基于實時電網拓撲的母線負荷預測技術研究

唐鶴, 周俊宇, 駱國銘

(廣東電網有限責任公司 佛山供電局， 廣東 佛山 528000)

0 引言

負荷預測可以為電力系統的未來發展規劃提供數據參考，而且其預測分析結果也可為電力生產提供幫助。根據不同的預測需求，負荷預測也存在時間跨度方面的差異化。若是只針對電力系統在未來數小時之內的預測，了解該時間段的負荷波動情況，則為短期負荷預測或是超短期負荷預測[1-2]。當需要對電力系統運行情況進行安全監視時，或者在一些應急性電力問題處理工作中，會應用該種預測方式。超短期預測是負荷預測中時限最短的預測類別，在其預測過程中，不必考慮溫度差異對預測結果造成的影響，但若在預測時間內存在極端天氣情況，則需要對其影響進行參考。該預測類別需要在極短的時間內構建起預測模型，并實施迅速預測。該類別預測必須以精確的數據作為支撐。短期負荷預測是根據日負荷曲線變化情況進行預測，從而為短期內的發電計劃提供參考依據，進行科學的負荷控制[3]。

進行短期負荷預測可以采用的預測手段有很多，使用概率較高的就有單耗法和彈性系數法，除這兩種方法以外，通過對人均電量進行指標換算也是短期負荷預算中使用概率較高的方法，除此以外，還包括以分區測量計算負荷密度進行預測的方法[4]。

1 基于實時電網拓撲的母線負荷預測方法概述

本文重點研究電網母線、以母線為基礎的斷面和各類主設備短期負荷曲線精準預測、預警技術，通過電網深度結構解析及主配信息集成，實時分析獲取構成母線負荷的全部元素(指10 kV配網線路)。通過各構成元素歷史負荷數據智能擬合，形成各元素負荷預測曲線，進而將全部構成元素預測曲線疊加，并綜合考慮氣象、設備檢修、節假日、配網轉供電等影響因子，計算生成預測對象96點負荷曲線。基于負荷態勢預測結果，實施斷面及設備重過載預警信息對象化發布。

基于實時電網拓撲的母線負荷預測技術研究內容如下。

①母線(斷面)負荷構成要素拓撲分析。實時采集EMS系統及配網DMS系統中元件狀態、連接關系、計量點、轉供電掛牌等系數據，動態(刷新周期為15分鐘)拓撲分析獲取母線當前所供全部配網10 kV線路。

②各構成要素負荷預測曲線擬合。獲取各10 kV線路近20天負荷數據(每15分鐘一個點)，綜合考慮氣溫、節假日、壞點剔除和轉供電掛牌等影響因子，智能選取最為接近預測日特征的五日數據，擬合生成該要素負荷預測曲線。

③自動疊加生成預測對象96點負荷曲線。將預測對象全部構成要素的預測曲線疊加，生成96點負荷預測基準曲線。

④基準曲線動態修正。對于疊加生成的基準曲線，系統每15分鐘根據最近前4個預測點與實際負荷值的平均差，對第五個及以后的全部預測點進行相應修正，提升負荷預測精準度。

⑤停電檢修單對預測曲線的修正。設計檢修單修正邏輯，使用者根據檢修單信息，錄入相關10 kV母線、110 kV主變電源點變更情況及時間起始，系統即自動根據變更信息對拓撲關系庫進行重構，根據新的拓撲關系庫對基準曲線進行修正。

⑥重過載信息預警及對象化發布。基于主配數據融合，智能分析獲取預測對象涉及的設備運維單位及10 kV用戶歸屬供電所，當設備或斷面預計發生重過載時，調度臺可一鍵發布預警信息，將過載情況及預計時間發布至各相關單位，針對性開展負荷預控、設備運維及需求側管理。

2 母線短期負荷預測關鍵技術邏輯

本文所研究的母線負荷預測技術主要基于主配數據融合，建立母線負荷拓撲運算規則、檢修單修正機制和負荷曲線擬合方法，實現母線短期負荷態勢的分鐘級精準預測，提升母線負荷預測水平。具體關鍵技術方法與邏輯,如圖1所示。

圖1 母線負荷預測關鍵技術方法與邏輯

(1) 采集10 kV饋線歷史電流數據

從系統中獲取近20天并根據預測當天是否節假日、10 kV線路是否轉供電狀態篩選出來的歷史電流數據。具體數據獲取步驟如下。

首先獲取預測當天預測日氣溫，作為獲取歷史數據時的篩選條件。根據當前設備是否屬于轉供電狀態進行判斷，作為獲取歷史數據時的篩選條件。判斷預測當天是否屬于節假日，作為獲取歷史數據時的篩選條件。獲取該線路近20天的轉供電狀態、節假日、當天溫度與預測日氣溫相近的電流值。獲取該線路近20天的轉供電狀態、工作日、當天溫度與預測日氣溫相近的電流值。獲取該線路近20天的非轉供電狀態、節假日、當天溫度與預測日氣溫相近的電流值。獲取該線路近20天的非轉供電狀態、工作日、當天溫度與預測日氣溫相近的電流值。根據前面的篩選條件獲取轉供電狀態相同、假日判斷相同、當天氣溫與預測溫度相近的歷史數據，用于下一步的預測電流數據。

(2) 預測10 kV電流數據

通過上一步采集的歷史電流數據，可采用格拉布斯(Grubbs)法進行判斷，在采集的歷史電流數據中，如果個別數據偏離平均值很遠，那么這個(這些)數據稱作“可疑值”，通過殘差判斷剔除偏離較遠的數據，將數據縮減到5條，然后計算其平均值的到該線路該時刻電流的擬合值。

(3) 修正10 kV電流預測數據

系統將遍歷擬合值，以預測的時刻的前四個采樣點作為修正條件，計算前四個采樣點的實際負荷(如果沒有實際負荷則采用預測負荷)與擬合曲線的平均差值，使用得到的平均差值修正擬合值，從而得到這一時刻的預測值。

(4) 預測110 kV主變有功負荷數據

系統將通過從EMS獲取設備連接關系、潮流方向、開關、刀閘狀態等數據，以潮流方向和電壓等級兩方面建立約束條件，拓撲出110 kV主變下掛載的10 kV線路，然后通過其掛載的10 kV線路的預測值推算出110 kV的主變的預測值。具體拓撲流程,如圖2所示。

圖2 110 kV主變負荷結構拓撲規則

①是否掛牌：判斷設備是否掛牌。如果設備掛牌則拓撲結束，跳出拓撲；

②遍歷連接設備：獲取與該設備連接的設備，逐個進行拓撲判斷；

③是否掛牌：判斷設備是否掛牌。如果設備掛牌，該設備拓撲停止;如果設備沒有掛牌，繼續進行拓撲判斷；

④是否存在于父節點：判斷設備是否曾在父節點出現。如果有出現在父節點，說明該設備已經進行拓撲，無需在此拓撲；

⑤是否開關：是則持續判斷是否閉合；

⑥是否閉合 ：對開關設備判斷是否閉合。如果開關斷開，該開關停止拓撲;

⑦是否符合潮流方向：判斷設備是否符合潮流方向，默認順流拓撲。如果設備不符合潮流方向，則該設備停止下一步拓撲；

⑧是否有下級連接設備：判斷該設備有沒有下級拓撲。如果沒有下級拓撲，該設備停止下一步拓撲；

⑨獲取下級連接的設備：獲取與該設備連接的設備，加入到需要遍歷的設備中；

⑩所以連接設備已經遍歷：判斷是否所有需要遍歷的設備都已經拓撲。如果所有需要拓撲的設備都已經遍歷，則退出循環。

(5) 預測110 kV線路有功負荷數據

系統將通過從EMS獲取設備連接關系、潮流方向、開關、刀閘狀態等數據，拓撲分析出各個110 kV線路掛載110 kV主變，推算出110 kV線路的預測值。

(6) 預測220 kV主變有功負荷數據

系統將通過從EMS獲取設備連接關系、潮流方向、開關、刀閘狀態等數據，拓撲分析出各個220 kV主變掛載110 kV主變并分析其供電比例，從而推算出220 kV主變的預測值。預測流程,如圖3所示。

圖3 220 kV主變負荷預測邏輯

①220 kV主變a通過主變變中區域拓撲：從EMS獲取設備連接關系、潮流方向、開關、刀閘狀態等數據，從220 kV主變變中出發進行站內拓撲；

②能拓撲到其他本站主變：根據拓撲結果判斷這個220 kV主變是否與其他本站的220 kV主變相連接；

③通過其變中開關有功負荷的比值計算出其站內供電比例 P：計算站內主變供電比例，如果這個220 kV主變沒有與其他本站的220 kV主變相連接，則供電比例為1，如果這個220 kV主變與其他本站的220 kV主變相連接，則根據變中開關的實時有功負荷的比值計算出這個主變的供電比例；

④通過拓撲路徑找到220 kV主變a供電的110 kV變電站并遍歷：根據前面的拓撲結果，找出這個220 kV主變供電的110 kV主變；

⑤所有110 kV變電站已經遍歷：遍歷所有的220 kV供電的110 kV主變；

⑥通過拓撲路徑找到供電的110 kV開關并遍歷：根據拓撲路徑判斷這個主變完全由這個220 kV主變供電；

⑦所有供電的110 kV開關已經遍歷：遍歷所有向這個110 kV主變供電的110 kV線路開關；

⑧通過拓撲路徑獲取該開關的電源點;

⑨由主變a或與主變a連接的主變供電：根據拓撲路徑判斷這個線路由當前220 kV主變或者與其連接的220 kV主變供電；

⑩由主變a或與主變a連接的主變供電的有功負荷W2：統計由當前220 kV主變或者與其連接的220 kV主變供電的線路的有功負荷；

(7) 預測斷面有功負荷數據

通過斷面配置找到斷面的組成部分，然后通過220 kV主變的預測值推算出斷面的預測值。具體通過分析找到組成斷面的220 kV線路并遍歷，根據斷面組成得到組成斷面的220 kV線路，遍歷所有組成斷面的220 kV線路，通過拓撲通道找到供電的220 kV主變，具本從EMS獲取設備連接關系、潮流方向、開關和刀閘狀態等數據得到與該220 kV線路連接的220 kV主變，根據220 kV線路和與其連接的220 kV主變的有功負荷的實時值計算其比例，根據220 kV主變的預測值和與線路的比例關系推算出線路的預測值，根據220 kV線路的預測值和實時方向計算得出斷面的預測值。有文獻在研究短期負荷預測中，采用了聚類分析與模糊推理相結合的方法，從而保證了數據分析中的學習能力和不確定性描述能力，取得了較好的效果。

(8) 檢修單數據引入和修正

系統設計母線負荷構成的人工修正功能，對于系統拓撲分析形成的母線負荷構成，使用者可依據檢修單方式安排，設置調整信息和調整時間節點(比如設置將110 kV主變從9:00開始由220 kV主變A調整至220 kV主變B供電)，系統在合成預測曲線時，將根據設置的調整時間節點和調整信息進行計算。

3 總結

本文創新研究了母線負荷拓撲運算規則、檢修單修正機制和負荷曲線擬合方法，實現了母線短期負荷態勢的分鐘級精準預測，大幅提升佛山局母線負荷預測水平,整體運行穩定，預測結果理想。一方面，根據預測曲線和預警提示，調度臺得以提前通知相關部門落實需求側管理措施，盡可能將過載消除在萌芽中，避免錯峰限電，有效保障電網安全穩定運行，提升優質服務水平;另一方面，母線負荷精準預測也可為未來電力現貨市場建設提供可靠的數據支撐。

基于實時電網拓撲的母線負荷預測系統自2018年1月開始在佛山地調應用，其主要功能包括穩定斷面(含安穩可切量斷面)、220 kV主變、110 kV主變、110 kV線路的日前、日內96點負荷曲線預測，停電檢修單數據引入、斷面及設備過載預警、斷面及設備涉及單位智能分析、斷面及設備重過載提示信息生成及對象化發布，各功能模塊運行穩定，預測結果準確度理想。本系統架構簡單、數據來源單一，完全滿足網絡安全相關要求，各地調均具備相應的信息系統接口和數據基礎，建設難度低，本成果相關邏輯規則已成熟，可實現整體打包移植，推廣成本較低，具備較好的推廣應用前景。