配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法

胡如樂

(南方電網數字電網研究院有限公司，廣東，廣州 510670)

0 引言

配電網中部分組成設備或線路出現老化，會導致配電網的部分分線存在線損，從而影響配電網的正常電力運輸與通信[1]。線損是電網線路以熱能的形式散發的能量損失。當配電網中出現設備故障或用戶竊電等現象時，配電網通信信道會出現線損異常。為了保證配電網各個分線輸電通信信道安全，應實時監測線損異常問題[2]。

與發達國家相比，中國的電力事業起步較晚，因此對配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法的研究成果較為落后。綜合現階段國內外的研究情況，現階段較為成熟的研究成果包括：文獻[3]提出由主站層、通信層、采集層三個層次組成的系統邏輯框架，根據該系統整體框架設計相應軟件，實現通信信道實時監測;文獻[4]利用大數據分析技術，依靠人工智能和神經元網絡形成狀態評價的自動學習、持續迭代以及自我完善的深度學習模型，對通信信道實時監測，實現線損預警。

本文在以上文獻監測方法的基礎上進行優化設計，提出配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法。根據配電網及其通信結構特征，構建通信信道模型，計算理論線損值和實際統計線損值；在完成初始數據采集后，采用均值替換法對數據進行了清理處理，排除錯誤信息，為線損分析和監測提供高質量數據，從而保證了監測的精度。通過對比理論值與實際值，判斷分線線損是否異常，從而得出多通信信道的實時監測結果。實驗表明，與其他方法相比，本文方法提升了通信信道監測精度，間接保證配電網通信網絡的安全性與穩定性。

1 配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法設計

1.1 構建配電網多通信信道模型

配電網中不能存儲大規模的電力，發電、輸電、配電等工作都通過同一條生產線完成，因此在配電通信網絡中包含了發電機、變電器、輸送電路等多個設備，按照各個設備的空間連接結構，可以得出配電網中的多通信信道結構如圖1所示。

圖1 配電網通信結構圖

從圖1可以看出，配電網由多條配電線路組成，結合外界環境因素和電力信息的傳輸原理，構建相應的通信信道模型，如圖2所示。

圖2 配電網通信信道模型

圖2中，S(t-τ)表示在發電機的作用下，配電網產生的初始發射信號，r(t)為經過配電處理后輸出的信號，也就是用電用戶的接收信號。另外,kiexp(jθi)代表多個配電網分線路徑上的衰減系數，該系數的取值與環境因素、硬件設備壽命以及性能有關。

1.2 選擇監測點并安裝監測設備

電能在傳輸過程中產生線損的原因包括：電阻作用、磁場作用和其他人為因素。因此在構建的配電網多通信信道模型中，設置電阻、電力設備等位置為線損異常的監測點，并在監測點位置上安裝監測設備。為了避免監測設備對配電網運行產生負面影響，安裝的監測設備為傳感器設備，只具有數據采集、存儲和傳輸三個功能。

1.3 實時采集與處理多通信信道實時數據

傳感器的數據采集內容主要包括電能、電量、電平、頻率等。在電平數據的采集過程中，設置監測設備的數據采集間隔為0.5 s，持續監測時間為15 min。將配電網零功率電平的負載電壓表示為

(1)

式中，P0為配電網的零功率值，R為測點位置上的電阻值。式(1)得出的最終結果即零電平電壓，則可以利用式(2)得出對應的電平數據計算結果,

(2)

式中，Vx(v)為當前配電網電壓的監測數據，將式(1)的計算結果代入到式(2)中便可以得出實時配電網電平數據的采集結果。

配電網中電能質量與電流大小有關，以交流配電網為例，其電流采樣原理表示為

(3)

式中，Im為電流幅值，ω和φ分別為配電網的角頻率和相角差，T為交流配電網的運行周期。

電量數據的計算方法如下：

ΔS=(Nm-Np)×Ct+St+Sg

(4)

式中,變量Nm和Np分別為規定時間段內終止和起始時間的電表示數，Ct、St和Sg分別表示倍率、退補電量和估算電量[5]。

利用監測點上安裝的采集裝置，按照上述原理進行多通信信道實時數據采集。為了保證多通信信道的監測效率和精度，在完成初始數據采集后，需要對其進行清理處理，并排除錯誤信息，為線損分析和監測提供高質量數據。數據清洗主要采用均值替換法。而缺失數據補充的原因主要是電能表或采集器出現故障，且自動補采不能完成，此時需人工到現場核實計量和采集設備的情況[6]。若采集設備有問題，計量裝置也可顯示，維修人員應到現場抄表示數后，補錄到采集數據包中；若采集設備有問題，且已無示數，則應參照正常用電量估算用電量，并補錄到采集數據包中。

1.4 計算配電網分線理論線損

配電網分線線損異常監測的原理就是判斷實際線損與理論線損之間的誤差，并將誤差值與設定的允許標準值進行比對，從而判斷配電網中是否存在線損異常[7]。

從配電網分線節點的電流和電壓值兩個方面，分析用電數據，進而實現線損異常的推斷，配電網線損異常分析原理如圖3所示。

圖3 配電網分線線損異常分析原理圖

圖3中，R1～R8表示線路電阻，D1～D4表示電路二極管，W1表示變壓器，B表示電位器。

配電網線路損耗主要指線路電阻損耗，電阻損耗由其線路的載流量、電壓以及負荷分布情況決定，電阻元件的損耗值表示為

(5)

式中，I、R、U和P分別表示配電網元件的電流有效值、電阻值、運行電壓和荷載值，參數λ為功率因數，另外ρ、L和A分別表示配電網線路電阻率、長度和截面。

除了基本線路電阻外，配電網中的變壓器線損可以分為線耗和銅損兩個部分，具體表示為

(6)

式中，PFe和PCu分別對應勵磁支路和變壓器線圈的電阻損耗，UN和SN分別為變壓器額定電壓和容量，Pk為變壓器短路損耗[8]。同理可以得出配電網中其他組成元件的線路損耗。將實時采集的通信信道相關數據代入到線路損耗公式中，得出配電網各個分線的理論線損。最終得出的配電網電能理論線損可以按照式(7)計算,

(7)

式中,參數ΔPi為配電網中各個元件的理論損耗，If為通過配電網線路的負荷電流，t為配電網在工作狀態下的遍歷時間。

1.5 實現分線線損異常多通信信道實時監測

配電網實時分線線損統計計算可以得出每個線路的實際損耗情況及通信信道的運行情況。實際線損的統計值主要依據電量流失量來計算，在國家電網相關規定的支持下，得出實際分線線損的統計值為

Δβs=G-S

(8)

式中，計算結果Δβs為實際通信線損電量，G和S分別為配電網的供電量和售電量。其中,供電量就是配電網產生和處理的全部電量，供電量的計算公式如下：

G=Gf+Gw+Gi-Go

(9)

式中,變量Gf、Gw、Gi和Go分別表示發電廠產生的電量、外部購入的電量、配電網其他分線送入的電量和輸出的電量。

售電量是配電網及相關企業銷售給用戶的電量與其供給其他部門電量的總和[9]。售電量的計算公式如下：

S=Sm+Sz

(10)

其中，Sm表示配電網中普通用戶的總用電量，Sz為其他非生產部門使用的電量。

安裝的監測器設備每15 min采集并上傳以上數據，多通信信道狀態信息每30 min更新一次。多通信信道出現異常情況時，根據數據采集與統計規則，統計數據無法及時更新，此時需要選擇線損異常前一時刻的數據和前一天相同時刻的數據進行均值加權，得出多通信信道線損故障時對應的統計數據[10]。當通信信道恢復到正常狀態時，利用時序分析原理分析數值實時變化及其與線損數據之間的關系，進而得到配電網分線路通信線損時刻及具體的線損統計值。通過代入實時采集數據，可以分別得出各個配電網分線實際線損的統計結果，并與式(7)中的理論線損值進行比對。

設置允許的最大線損誤差為η，若Δβs-Δβ高于η，則證明配電網分線線損存在異常，進而推斷出多通信信道存在線損異常故障，立即啟動預警程序[11]。若Δβs-Δβ不高于η，表示配電網線損處于正常運行狀態，無線損異常現象。另外監測異常預警方式主要分為三種:第一種是閃爍警示信號燈，信號燈安裝在信道監測終端；第二種是蜂鳴器；第三種是向管理人員或維護人員發送實時預警信息。

在實際的監測過程中，系統會根據配電網分線線損的異常危機程度[12]，選擇合適的預警方式，并結合多通信信道的實時監測數據一同輸出。

2 監測性能測試實驗分析

以測試設計的配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法的監測性能作為實驗目的，以南方電網公司作為實驗背景，設計性能測試實驗。

2.1 選擇配電網多通信信道監測點

隨機選擇南方電網中配電網模塊中的分線，選擇的配電網分線使用年限超過20年，總線路長度為2 363 km，其中架空2 296 km，電纜67 km。在電阻、變壓器等關鍵配電網元件設備位置上，設置監測點并安裝相應的數據采集裝置，具體的監測點設置情況如圖4所示。

圖4 配電網多通信信道監測點設置示意圖

2.2 確定監測性能測試指標

實驗分別從監測性能和應用性能兩個方面進行具體測試。其中,監測性能的量化測試指標為監測誤差。監測誤差能夠直接反映出監測方法的監測精度，可以通過計算監測信道線損異常輸出結果與設置線損值的差值得出。應用性能的量化測試指標為線損率，其計算公式為

(11)

式中，Δβam為統計線損量，W為實際供電量。應用多通信信道監測方法得出各個配電網分線的線損結果，根據監測結果采取相應的降損措施，并將應用后的相關數據代入到式(11)中，觀察監測方法應用前后線損率的變化情況。

2.3 描述監測性能實驗過程

在實驗開始之前，根據配電網通信信道中的元件安裝情況，計算其理論線損，不同測點的理論線損計算結果如圖5所示。

圖5 配電網分線理論線損分布曲線圖

啟用多通信信道實時監測方法，并計算1天的損耗數據，設置每15 min計算1次，對4次計算結果累加即可得到1 h的線損結果，同理也可以得出1天的線損數據。將本文監測方法輸出的日線損結果與設置的線損進行比對，得出監測誤差指標的量化測試結果。另外,為了體現出設計多通信信道監測方法的監測性能優勢，實驗中設置了文獻[3]監測方法和文獻[4]監測方法作為實驗的2個對比方法，在相同的配電網通信環境下，得出對應的性能測試結果。

2.4 監測性能測試實驗結果分析

通過相關監測數據的輸出與統計，得出輸出結果如圖6所示。

圖6 線損異常多通信信道日監測曲線

從圖6中可以直觀地看出，與文獻[3]監測方法和文獻[4]監測方法2個對比曲線相比，本文設計監測方法輸出的結果更加接近設置的實際線損值，由此可見設計方法的監測性能更優。這是因為本文構建的配電網多通信信道模型的傳感器設備，只具有數據采集、存儲和傳輸三個功能，避免了監測設備對配電網運行產生負面影響。在完成初始數據采集后，采用均值替換法對數據進行了清理處理，排除錯誤信息，為線損分析和監測提供高質量數據，從而保證了監測的精度。

通過3種不同監測方法的應用，配電網通信信道線損率的部分統計數據如表1所示。

表1 配電網通信信道應用性能測試結果

將表1中的數據代入到式(11)中，可以得出應用文獻[3]監測方法、文獻[4]監測方法和本文監測方法，配電網通信信道的平均線損率分別為50.51%、48.89%和46.61%。由此可見，將設計的配電網分線線損異常多通信信道實時監測方法應用到配電網環境中，對應的信道線損率更低，即電力系統運行的經濟性更優。

3 總結

為了解決配電網線損頻發的問題，提升配電網的經濟效益，針對分線線損問題提出多通信信道監測方法。從實驗結果中可以看出，設計方法在精度和應用性能方面表現良好，提高了線損的檢測性能，降低了信道線損率，電力系統運行的經濟性更優。

但實驗缺少對監測范圍的分析，針對這一問題還需要在今后的工作中加以補充。