基于拓撲和空間的配電網分區關口設置分析研究

國家電網長沙供電分公司 謝金芝 屈少青 肖 偉 許 霖 陳 宇

1 引言

配電網分區線損計算需要準確的區域輸入、輸出電量，當涉及跨區域供電，需要額外加入配電線路跨區域點的關口計量數據參與分區線損計算。隨著社會經濟發展與城市建設，公司線損管理機構的管理區域發生了多次變更。同時，在公司業務、管理工作網格化的背景下，目前已形成規劃網格、供電分區網格等。為精準掌握各網格的區域線損情況，評價規劃工作的精準降損成效，正確、高效設置計量關口，精準計算各區域、網格線損，是有效開展降損工作后評價的基礎。

以往的關口設置策略，要求人工在多個系統查看線路一次圖、地理圖和用戶供電單位歸屬，整理形成各線路的跨區域供電分界點。當分區線損計算涉及規劃網格和其他自定義區域等尚未錄入到用戶屬性臺賬屬性的區域對象，目前業務系統數據無法進行支撐，導致規劃網格、自定義區域的區域關口識別工作量極大，且可行性低。

2 跨區域供電線路識別方法

設置區域間計量關口工作的第一步是準確定位存在跨區域供電線路，本研究通過空間交集模型[1]對公司管理的配電線路進行自動化的跨區域識別。空間交集模型是用于識別兩個空間對象如何交互的框架模型，在9-交集模型（DE-9IM）中幾何對象被分成三個部分，內部（interior）、邊界（boundary）和外部（exterior）。模型對這三個部分的規定為：一個點的boundary為空；未封閉的線的boundary是其兩個端點；封閉線的boundary是空；多邊形的boundary是其環狀邊界；interior是邊界被移除后剩下的部分。exterior是不在boundary和interior中點構成的部分。

幾何對象a與b的關系即可用一個3×3的數組表示：

其中dim（）是相交部分的維度，點是0，線是1，面是2，如果不相交是-1。兩個幾何對象的空間關系如圖1所示。

圖1 兩個幾何對象的空間關系

從左到右和從上到下讀取，DE-9IM（a，b）字符串代碼為212101212，其中0、1、2都是相交，用T替換，這個字符串可以更新為TTTTTTTTT，-1是不相交，可以替換成F，這里沒有。

可以看出，字符串前8個里，只有一個T就可以判斷面a和b是相交的。所以，DE-9IM（a，b）函數，不需要把9個值都計算出來，就可以判斷兩者之間的關系，對于數組中不需要計算的值，用＊號替代。只要能計算出3×3的Boolean數組，就能判斷兩個幾何對象的關系。通過運用空間交集算法，以配電線路設備的導線和電纜為設備為對象，分析其與所屬區域間的關系[2]，為存在跨區域情況的導線或電纜添加跨區域標簽。以空間分析獲得的跨區域供電導線段或電纜段設備為基礎，通過其在PMS系統中存儲的所屬線路屬性獲取相應線路供帶的變壓器設備，再運用空間算法分析各變壓器所屬區域，為各變壓器添加所屬區域的屬性標簽，若某線路供帶變壓器均屬于同一區域，認為該線路不存在跨區域供電，否則為存在跨區域供電線路。

3 基于設備拓撲的聯絡線路識別方法

聯絡開關位于線路主干線或分支線末端、開合狀態為常開、兩端連接不同線路的開關設備。這類開關在電網正常運行狀態下保持斷開狀態，當其連接的某一端線路或上級出現故障時，可通過閉合該開關實現負荷轉供，提高供電可靠性[3]。

在以圖數據庫儲存的線路拓撲中，聯絡開關是一個具有屬性的節點（實體），該屬性包括其所屬線路，可通過比對與該節點連接的其他節點和逐級延伸節點的所屬線路屬性判斷該開關節點兩側是否屬于同一條大饋線，若該開關設備連接兩段設備所屬大饋線不同且延伸節點中不存在其他開關設備，則可認為其為聯絡開關。

在基于真實數據進行分析的過程中發現，由于電網設備臺賬維需通過人工進行，無法保證員工在錄入圖形時可以準確地將開關兩側屬于不同線路的設備錄入相應線路，為保證本研究方法的適應性和準確性，在以某開關節點進行拓撲遍歷時，不可只對一度關聯節點進行分析，需要對遍歷的度進行拓展，通過項目對實際數據的探索分析，得到拓展度數為5，即需要以某開關節點為起點，查詢與其連接的5個線路設備，校驗這些設備是否屬于同一線路。首先根據大饋線表獲得所有大饋線的數據，形成基礎數據。后根據大饋線互聯的定義，逐條大饋線的所有節點，向外擴展5度節點，收集所有擴展的5度節點的所屬大饋線，以及開關信息，篩選出開關狀態為“拉開”的節點，形成初步的大饋線互聯對照表。

4 有效聯絡識別方法

在配網線路互聯中，存在三種被定義為無效聯絡的情況。

一是首端聯絡：在線路出站關口即通過分支與其他線路出站關口相連，形成線路首端聯絡的情況，認為該種情況與站內的母線聯絡線功能一致，在電網實際運行中主要承擔站間母線聯絡的工作，不作為單條線路進行負荷改切使用。

二是同桿聯絡：在同一電桿上存在雙回或多回線路，通過柱上斷路器進行線路互聯的情況。

三是聯絡線截面積小于主干線截面積：在線路末端或分支線末端與其他線路形成互聯，但連接的導線或電纜截面積小于兩側線路主干線截面積，在開關閉合進行負荷轉供時無法滿足線路供電能力要求的情況。

在有聯絡開關實現線路互聯的情況下，須排除上述三種無效聯絡才是業務專業認可的有效互聯。

4.1 首端聯絡分析

首端聯絡的拓撲分析以判斷為聯絡開關的節點為起點，通過向前遍歷從該開關至變電站出線開關的全部路徑節點，若路徑中未包含其他開關類設備節點，即認為該聯絡開關為首端聯絡情況。

4.2 同桿聯絡分析

同桿聯絡的分析算法以聯絡識別中類型為聯絡兩條大饋線的數據為基礎。根據業務定義可知，同桿多回聯絡，其聯絡開關的設備類型為“柱上-斷路器”“柱上-隔離開關”“柱上-負荷開關”，同時其聯絡開關連接的設備數量如果大于2個，一般是符合業務上定義的同桿多回聯絡。

根據上述業務定義及研究思路，篩選聯絡開關聯絡兩條大饋線、聯絡開關的設備類型為“柱上-斷路器”“柱上-隔離開關”“柱上-負荷開關”的數據，以此為基礎，統計聯絡開關連接的設備數量，后續根據設備數量進行篩選，即可識別出同桿聯絡的無效聯絡情況。

4.3 聯絡線截面及比較分析

聯絡線截面積比較以聯絡開關為起始節點，遍歷關聯導線或電纜設備節點，通過節點儲存的屬性獲取相應導線型號，與節點所屬大饋線的出線關口導線或電纜節點的型號屬性進行比對，若聯絡設備的截面積不小于出線關口設備截面積，則認為不存在聯絡線截面積小于主干線的情況[4]。

利用代碼實現時，需要獲得各大饋線出電站的導線段或電纜段的型號和線徑，以及聯絡開關附近導線段或電纜段的型號和線徑。

首先，根據大饋線的出線開關，在neo4j中找到其連接的第一段導線段或電纜段，后續在數據庫中查詢該導線段或電纜段的型號和線徑。

5 分區計量關口設置位置分析

通過研究識別的跨區域供電線路和有效聯絡線路，結合設置分區計量關口的業務邏輯，分別建立針對單一線路跨區域供電、單一線路不跨區域供電但通過有效聯絡在線路負荷轉供時可能跨區域兩種情況的分析判斷模型，對公司各規劃網格和供電分區兩類區域進行需設置分區關口位置判斷，輸出涉及分區計量關口的線路明細和相應關口設置位置建議。

線路跨區域供電主要存在兩種情況，一是單一線路供電的用戶位于不同區域對象范圍內；二是不同區域內兩條互相形成有效聯絡的線路，各自供帶用戶位于單一區域范圍內，在配電網正常運行的方式下，不存在電能量在區域間的流動，但發生負荷改切，兩條線路之間相互轉供時，存在電能量在區域之間流動，需設置計量裝置。

考慮到配電線路跨越區域空間邊界的點基本位于導線段或電纜段上，但在實際加裝計量關口時不宜切斷已有導線或電纜設備，也沒有必要完全按照跨區域空間邊界點進行設置，找到離跨區域點最近的負荷開關設備作為分區關口設置點是更符合實用化需求的方案。

研究基于對存在跨區域情況的線路設備分析結果，對相關線路設備進行雙向拓撲路徑遍歷，以開關類設備（包括負荷開關、隔離開關、跌落式熔斷器、斷路器等）作為終止點，選取路徑節點數量最少且不存在分支的開關作為分區關口設置建議點。

由于加裝關口計量表涉及物資采購和施工項目，在全公司范圍內批量加裝分區關口計量表，需要大量資金投入，在涉及跨區域供電的線路中，有部分線路實際僅有少量，甚至個別用戶與線路主要供帶用戶位于不同區域，跨區用戶用電量較小的情況。

在考慮研究成果實用化，后續指導公司配電網跨區域計量關口設置中的實際應用需求，項目在分析得到分區計量關口設置位置的同時，針對涉及跨區域供電線路的線路，通過線路關口計量點和線路相關用戶電表的用電采集數據，對線路供電量、分區域用戶電量進行分析，按月計算各線路關口供電量和用戶月電量、區域間電量比值等數據，為應用人員提供自定義的排序。

6 結語

本文提出了一種基于電網企業已有的設備拓撲數據和空間數據，自動化開展配電網分區計量關口識別的方法。

一是基于空間交集模型實現了對跨區域的配電網供電線路自動識別，并通過設備臺賬進行二次校驗；二是利用圖數據庫和圖算法對配電網設備連接關系進行自動分析，實現了聯絡線路的自動識別，并對聯絡有效性進行分析判斷；三是基于跨區域線路識別結果和有效聯絡識別結果，結合跨區域分區關口設置的業務邏輯和實際可操作性，形成了針對分區關口的識別程序，并輸出識別結果，可有效縮短關口設置時間，提高工作效率。