎng)三相不平衡情況，然而隨著需求側(cè)電氣化程度的不斷增加，三相不平衡問題將逐漸成為未來影響配電網(wǎng)無功優(yōu)化的關(guān)鍵要素之一[39-43]。如何基于臺區(qū)量測信息的客戶低電壓分析技術(shù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析方式，基于海量智能電表的量測信息，通過配變終端完成邊緣分析，研究不同配電網(wǎng)潮流情況下，設(shè)備參數(shù)、無功補償設(shè)備和換相開關(guān)投切情況對電壓的影響，進而根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)臺區(qū)內(nèi)換相開關(guān)和無功補償裝置，實現(xiàn)就地優(yōu)化和處理是未來需要深入研究的方向之一。

3.2 基于GIS的配電網(wǎng)實時建模技術(shù)應(yīng)用

配電網(wǎng)模型主要依靠地理信息系統(tǒng)（GIS）作為源端支撐，在物理拓撲分析和識別的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS地理信息、計量基礎(chǔ)檔案模型、設(shè)備物理參數(shù)等數(shù)據(jù)，建立表箱聚合負荷與用戶曲線的映射模型，辨識用戶與表箱的物理連接關(guān)系，對低壓配電網(wǎng)的邏輯拓撲模型及關(guān)聯(lián)關(guān)系進行拓撲參數(shù)修正。通過結(jié)合一體化GIS的公共信息模型（common information model，CIM）信息，實時聯(lián)動配電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的信息，在GIS上呈現(xiàn)出對應(yīng)的配置信息和實時告警信息具有重要的意義[44]。

現(xiàn)有涉及配電網(wǎng)的信息系統(tǒng)暫未統(tǒng)一地理拓撲模型及公共信息模型，導(dǎo)致不同橫向業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間信息數(shù)據(jù)無法靈活交互，無法有效支撐臺區(qū)拓撲關(guān)聯(lián)校驗。如何根據(jù)業(yè)務(wù)需求對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理是臺區(qū)拓撲關(guān)聯(lián)校驗的難點。如何利用配網(wǎng)自動化的開關(guān)遙信狀態(tài)，結(jié)合一體化GIS的CIM模型信息，實時拆分饋線單元，構(gòu)建精確化的實時配電網(wǎng)動態(tài)模型，支撐線損精細化計算是未來需要深入研究的方向之一。

3.3 低壓配電網(wǎng)信息模型與自動校核技術(shù)

基于用電信息采集載波通道上送的低壓配電網(wǎng)信息模型與自動校核技術(shù)，是在電力載波通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，將自動化采集的配電信息數(shù)據(jù)傳送到主站，從而進行大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模的配電網(wǎng)臺區(qū)多業(yè)務(wù)邊緣計算技術(shù)。目前適用于配電網(wǎng)低壓臺區(qū)的精準線損計算、負荷與分布式電源預(yù)測、無功優(yōu)化等基礎(chǔ)模型較為復(fù)雜，工程實用性較弱[45-48]。

如何提供一種識別率高、操作方便的臺區(qū)識別方法，在有效利用海量數(shù)據(jù)分析計算的同時有效降低計算成本是亟待解決的難題。具體而言，海量數(shù)據(jù)的科學(xué)聚類分析、復(fù)雜模型的快速求解以及高精度的預(yù)測技術(shù)是目前需要突破的技術(shù)瓶頸?；谳d波技術(shù)，結(jié)合計量自動化系統(tǒng)、低壓配電網(wǎng)信息模型，以及低壓集抄準實時識別技術(shù)，通過自研智慧臺區(qū)系統(tǒng)進行多源數(shù)據(jù)融合，可實現(xiàn)臺區(qū)側(cè)、低壓線路側(cè)、用戶側(cè)等感知信息自動采集，通過部署臺區(qū)總監(jiān)測、分支監(jiān)測終端、分支監(jiān)測單元等端設(shè)備實現(xiàn)臺區(qū)狀態(tài)的感知，由集中器、邊緣代理等設(shè)備實現(xiàn)信息邊緣計算，采用無線專網(wǎng)/公網(wǎng)等通信方式將采集數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)管理平臺或智慧臺區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)。基于大數(shù)據(jù)分析和算法研究，自動識別臺區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)，解決臺區(qū)戶變關(guān)系需要未來深入研究。

4 結(jié)論

近年來，低壓配電網(wǎng)由于系統(tǒng)信息更新不及時和管理的無序性導(dǎo)致配網(wǎng)拓撲與實際配置信息出現(xiàn)偏差。這些問題的出現(xiàn)影響配電網(wǎng)安全運行的同時，也對供電企業(yè)經(jīng)營風(fēng)險造成了影響。特別是針對某些偏遠地區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施融合薄弱，交通不便利，容易面臨供電可靠性低、私自線路改造多發(fā)等問題，有效的配電網(wǎng)的實時建模技術(shù)，通過精準辨識用戶的接入信息，能有效保障配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。首先從配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點、供電方式和配網(wǎng)模型信息集成技術(shù)三方面分析了配電網(wǎng)的技術(shù)概況。在此基礎(chǔ)上，從線變關(guān)系、變戶關(guān)系以及用戶間拓撲辨識技術(shù)等三方面綜述了配電網(wǎng)實時建模關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀，并進一步圍繞配電網(wǎng)實時建模關(guān)鍵技術(shù)，從配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償和三相不平衡管理、基于GIS的配電網(wǎng)實時建模技術(shù)以及配電網(wǎng)信息模型與自動校核等方面對未來可能的研究方向進行了展望，希望能為未來的研究提供參考。