城市高压配电网接线模式自动识别

王哲

(国网天津市电力公司经济技术研究院，天津市 300371)

城市高压配电网接线模式自动识别

王哲

(国网天津市电力公司经济技术研究院，天津市 300371)

建立了城市高压配电网的接线模式模型，并基于该模型提出了接线模式自动识别方法。首先，该方法对城市高压配电网接线模式经过概括和抽象，形成了电源、网架、负荷三层体系结构，并建立各自的数学模型。其次，基于网络拓扑分析，形成“电源-网架-负荷”供电关系及“网架-网架”联络关系。最后，分别分析并提取三层体系中的典型特征元素，利用模式识别理论达到接线模式识别的目的。此外，对国内常用典型接线给出了模式识别的特征表达式并建立接线模式特征库；对国内非典型接线通过确认其合理性后添加到特征库中,如不合理则会给出说明。实例表明，本方法可以有效识别高压配电网接线模式，也适用于中压配电网电缆网接线模式识别。

高压配电网；接线模式；特征库；模式识别

0 引 言

随着社会经济的发展，城市配电网有了快速发展。在城市电网规划中，接线模式的选择对电网规划的全局起着重要的作用[1-4]。合理的接线模式是满足供电可靠性、提高运行灵活性、降低电网损耗的基础。不同供电区域根据电网的特点，选取适合本地区的接线模式，既可满足用户的用电需求，又可提高电网运行效率。

以往学者对接线模式的研究主要是针对接线模式的经济性和可靠性[5-6]，对接线模式识别的研究很少进行。文献[7]以出线树为基本分析单元，提出了一种基于网络拓扑分析和模式识别理论的城市中压配电网接线模式识别方法。这种方法对中压配电网的接线模式的识别效果较好，但不完全适应于高压配电网的模式识别。城市高压配电网各种接线模式是以出线分区[8]的形式出现的。根据线路供电范围以开关装置为边界的特点，可以进行出线分区。分区方式如下：以开关装置分界的从电源到负荷的供电通路称为一个分区，分区内元素包括电源、网架、负荷3个部分。文献[7]从单一的出线树作为分析对象可以有效识别架空网的多分段多联络接线和电缆网的单环网接线。由于建立的模型缺乏配电站所站内接线，文献[7]的方法对于电缆网的双环网接线和 “N-1”主备接线均无法给出识别结果。

针对上述存在的问题，本文提出一种能全面考虑出线分区内元素的识别方法。该方法基于网络拓扑分析理论，定义电源模型、网架模型、负荷模型。提取3个模型中能代表接线模式组并且数量最少的特征，建立接线模式特征库，利用特征匹配的特征实现城市高压配电网的识别。通过接线模式的识别结果，可以全面了解高压配电网结构特征，发现其薄弱环节，为电网改造和规划提供建议。

本文主要对城市高压配电网接线模式识别方法进行研究，由于城市中压电缆网具有和高压配电网同样的模型，并且文献[7]的方法对于中压电缆网的双环网接线和 “N-1”主备接线无法给出识别结果，针对以上问题，本文在研究城市高压配电网接线模式识别方法的基础上，也对中压电缆网的识别方法进行尝试研究。

1 理论基础

本文的识别方法是基于网络拓扑分析和模式识别理论[9]的一种方法。网络拓扑分析是把用电气设备描述的物理模型转换为用节点和支路描述的数学模型，为接线模式的识别准备了配电网组成元素的联络关系和供电关系。

模式识别的方法有多种，如决策论方法、结构方法[10]等。本文采取的决策论模式识别方法一般称为统计模式识别方法，它是从待识别的模式中选择能够足够代表它的若干特征(设有x个)，每一个模式都由这x个特征组成在x维空间的一个x维特征向量代表，于是每一个模式在x维特征空间占有一个位置。

对于待识别的接线模式，就可根据它的特征向量位于特征空间中的哪一个区域而判定它属于哪一类模式。其实质就是运用特征匹配的原则，将待识别接线模式的模型特征表达式与已知的接线模式特征库逐一进行特征匹配，若待识别接线模式的模型特征与接线模式特征库匹配，则可以达到识别的目的。本文的高压配电网接线模式特征表达式Ch=(s，m，j，n，w，g，l，h，f，e)就是选取10个代表高压配电网的典型特征，相当于每一个模式在10维特征空间都占有一个位置。城市高压配电网可以根据其特征向量所位于的特征空间来判断其属于什么接线模式。

2 模型与识别方法

2.1 接线模式预处理

实际的城市高压配电网结构复杂，建设具有多样化。在对实际电网数据进行概括和抽象的同时需要对电网进行接线模式预处理[11-14]。根据模式识别所需要的信号要求，模型化实际电网使之便于理论分析[15-16]。本文以图1双侧电源不同母线3T接线为例进行实际分析。

图1 双侧电源不同母线3T接线

2.1.1 网络拓扑分析

在配电网规划中，要求配电网闭环设计、开环运行，配电网由变电站各出口向外辐射状供电。变电站的每一个出口及其供电范围内的节点和线路构成一棵树，称为出线树。接线模式网架分析以出线树为单位，出线树是接线模式识别的一部分。图1所示接线方式中有a、b、c共3条出线树。

2.1.2 联络分析

出线树之间的联络关系是进行接线模式识别的关键信息，是形成出线分区的基础，也可以从侧面反映网架结构的可靠性。图1所示接线方式中出线树间无联络，所以该接线模式供电可靠性较低。

2.1.3 供电通路分析

供电通路是接线模式分析的又一关键信息。供电通路分析的目的是获取出线数和负荷的主通路和辅助通路信息。对于基于拓扑理论的接线模式分析，供电通路分析是接线模式分组的依据。负荷的通路信息也可以表明接线模式的可靠性高低。表1列出了图1所示接线方式的供电通路信息。

表1 供电通路表

2.1.4 建立接线模式模型

高压配电网的识别是以出线分区为识别对象，出线分区包括电源、网架、负荷3个部分。对这3个部分都需要建立相应的模型。

(1)电源的接线模式模型。

第i个电源的接线模式模型M1i为

M1i=(mi，li，fi，zi)，其中i=1,2,…,m

(1)

式中：m为电源数；mi表示待识别接线模式组内第i个电源的母线数；li表示待识别接线模式组内第i个电源是否有站内联络线；fi表示待识别接线模式组内第i个电源是否是发电机电源：若有发电机做电源，则fi=1，若没有发电机做电源，则fi=0；zi表示待识别接线模式组内第i个电源是否是增强电源，若是增强电源，则zi=1，若不是增强电源，则zi=0。

(2)网架的接线模式模型。

第j条出线树的接线模式模型M2j为

M2j=(sj，dj，lj，jj，wj)，其中j=1,2,…,n

(2)

式中：n为出线树个数；sj表示待识别的接线模式组第j条出线树的属性：若出线树为开环接线，则sj=1，若出线树为闭环接线，则sj=2，若出线树为备用线，则sj=3；dj表示待识别接线模式组第j条出线树的主供电源数；lj表示待识别接线模式组第j条出线树是否有联络：若有联络，则lj=1，否则lj=0；jj表示待识别接线模式组网架出线接线方式情况：若接线方式为直供接线，则jj=0，若接线方式为T接线，则jj=1，若接线方式为π接线，则jj=2，若接入方式为Tπ混合接线，则jj=3；wj表示待识别接线模式组第j条出线树的接线方式，如果为T接，则是否为完全T接：若为完全T接，则wj=1，否则wj=0。

(3)负荷的接线模式模型。

第k个负荷的接线模式模型M3k为

M3k=(dk，fk，zk，mk，lk，jk)，其中k=1,2,…,p

(3)式中：p为负荷站数；dk表示待识别接线模式组第k个负荷站的主供电源数；fk表示待识别接线模式组第k个负荷站的辅助电源数；zk表示待识别接线模式组第k负荷站内主变的个数；mk表示待识别接线模式组第k负荷站内母线的个数；lk表示待识别接线模式组第k负荷站是否有站内联接线；jk表示待识别接线模式组网架出线接线方式情况：若接线方式为直供接线，则jk=0，若接线方式为T接线，则jk=1，若接线方式为π接线，则jk=2，若接入方式为Tπ混合接线，则jk=3。

建立接线模式模型的目的是确立研究对象，整合接线模式组特征，为接线模式识别典型特征提取做准备。

2.2 特征提取

接线模式模型的建立详细描述了接线模式出线分区内元素的特征。为了达到接线模式识别的目的，需要选择的特征能足够代表此接线模式，同时要求其数量尽量少，从而能有效地进行分类和描述。接线模式特征的提取是用模式识别理论进行接线模式识别的关键。

通过对典型高压配电网接线模式的分析，本文提出了从电源特征、电源母线特征、网架出线特征、负荷站接入特征、负荷站站内接线方式特征作为高压配电网的接线模式典型特征来考察。

(1)电源特征。

电源的特征包括电源数、是否有发电机做电源、电源母线数、是否有附加增强电源。电源数、电源母线数及是否有附加增强电源可以从侧面反映出待识别接线模式组的可靠性，是电源的典型特征。是否有发电机做电源作为特征是考虑了城市高压配电网有许多发电机供电的情况，负荷有2个及以上的主通路。因此发电机作为一个特殊的电源特征。这4个特征的信息可以从式(1)中提取。

(2)网架出线特征。

网架出线的典型特征包括出线属性、接入负荷站方式、出线是否有联络。这3个层面的特征可以从式(2)中提取。

(3)负荷站特征。

负荷站的典型特征包括负荷站接入方式、负荷站内是否有站内联络线。这2个特征都可以从式(3)中提取。

2.3 模式识别

提取了接线模式组的典型特征之后，需要根据配电网典型接线模式结构特征比较明确且易于确定的特点建立特征库。采用特征匹配的原则来识别典型城市高压配电网的接线模式。

2.3.1 特征库的建立

根据以上建立的接线模式模型，分析典型的高压配电网接线模式，提取能代表模式的特征，建立特征库。

城市高压配电网主要的接线模式有单侧电源不同母线辐射接线、双侧电源双T接线、单侧电源双T接线、双侧电源双π接线、双侧电源不同母线三T接线和双侧电源不同母线双π接线等。

城市高压配电网接线模式的特征表达式为

Ch=(s，m，j，n，w，g，l，h，f，e)

(4)

式中：s表示待识别接线模式组内电源数；m表示待识别接线模式组内母线数；j表示待识别接线模式组网架出线接线方式情况：若接线方式为T接线，则j=1，若接线方式为π接线，则j=2，若接入方式为Tπ混合接线，则j=3，其他，则j=0；n表示待识别接线模式组网架出线接线方式为T接线或者π接线时，T接线或者π接线的个数；w表示待识别接线模式组网架出线接线方式为T接线时，T接线是否为完全接线：若为完全接线，则w=1，若为不完全接线，则w=0，其他，则w=2；g表示待识别的接线模式组网架出线直供接线的个数；l表示待识别接线模式组网架出线树之间是否有联络线：若没有联络线，则l=0，若有联络线，则l=1，其他，则l=2；h表示待识别接线模式组负荷站内是否有站内联络线：若没有联络线，则h=0，若有联络线，则h=1，其他，则h=2；f表示待识别接线模式组内是否有发电机电源：若有发电机做电源，则f=1，若没有发电机做电源，则f=0；e表示待识别接线模式组内是否有附加增强电源：若有附加增强电源，则e=1，若没有附加增强电源，则e=0。

2.3.2 典型接线模式识别

特征库建立之后，根据各个接线模式组的特征表达式，利用特征匹配原则识别接线模式。

对于特征库不能匹配的接线模式，需要判断其是否合理并且是否经常使用，如果是，则将其特征式添加到特征库中，否则指出其不合理之处。

图1接线方式的特征表达式为(2,3,1,3,0,0,0,0,0,0)，通过特征表达式可以知道该接线方式有两侧供电电源，3个供电母线，网架出线树全为T接线，T接数为3，负荷站内无站内联络线，接线方式组无附加增强电源供电，无发电机做电源。通过以上特征可以判断该接线方式为双侧电源不同母线3T接线。

图2(a)～(l)列出了我国具有代表性的高压110 kV配电网接线模式。表2列出了各种接线模式的特征表达式及识别出的接线模式名称。

2.4 中压电缆网识别

中压电缆网同样可以分为电源、网架、负荷三层体系。中压电缆网的用户模型类似于高压配电网中的负荷站模型。

与高压配电网相比，中压电缆网接线模式的特征侧重于联络分析。联络的方式有2种：一是通过联络开关或联络集合，二是通过用户建立联络。

中压电缆网根据自身网络特点，应用本文方法，建立特征表达式为

Ch=(s，m，c，b，w，l，n，j)

(5)

式中：s表示待识别接线模式组内电源变电站数；m表示待识别接线模式组内电源母线数；c表示待识别接线模式组内电源馈线数；b表示待识别接线模式组内备用馈线数；w表示待识别接线模式组的网架类型：若网架类型为架空网(包括架空电缆混合网)，则w=1，若网架类型为电缆网，则w=2，若网架类型为带开闭所/开关站网，则w=3；l表示待识别接线模式组网架馈线树之间是否有联络线：若没有联络线，则l=0，若有联络线，则l=1，其他，则l=2；n表示待识别接线模式组内馈线树的联络数相同时，与馈线树联络的其他馈线树个数，若联络数不同，则n=0；j表示待识别接线模式组内用户的接入方式：若接入方式为T接线，则j=1，若接入方式为π接线，则j=2，若接入方式为Tπ混合接线，则j=3，其他，则j=0。

图2 典型高压配电网接线模式

根据此特征表达式，利用特征匹配原则，可以有效识别中压电缆网的单电源线辐射接线、双辐射接线、单环式接线、双联络双π接线、 “N-1”主备接线以及不同母线出线连接开闭所接线。

表2 各种接线模式特征式

3 算例分析

图3为进行接线模式识别的算例，该网络共有2座500 kV变电站，8座220 kV变电站，22座110 kV变电站，4台发电机，30条出线树。开元站有2条母线，分别带出线树T1、T3和T2、T4、T5。花地站有2条母线，分别带出线树T6、T8和T7、T9。永福站有2条母线，分别带出线树T10、T13和T11、T12。从化站有3条母线，分别带出线树T14、T16和T15、T17和T18。嘉禾站有2条母线，分别带出线树T19、T21和T20、T22。新塘站有2条母线，分别带出线树T25和T23、T24、T26。林益站有2条母线，分别带出线树T27和T28。炭布站有2条母线，分别带出线树T29和T30。

图3 算例网络

在对全网进行拓扑分析和分组分析后，分别对各组进行电源站、网架出线、负荷站3层分析。以图3中的出线树T1和T2所在的组分析，组内包括开元站、发电机2、出线树T1和T2、荷村站。经过分析，发电机为开元站的附加增强电源，T1和T2以直供的方式接入负荷站荷村，荷村站内无联络线。对该组进行特征式提取，可获得特征表达式Ch=(1，2，0，0，2，2，0，0，0，1)。根据判别特征可知，整个接线模式组为单侧电源(有增强电源)不同母线直供接线。算例网络接线模式识别结果见表3。

表3 算例网络接线模式识别结果

[1] 葛少云，郭明星，王成山，等．城市高压配电网接线模式比较研究[J]．电力自动化设备，2004，24(2)：33-37.

[2]龚小雪, 程浩忠,陈楷,等.微网对城市配电网接线模式可靠性的影响[J].电力系统及其自动化学报,2013,25(1):7-11.

[3]谢晓文, 刘洪.中压配电网接线模式综合比较[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(4)：94-99.

[4]王立峰, 陆四龙,余建平.基于匹配识别算法的配电网供电模式选择[J].电力系统及其自动化学报,2011,23(4):106-110.

[5] 陈廷记，程浩忠，何明，等．城市中压配电网接线模式研究[J]．电网技术，2000，24(9)：35-38.

[6] 李毅山，张焰．城市高压配电网接线模式的可靠性[J]．上海交通大学学报，1999，33(12)：1554-1557.

[7] 肖峻，王跃强，王成山．城市中压配电网接线模式识别[J]．电网技术，2003，27(10)：92-95.

[8] Kersting W H，Phillips W H，Doyle R. Clay distribution feeder reliability studies[J]. IEEE Trans on Industry Application，1999，35(2)：319-323.

[9] 杨光正，吴岷，张晓莉．模式识别[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2001.

[10] Sohn S Y. Meta analysis of classification algorithms for pattern recognition[J]．IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1999，21(11)：1137-1144.

[11] 肖峻.配电网信息管理/分析系统的研究和实现[D]．天津：天津大学，1997.

[12] 顾洁，孟旸.配电网接线模式研究[J]．电力自动化设备，2002，22(7)：19-22.

[13] 郭永基，Kofi．考虑容量约束的配电系统可靠性评估[J]．电力系统自动化，2000，24(17)：48-52.

[14] 牛辉，程浩忠，张焰，等．电网扩展规划的可靠性和经济性研究综述[J]．电力系统自动化，2000，24(1)：51-56． [15] 赖晓平，周鸿兴．电力系统网络拓扑分析的有色Petri网模型[J]．电网技术，2000，24(12): 5-10.

[16] 于尔铿．电力系统状态估计[M]．北京：水利电力出版杜，1985.

(编辑:刘文莹)

AutomaticIdentificationofConnectionModesforUrbanHigh-VoltagePowerDistributionNetwork

WANG Zhe

(State Grid Tianjin Electric Power Economics & Technology Research Institute, Tianjin 300371, China)

This paper built the connection mode model of urban high-voltage distribution networks, and then proposed automatic identification methods for the connection modes. Firstly, the connection modes of urban high-voltage distribution were summarized and abstracted to get a “power-grid-load” three-layer architecture and mathematical models were built separately for each layer. Secondly, based on the analysis of network topology, the “power-grid-load” power supply relationship and the “network-network” connection relationship were developed. Finally, typical characteristic elements were analyzed and extracted from three-layer architecture for connection mode identification, based on the pattern recognition theory. Moreover, the characteristic expressions of pattern recognition were presented and the feature database was built for the typical connection modes in China; the feature database also included reasonable untypical connection modes, and gave refusing reasons to the unreasonable ones. The examples show that this method can effectively identify the connection mode of high-voltage distribution network, and it is suitable for the connection mode recognition of cable network in medium-voltage distribution network as well.

high-voltage power distribution network; connection mode; feature database; pattern recognition

TM 726

： A

： 1000-7229(2014)09-0059-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.011

2014-03-11

：2014-04-21

王哲(1984)，男，硕士研究生，工程师，主要从事城市电网规划与配电自动化方面的工作，E-mail：wzhe99@163.com。