中低壓配網(wǎng)線路路徑及數(shù)據(jù)自動在線還原技術(shù)研究

黎健，何承瑜，梁泳

（廣西電網(wǎng)有限責任公司，廣西南寧 530001）

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，電力建設的需求越來越高，中低壓配電網(wǎng)絡的發(fā)展和建設是提高供電服務水平的重點[1]。10 kV 配網(wǎng)是電力傳輸末端的核心，對電力供應起到關(guān)鍵的配置調(diào)節(jié)作用[2]。

充分利用配網(wǎng)數(shù)據(jù)信息可以優(yōu)化故障定位方案，提升終端用戶的體驗度[3-4]。以往，對數(shù)據(jù)的應用主要是分析故障和進行檢修處理過程的風險評估[5-8]。這種方式能夠得到相對準確的檢修處理結(jié)果，但容易導致權(quán)重決策產(chǎn)生偏差，影響當前配網(wǎng)設備狀態(tài)的調(diào)取[9]。同時，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，而智能化的自動處理能夠滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)的發(fā)展使用要求[10-16]。

針對上述問題，該文對配電網(wǎng)線路的路徑及相關(guān)數(shù)據(jù)展開了研究，實時處理系統(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)的整體建設方案，為數(shù)據(jù)自動處理技術(shù)在10 kV 配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮更為理想的應用優(yōu)勢提供了新的途徑，并采用聚類處理算法得到自動調(diào)試結(jié)果。最終，通過分析案例證明了新型算法的實際應用價值。

1 配網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

1.1 信號采集

狀態(tài)數(shù)據(jù)包含電力運行時的電流、電壓、有功和無功功率，以及主變分接抽頭、開關(guān)、隔離刀閘的狀態(tài)等。一旦發(fā)生故障，通過數(shù)據(jù)傳輸裝置上傳配電網(wǎng)線路的實時運行狀態(tài)及變化信息，配合遠程控制信號縮小故障范圍，實現(xiàn)系統(tǒng)化的信息共享。具體的數(shù)據(jù)采集過程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集過程

1.2 信號量處理

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，由數(shù)據(jù)處理功能完成對采集信號的檢驗，并通過相關(guān)算法過濾異常數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)包含斷路器、隔離開關(guān)位置、繼保裝置動作信號等。數(shù)據(jù)處理使用質(zhì)量碼對采集到的輸入數(shù)據(jù)和系統(tǒng)計算出的數(shù)據(jù)進行標注，觀察被標數(shù)據(jù)質(zhì)量，甄別是否存在壞損。

1.3 存儲

對系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)支持按需變化儲存，存儲過程具備批量定義和人工選擇功能，最大限度地滿足輸出儲存位置的需求，通過數(shù)據(jù)組指針的設定，可以便捷地實現(xiàn)信息的調(diào)取和使用。

1.4 操作控制

主要是指對數(shù)據(jù)、標識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械閉鎖和邏輯閉鎖兩種類型。通過操作實現(xiàn)對各分量的人為置數(shù)，并對被操作數(shù)據(jù)進行有效性檢驗。

1.5 事故反演

事故反演可以提前對故障進行預防，當預設事故被預檢到將會發(fā)生時，系統(tǒng)將調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。通過這部分數(shù)據(jù)處理可以對事故情況進行反演，且具備允許操作人員在反演過程中暫停進程的功能。

1.6 線路建模及調(diào)用

通過對圖模庫的建模，可以實現(xiàn)對庫中圖模數(shù)據(jù)的直接調(diào)用，結(jié)合單線圖和站所圖對整個配電網(wǎng)絡的靜態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)進行自動生成并實現(xiàn)定時校驗維護管理，但這一流程需要嚴格遵守相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范。該功能的實現(xiàn)還有利于系統(tǒng)圖模數(shù)據(jù)在不同部門和地區(qū)間的交流。開通圖模庫和其他各系統(tǒng)間的查詢檢索功能，可以有效提高建模與調(diào)用效率。

2 配網(wǎng)數(shù)據(jù)自動還原技術(shù)

對配網(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，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動處理，快速掌握故障發(fā)生的相關(guān)信息，該文提出了數(shù)據(jù)自動在線還原技術(shù)來完成配網(wǎng)故障自動定位。

2.1 數(shù)學模型

配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常故障電流較正常負載電流明顯增大。其可以通過檢測系統(tǒng)邏輯算法識別電流數(shù)值的區(qū)別，分析計算主站檢測到的電壓電流信號的變化實現(xiàn)故障的精準定位。

假設一個區(qū)域的配網(wǎng)可以劃分為n條線路段，且每個線路區(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)學模型，由模型求解各測控點的狀態(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

當配電網(wǎng)絡發(fā)生故障時，各開關(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)絡線路的數(shù)學模型時，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)是對線路路徑可行性的判定。以單相接地故障為例，當線路出現(xiàn)故障時，故障點的正、負、零序故障電流的實際模值和相位均相同，則可定義配電系統(tǒng)網(wǎng)絡的判斷函數(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均為平方項，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，從而實現(xiàn)故障點的位置判斷。

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關(guān)量為1，不存在故障電流的饋線開關(guān)量為0。

圖4 單相接地故障判定流程

2.3 線路故障測距原理

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是故障點到首端測控點的線路阻抗；Z′是故障點到線路末端測控點的阻抗值；ZL是未發(fā)生故障時測控點測量的線路阻抗值，對于實際的配電網(wǎng)絡，線路阻抗ZL一般為常數(shù)。

假設線路特征離散屬性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S進行劃分，分為V個分支節(jié)點，其中第v個包含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節(jié)點，擁有次大信息增益的線路作為下一個決策節(jié)點。最終通過遞歸計算迭代整個決策，得到自動處理決策樹。

2.4 路徑優(yōu)化算法

在電網(wǎng)的故障定位過程中，通常將配網(wǎng)線路作為計算路徑。假設用u表示為每個區(qū)段發(fā)生故障的初始概率，v表示每個區(qū)段不發(fā)生故障的初始概率。利用迭代初期產(chǎn)生的評價函數(shù)對路徑概率的賦值進行優(yōu)化調(diào)整。在配網(wǎng)故障決策的流程中，設置區(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，計算流程為：

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

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

3 應用案例分析

圖5 是某配電網(wǎng)絡含分支的線路未發(fā)生故障時的示意圖，其中配電自動化的終端設備沒有顯示，位置與線路上的開關(guān)一致。R1～R9表示各條線路的分段開關(guān)代號，假設在某時刻R6、R8和R9開關(guān)之間的線路發(fā)生了接地短路故障，故障電流導致繼電保護設備動作，各開關(guān)按照預設程序跳開，該配電網(wǎng)絡的線路全部失電，如圖6 所示。

圖5 線路未發(fā)生故障時的示意圖

圖6 故障電網(wǎng)示意圖

由該文提出的自動化控制算法可知，通過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，傳遞相應的數(shù)據(jù)信號信息素，可以對所有開關(guān)檢測出故障量，開關(guān)R8、R9、R6處距離故障點較近，按照繼電保護裝置的執(zhí)行方案首先斷開。此時故障信號消失，無需進一步斷開開關(guān)?？刂浦髡就ㄟ^采集到的信號，按照順序依次判斷故障線路段。最終發(fā)現(xiàn)故障區(qū)間應位于開關(guān)R8、R9和R6之間。由此自動控制開關(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。自動控制后供電恢復的配電網(wǎng)絡圖，如圖7 所示。

圖7 自動控制后配網(wǎng)示意圖

案例驗證了環(huán)網(wǎng)有分支線路發(fā)生故障時，開關(guān)動作選擇的合理性。此外，對于非環(huán)網(wǎng)線路，采用該文提出的配網(wǎng)數(shù)據(jù)自動還原算法后，故障切除時間和線路切斷判定準確率的數(shù)據(jù)對比如表1 所示。

表1 自動還原技術(shù)效率提升對比

表中的數(shù)據(jù)來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在線還原技術(shù)對于環(huán)網(wǎng)無分支、環(huán)網(wǎng)有分支、非環(huán)網(wǎng)無分支線路、非環(huán)網(wǎng)有分支線路類型均能較為明顯地縮短故障線路切除時間，并提高故障線路的判定準確率。

4 結(jié)束語

該文在對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)進行分析的基礎上，提出了數(shù)據(jù)處理與故障自動檢測方案。通過自動在線算法對數(shù)據(jù)進行分析研判，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的自動化決策，提高配網(wǎng)發(fā)生故障時線路路徑的選擇速度。算法以切斷負荷最小和開關(guān)操作次數(shù)最少為目標函數(shù)，對故障后的配電網(wǎng)恢復重構(gòu)。最終通過接地故障配電網(wǎng)自動診斷案例驗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間，提高故障線路切斷的判定準確率。未來通過連接變電10 kV 出線數(shù)據(jù)，可以進一步提高線路路徑和數(shù)據(jù)自動在線還原處理的效率。