基于負荷突變的配電系統故障告警研究與實現

霍 健 ，施冬明 ，鄭 雷 ，王 亮 ，盧 恒

（1.國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著用戶對供電可靠性要求的不斷提高，配電網調控人員需要及時發現并處理配電系統中供電的各種異常及故障。但由于現代配電網結構日趨復雜，配電自動化終端無法遍及每一個設備，且配電設備、配電自動化終端和通信網絡一般工作在戶外惡劣環境下［1］，在實際運行中存在大量分支線失電、配變失電等故障，調度自動化系統及配電自動化系統無法檢測到。針對這一類故障，利用配電線路負荷突變進行故障預警是行之有效的方案；但配電線路負荷特性及負荷突變原因的多樣性，使得確定合理的負荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負荷突變進行分支線失電、配變失電等故障告警的方法，具有十分重要的現實意義。

在配電網故障預警及診斷方面，文獻［2-3］提出了利用負荷變化進行故障預警及辨識的方法；文獻［4-7］探討了利用電壓、電流等電氣量的變化情況，在無保護信息情況下進行故障預警及定位的建模及實現方式。在配電系統負荷分析方面，文獻［8-9］將概率負荷分析等方法應用于配電系統負荷預測，為利用概率負荷分析確定負荷突變告警策略提供了參考。

本文在分析配電線路負荷特性及配電系統負荷突變原因的基礎上，提出了基于負荷突變的配電系統故障預警方法。基于概率負荷分析確定負荷突變量告警值；利用非同期賦值法實現負荷變化量的采集與計算；通過合理設置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調度自動化系統實現了該功能的開發與應用。通過對濟南地區實際負荷突變告警案例及其原因的分析，證明了該方法對分支線失電、配變失電等無告警信息的配電系統故障，能夠有效地實現告警，具有良好的實用價值。

1 配電系統負荷突變原因分析

1.1 配電線路負荷特性分析

我國絕大部分的中壓配電系統以6~20 kV的配電線路為主構成，根據負荷大小及其變化規律的不同，可大致分為三類［10］。

第一類，以居民用電、一般工商業負荷為主。負荷曲線隨時間變化比較平緩，具有較強的規律性，其日、周負荷曲線如圖1所示，絕大部分城區配電線路負荷具有此類負荷特性。

圖1 常規10 kV線路日、周負荷曲線

第二類，負荷有較強的沖擊性，此類負荷一般為特殊的工業負荷。受沖擊性負荷影響，負荷曲線波動較大，具有明顯的沖擊特性，其日、周負荷曲線如圖2所示。

圖2 沖擊性較強負荷日、周負荷曲線

第三類，小負荷線路，其線路電流值在10 A以內，且波動較小，此類線路多為備用線路，其日、周負荷曲線如圖3所示。

圖3 沖擊性較強負荷日、周負荷曲線

具備上述第二類負荷特性的配電線路，多為特殊工業用戶的專用線路；具備第三類負荷特性的配電線路多為備用線路，因此，研究基于負荷突變的配電線路故障預警，主要針對第一類負荷特性的配電線路。

1.2 配電線路負荷突變原因分析

配電線路發生分支線失電、配變失電等調度自動化系統無法檢測到的故障，反映在配電線路的負荷變化象征為負荷突然降低，對于以居民用電、一般工商業負荷為主，負荷曲線變化比較平緩的第一類配電線路，造成負荷突降主要有7種原因，造成配電線路負荷突降的原因、負荷變化情況及告警信號如表1所示。

表1 配電線路荷突降原因

表1中造成配電線路負荷突降的7種情況，前4種有告警信號，第5種、第7種無告警信號，對于第6種分支線跳閘的情況，實現配網自動化功能的線路有告警信號，未實現配網自動化功能或配網自動化功能異常的線路，無告警信號。

對于無告警信號的分支線跳閘、配變故障及主網故障沖擊造成的低壓用戶脫扣等情況，調控人員無法通過原有的集中監控信息在第一時間獲得故障及異常信息，造成用戶長時間停電，因此，迫切需要針對上述無告警的負荷突降情況制定告警策略，增設告警信號。

2 基于概率分析的負荷突變告警策略

利用負荷突變進行配電系統故障告警，核心問題是區別配電線路正常運行時的負荷變化和故障及異常時的負荷變化。對于圖1所示的具有第一類負荷特性的配電線路，利用概率負荷分析可以歸納其正常運行情況下負荷變化的規律，從而確定負荷突降告警定值。

2.1 負荷變化量的概率分析

調度自動化系統對配電線路負荷數據每隔時間Δt保存一次，記為 i1、i2、i3……in。 則該線路的負荷變化變量序列 Δi可表示為：Δi=［i2-i1，i3-i2，…，in-in-1］；由于配電網支線故障均反應為負荷突降，因此針對線路負荷變量序列中Δi數值小于零的部分進行分析研究，記為序列 Δi＜0，滿足：

記負荷變量序列中數值小于零的部分序列Δi＜0絕對值為配電線路負荷跌落量， 以 Δi′表示，即Δi′=|Δi＜0|。

根據文獻［8］中“元胞負荷”的概念，可將每條配電線路作為一個負荷元胞。統計每個元胞在一段時期內負荷跌落量Δi′的概率，并將這些概率值根據對應元胞負荷跌落量的大小來排序，所得到的離散序列可形成一條曲線，這條以元胞負荷跌落量Δi′為橫軸、以其概率p（Δi′）k為縱軸的曲線就是該元胞負荷跌落值的概率譜曲線。元胞負荷跌落值出現的概率為

式中：ni表示大小為Δi′k的負荷跌落值在該統計時間段內出現的次數；N為不同Δi′k的總個數。

將元胞負荷跌落值的概率譜曲線p（Δi′）作為元胞負荷跌落值Δi′的概率密度函數，則可以根據p（Δi′）求取 Δi′的累積概率分布函數 F（Δi′）式中：F（Δi′m）為元胞負荷跌落值 Δi′落在［0，i′m］之間的概率。

2.2 負荷突降告警值

對圖1所示常規負荷特性的配電線路，可以通過統計其一定時期內歷史負荷數據，根據式（1）求取Δi＜0及負荷跌落量序列Δi′。將每條配電線路作為一個負荷元胞，利用式（2）獲取配電線路負荷跌落量譜曲線，求得該配電線路各負荷跌落值的概率p（Δi′）k。 根據其正態分布規律，可以確定合理的負荷突降告警值。

為正確區分負荷突降與正常負荷波動，同時考慮減少無效告警信息，控制新增負荷突降告警后的信號監控量，取累積概率分布函數 F（Δi′m）=0.9 時的負荷突降值Δi′m作為負荷突降告警限值。即

Δi′alam=Δi′｛F（Δi′）=0.9｝ （4）

根據式（4），負荷突降限值的求取步驟為：選取配電線路一段時期內歷史負荷數據，對前后每兩個采樣點進行作差，選取差值為負的作為該線路負荷突降的樣本庫，并對該樣本庫進行概率分布統計，生成其負荷跌落值的概率譜曲線。確定概率分布在90%以內的負荷突降為正常負荷波動，并將該負荷突降數值確定為負荷突降越限告警限值Δi′alarm。

3 基于負荷突變的配電系統故障預警實現

在確定負荷突變告警策略及告警值的基礎上，在調度自動化系統平臺實現該故障預警的實際應用，需解決兩個問題。一是配電線路負荷變化量的采集，二是針對表1中第1項至第5項非故障原因造成或有其他對應告警信號的負荷突降，抑制負荷突降告警信號的發出，以避免無效的告警信息。

在調度自動化（EMS）系統實現配電線路負荷變化量的采集，最直接的方法是將其當前時刻電流采樣數據與上一次采樣數據作差，但由于EMS系統實時數據無法與歷史數據直接進行計算［11］，因此利用“非同期賦值法”求取配電線路負荷變化量。

一般情況下EMS系統對配電線路負荷電流量采樣間隔為300 s，針對需設置負荷突變告警的配電線路，設置變量 i（1）、i（2）、i（3），將線路電流實時采樣值賦予 i（1）、i（2），其中 i（1）的采樣周期 T1為 150 s，i（2）的采樣周期 T2為常規的 300 s，以 i（1）的采樣周期 T1為周期對實時采樣值 i（1）、i（2）做差，賦予 i（3），即

i（3）的計算原理如圖 4 所示。

圖4 “非同期賦值法”計算負荷電流變化量

對于將每個采樣周期計算的 i（3）組成的序列 i（3）=［i（3）1，i（3）2，i（3）3……］，由式（5）及圖4可知，i（3）2n-1=0，i（3）2n為有效的配電線路負荷變化量采樣值。因此，配電線路負荷跌落量 Δi′為

圖5 配電線路負荷突降告警信號生成、抑制及輸出流程

根據調度運行需求，對表1中第1項至第6項中非故障原因造成或有其他對應告警信號的負荷突降，需設置告警信號閉鎖，抑制負荷突降告警信號的發出。排除沖擊性負荷及小負荷線路，針對圖1所示常規負荷線路，若通過實時電流采樣值計算得到的Δi′＞Δi′alarm，需針對表 1 中第 1～6 種情況設置相對應信號對負荷突降告警的抑制。其中，第5項合環調負荷的告警抑制條件為配電自動化系統合環操作信號。配電線路負荷突降告警信號生成、抑制及輸出流程如圖5所示。

4 實例分析

以濟南地區10 kV梓軌線支線故障造成負荷突降為例，分析說明本文所述故障告警策略實現過程及告警策略的有效性。

圖6 10 kV梓軌線元胞負荷跌落值的概率譜曲線

某日，由于配網自動化無線通信系統關閉，10 kV梓軌線支線開關遙信位置信號、變位信號、跳閘信號均無法上傳至主站，調控人員無法通過配網自動化系統監視線路支線故障。因此，以線路負荷突變告警作為支線故障判據。

首先以10 kV梓軌線一段時期內負荷跌落歷史數據為基礎，利用式（2）繪制其元胞負荷跌落值的概率譜曲線如圖 6所示。 根據式（3）、式（4），結合圖 6，可知對于該元胞負荷跌落值的概率分布函數F=0.9時對應的電流跌落量Δi′為7.1 A。由此可確定對于10 kV 梓軌線，Δi′alarm=7.1A。

圖7 10 kV梓軌線負荷突降告警報文

確定負荷突變告警值后，在EMS系統設置該告警信號，利用非同期賦值法實時采集10 kV梓軌線電流跌落量，根據圖5所示流程生成并輸出告警信號。告警信號報文如圖7所示。

為檢驗負荷突降告警的有效性和正確性，將當日10 kV梓軌線實際負荷曲線與其典型負荷曲線對比如圖所示8所示。可以看出圖6中負荷突降告警信號與圖8中配電線路實際發生的三次非正常負荷跌落吻合。通過運維人員巡視發現，當日10 kV梓軌線3次負荷突降均為線路發生支線故障造成，由此看出，在無支線故障信息情況下，所述負荷突變告警策略準確有效地對線路的支線故障做出了告警，避免了分支線故障造成的用戶長時間失電，提高了故障點查找及恢復供電的效率。

圖8 10 kV梓軌線當日負荷曲線與典型負荷曲線對比圖

5 結語

對于調度自動化系統及配電自動化系統無法檢測到的分支線失電、配變失電等配電系統故障，配電線路負荷突變是有效的判別依據。但配電線路負荷特性及負荷突變原因的多樣性，使得確定合理的負荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負荷突變進行故障告警的方法有十分重要的現實意義。本文在分析配電系統負荷突變原因的基礎上，提出了基于負荷突變的配電系統故障預警方法并實現了實際應用。基于概率負荷分析確定負荷突變量告警值；利用非同期賦值法實現負荷變化量的采集與計算；通過合理設置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調度自動化系統實現該功能的開發和應用。在濟南地區10 kV梓軌線實際案例分析中，線路三次支線故障，該方法均準確檢測并可靠發出告警信號，證明了該方法可以利用配電線路負荷突變對配電系統的分支線失電、配變失電等故障可靠地告警，從而避免用戶長時間停電，提高故障點查找及恢復供電的效率。

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