基于邊緣計算的智慧臺區一體化運行評估方法*

葉保璇，吳清炳，王玉中，李業健，蔡子默，楊 銀，陳東俞

（1.海南電網有限責任公司文昌供電局，海南文昌 571300；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510700）

0 引言

當前智能電網正朝向數字化電網建設推進[1-3]，主網基本已實現自動化監控功能，而靠近用戶最后1 km 的低壓配電網的自動化監測還很薄弱，因此研究低壓配電網的智能感知技術將彌補該領域技術上的不足，為低壓配電網智能感知方案的研究和建設提供一種思路。

隨著集抄系統的推廣普及，低壓配電臺區收集了大量的用電數據。基于用電大數據挖掘技術，在智能臺區終端中嵌入邊緣計算算法，對配電臺區的運行數據進行監測和分析，感知臺區的運行狀態的技術思路是低壓配電網“云-管-邊-端”系統框架中“邊-端”側建設的可行方案[4-5]。在此技術方向上，目前基于現有運行用電數據和邊緣計算結果進一步分析配電臺區運行狀態的研究還不多見，不過對配電網的狀態評價現有較多研究。

當前配電網狀態評估方法多種多樣。李猛、左軍等[6-7]采用多級模糊綜合評判方法建立配電網狀態評估，其采用的模糊隸屬度函數較為簡單粗略，導致狀態等級判定不夠準確；霍利民等[8-10]采用Bayesian 網絡實現配電系統可靠性評估，但研究者所建立的Bayesian 網絡節點是正常和故障兩種狀態，使得狀態建模較為簡單，評估結果不夠精確；梁海峰等[11-12]采用AHP—熵權法—模糊綜合分析配電網綜合效益，兼顧了權重確定的主觀性和客觀性，同時又考慮了多種狀態之間轉移的模糊性，具有一定實用性，但對第一層級指標的融合方式較為簡單，使得評估結果不一定完全貼合真實情況。而在指標體系建立方面，存在一些評價指標數據不可獲取的問題，此外，在評估維度上也還不夠全面，沒有對配電臺區運行數據的內涵進行挖掘。基于當前配電臺區智能化建設方向，應當盡可能利用好大數據資源，融合多個維度信息進行狀態評估。

綜上現狀，本文立足于當前常規的配電網狀態評估方法，結合智能臺區終端邊緣側計算功能，提出基于邊緣計算的智慧臺區一體化運行評估方法，綜合主-客觀評價要素，改良了傳統單一評價方式及常規組合評價方式，實現對臺區的智慧評估。

1 智慧臺區邊緣計算終端部署

現有低壓配電網數據集抄系統實現了低壓電力用戶電量采集和上送，滿足了遠程計量功能，隨著臺區智慧化建設，要實現配電網數據可測可觀，離不開邊-端設備運行數據的支撐。一方面，受限于現有信息管理機制，臺區數據無法全量上送到計量系統；另一方面，臺區運行監測需要對實時數據進行分析，若將所需數據上傳到計量系統在做離線分析，其分析結果并沒有正真反映運行實況。基于此，在臺區本地部署邊緣計算終端，對本地數據收集處理和計算分析，是建設智慧臺區可行且有效的實施方案。智慧臺區邊緣計算終端部署結構如圖1所示。

圖1 智慧臺區邊緣計算終端部署結構

區作為邊緣計算節點，邊緣計算終端具備交采功能，直接采集相電壓和相電流等數據，實現配變的監測和計量，其安裝于配變低壓出線近端。此外，該終端具備最重要的核心功能是對臺區用電數據進行計算分析，其計算分析的功能有：“相-線-戶”拓撲分析、線損分析、三相不平衡分析、電壓分析等功能。終端下行通過RS485、微功率無線、電力載波等信道將用電數據匯集后計算，計算結果通過光纖、無線公網、電力專網等信道上傳至計量系統等后臺進行數據交互，這種方式方便了運維人員對臺區智能管理。

2 臺區一體化運行評估指標體系

將智慧臺區邊緣計算終端功能項的結果作為臺區一體化運行評估的量化指標，每項指標的定義和計算方式說明如下。

（1）供電半徑

邊緣計算終端嵌入臺區“相-線-戶”拓撲識別算法，“相-線-戶”拓撲識別是指對臺區用戶用電數據特征進行挖掘，得到用戶相序和用戶出線的歸屬關系，具體算法方法參考文獻[13]。將所有屬于同一相線上的用戶根據電壓值排序確定用戶的上下游關系，從末端用戶開始往上游推算至上游最近用戶之間的線路長度，如此一戶戶的往上游推算至首端用戶，將每一節線路長度累加得到該條相線的供電長度。每一節線路長度計算公式如下：

計算出線l的供電半徑為：

進一步計算臺區供半徑為：

（2）線損率

線損率是臺區配變向用戶供能過程中在供電導線上的電量損耗與供入電量占比。線損率在技術上反映臺區網架結構、負荷分配、導線參數的合理性，在管理上反映臺區用戶用電行為是否正常。計算如下：

式中：Wi為臺區配變低壓出線供入電量（供電量）；Wo為臺區用戶供出電量（用電量）。

（3）三相不平衡度

三相不平衡度反映三相負荷不均衡程度，臺區三相嚴重不平衡運行會造成諸多危害影響[14]。由于線路電流容易獲取，一般用電流計算得到，指標計算如下：

式中：Ibus,max為臺區低壓母線最大電流相的電流值；Ibus,min為臺區低壓母線最小電流相的電流值。

（4）電壓驟變率

電壓驟變是表征用戶電壓在兩個相鄰采集時刻的變化情況，反映臺區用戶端電壓是否穩定。定義用戶電壓在下一時刻電壓有效值變化幅度大于λ為電壓驟變，統計電壓驟變率如下：

式中：num(Γ)為統計集合Γ元素的數目；Γ為電壓出現驟變的時段集合；U(t)為t時刻的電壓測量值；λ為閾值。

電壓驟變率由以下公式計算得到：

式中：N為采集周期，通常為24 h。當采樣間隔為15 min 時，N=96。

以上指標的量綱不同，無法直接進行比較和計算，需要對其進行標準化處理。指標（1）為區間型，指標（2）～（4）為成本型，分別對兩種類型做準化處理，處理方式如式（9）和（10）。

式中：為指標j標準化值；γj,max和γj,min分別為指標j的最大值和最小值；γj,op為指標j的最適宜屬性值；γj,low和γj,high分別為指標j的容忍區間的上下限。

3 基于改進主-客觀賦權的評估方法

基于以上運行特征指標，本文采用主-客觀組合賦權方法進行權值確定，其中主觀賦權采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），客觀賦權采用CRITIC 法。主-客觀權重組合方法采用最小二乘擬合模型優化求解綜合權重與主觀權重及客觀權重偏移量的最小值。

3.1 AHP的主觀賦權

AHP賦權的方法流程如下。

（1）構造判斷矩陣

采用數字1～9 標度兩兩指標間的重要性，以兩兩數字的比值構造判斷矩陣。

表1 “九標度”法比較標準

（2）一致性檢驗

一致性檢驗方法如下：

式中：λm為判斷矩陣的最大特征值；n為指標數目。

若CR＜0.1，判斷矩陣滿足一致性檢驗。

（3）計算權重

將通過一致性檢驗的判斷矩陣進行歸一化，得到歸一化向量作為各指標權重分配值。

3.2 CRITIC的客觀賦權

CRITIC賦權的方法流程如下：

（1）計算標準差和相關系數

計算標準化矩陣B的各指標標準差和相關系數，如下：

式中：μj為第j個指標的標準差；為第j個指標的均值；rij為指標i與指標j的相關系數；Bi、Bj分別表示矩陣B的i列和j列，j=1，2，…，n。

（2）計算權重

指標的權重計算公式如下：

3.3 最小二乘組合AHP-CRITIC的綜合賦權

AHP 賦權基于專家經驗評定，有很強主觀性，而CRITIC賦權基于標準差和相關系數計算而來，缺少對實際情況判斷的主觀性，因此需要從兩者之間選取折中結果。據此建立最小二乘組合AHP-CRITIC的綜合賦權模型為：

式中：ωj為指標j通過最小二乘組合的綜合權重；ωj,z為指標j的主觀權重；ωj,k為指標j的客觀權重；為指標j的第i個樣本的標準化值。

4 算例分析

本文選取海南某試點智慧臺區的應用效果作為分析，在試點臺區部署圖1 所示的邊緣計算終端及監測設備。以一組樣本為例進行指標權重分析。根據專家評分得出判斷矩陣如表2 所示。

表2 判斷評分指標權重

判斷矩陣最大特征根λmax=4.35，根據式（11）CI通過一致性檢驗，各項目指標權重為ωz=(0.06 0.49 0.26 0.19)。根據3.2節熵值計算、熵權計算后客觀權重為ωk=(0.15 0.45 0.23 0.17)。通過對多組不同樣本的分析，并采用最小二乘組合計算綜合權重為ω=(0.13 0.47 0.24 0.16)。根據綜合權重可進一步計算臺區運行狀態綜合評價結果，并將結果反饋至主站系統。

5 結束語

本文在智能電網建設的方向下提出了智慧臺區一體化運行監測方案，通過部署邊緣計算終端和終端監測設備實現數據收集和計算分析，實現了臺區運行狀態感知和評估。評估方法結合了主觀評價和客觀評價兩種因素，用最小二乘組合方式計算兩者組合的折中評價結果，通過算例表明了方法的可行性。配電臺區通過本文所提的評估方法可將在線運行狀態反饋給運維人員，使得臺區運維更及時、更精準，加強臺區的智慧化運行。但該方法還存在以下兩點不足。

（1）最小二乘組合環節是在多組樣本下求解最優折中權重，求解過程受樣本數量的影響很大，若以一個時間采集點為一個樣本則會使得計算時間過長，這會影響邊緣計算終端對其他任務的處理，想要縮短計算時間，則對邊緣計算終端的算力有更高的要求。因此還需要權衡好樣本量和計算準確性的矛盾關系。

（2）AHP法的主觀賦權采用專家經驗的方式，適合于離線手動計算，而把算法設計好嵌入到邊緣計算終端后再調用AHP功能時需要自動計算，因此還需要建立和完善好AHP 賦權的經驗算法，保障整套評價算法易用性和準確性。