丁昱文 石多瑞

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司睢寧縣供電分公司）

0 引言

配電網(wǎng)是一種高成本、高消耗的電力資源，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)［1］，以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的線路損耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大故障問題。傳統(tǒng)的10kV配電網(wǎng)由于沒有安裝智能的計(jì)算模型［2］，所以在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果不佳，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷電故障與異常線損。在10kV配電網(wǎng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)化監(jiān)控，就必須對(duì)10kV配電網(wǎng)中的線損進(jìn)行快速的辨識(shí)［3］，從而提升配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)效果，避免因?yàn)閷?shí)際線損差別過大而造成的巨大成本支出。實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅節(jié)省人力、物力，還便于智能化管理［4］。

基于此，梁嘉文［5］等提出了K-Medoids聚類的線損監(jiān)測(cè)方法，通過局部異常因子算法斷定網(wǎng)損數(shù)據(jù)異常情況，并剔除異常數(shù)據(jù)。利用K-Medoids聚類法，聚類分析所篩選出的數(shù)據(jù)，并將線損率區(qū)間、數(shù)據(jù)聚類中心及歐幾里得距離相結(jié)合，隨后加入粒度計(jì)算，完成線損監(jiān)測(cè)。孫勝博［6］等提出了聚類算法的線損監(jiān)測(cè)方法。采用Wpdec小波分解函數(shù)，將低壓電網(wǎng)各區(qū)段的線損數(shù)據(jù)分解成三級(jí)小波，隨后通過Wprcoef方法，重構(gòu)各區(qū)段的小波系數(shù)，實(shí)現(xiàn)線損特征提取；基于線損特征變量，設(shè)置線損的判斷標(biāo)準(zhǔn)，利用K-means算法聚類特征向量，得到線損特征規(guī)律，從而完成線損監(jiān)測(cè)。但上述文獻(xiàn)存在數(shù)據(jù)處理效果不佳，導(dǎo)致后續(xù)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，因此，提出了低壓配電臺(tái)區(qū)線損變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。通過對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸，明確配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，處理收集的線損數(shù)據(jù)，將噪聲去除，最后通過最大線損誤差分析，實(shí)現(xiàn)有效精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。

1 低壓配電臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸

基于數(shù)據(jù)采集終端的配電網(wǎng)線損管理方法，對(duì)各個(gè)變電站和桿塔式配變的電氣參數(shù)進(jìn)行分析，并將這些參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)，隨后存儲(chǔ)在主站［7］。

為實(shí)現(xiàn)10kV線損現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，要求在變電站中進(jìn)行10kV輸電線路的數(shù)據(jù)采集，由繼電器輸入的電流和電壓量求取數(shù)值，確保信息正確性和完整性。在開關(guān)站、室外箱式站的配變、線路上的桿變等線路的終端電力數(shù)據(jù)，通過安裝負(fù)荷測(cè)試器實(shí)現(xiàn)。

目前電網(wǎng)中，通信主要手段是光纖，適用于各35kV及以上高壓變電站及調(diào)度中心。但是，由于成本等原因，加上10kV低壓變電站開關(guān)站、箱變、桿變等設(shè)備，分布不規(guī)律，所以大多數(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)與調(diào)度數(shù)據(jù)采集的通信連接［8］。為了適應(yīng)各類設(shè)備本身的工作環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)條件，通過GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通訊模式來完成數(shù)據(jù)的傳送。

GPRS是一種在第二代與第三代之間發(fā)展起來的通信技術(shù)。在同一水平上，GPRS業(yè)務(wù)支持結(jié)點(diǎn)和移動(dòng)交換中心［9］，并且，在同一時(shí)間，追蹤各個(gè)MS的存儲(chǔ)單位，完成加密、存取等操作。網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)是利用GPRS骨干網(wǎng)和服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)連接。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸

圖1示出基于GPRS技術(shù)的無線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸圖。10kV的P型、W 型和桿變非純纜線入線，采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至三區(qū)，并建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與匯總。數(shù)據(jù)采集主站采用實(shí)時(shí)通信方式，得到現(xiàn)場(chǎng)采集、終端采集到的各10kV線路和配變的各項(xiàng)參數(shù)，以此來確定配電網(wǎng)運(yùn)行情況。

2 低壓配電臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)降噪處理

針對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)有關(guān)監(jiān)測(cè)終端采集的大量數(shù)據(jù)和包含噪聲的問題，利用二維小波閾值降噪技術(shù)［10］，對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，以提高數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度。首先，對(duì)含噪聲的臺(tái)區(qū)線損值f（k），利用小波變換將其分解為M層，從而獲得小波系數(shù)ωj，k，ωj，k描述的是j層分解后的高頻系數(shù)k的小波系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)小波系數(shù)的門限和信號(hào)的重構(gòu)，抑制［11］噪聲。因此，在降噪過程中，門限的選擇是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

如公式（1）中所示，獲得門限T：

式中，σ為配電臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)；N為信號(hào)長度。

其中，可以利用公式 （2）表示的分解高頻系數(shù)［12］絕對(duì)值來估算σ。

傳統(tǒng)的門限函數(shù)可以分為硬門限和軟門限。其中，硬門限是指在不小于該門限的情況下，將其所有取值設(shè)置為0的小波系數(shù)進(jìn)行保留［13］，并用公式（3）表示硬門限：

軟門限標(biāo)準(zhǔn)簡單地將小于門限的小波系數(shù)取值設(shè)置為0，并與門限本身的特性相結(jié)合，獲得公式（4）表達(dá)式為：

在公式（3）、 （4）中，可以獲得相應(yīng)于軟、硬門限的曲線。

式中，μ為權(quán)重系數(shù)，并且在公式（6）中給出具體表達(dá)式為：

在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)配電臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)的二維小波降噪方法的研究，得出詳細(xì)步驟為：

第一步：選取預(yù)報(bào)日前n日的線損數(shù)據(jù)為采樣值，并將其變換成相應(yīng)的二維數(shù)據(jù)。

第二步：將上述數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后，獲得二維灰度圖的矩陣數(shù)據(jù)。

第三步：在獲得二維信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過小波變換方法解析信號(hào)，選取最優(yōu)的小波基，再利用M層解析獲得ωj，k。

第四步：對(duì)各級(jí)別小波分別實(shí)行預(yù)處理，明確門限的范圍，利用半軟門限函數(shù)對(duì)進(jìn)行處理，從而獲得估計(jì)系數(shù)。

第五步：利用二維小波變換重建信號(hào)，獲得去噪后的信號(hào)。

第六步：對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行逆向標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而達(dá)到對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)降噪的目的。

3 低壓配電臺(tái)區(qū)線損變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

低壓配電臺(tái)區(qū)的線路損耗以電阻損耗為主，它與載流量、電壓和負(fù)荷的分布有關(guān)，那么電阻組件損耗為：

式中，I為低壓配電網(wǎng)部件的電流有效值；R為電阻值；U為運(yùn)行電壓；P為荷載值；λ為功率因數(shù)；ρ為配電網(wǎng)線路電阻率；L為配電網(wǎng)線路長度；A為電線截面。

在配電網(wǎng)絡(luò)中，除了基線電阻，還可以將變壓器的線損劃分為線損、銅損，由此可以得出：

式中，PFe為勵(lì)磁支路［15］的阻性損失；PCu為變壓器繞組的阻性損失；UN為變壓器的額定電壓；SN為變壓器的容量；Pk為變壓器的短路損失。同樣，也能夠獲得配電臺(tái)區(qū)其他各組成部分的線損。通過擬合采集的通信信道有關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出配電臺(tái)區(qū)中每一分支的理論線損。最后，根據(jù)公式（9）能夠獲得配電臺(tái)區(qū)電能理論線損表達(dá)式為：

式中，ΔPi為配電臺(tái)區(qū)各組件的理論損失；If為配電臺(tái)區(qū)線路負(fù)荷電流；t描述的是運(yùn)行周期。

通過對(duì)配電網(wǎng)中各線路的線損進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，能夠得到各線路的線損變化趨勢(shì)和各通信通道的運(yùn)行狀況。實(shí)際線損的統(tǒng)計(jì)值的計(jì)算，主要是基于電量損失量，并在國家電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定的支持下，最終得到線損變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)值表達(dá)式為：

式中，Δβs為實(shí)際通信線損量；G為配電網(wǎng)供電量；S為配電網(wǎng)售電量。供電量是指配電網(wǎng)中所產(chǎn)生和處理的總電量，其計(jì)算公式為：

式中，Gf為發(fā)電站產(chǎn)生的電量；Gw為外購電量；Gi為其他分線輸入電量；G0為輸出電量。售電量指的是配電網(wǎng)及其有關(guān)單位向客戶出售的電力，再加上向其他行業(yè)提供電力的總和，則計(jì)算表達(dá)式為：

式中，Sm為一般用戶在配電網(wǎng)中的總用電量；Sz為其他行業(yè)的用電量。

所安裝的監(jiān)控裝置每隔15min對(duì)上述數(shù)據(jù)收集和上載，多個(gè)通信通道的狀態(tài)信息每隔30min進(jìn)行一次更新。在多條通信信道出現(xiàn)異常時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)規(guī)律，無法及時(shí)更新統(tǒng)計(jì)信息，此時(shí)必須對(duì)線損異常前一時(shí)間與前一天相同時(shí)間的數(shù)據(jù)取平均權(quán)重，以獲得統(tǒng)計(jì)信息。在通信信道恢復(fù)到正常狀態(tài)的時(shí)候，運(yùn)用時(shí)序分析原理，對(duì)數(shù)值的實(shí)時(shí)變化與線損數(shù)據(jù)關(guān)系分析，從而獲得配電網(wǎng)線損時(shí)刻與統(tǒng)計(jì)值。將處理的數(shù)據(jù)替換成相應(yīng)的配電網(wǎng)實(shí)際線損，與公式（9）中的理論線損比較。

設(shè)置最大的容許線損誤差為η，如果Δβs－Δβ大于η，這就意味著，線損出現(xiàn)異常，由此得出在通信通道中有線損異常的結(jié)論，隨即發(fā)出警報(bào)。如果Δβs－Δβ小于η，則說明配電網(wǎng)的線損設(shè)備也能正常工作，沒有線損異常狀態(tài)。此外，監(jiān)測(cè)異常的報(bào)警模式有三種：一是閃光警告信號(hào)，該信號(hào)裝在通道監(jiān)測(cè)終端上；二是蜂鳴器響應(yīng)；三是將實(shí)時(shí)警報(bào)消息傳送給相關(guān)工作人員。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)將依照配電網(wǎng)線損變化趨勢(shì)的異常危急程度，選取適當(dāng)?shù)念A(yù)警模式，并與多個(gè)通信信道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起輸出。

4 線損監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法的監(jiān)測(cè)實(shí)用性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用K-Medoids聚類方法，與所提方法進(jìn)行比較。

采用所提方法通過對(duì)數(shù)據(jù)的多層次分類，減少監(jiān)測(cè)誤差。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)多個(gè)配電臺(tái)區(qū)的線路損耗數(shù)據(jù)集抽樣，從中選擇了1000個(gè)樣本作為訓(xùn)練集。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，在模型上重構(gòu)線損數(shù)據(jù)，從而在保證其高效運(yùn)行的前提下，提升其監(jiān)測(cè)精度。在該模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)配電網(wǎng)線損的分析，得到其分布情況，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)線損狀態(tài)

通過圖2能夠看出，分析配電網(wǎng)線損情況，選擇了90個(gè)線損節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)線損情況分別為節(jié)點(diǎn)10～30、30～50、50～90，正常線損率變動(dòng)幅度在1.6～6.0%范圍內(nèi)。線損率在30～50個(gè)節(jié)點(diǎn)上有異常突變現(xiàn)象，其變化趨勢(shì)更為集中，波動(dòng)幅度較大，超過正常范圍。即在線損節(jié)點(diǎn)為30～50之間有突變點(diǎn)。說明所提方法能夠直觀看出配電網(wǎng)線損變化趨勢(shì)波動(dòng)，掌握設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)。

選擇10個(gè)突變點(diǎn)，設(shè)置總實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)序列100～1000。把10個(gè)突變點(diǎn)放入隨機(jī)監(jiān)測(cè)模型中，展開訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中的均方誤差變化情況如圖3所示。從圖3中能夠明顯看出，在三種時(shí)間序列中，當(dāng)訓(xùn)練周期為月度時(shí)，輪數(shù)為14次，監(jiān)測(cè)均方差維持在0.09。在訓(xùn)練周期為季度時(shí)，輪數(shù)為20～25、30～35次，均方誤差基本保持不變，數(shù)值保持在0.03。當(dāng)訓(xùn)練周期為半年時(shí)，均方誤差比較穩(wěn)定，波動(dòng)在0.2～0.26之間，相對(duì)于月度和季度誤差比較大，但也能夠保證配電網(wǎng)線損監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。由此說明，所提方法適應(yīng)性較好，及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電網(wǎng)線損實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖3 監(jiān)測(cè)模型訓(xùn)練情況

在訓(xùn)練循環(huán)中，監(jiān)測(cè)的配電網(wǎng)線損序列如圖4所示，設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為25天，對(duì)時(shí)間內(nèi)配電網(wǎng)線損率的變化進(jìn)行分析。設(shè)置在第3、24、25天出現(xiàn)線損，且丟失段的線損率設(shè)為0。

圖4 配電網(wǎng)線損時(shí)間序列變化

通過圖4能夠觀察到，配電網(wǎng)線損在第3、24、25天的時(shí)候，線損率的數(shù)值均為0%，其他時(shí)間的線損率的數(shù)值是正常的，監(jiān)測(cè)出的數(shù)值與實(shí)際出現(xiàn)線損的時(shí)間相一致，說明所提方法對(duì)配電臺(tái)區(qū)線損監(jiān)測(cè)效果較好且精準(zhǔn)。

通過選擇的10個(gè)突變節(jié)點(diǎn)序列，其中包含配電網(wǎng)實(shí)際線損突變節(jié)點(diǎn)，且數(shù)量各不相同。將K-Medoids聚類方法、聚類方法、所提方法監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，詳見下表。

表 線損監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過上表能夠得知，K-Medoids聚類方法、聚類方法在任何節(jié)點(diǎn)序列中，監(jiān)測(cè)線損突變節(jié)點(diǎn)數(shù)量與實(shí)際線損突變節(jié)點(diǎn)數(shù)量均存在或多或少的誤差；而所提方法在節(jié)點(diǎn)序列為700時(shí)，與實(shí)際線損突變節(jié)點(diǎn)數(shù)量誤差為2個(gè)，其余為存在1個(gè)或0個(gè)誤差。由此證明所提方法能夠更加精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)出配電網(wǎng)線損情況，提高工作效率。

5 結(jié)束語

為了能夠?qū)﹄娏€損問題有效地管理，從而降低電力損耗，電力企業(yè)必須要確定目標(biāo)，并采取行之有效的措施，運(yùn)用先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，幫助低壓公變臺(tái)區(qū)更好的實(shí)現(xiàn)同期線損準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步提升供電公司線損指標(biāo)，同時(shí)減少基層班組人員排查線損的時(shí)間，從而降低企業(yè)的運(yùn)營成本，減少資源浪費(fèi)，保證人們的用電需求。因此，提出了低壓配電臺(tái)區(qū)線損變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。開展低壓配電臺(tái)區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸，了解配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，并對(duì)所采集的線損耗數(shù)據(jù)處理，以消除噪聲，并實(shí)行線損最大誤差分析，以達(dá)到高效、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。