中低壓配網線路路徑及數據自動在線還原技術研究

黎健，何承瑜，梁泳

（廣西電網有限責任公司，廣西南寧 530001）

隨著我國經濟社會的發展，電力建設的需求越來越高，中低壓配電網絡的發展和建設是提高供電服務水平的重點[1]。10 kV 配網是電力傳輸末端的核心，對電力供應起到關鍵的配置調節作用[2]。

充分利用配網數據信息可以優化故障定位方案，提升終端用戶的體驗度[3-4]。以往，對數據的應用主要是分析故障和進行檢修處理過程的風險評估[5-8]。這種方式能夠得到相對準確的檢修處理結果，但容易導致權重決策產生偏差，影響當前配網設備狀態的調取[9]。同時，人工處理數據信息存在著效率低、考慮不全面等局限性，而智能化的自動處理能夠滿足現代化電網的發展使用要求[10-16]。

針對上述問題，該文對配電網線路的路徑及相關數據展開了研究，實時處理系統獲取的新數據并優化配網線路路徑。首先，簡要介紹了10 kV 配網數據采集傳輸處理系統的建設需求和架構要素。然后深入分析了配網系統的整體建設方案，為數據自動處理技術在10 kV 配網系統中發揮更為理想的應用優勢提供了新的途徑，并采用聚類處理算法得到自動調試結果。最終，通過分析案例證明了新型算法的實際應用價值。

1 配網數據系統

1.1 信號采集

狀態數據包含電力運行時的電流、電壓、有功和無功功率，以及主變分接抽頭、開關、隔離刀閘的狀態等。一旦發生故障，通過數據傳輸裝置上傳配電網線路的實時運行狀態及變化信息，配合遠程控制信號縮小故障范圍，實現系統化的信息共享。具體的數據采集過程如圖1 所示。

圖1 數據采集過程

1.2 信號量處理

中低壓配網系統的數據在SCADA 系統中被調取出來，由數據處理功能完成對采集信號的檢驗，并通過相關算法過濾異常數據。采集到的數據包含斷路器、隔離開關位置、繼保裝置動作信號等。數據處理使用質量碼對采集到的輸入數據和系統計算出的數據進行標注，觀察被標數據質量，甄別是否存在壞損。

1.3 存儲

對系統內的所有數據支持按需變化儲存，存儲過程具備批量定義和人工選擇功能，最大限度地滿足輸出儲存位置的需求，通過數據組指針的設定，可以便捷地實現信息的調取和使用。

1.4 操作控制

主要是指對數據、標識牌和解閉鎖的操作和權限控制。閉鎖裝置用于保障控制的精確性，避免出現誤操作，其通?？梢苑譃闄C械閉鎖和邏輯閉鎖兩種類型。通過操作實現對各分量的人為置數，并對被操作數據進行有效性檢驗。

1.5 事故反演

事故反演可以提前對故障進行預防，當預設事故被預檢到將會發生時，系統將調取相關數據。通過這部分數據處理可以對事故情況進行反演，且具備允許操作人員在反演過程中暫停進程的功能。

1.6 線路建模及調用

通過對圖模庫的建模，可以實現對庫中圖模數據的直接調用，結合單線圖和站所圖對整個配電網絡的靜態拓撲結構進行自動生成并實現定時校驗維護管理，但這一流程需要嚴格遵守相關電網規范。該功能的實現還有利于系統圖模數據在不同部門和地區間的交流。開通圖模庫和其他各系統間的查詢檢索功能，可以有效提高建模與調用效率。

2 配網數據自動還原技術

對配網線路的信息數據主要是掌握其線路路徑信息，以及更重要的線路故障信息。一旦配電網發生故障，為了實現數據信息的自動處理，快速掌握故障發生的相關信息，該文提出了數據自動在線還原技術來完成配網故障自動定位。

2.1 數學模型

配電系統發生故障時，通常故障電流較正常負載電流明顯增大。其可以通過檢測系統邏輯算法識別電流數值的區別，分析計算主站檢測到的電壓電流信號的變化實現故障的精準定位。

假設一個區域的配網可以劃分為n條線路段，且每個線路區段有a、b、c等支路（以3 條支路為例），則該線路區段的零序電流可表示為：

且該區段線路零序電流有效值為：

因此可以構建配網線路的數學模型，由模型求解各測控點的狀態值，圖2 為典型的配網結構線路。

圖2 典型配網結構線路

當配電網絡發生故障時，各開關處的電流值不僅包含短路回路的電流，還包括流經對地電容或對地阻抗所構成回路的電流。因此建立配電網絡線路的數學模型時，需要考慮采用分布式參數元件。線路分布式參數元件模型，如圖3 所示。

圖3 配網線路分布式參數元件模型

若某一線路上零序電流的有效值與其他區段零序電流的平均有效值比值為Ki，則由Ki的數值即可判定該區域配網中發生單相接地故障的線路段，求解方法如下：

2.2 判斷函數

判斷函數是對線路路徑可行性的判定。以單相接地故障為例，當線路出現故障時，故障點的正、負、零序故障電流的實際模值和相位均相同，則可定義配電系統網絡的判斷函數為：

由此即可根據距離x的值獲取不同的P(x)，由于公式中所包含的子項均為平方項，因此可知P(x)≥0，所以只需要找到P(x)的最小值，即可確定出發生故障可能性最大的位置，從而實現故障點的位置判斷。

圖4 為配電系統單相接地故障的判定流程。狀態值的數據采用1和0表示，其中，存在故障電流的饋線開關量為1，不存在故障電流的饋線開關量為0。

圖4 單相接地故障判定流程

2.3 線路故障測距原理

若線路特征中，總線路等效阻抗為Z，故障電流零序分量為I，故障支路電壓為U，則可推導出故障線路首末段的電流頻率分量之比為：

其中，Zc是故障點到首端測控點的線路阻抗；Z′是故障點到線路末端測控點的阻抗值；ZL是未發生故障時測控點測量的線路阻抗值，對于實際的配電網絡，線路阻抗ZL一般為常數。

假設線路特征離散屬性A中分量值a的數量為V，即A={a1,a2…aV}，則可以采用a值對S進行劃分，分為V個分支節點，其中第v個包含S上所有線路特征屬性A的取值即為av，由此即可得到該線路的信息增益。然后將擁有最大信息增益的線路特征屬性作為第一個節點，擁有次大信息增益的線路作為下一個決策節點。最終通過遞歸計算迭代整個決策，得到自動處理決策樹。

2.4 路徑優化算法

在電網的故障定位過程中，通常將配網線路作為計算路徑。假設用u表示為每個區段發生故障的初始概率，v表示每個區段不發生故障的初始概率。利用迭代初期產生的評價函數對路徑概率的賦值進行優化調整。在配網故障決策的流程中，設置區域內的每條故障線路段上故障的首概率為ui1和vi0，則局部概率更新公式為：

其中，pi1、pi0為可能的故障區域與可能的非故障區域之間的狀態選擇概率值。經局部概率值的調整，計算流程為：

式（8）中，σk表示概率局部更新后的值，YA、YB、YC是測控得到的各相阻抗對應的導納值，Y0是零序導納。若式（8）求得的單次輸出可行解判定函數的值小于預期，則需要對概率值進行加權調整：

如式（9）所示，調整后的概率值為，加入一個分量后再代入迭代流程，直到符合預期且收斂為止。注意初值的選取會影響到收斂速度，因此線路故障的首概率值需要比對后再確定，加快了算法的收斂。

3 應用案例分析

圖5 是某配電網絡含分支的線路未發生故障時的示意圖，其中配電自動化的終端設備沒有顯示，位置與線路上的開關一致。R1～R9表示各條線路的分段開關代號，假設在某時刻R6、R8和R9開關之間的線路發生了接地短路故障，故障電流導致繼電保護設備動作，各開關按照預設程序跳開，該配電網絡的線路全部失電，如圖6 所示。

圖5 線路未發生故障時的示意圖

圖6 故障電網示意圖

由該文提出的自動化控制算法可知，通過采集到的模擬量狀態值和系統的暫態特征量、穩態特征量及一些方向性特征量等信息，傳遞相應的數據信號信息素，可以對所有開關檢測出故障量，開關R8、R9、R6處距離故障點較近，按照繼電保護裝置的執行方案首先斷開。此時故障信號消失，無需進一步斷開開關?？刂浦髡就ㄟ^采集到的信號，按照順序依次判斷故障線路段。最終發現故障區間應位于開關R8、R9和R6之間。由此自動控制開關狀態，切斷故障區間兩側的電源功率流入，減小停電范圍。自動控制后供電恢復的配電網絡圖，如圖7 所示。

圖7 自動控制后配網示意圖

案例驗證了環網有分支線路發生故障時，開關動作選擇的合理性。此外，對于非環網線路，采用該文提出的配網數據自動還原算法后，故障切除時間和線路切斷判定準確率的數據對比如表1 所示。

表1 自動還原技術效率提升對比

表中的數據來源為多次仿真獲得的平均值。從表中可以看出，采用該文提出的自動在線還原技術對于環網無分支、環網有分支、非環網無分支線路、非環網有分支線路類型均能較為明顯地縮短故障線路切除時間，并提高故障線路的判定準確率。

4 結束語

該文在對配電網數據系統架構進行分析的基礎上，提出了數據處理與故障自動檢測方案。通過自動在線算法對數據進行分析研判，實現配電系統的自動化決策，提高配網發生故障時線路路徑的選擇速度。算法以切斷負荷最小和開關操作次數最少為目標函數，對故障后的配電網恢復重構。最終通過接地故障配電網自動診斷案例驗證了算法的有效性與可行性，證明中低壓配網的線路路徑自動決策故障切除的邏輯合理性。且在一定程度上縮減了故障切除時間，提高故障線路切斷的判定準確率。未來通過連接變電10 kV 出線數據，可以進一步提高線路路徑和數據自動在線還原處理的效率。