黎健，何承瑜，梁泳

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力建設(shè)的需求越來(lái)越高，中低壓配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和建設(shè)是提高供電服務(wù)水平的重點(diǎn)[1]。10 kV 配網(wǎng)是電力傳輸末端的核心，對(duì)電力供應(yīng)起到關(guān)鍵的配置調(diào)節(jié)作用[2]。

充分利用配網(wǎng)數(shù)據(jù)信息可以?xún)?yōu)化故障定位方案，提升終端用戶(hù)的體驗(yàn)度[3-4]。以往，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要是分析故障和進(jìn)行檢修處理過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[5-8]。這種方式能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的檢修處理結(jié)果，但容易導(dǎo)致權(quán)重決策產(chǎn)生偏差，影響當(dāng)前配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的調(diào)取[9]。同時(shí)，人工處理數(shù)據(jù)信息存在著效率低、考慮不全面等局限性，而智能化的自動(dòng)處理能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代化電網(wǎng)的發(fā)展使用要求[10-16]。

針對(duì)上述問(wèn)題，該文對(duì)配電網(wǎng)線路的路徑及相關(guān)數(shù)據(jù)展開(kāi)了研究，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)獲取的新數(shù)據(jù)并優(yōu)化配網(wǎng)線路路徑。首先，簡(jiǎn)要介紹了10 kV 配網(wǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸處理系統(tǒng)的建設(shè)需求和架構(gòu)要素。然后深入分析了配網(wǎng)系統(tǒng)的整體建設(shè)方案，為數(shù)據(jù)自動(dòng)處理技術(shù)在10 kV 配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮更為理想的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)提供了新的途徑，并采用聚類(lèi)處理算法得到自動(dòng)調(diào)試結(jié)果。最終，通過(guò)分析案例證明了新型算法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 配網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

1.1 信號(hào)采集

狀態(tài)數(shù)據(jù)包含電力運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、有功和無(wú)功功率，以及主變分接抽頭、開(kāi)關(guān)、隔離刀閘的狀態(tài)等。一旦發(fā)生故障，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸裝置上傳配電網(wǎng)線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及變化信息，配合遠(yuǎn)程控制信號(hào)縮小故障范圍，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的信息共享。具體的數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1.2 信號(hào)量處理

中低壓配網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在SCADA 系統(tǒng)中被調(diào)取出來(lái)，由數(shù)據(jù)處理功能完成對(duì)采集信號(hào)的檢驗(yàn)，并通過(guò)相關(guān)算法過(guò)濾異常數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)包含斷路器、隔離開(kāi)關(guān)位置、繼保裝置動(dòng)作信號(hào)等。數(shù)據(jù)處理使用質(zhì)量碼對(duì)采集到的輸入數(shù)據(jù)和系統(tǒng)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，觀察被標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量，甄別是否存在壞損。

1.3 存儲(chǔ)

對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)支持按需變化儲(chǔ)存，存儲(chǔ)過(guò)程具備批量定義和人工選擇功能，最大限度地滿(mǎn)足輸出儲(chǔ)存位置的需求，通過(guò)數(shù)據(jù)組指針的設(shè)定，可以便捷地實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)取和使用。

1.4 操作控制

主要是指對(duì)數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)牌和解閉鎖的操作和權(quán)限控制。閉鎖裝置用于保障控制的精確性，避免出現(xiàn)誤操作，其通?？梢苑譃闄C(jī)械閉鎖和邏輯閉鎖兩種類(lèi)型。通過(guò)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)各分量的人為置數(shù)，并對(duì)被操作數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。

1.5 事故反演

事故反演可以提前對(duì)故障進(jìn)行預(yù)防，當(dāng)預(yù)設(shè)事故被預(yù)檢到將會(huì)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)這部分?jǐn)?shù)據(jù)處理可以對(duì)事故情況進(jìn)行反演，且具備允許操作人員在反演過(guò)程中暫停進(jìn)程的功能。

1.6 線路建模及調(diào)用

通過(guò)對(duì)圖模庫(kù)的建模，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)中圖模數(shù)據(jù)的直接調(diào)用，結(jié)合單線圖和站所圖對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)生成并實(shí)現(xiàn)定時(shí)校驗(yàn)維護(hù)管理，但這一流程需要嚴(yán)格遵守相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范。該功能的實(shí)現(xiàn)還有利于系統(tǒng)圖模數(shù)據(jù)在不同部門(mén)和地區(qū)間的交流。開(kāi)通圖模庫(kù)和其他各系統(tǒng)間的查詢(xún)檢索功能，可以有效提高建模與調(diào)用效率。

2 配網(wǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)還原技術(shù)

對(duì)配網(wǎng)線路的信息數(shù)據(jù)主要是掌握其線路路徑信息，以及更重要的線路故障信息。一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)處理，快速掌握故障發(fā)生的相關(guān)信息，該文提出了數(shù)據(jù)自動(dòng)在線還原技術(shù)來(lái)完成配網(wǎng)故障自動(dòng)定位。

2.1 數(shù)學(xué)模型

配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通常故障電流較正常負(fù)載電流明顯增大。其可以通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)邏輯算法識(shí)別電流數(shù)值的區(qū)別，分析計(jì)算主站檢測(cè)到的電壓電流信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位。

假設(shè)一個(gè)區(qū)域的配網(wǎng)可以劃分為n條線路段，且每個(gè)線路區(qū)段有a、b、c等支路（以3 條支路為例），則該線路區(qū)段的零序電流可表示為：

且該區(qū)段線路零序電流有效值為：

因此可以構(gòu)建配網(wǎng)線路的數(shù)學(xué)模型，由模型求解各測(cè)控點(diǎn)的狀態(tài)值，圖2 為典型的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)線路。

圖2 典型配網(wǎng)結(jié)構(gòu)線路

當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，各開(kāi)關(guān)處的電流值不僅包含短路回路的電流，還包括流經(jīng)對(duì)地電容或?qū)Φ刈杩顾鶚?gòu)成回路的電流。因此建立配電網(wǎng)絡(luò)線路的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要考慮采用分布式參數(shù)元件。線路分布式參數(shù)元件模型，如圖3 所示。

圖3 配網(wǎng)線路分布式參數(shù)元件模型

若某一線路上零序電流的有效值與其他區(qū)段零序電流的平均有效值比值為Ki，則由Ki的數(shù)值即可判定該區(qū)域配網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障的線路段，求解方法如下：

2.2 判斷函數(shù)

判斷函數(shù)是對(duì)線路路徑可行性的判定。以單相接地故障為例，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，故障點(diǎn)的正、負(fù)、零序故障電流的實(shí)際模值和相位均相同，則可定義配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的判斷函數(shù)為：

由此即可根據(jù)距離x的值獲取不同的P(x)，由于公式中所包含的子項(xiàng)均為平方項(xiàng)，因此可知P(x)≥0，所以只需要找到P(x)的最小值，即可確定出發(fā)生故障可能性最大的位置，從而實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的位置判斷。

圖4 為配電系統(tǒng)單相接地故障的判定流程。狀態(tài)值的數(shù)據(jù)采用1和0表示，其中，存在故障電流的饋線開(kāi)關(guān)量為1，不存在故障電流的饋線開(kāi)關(guān)量為0。

圖4 單相接地故障判定流程

2.3 線路故障測(cè)距原理

若線路特征中，總線路等效阻抗為Z，故障電流零序分量為I，故障支路電壓為U，則可推導(dǎo)出故障線路首末段的電流頻率分量之比為：

其中，Zc是故障點(diǎn)到首端測(cè)控點(diǎn)的線路阻抗；Z′是故障點(diǎn)到線路末端測(cè)控點(diǎn)的阻抗值；ZL是未發(fā)生故障時(shí)測(cè)控點(diǎn)測(cè)量的線路阻抗值，對(duì)于實(shí)際的配電網(wǎng)絡(luò)，線路阻抗ZL一般為常數(shù)。

假設(shè)線路特征離散屬性A中分量值a的數(shù)量為V，即A={a1,a2…aV}，則可以采用a值對(duì)S進(jìn)行劃分，分為V個(gè)分支節(jié)點(diǎn)，其中第v個(gè)包含S上所有線路特征屬性A的取值即為av，由此即可得到該線路的信息增益。然后將擁有最大信息增益的線路特征屬性作為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，擁有次大信息增益的線路作為下一個(gè)決策節(jié)點(diǎn)。最終通過(guò)遞歸計(jì)算迭代整個(gè)決策，得到自動(dòng)處理決策樹(shù)。

2.4 路徑優(yōu)化算法

在電網(wǎng)的故障定位過(guò)程中，通常將配網(wǎng)線路作為計(jì)算路徑。假設(shè)用u表示為每個(gè)區(qū)段發(fā)生故障的初始概率，v表示每個(gè)區(qū)段不發(fā)生故障的初始概率。利用迭代初期產(chǎn)生的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)路徑概率的賦值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在配網(wǎng)故障決策的流程中，設(shè)置區(qū)域內(nèi)的每條故障線路段上故障的首概率為ui1和vi0，則局部概率更新公式為：

其中，pi1、pi0為可能的故障區(qū)域與可能的非故障區(qū)域之間的狀態(tài)選擇概率值。經(jīng)局部概率值的調(diào)整，計(jì)算流程為：

式（8）中，σk表示概率局部更新后的值，YA、YB、YC是測(cè)控得到的各相阻抗對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納值，Y0是零序?qū)Ъ{。若式（8）求得的單次輸出可行解判定函數(shù)的值小于預(yù)期，則需要對(duì)概率值進(jìn)行加權(quán)調(diào)整：

如式（9）所示，調(diào)整后的概率值為，加入一個(gè)分量后再代入迭代流程，直到符合預(yù)期且收斂為止。注意初值的選取會(huì)影響到收斂速度，因此線路故障的首概率值需要比對(duì)后再確定，加快了算法的收斂。

3 應(yīng)用案例分析

圖5 是某配電網(wǎng)絡(luò)含分支的線路未發(fā)生故障時(shí)的示意圖，其中配電自動(dòng)化的終端設(shè)備沒(méi)有顯示，位置與線路上的開(kāi)關(guān)一致。R1～R9表示各條線路的分段開(kāi)關(guān)代號(hào)，假設(shè)在某時(shí)刻R6、R8和R9開(kāi)關(guān)之間的線路發(fā)生了接地短路故障，故障電流導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，各開(kāi)關(guān)按照預(yù)設(shè)程序跳開(kāi)，該配電網(wǎng)絡(luò)的線路全部失電，如圖6 所示。

圖5 線路未發(fā)生故障時(shí)的示意圖

圖6 故障電網(wǎng)示意圖

由該文提出的自動(dòng)化控制算法可知，通過(guò)采集到的模擬量狀態(tài)值和系統(tǒng)的暫態(tài)特征量、穩(wěn)態(tài)特征量及一些方向性特征量等信息，傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)信息素，可以對(duì)所有開(kāi)關(guān)檢測(cè)出故障量，開(kāi)關(guān)R8、R9、R6處距離故障點(diǎn)較近，按照繼電保護(hù)裝置的執(zhí)行方案首先斷開(kāi)。此時(shí)故障信號(hào)消失，無(wú)需進(jìn)一步斷開(kāi)開(kāi)關(guān)?？刂浦髡就ㄟ^(guò)采集到的信號(hào)，按照順序依次判斷故障線路段。最終發(fā)現(xiàn)故障區(qū)間應(yīng)位于開(kāi)關(guān)R8、R9和R6之間。由此自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，切斷故障區(qū)間兩側(cè)的電源功率流入，減小停電范圍。自動(dòng)控制后供電恢復(fù)的配電網(wǎng)絡(luò)圖，如圖7 所示。

圖7 自動(dòng)控制后配網(wǎng)示意圖

案例驗(yàn)證了環(huán)網(wǎng)有分支線路發(fā)生故障時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作選擇的合理性。此外，對(duì)于非環(huán)網(wǎng)線路，采用該文提出的配網(wǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)還原算法后，故障切除時(shí)間和線路切斷判定準(zhǔn)確率的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。

表1 自動(dòng)還原技術(shù)效率提升對(duì)比

表中的數(shù)據(jù)來(lái)源為多次仿真獲得的平均值。從表中可以看出，采用該文提出的自動(dòng)在線還原技術(shù)對(duì)于環(huán)網(wǎng)無(wú)分支、環(huán)網(wǎng)有分支、非環(huán)網(wǎng)無(wú)分支線路、非環(huán)網(wǎng)有分支線路類(lèi)型均能較為明顯地縮短故障線路切除時(shí)間，并提高故障線路的判定準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文在對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了數(shù)據(jù)處理與故障自動(dòng)檢測(cè)方案。通過(guò)自動(dòng)在線算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的自動(dòng)化決策，提高配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)線路路徑的選擇速度。算法以切斷負(fù)荷最小和開(kāi)關(guān)操作次數(shù)最少為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)故障后的配電網(wǎng)恢復(fù)重構(gòu)。最終通過(guò)接地故障配電網(wǎng)自動(dòng)診斷案例驗(yàn)證了算法的有效性與可行性，證明中低壓配網(wǎng)的線路路徑自動(dòng)決策故障切除的邏輯合理性。且在一定程度上縮減了故障切除時(shí)間，提高故障線路切斷的判定準(zhǔn)確率。未來(lái)通過(guò)連接變電10 kV 出線數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高線路路徑和數(shù)據(jù)自動(dòng)在線還原處理的效率。