城市高壓配電網(wǎng)接線模式自動識別

王哲

(國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津市 300371)

城市高壓配電網(wǎng)接線模式自動識別

王哲

(國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津市 300371)

建立了城市高壓配電網(wǎng)的接線模式模型，并基于該模型提出了接線模式自動識別方法。首先，該方法對城市高壓配電網(wǎng)接線模式經(jīng)過概括和抽象，形成了電源、網(wǎng)架、負荷三層體系結(jié)構(gòu)，并建立各自的數(shù)學模型。其次，基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，形成“電源-網(wǎng)架-負荷”供電關(guān)系及“網(wǎng)架-網(wǎng)架”聯(lián)絡(luò)關(guān)系。最后，分別分析并提取三層體系中的典型特征元素，利用模式識別理論達到接線模式識別的目的。此外，對國內(nèi)常用典型接線給出了模式識別的特征表達式并建立接線模式特征庫；對國內(nèi)非典型接線通過確認其合理性后添加到特征庫中,如不合理則會給出說明。實例表明，本方法可以有效識別高壓配電網(wǎng)接線模式，也適用于中壓配電網(wǎng)電纜網(wǎng)接線模式識別。

高壓配電網(wǎng)；接線模式；特征庫；模式識別

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市配電網(wǎng)有了快速發(fā)展。在城市電網(wǎng)規(guī)劃中，接線模式的選擇對電網(wǎng)規(guī)劃的全局起著重要的作用[1-4]。合理的接線模式是滿足供電可靠性、提高運行靈活性、降低電網(wǎng)損耗的基礎(chǔ)。不同供電區(qū)域根據(jù)電網(wǎng)的特點，選取適合本地區(qū)的接線模式，既可滿足用戶的用電需求，又可提高電網(wǎng)運行效率。

以往學者對接線模式的研究主要是針對接線模式的經(jīng)濟性和可靠性[5-6]，對接線模式識別的研究很少進行。文獻[7]以出線樹為基本分析單元，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析和模式識別理論的城市中壓配電網(wǎng)接線模式識別方法。這種方法對中壓配電網(wǎng)的接線模式的識別效果較好，但不完全適應(yīng)于高壓配電網(wǎng)的模式識別。城市高壓配電網(wǎng)各種接線模式是以出線分區(qū)[8]的形式出現(xiàn)的。根據(jù)線路供電范圍以開關(guān)裝置為邊界的特點，可以進行出線分區(qū)。分區(qū)方式如下：以開關(guān)裝置分界的從電源到負荷的供電通路稱為一個分區(qū)，分區(qū)內(nèi)元素包括電源、網(wǎng)架、負荷3個部分。文獻[7]從單一的出線樹作為分析對象可以有效識別架空網(wǎng)的多分段多聯(lián)絡(luò)接線和電纜網(wǎng)的單環(huán)網(wǎng)接線。由于建立的模型缺乏配電站所站內(nèi)接線，文獻[7]的方法對于電纜網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)接線和 “N-1”主備接線均無法給出識別結(jié)果。

針對上述存在的問題，本文提出一種能全面考慮出線分區(qū)內(nèi)元素的識別方法。該方法基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析理論，定義電源模型、網(wǎng)架模型、負荷模型。提取3個模型中能代表接線模式組并且數(shù)量最少的特征，建立接線模式特征庫，利用特征匹配的特征實現(xiàn)城市高壓配電網(wǎng)的識別。通過接線模式的識別結(jié)果，可以全面了解高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，為電網(wǎng)改造和規(guī)劃提供建議。

本文主要對城市高壓配電網(wǎng)接線模式識別方法進行研究，由于城市中壓電纜網(wǎng)具有和高壓配電網(wǎng)同樣的模型，并且文獻[7]的方法對于中壓電纜網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)接線和 “N-1”主備接線無法給出識別結(jié)果，針對以上問題，本文在研究城市高壓配電網(wǎng)接線模式識別方法的基礎(chǔ)上，也對中壓電纜網(wǎng)的識別方法進行嘗試研究。

1 理論基礎(chǔ)

本文的識別方法是基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析和模式識別理論[9]的一種方法。網(wǎng)絡(luò)拓撲分析是把用電氣設(shè)備描述的物理模型轉(zhuǎn)換為用節(jié)點和支路描述的數(shù)學模型，為接線模式的識別準備了配電網(wǎng)組成元素的聯(lián)絡(luò)關(guān)系和供電關(guān)系。

模式識別的方法有多種，如決策論方法、結(jié)構(gòu)方法[10]等。本文采取的決策論模式識別方法一般稱為統(tǒng)計模式識別方法，它是從待識別的模式中選擇能夠足夠代表它的若干特征(設(shè)有x個)，每一個模式都由這x個特征組成在x維空間的一個x維特征向量代表，于是每一個模式在x維特征空間占有一個位置。

對于待識別的接線模式，就可根據(jù)它的特征向量位于特征空間中的哪一個區(qū)域而判定它屬于哪一類模式。其實質(zhì)就是運用特征匹配的原則，將待識別接線模式的模型特征表達式與已知的接線模式特征庫逐一進行特征匹配，若待識別接線模式的模型特征與接線模式特征庫匹配，則可以達到識別的目的。本文的高壓配電網(wǎng)接線模式特征表達式Ch=(s，m，j，n，w，g，l，h，f，e)就是選取10個代表高壓配電網(wǎng)的典型特征，相當于每一個模式在10維特征空間都占有一個位置。城市高壓配電網(wǎng)可以根據(jù)其特征向量所位于的特征空間來判斷其屬于什么接線模式。

2 模型與識別方法

2.1 接線模式預(yù)處理

實際的城市高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)具有多樣化。在對實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行概括和抽象的同時需要對電網(wǎng)進行接線模式預(yù)處理[11-14]。根據(jù)模式識別所需要的信號要求，模型化實際電網(wǎng)使之便于理論分析[15-16]。本文以圖1雙側(cè)電源不同母線3T接線為例進行實際分析。

圖1 雙側(cè)電源不同母線3T接線

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析

在配電網(wǎng)規(guī)劃中，要求配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行，配電網(wǎng)由變電站各出口向外輻射狀供電。變電站的每一個出口及其供電范圍內(nèi)的節(jié)點和線路構(gòu)成一棵樹，稱為出線樹。接線模式網(wǎng)架分析以出線樹為單位，出線樹是接線模式識別的一部分。圖1所示接線方式中有a、b、c共3條出線樹。

2.1.2 聯(lián)絡(luò)分析

出線樹之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系是進行接線模式識別的關(guān)鍵信息，是形成出線分區(qū)的基礎(chǔ)，也可以從側(cè)面反映網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性。圖1所示接線方式中出線樹間無聯(lián)絡(luò)，所以該接線模式供電可靠性較低。

2.1.3 供電通路分析

供電通路是接線模式分析的又一關(guān)鍵信息。供電通路分析的目的是獲取出線數(shù)和負荷的主通路和輔助通路信息。對于基于拓撲理論的接線模式分析，供電通路分析是接線模式分組的依據(jù)。負荷的通路信息也可以表明接線模式的可靠性高低。表1列出了圖1所示接線方式的供電通路信息。

表1 供電通路表

2.1.4 建立接線模式模型

高壓配電網(wǎng)的識別是以出線分區(qū)為識別對象，出線分區(qū)包括電源、網(wǎng)架、負荷3個部分。對這3個部分都需要建立相應(yīng)的模型。

(1)電源的接線模式模型。

第i個電源的接線模式模型M1i為

M1i=(mi，li，fi，zi)，其中i=1,2,…,m

(1)

式中：m為電源數(shù)；mi表示待識別接線模式組內(nèi)第i個電源的母線數(shù)；li表示待識別接線模式組內(nèi)第i個電源是否有站內(nèi)聯(lián)絡(luò)線；fi表示待識別接線模式組內(nèi)第i個電源是否是發(fā)電機電源：若有發(fā)電機做電源，則fi=1，若沒有發(fā)電機做電源，則fi=0；zi表示待識別接線模式組內(nèi)第i個電源是否是增強電源，若是增強電源，則zi=1，若不是增強電源，則zi=0。

(2)網(wǎng)架的接線模式模型。

第j條出線樹的接線模式模型M2j為

M2j=(sj，dj，lj，jj，wj)，其中j=1,2,…,n

(2)

式中：n為出線樹個數(shù)；sj表示待識別的接線模式組第j條出線樹的屬性：若出線樹為開環(huán)接線，則sj=1，若出線樹為閉環(huán)接線，則sj=2，若出線樹為備用線，則sj=3；dj表示待識別接線模式組第j條出線樹的主供電源數(shù)；lj表示待識別接線模式組第j條出線樹是否有聯(lián)絡(luò)：若有聯(lián)絡(luò)，則lj=1，否則lj=0；jj表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線接線方式情況：若接線方式為直供接線，則jj=0，若接線方式為T接線，則jj=1，若接線方式為π接線，則jj=2，若接入方式為Tπ混合接線，則jj=3；wj表示待識別接線模式組第j條出線樹的接線方式，如果為T接，則是否為完全T接：若為完全T接，則wj=1，否則wj=0。

(3)負荷的接線模式模型。

第k個負荷的接線模式模型M3k為

M3k=(dk，fk，zk，mk，lk，jk)，其中k=1,2,…,p

(3)式中：p為負荷站數(shù)；dk表示待識別接線模式組第k個負荷站的主供電源數(shù)；fk表示待識別接線模式組第k個負荷站的輔助電源數(shù)；zk表示待識別接線模式組第k負荷站內(nèi)主變的個數(shù)；mk表示待識別接線模式組第k負荷站內(nèi)母線的個數(shù)；lk表示待識別接線模式組第k負荷站是否有站內(nèi)聯(lián)接線；jk表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線接線方式情況：若接線方式為直供接線，則jk=0，若接線方式為T接線，則jk=1，若接線方式為π接線，則jk=2，若接入方式為Tπ混合接線，則jk=3。

建立接線模式模型的目的是確立研究對象，整合接線模式組特征，為接線模式識別典型特征提取做準備。

2.2 特征提取

接線模式模型的建立詳細描述了接線模式出線分區(qū)內(nèi)元素的特征。為了達到接線模式識別的目的，需要選擇的特征能足夠代表此接線模式，同時要求其數(shù)量盡量少，從而能有效地進行分類和描述。接線模式特征的提取是用模式識別理論進行接線模式識別的關(guān)鍵。

通過對典型高壓配電網(wǎng)接線模式的分析，本文提出了從電源特征、電源母線特征、網(wǎng)架出線特征、負荷站接入特征、負荷站站內(nèi)接線方式特征作為高壓配電網(wǎng)的接線模式典型特征來考察。

(1)電源特征。

電源的特征包括電源數(shù)、是否有發(fā)電機做電源、電源母線數(shù)、是否有附加增強電源。電源數(shù)、電源母線數(shù)及是否有附加增強電源可以從側(cè)面反映出待識別接線模式組的可靠性，是電源的典型特征。是否有發(fā)電機做電源作為特征是考慮了城市高壓配電網(wǎng)有許多發(fā)電機供電的情況，負荷有2個及以上的主通路。因此發(fā)電機作為一個特殊的電源特征。這4個特征的信息可以從式(1)中提取。

(2)網(wǎng)架出線特征。

網(wǎng)架出線的典型特征包括出線屬性、接入負荷站方式、出線是否有聯(lián)絡(luò)。這3個層面的特征可以從式(2)中提取。

(3)負荷站特征。

負荷站的典型特征包括負荷站接入方式、負荷站內(nèi)是否有站內(nèi)聯(lián)絡(luò)線。這2個特征都可以從式(3)中提取。

2.3 模式識別

提取了接線模式組的典型特征之后，需要根據(jù)配電網(wǎng)典型接線模式結(jié)構(gòu)特征比較明確且易于確定的特點建立特征庫。采用特征匹配的原則來識別典型城市高壓配電網(wǎng)的接線模式。

2.3.1 特征庫的建立

根據(jù)以上建立的接線模式模型，分析典型的高壓配電網(wǎng)接線模式，提取能代表模式的特征，建立特征庫。

城市高壓配電網(wǎng)主要的接線模式有單側(cè)電源不同母線輻射接線、雙側(cè)電源雙T接線、單側(cè)電源雙T接線、雙側(cè)電源雙π接線、雙側(cè)電源不同母線三T接線和雙側(cè)電源不同母線雙π接線等。

城市高壓配電網(wǎng)接線模式的特征表達式為

Ch=(s，m，j，n，w，g，l，h，f，e)

(4)

式中：s表示待識別接線模式組內(nèi)電源數(shù)；m表示待識別接線模式組內(nèi)母線數(shù)；j表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線接線方式情況：若接線方式為T接線，則j=1，若接線方式為π接線，則j=2，若接入方式為Tπ混合接線，則j=3，其他，則j=0；n表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線接線方式為T接線或者π接線時，T接線或者π接線的個數(shù)；w表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線接線方式為T接線時，T接線是否為完全接線：若為完全接線，則w=1，若為不完全接線，則w=0，其他，則w=2；g表示待識別的接線模式組網(wǎng)架出線直供接線的個數(shù)；l表示待識別接線模式組網(wǎng)架出線樹之間是否有聯(lián)絡(luò)線：若沒有聯(lián)絡(luò)線，則l=0，若有聯(lián)絡(luò)線，則l=1，其他，則l=2；h表示待識別接線模式組負荷站內(nèi)是否有站內(nèi)聯(lián)絡(luò)線：若沒有聯(lián)絡(luò)線，則h=0，若有聯(lián)絡(luò)線，則h=1，其他，則h=2；f表示待識別接線模式組內(nèi)是否有發(fā)電機電源：若有發(fā)電機做電源，則f=1，若沒有發(fā)電機做電源，則f=0；e表示待識別接線模式組內(nèi)是否有附加增強電源：若有附加增強電源，則e=1，若沒有附加增強電源，則e=0。

2.3.2 典型接線模式識別

特征庫建立之后，根據(jù)各個接線模式組的特征表達式，利用特征匹配原則識別接線模式。

對于特征庫不能匹配的接線模式，需要判斷其是否合理并且是否經(jīng)常使用，如果是，則將其特征式添加到特征庫中，否則指出其不合理之處。

圖1接線方式的特征表達式為(2,3,1,3,0,0,0,0,0,0)，通過特征表達式可以知道該接線方式有兩側(cè)供電電源，3個供電母線，網(wǎng)架出線樹全為T接線，T接數(shù)為3，負荷站內(nèi)無站內(nèi)聯(lián)絡(luò)線，接線方式組無附加增強電源供電，無發(fā)電機做電源。通過以上特征可以判斷該接線方式為雙側(cè)電源不同母線3T接線。

圖2(a)～(l)列出了我國具有代表性的高壓110 kV配電網(wǎng)接線模式。表2列出了各種接線模式的特征表達式及識別出的接線模式名稱。

2.4 中壓電纜網(wǎng)識別

中壓電纜網(wǎng)同樣可以分為電源、網(wǎng)架、負荷三層體系。中壓電纜網(wǎng)的用戶模型類似于高壓配電網(wǎng)中的負荷站模型。

與高壓配電網(wǎng)相比，中壓電纜網(wǎng)接線模式的特征側(cè)重于聯(lián)絡(luò)分析。聯(lián)絡(luò)的方式有2種：一是通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)或聯(lián)絡(luò)集合，二是通過用戶建立聯(lián)絡(luò)。

中壓電纜網(wǎng)根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)特點，應(yīng)用本文方法，建立特征表達式為

Ch=(s，m，c，b，w，l，n，j)

(5)

式中：s表示待識別接線模式組內(nèi)電源變電站數(shù)；m表示待識別接線模式組內(nèi)電源母線數(shù)；c表示待識別接線模式組內(nèi)電源饋線數(shù)；b表示待識別接線模式組內(nèi)備用饋線數(shù)；w表示待識別接線模式組的網(wǎng)架類型：若網(wǎng)架類型為架空網(wǎng)(包括架空電纜混合網(wǎng))，則w=1，若網(wǎng)架類型為電纜網(wǎng)，則w=2，若網(wǎng)架類型為帶開閉所/開關(guān)站網(wǎng)，則w=3；l表示待識別接線模式組網(wǎng)架饋線樹之間是否有聯(lián)絡(luò)線：若沒有聯(lián)絡(luò)線，則l=0，若有聯(lián)絡(luò)線，則l=1，其他，則l=2；n表示待識別接線模式組內(nèi)饋線樹的聯(lián)絡(luò)數(shù)相同時，與饋線樹聯(lián)絡(luò)的其他饋線樹個數(shù)，若聯(lián)絡(luò)數(shù)不同，則n=0；j表示待識別接線模式組內(nèi)用戶的接入方式：若接入方式為T接線，則j=1，若接入方式為π接線，則j=2，若接入方式為Tπ混合接線，則j=3，其他，則j=0。

圖2 典型高壓配電網(wǎng)接線模式

根據(jù)此特征表達式，利用特征匹配原則，可以有效識別中壓電纜網(wǎng)的單電源線輻射接線、雙輻射接線、單環(huán)式接線、雙聯(lián)絡(luò)雙π接線、 “N-1”主備接線以及不同母線出線連接開閉所接線。

表2 各種接線模式特征式

3 算例分析

圖3為進行接線模式識別的算例，該網(wǎng)絡(luò)共有2座500 kV變電站，8座220 kV變電站，22座110 kV變電站，4臺發(fā)電機，30條出線樹。開元站有2條母線，分別帶出線樹T1、T3和T2、T4、T5。花地站有2條母線，分別帶出線樹T6、T8和T7、T9。永福站有2條母線，分別帶出線樹T10、T13和T11、T12。從化站有3條母線，分別帶出線樹T14、T16和T15、T17和T18。嘉禾站有2條母線，分別帶出線樹T19、T21和T20、T22。新塘站有2條母線，分別帶出線樹T25和T23、T24、T26。林益站有2條母線，分別帶出線樹T27和T28。炭布站有2條母線，分別帶出線樹T29和T30。

圖3 算例網(wǎng)絡(luò)

在對全網(wǎng)進行拓撲分析和分組分析后，分別對各組進行電源站、網(wǎng)架出線、負荷站3層分析。以圖3中的出線樹T1和T2所在的組分析，組內(nèi)包括開元站、發(fā)電機2、出線樹T1和T2、荷村站。經(jīng)過分析，發(fā)電機為開元站的附加增強電源，T1和T2以直供的方式接入負荷站荷村，荷村站內(nèi)無聯(lián)絡(luò)線。對該組進行特征式提取，可獲得特征表達式Ch=(1，2，0，0，2，2，0，0，0，1)。根據(jù)判別特征可知，整個接線模式組為單側(cè)電源(有增強電源)不同母線直供接線。算例網(wǎng)絡(luò)接線模式識別結(jié)果見表3。

表3 算例網(wǎng)絡(luò)接線模式識別結(jié)果

[1] 葛少云，郭明星，王成山，等．城市高壓配電網(wǎng)接線模式比較研究[J]．電力自動化設(shè)備，2004，24(2)：33-37.

[2]龔小雪, 程浩忠,陳楷,等.微網(wǎng)對城市配電網(wǎng)接線模式可靠性的影響[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2013,25(1):7-11.

[3]謝曉文, 劉洪.中壓配電網(wǎng)接線模式綜合比較[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2009,21(4)：94-99.

[4]王立峰, 陸四龍,余建平.基于匹配識別算法的配電網(wǎng)供電模式選擇[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2011,23(4):106-110.

[5] 陳廷記，程浩忠，何明，等．城市中壓配電網(wǎng)接線模式研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(9)：35-38.

[6] 李毅山，張焰．城市高壓配電網(wǎng)接線模式的可靠性[J]．上海交通大學學報，1999，33(12)：1554-1557.

[7] 肖峻，王躍強，王成山．城市中壓配電網(wǎng)接線模式識別[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(10)：92-95.

[8] Kersting W H，Phillips W H，Doyle R. Clay distribution feeder reliability studies[J]. IEEE Trans on Industry Application，1999，35(2)：319-323.

[9] 楊光正，吳岷，張曉莉．模式識別[M]．合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2001.

[10] Sohn S Y. Meta analysis of classification algorithms for pattern recognition[J]．IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1999，21(11)：1137-1144.

[11] 肖峻.配電網(wǎng)信息管理/分析系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D]．天津：天津大學，1997.

[12] 顧潔，孟旸.配電網(wǎng)接線模式研究[J]．電力自動化設(shè)備，2002，22(7)：19-22.

[13] 郭永基，Kofi．考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估[J]．電力系統(tǒng)自動化，2000，24(17)：48-52.

[14] 牛輝，程浩忠，張焰，等．電網(wǎng)擴展規(guī)劃的可靠性和經(jīng)濟性研究綜述[J]．電力系統(tǒng)自動化，2000，24(1)：51-56． [15] 賴曉平，周鴻興．電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析的有色Petri網(wǎng)模型[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(12): 5-10.

[16] 于爾鏗．電力系統(tǒng)狀態(tài)估計[M]．北京：水利電力出版杜，1985.

(編輯:劉文瑩)

AutomaticIdentificationofConnectionModesforUrbanHigh-VoltagePowerDistributionNetwork

WANG Zhe

(State Grid Tianjin Electric Power Economics & Technology Research Institute, Tianjin 300371, China)

This paper built the connection mode model of urban high-voltage distribution networks, and then proposed automatic identification methods for the connection modes. Firstly, the connection modes of urban high-voltage distribution were summarized and abstracted to get a “power-grid-load” three-layer architecture and mathematical models were built separately for each layer. Secondly, based on the analysis of network topology, the “power-grid-load” power supply relationship and the “network-network” connection relationship were developed. Finally, typical characteristic elements were analyzed and extracted from three-layer architecture for connection mode identification, based on the pattern recognition theory. Moreover, the characteristic expressions of pattern recognition were presented and the feature database was built for the typical connection modes in China; the feature database also included reasonable untypical connection modes, and gave refusing reasons to the unreasonable ones. The examples show that this method can effectively identify the connection mode of high-voltage distribution network, and it is suitable for the connection mode recognition of cable network in medium-voltage distribution network as well.

high-voltage power distribution network; connection mode; feature database; pattern recognition

TM 726

： A

： 1000-7229(2014)09-0059-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.011

2014-03-11

：2014-04-21

王哲(1984)，男，碩士研究生，工程師，主要從事城市電網(wǎng)規(guī)劃與配電自動化方面的工作，E-mail：wzhe99@163.com。