葉保璇，吳清炳，王玉中，李業(yè)健，蔡子默，楊 銀，陳東俞

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文昌供電局，海南文昌 571300；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510700）

0 引言

當(dāng)前智能電網(wǎng)正朝向數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)推進(jìn)[1-3]，主網(wǎng)基本已實現(xiàn)自動化監(jiān)控功能，而靠近用戶最后1 km 的低壓配電網(wǎng)的自動化監(jiān)測還很薄弱，因此研究低壓配電網(wǎng)的智能感知技術(shù)將彌補(bǔ)該領(lǐng)域技術(shù)上的不足，為低壓配電網(wǎng)智能感知方案的研究和建設(shè)提供一種思路。

隨著集抄系統(tǒng)的推廣普及，低壓配電臺區(qū)收集了大量的用電數(shù)據(jù)?；谟秒姶髷?shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在智能臺區(qū)終端中嵌入邊緣計算算法，對配電臺區(qū)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，感知臺區(qū)的運行狀態(tài)的技術(shù)思路是低壓配電網(wǎng)“云-管-邊-端”系統(tǒng)框架中“邊-端”側(cè)建設(shè)的可行方案[4-5]。在此技術(shù)方向上，目前基于現(xiàn)有運行用電數(shù)據(jù)和邊緣計算結(jié)果進(jìn)一步分析配電臺區(qū)運行狀態(tài)的研究還不多見，不過對配電網(wǎng)的狀態(tài)評價現(xiàn)有較多研究。

當(dāng)前配電網(wǎng)狀態(tài)評估方法多種多樣。李猛、左軍等[6-7]采用多級模糊綜合評判方法建立配電網(wǎng)狀態(tài)評估，其采用的模糊隸屬度函數(shù)較為簡單粗略，導(dǎo)致狀態(tài)等級判定不夠準(zhǔn)確；霍利民等[8-10]采用Bayesian 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)配電系統(tǒng)可靠性評估，但研究者所建立的Bayesian 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是正常和故障兩種狀態(tài)，使得狀態(tài)建模較為簡單，評估結(jié)果不夠精確；梁海峰等[11-12]采用AHP—熵權(quán)法—模糊綜合分析配電網(wǎng)綜合效益，兼顧了權(quán)重確定的主觀性和客觀性，同時又考慮了多種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的模糊性，具有一定實用性，但對第一層級指標(biāo)的融合方式較為簡單，使得評估結(jié)果不一定完全貼合真實情況。而在指標(biāo)體系建立方面，存在一些評價指標(biāo)數(shù)據(jù)不可獲取的問題，此外，在評估維度上也還不夠全面，沒有對配電臺區(qū)運行數(shù)據(jù)的內(nèi)涵進(jìn)行挖掘?；诋?dāng)前配電臺區(qū)智能化建設(shè)方向，應(yīng)當(dāng)盡可能利用好大數(shù)據(jù)資源，融合多個維度信息進(jìn)行狀態(tài)評估。

綜上現(xiàn)狀，本文立足于當(dāng)前常規(guī)的配電網(wǎng)狀態(tài)評估方法，結(jié)合智能臺區(qū)終端邊緣側(cè)計算功能，提出基于邊緣計算的智慧臺區(qū)一體化運行評估方法，綜合主-客觀評價要素，改良了傳統(tǒng)單一評價方式及常規(guī)組合評價方式，實現(xiàn)對臺區(qū)的智慧評估。

1 智慧臺區(qū)邊緣計算終端部署

現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)集抄系統(tǒng)實現(xiàn)了低壓電力用戶電量采集和上送，滿足了遠(yuǎn)程計量功能，隨著臺區(qū)智慧化建設(shè)，要實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)可測可觀，離不開邊-端設(shè)備運行數(shù)據(jù)的支撐。一方面，受限于現(xiàn)有信息管理機(jī)制，臺區(qū)數(shù)據(jù)無法全量上送到計量系統(tǒng)；另一方面，臺區(qū)運行監(jiān)測需要對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若將所需數(shù)據(jù)上傳到計量系統(tǒng)在做離線分析，其分析結(jié)果并沒有正真反映運行實況?；诖?，在臺區(qū)本地部署邊緣計算終端，對本地數(shù)據(jù)收集處理和計算分析，是建設(shè)智慧臺區(qū)可行且有效的實施方案。智慧臺區(qū)邊緣計算終端部署結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧臺區(qū)邊緣計算終端部署結(jié)構(gòu)

區(qū)作為邊緣計算節(jié)點，邊緣計算終端具備交采功能，直接采集相電壓和相電流等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)配變的監(jiān)測和計量，其安裝于配變低壓出線近端。此外，該終端具備最重要的核心功能是對臺區(qū)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，其計算分析的功能有：“相-線-戶”拓?fù)浞治觥⒕€損分析、三相不平衡分析、電壓分析等功能。終端下行通過RS485、微功率無線、電力載波等信道將用電數(shù)據(jù)匯集后計算，計算結(jié)果通過光纖、無線公網(wǎng)、電力專網(wǎng)等信道上傳至計量系統(tǒng)等后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這種方式方便了運維人員對臺區(qū)智能管理。

2 臺區(qū)一體化運行評估指標(biāo)體系

將智慧臺區(qū)邊緣計算終端功能項的結(jié)果作為臺區(qū)一體化運行評估的量化指標(biāo)，每項指標(biāo)的定義和計算方式說明如下。

（1）供電半徑

邊緣計算終端嵌入臺區(qū)“相-線-戶”拓?fù)渥R別算法，“相-線-戶”拓?fù)渥R別是指對臺區(qū)用戶用電數(shù)據(jù)特征進(jìn)行挖掘，得到用戶相序和用戶出線的歸屬關(guān)系，具體算法方法參考文獻(xiàn)[13]。將所有屬于同一相線上的用戶根據(jù)電壓值排序確定用戶的上下游關(guān)系，從末端用戶開始往上游推算至上游最近用戶之間的線路長度，如此一戶戶的往上游推算至首端用戶，將每一節(jié)線路長度累加得到該條相線的供電長度。每一節(jié)線路長度計算公式如下：

計算出線l的供電半徑為：

進(jìn)一步計算臺區(qū)供半徑為：

（2）線損率

線損率是臺區(qū)配變向用戶供能過程中在供電導(dǎo)線上的電量損耗與供入電量占比。線損率在技術(shù)上反映臺區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分配、導(dǎo)線參數(shù)的合理性，在管理上反映臺區(qū)用戶用電行為是否正常。計算如下：

式中：Wi為臺區(qū)配變低壓出線供入電量（供電量）；Wo為臺區(qū)用戶供出電量（用電量）。

（3）三相不平衡度

三相不平衡度反映三相負(fù)荷不均衡程度，臺區(qū)三相嚴(yán)重不平衡運行會造成諸多危害影響[14]。由于線路電流容易獲取，一般用電流計算得到，指標(biāo)計算如下：

式中：Ibus,max為臺區(qū)低壓母線最大電流相的電流值；Ibus,min為臺區(qū)低壓母線最小電流相的電流值。

（4）電壓驟變率

電壓驟變是表征用戶電壓在兩個相鄰采集時刻的變化情況，反映臺區(qū)用戶端電壓是否穩(wěn)定。定義用戶電壓在下一時刻電壓有效值變化幅度大于λ為電壓驟變，統(tǒng)計電壓驟變率如下：

式中：num(Γ)為統(tǒng)計集合Γ元素的數(shù)目；Γ為電壓出現(xiàn)驟變的時段集合；U(t)為t時刻的電壓測量值；λ為閾值。

電壓驟變率由以下公式計算得到：

式中：N為采集周期，通常為24 h。當(dāng)采樣間隔為15 min 時，N=96。

以上指標(biāo)的量綱不同，無法直接進(jìn)行比較和計算，需要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)（1）為區(qū)間型，指標(biāo)（2）～（4）為成本型，分別對兩種類型做準(zhǔn)化處理，處理方式如式（9）和（10）。

式中：為指標(biāo)j標(biāo)準(zhǔn)化值；γj,max和γj,min分別為指標(biāo)j的最大值和最小值；γj,op為指標(biāo)j的最適宜屬性值；γj,low和γj,high分別為指標(biāo)j的容忍區(qū)間的上下限。

3 基于改進(jìn)主-客觀賦權(quán)的評估方法

基于以上運行特征指標(biāo)，本文采用主-客觀組合賦權(quán)方法進(jìn)行權(quán)值確定，其中主觀賦權(quán)采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），客觀賦權(quán)采用CRITIC 法。主-客觀權(quán)重組合方法采用最小二乘擬合模型優(yōu)化求解綜合權(quán)重與主觀權(quán)重及客觀權(quán)重偏移量的最小值。

3.1 AHP的主觀賦權(quán)

AHP賦權(quán)的方法流程如下。

（1）構(gòu)造判斷矩陣

采用數(shù)字1～9 標(biāo)度兩兩指標(biāo)間的重要性，以兩兩數(shù)字的比值構(gòu)造判斷矩陣。

表1 “九標(biāo)度”法比較標(biāo)準(zhǔn)

（2）一致性檢驗

一致性檢驗方法如下：

式中：λm為判斷矩陣的最大特征值；n為指標(biāo)數(shù)目。

若CR＜0.1，判斷矩陣滿足一致性檢驗。

（3）計算權(quán)重

將通過一致性檢驗的判斷矩陣進(jìn)行歸一化，得到歸一化向量作為各指標(biāo)權(quán)重分配值。

3.2 CRITIC的客觀賦權(quán)

CRITIC賦權(quán)的方法流程如下：

（1）計算標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)

計算標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，如下：

式中：μj為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；為第j個指標(biāo)的均值；rij為指標(biāo)i與指標(biāo)j的相關(guān)系數(shù)；Bi、Bj分別表示矩陣B的i列和j列，j=1，2，…，n。

（2）計算權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重計算公式如下：

3.3 最小二乘組合AHP-CRITIC的綜合賦權(quán)

AHP 賦權(quán)基于專家經(jīng)驗評定，有很強(qiáng)主觀性，而CRITIC賦權(quán)基于標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)計算而來，缺少對實際情況判斷的主觀性，因此需要從兩者之間選取折中結(jié)果。據(jù)此建立最小二乘組合AHP-CRITIC的綜合賦權(quán)模型為：

式中：ωj為指標(biāo)j通過最小二乘組合的綜合權(quán)重；ωj,z為指標(biāo)j的主觀權(quán)重；ωj,k為指標(biāo)j的客觀權(quán)重；為指標(biāo)j的第i個樣本的標(biāo)準(zhǔn)化值。

4 算例分析

本文選取海南某試點智慧臺區(qū)的應(yīng)用效果作為分析，在試點臺區(qū)部署圖1 所示的邊緣計算終端及監(jiān)測設(shè)備。以一組樣本為例進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分析。根據(jù)專家評分得出判斷矩陣如表2 所示。

表2 判斷評分指標(biāo)權(quán)重

判斷矩陣最大特征根λmax=4.35，根據(jù)式（11）CI通過一致性檢驗，各項目指標(biāo)權(quán)重為ωz=(0.06 0.49 0.26 0.19)。根據(jù)3.2節(jié)熵值計算、熵權(quán)計算后客觀權(quán)重為ωk=(0.15 0.45 0.23 0.17)。通過對多組不同樣本的分析，并采用最小二乘組合計算綜合權(quán)重為ω=(0.13 0.47 0.24 0.16)。根據(jù)綜合權(quán)重可進(jìn)一步計算臺區(qū)運行狀態(tài)綜合評價結(jié)果，并將結(jié)果反饋至主站系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文在智能電網(wǎng)建設(shè)的方向下提出了智慧臺區(qū)一體化運行監(jiān)測方案，通過部署邊緣計算終端和終端監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和計算分析，實現(xiàn)了臺區(qū)運行狀態(tài)感知和評估。評估方法結(jié)合了主觀評價和客觀評價兩種因素，用最小二乘組合方式計算兩者組合的折中評價結(jié)果，通過算例表明了方法的可行性。配電臺區(qū)通過本文所提的評估方法可將在線運行狀態(tài)反饋給運維人員，使得臺區(qū)運維更及時、更精準(zhǔn)，加強(qiáng)臺區(qū)的智慧化運行。但該方法還存在以下兩點不足。

（1）最小二乘組合環(huán)節(jié)是在多組樣本下求解最優(yōu)折中權(quán)重，求解過程受樣本數(shù)量的影響很大，若以一個時間采集點為一個樣本則會使得計算時間過長，這會影響邊緣計算終端對其他任務(wù)的處理，想要縮短計算時間，則對邊緣計算終端的算力有更高的要求。因此還需要權(quán)衡好樣本量和計算準(zhǔn)確性的矛盾關(guān)系。

（2）AHP法的主觀賦權(quán)采用專家經(jīng)驗的方式，適合于離線手動計算，而把算法設(shè)計好嵌入到邊緣計算終端后再調(diào)用AHP功能時需要自動計算，因此還需要建立和完善好AHP 賦權(quán)的經(jīng)驗算法，保障整套評價算法易用性和準(zhǔn)確性。