基于实时电网拓扑的母线负荷预测技术研究

唐鹤, 周俊宇, 骆国铭

(广东电网有限责任公司 佛山供电局， 广东 佛山 528000)

0 引言

负荷预测可以为电力系统的未来发展规划提供数据参考，而且其预测分析结果也可为电力生产提供帮助。根据不同的预测需求，负荷预测也存在时间跨度方面的差异化。若是只针对电力系统在未来数小时之内的预测，了解该时间段的负荷波动情况，则为短期负荷预测或是超短期负荷预测[1-2]。当需要对电力系统运行情况进行安全监视时，或者在一些应急性电力问题处理工作中，会应用该种预测方式。超短期预测是负荷预测中时限最短的预测类别，在其预测过程中，不必考虑温度差异对预测结果造成的影响，但若在预测时间内存在极端天气情况，则需要对其影响进行参考。该预测类别需要在极短的时间内构建起预测模型，并实施迅速预测。该类别预测必须以精确的数据作为支撑。短期负荷预测是根据日负荷曲线变化情况进行预测，从而为短期内的发电计划提供参考依据，进行科学的负荷控制[3]。

进行短期负荷预测可以采用的预测手段有很多，使用概率较高的就有单耗法和弹性系数法，除这两种方法以外，通过对人均电量进行指标换算也是短期负荷预算中使用概率较高的方法，除此以外，还包括以分区测量计算负荷密度进行预测的方法[4]。

1 基于实时电网拓扑的母线负荷预测方法概述

本文重点研究电网母线、以母线为基础的断面和各类主设备短期负荷曲线精准预测、预警技术，通过电网深度结构解析及主配信息集成，实时分析获取构成母线负荷的全部元素(指10 kV配网线路)。通过各构成元素历史负荷数据智能拟合，形成各元素负荷预测曲线，进而将全部构成元素预测曲线叠加，并综合考虑气象、设备检修、节假日、配网转供电等影响因子，计算生成预测对象96点负荷曲线。基于负荷态势预测结果，实施断面及设备重过载预警信息对象化发布。

基于实时电网拓扑的母线负荷预测技术研究内容如下。

①母线(断面)负荷构成要素拓扑分析。实时采集EMS系统及配网DMS系统中元件状态、连接关系、计量点、转供电挂牌等系数据，动态(刷新周期为15分钟)拓扑分析获取母线当前所供全部配网10 kV线路。

②各构成要素负荷预测曲线拟合。获取各10 kV线路近20天负荷数据(每15分钟一个点)，综合考虑气温、节假日、坏点剔除和转供电挂牌等影响因子，智能选取最为接近预测日特征的五日数据，拟合生成该要素负荷预测曲线。

③自动叠加生成预测对象96点负荷曲线。将预测对象全部构成要素的预测曲线叠加，生成96点负荷预测基准曲线。

④基准曲线动态修正。对于叠加生成的基准曲线，系统每15分钟根据最近前4个预测点与实际负荷值的平均差，对第五个及以后的全部预测点进行相应修正，提升负荷预测精准度。

⑤停电检修单对预测曲线的修正。设计检修单修正逻辑，使用者根据检修单信息，录入相关10 kV母线、110 kV主变电源点变更情况及时间起始，系统即自动根据变更信息对拓扑关系库进行重构，根据新的拓扑关系库对基准曲线进行修正。

⑥重过载信息预警及对象化发布。基于主配数据融合，智能分析获取预测对象涉及的设备运维单位及10 kV用户归属供电所，当设备或断面预计发生重过载时，调度台可一键发布预警信息，将过载情况及预计时间发布至各相关单位，针对性开展负荷预控、设备运维及需求侧管理。

2 母线短期负荷预测关键技术逻辑

本文所研究的母线负荷预测技术主要基于主配数据融合，建立母线负荷拓扑运算规则、检修单修正机制和负荷曲线拟合方法，实现母线短期负荷态势的分钟级精准预测，提升母线负荷预测水平。具体关键技术方法与逻辑,如图1所示。

图1 母线负荷预测关键技术方法与逻辑

(1) 采集10 kV馈线历史电流数据

从系统中获取近20天并根据预测当天是否节假日、10 kV线路是否转供电状态筛选出来的历史电流数据。具体数据获取步骤如下。

首先获取预测当天预测日气温，作为获取历史数据时的筛选条件。根据当前设备是否属于转供电状态进行判断，作为获取历史数据时的筛选条件。判断预测当天是否属于节假日，作为获取历史数据时的筛选条件。获取该线路近20天的转供电状态、节假日、当天温度与预测日气温相近的电流值。获取该线路近20天的转供电状态、工作日、当天温度与预测日气温相近的电流值。获取该线路近20天的非转供电状态、节假日、当天温度与预测日气温相近的电流值。获取该线路近20天的非转供电状态、工作日、当天温度与预测日气温相近的电流值。根据前面的筛选条件获取转供电状态相同、假日判断相同、当天气温与预测温度相近的历史数据，用于下一步的预测电流数据。

(2) 预测10 kV电流数据

通过上一步采集的历史电流数据，可采用格拉布斯(Grubbs)法进行判断，在采集的历史电流数据中，如果个别数据偏离平均值很远，那么这个(这些)数据称作“可疑值”，通过残差判断剔除偏离较远的数据，将数据缩减到5条，然后计算其平均值的到该线路该时刻电流的拟合值。

(3) 修正10 kV电流预测数据

系统将遍历拟合值，以预测的时刻的前四个采样点作为修正条件，计算前四个采样点的实际负荷(如果没有实际负荷则采用预测负荷)与拟合曲线的平均差值，使用得到的平均差值修正拟合值，从而得到这一时刻的预测值。

(4) 预测110 kV主变有功负荷数据

系统将通过从EMS获取设备连接关系、潮流方向、开关、刀闸状态等数据，以潮流方向和电压等级两方面建立约束条件，拓扑出110 kV主变下挂载的10 kV线路，然后通过其挂载的10 kV线路的预测值推算出110 kV的主变的预测值。具体拓扑流程,如图2所示。

图2 110 kV主变负荷结构拓扑规则

①是否挂牌：判断设备是否挂牌。如果设备挂牌则拓扑结束，跳出拓扑；

②遍历连接设备：获取与该设备连接的设备，逐个进行拓扑判断；

③是否挂牌：判断设备是否挂牌。如果设备挂牌，该设备拓扑停止;如果设备没有挂牌，继续进行拓扑判断；

④是否存在于父节点：判断设备是否曾在父节点出现。如果有出现在父节点，说明该设备已经进行拓扑，无需在此拓扑；

⑤是否开关：是则持续判断是否闭合；

⑥是否闭合 ：对开关设备判断是否闭合。如果开关断开，该开关停止拓扑;

⑦是否符合潮流方向：判断设备是否符合潮流方向，默认顺流拓扑。如果设备不符合潮流方向，则该设备停止下一步拓扑；

⑧是否有下级连接设备：判断该设备有没有下级拓扑。如果没有下级拓扑，该设备停止下一步拓扑；

⑨获取下级连接的设备：获取与该设备连接的设备，加入到需要遍历的设备中；

⑩所以连接设备已经遍历：判断是否所有需要遍历的设备都已经拓扑。如果所有需要拓扑的设备都已经遍历，则退出循环。

(5) 预测110 kV线路有功负荷数据

系统将通过从EMS获取设备连接关系、潮流方向、开关、刀闸状态等数据，拓扑分析出各个110 kV线路挂载110 kV主变，推算出110 kV线路的预测值。

(6) 预测220 kV主变有功负荷数据

系统将通过从EMS获取设备连接关系、潮流方向、开关、刀闸状态等数据，拓扑分析出各个220 kV主变挂载110 kV主变并分析其供电比例，从而推算出220 kV主变的预测值。预测流程,如图3所示。

图3 220 kV主变负荷预测逻辑

①220 kV主变a通过主变变中区域拓扑：从EMS获取设备连接关系、潮流方向、开关、刀闸状态等数据，从220 kV主变变中出发进行站内拓扑；

②能拓扑到其他本站主变：根据拓扑结果判断这个220 kV主变是否与其他本站的220 kV主变相连接；

③通过其变中开关有功负荷的比值计算出其站内供电比例 P：计算站内主变供电比例，如果这个220 kV主变没有与其他本站的220 kV主变相连接，则供电比例为1，如果这个220 kV主变与其他本站的220 kV主变相连接，则根据变中开关的实时有功负荷的比值计算出这个主变的供电比例；

④通过拓扑路径找到220 kV主变a供电的110 kV变电站并遍历：根据前面的拓扑结果，找出这个220 kV主变供电的110 kV主变；

⑤所有110 kV变电站已经遍历：遍历所有的220 kV供电的110 kV主变；

⑥通过拓扑路径找到供电的110 kV开关并遍历：根据拓扑路径判断这个主变完全由这个220 kV主变供电；

⑦所有供电的110 kV开关已经遍历：遍历所有向这个110 kV主变供电的110 kV线路开关；

⑧通过拓扑路径获取该开关的电源点;

⑨由主变a或与主变a连接的主变供电：根据拓扑路径判断这个线路由当前220 kV主变或者与其连接的220 kV主变供电；

⑩由主变a或与主变a连接的主变供电的有功负荷W2：统计由当前220 kV主变或者与其连接的220 kV主变供电的线路的有功负荷；

(7) 预测断面有功负荷数据

通过断面配置找到断面的组成部分，然后通过220 kV主变的预测值推算出断面的预测值。具体通过分析找到组成断面的220 kV线路并遍历，根据断面组成得到组成断面的220 kV线路，遍历所有组成断面的220 kV线路，通过拓扑通道找到供电的220 kV主变，具本从EMS获取设备连接关系、潮流方向、开关和刀闸状态等数据得到与该220 kV线路连接的220 kV主变，根据220 kV线路和与其连接的220 kV主变的有功负荷的实时值计算其比例，根据220 kV主变的预测值和与线路的比例关系推算出线路的预测值，根据220 kV线路的预测值和实时方向计算得出断面的预测值。有文献在研究短期负荷预测中，采用了聚类分析与模糊推理相结合的方法，从而保证了数据分析中的学习能力和不确定性描述能力，取得了较好的效果。

(8) 检修单数据引入和修正

系统设计母线负荷构成的人工修正功能，对于系统拓扑分析形成的母线负荷构成，使用者可依据检修单方式安排，设置调整信息和调整时间节点(比如设置将110 kV主变从9:00开始由220 kV主变A调整至220 kV主变B供电)，系统在合成预测曲线时，将根据设置的调整时间节点和调整信息进行计算。

3 总结

本文创新研究了母线负荷拓扑运算规则、检修单修正机制和负荷曲线拟合方法，实现了母线短期负荷态势的分钟级精准预测，大幅提升佛山局母线负荷预测水平,整体运行稳定，预测结果理想。一方面，根据预测曲线和预警提示，调度台得以提前通知相关部门落实需求侧管理措施，尽可能将过载消除在萌芽中，避免错峰限电，有效保障电网安全稳定运行，提升优质服务水平;另一方面，母线负荷精准预测也可为未来电力现货市场建设提供可靠的数据支撑。

基于实时电网拓扑的母线负荷预测系统自2018年1月开始在佛山地调应用，其主要功能包括稳定断面(含安稳可切量断面)、220 kV主变、110 kV主变、110 kV线路的日前、日内96点负荷曲线预测，停电检修单数据引入、断面及设备过载预警、断面及设备涉及单位智能分析、断面及设备重过载提示信息生成及对象化发布，各功能模块运行稳定，预测结果准确度理想。本系统架构简单、数据来源单一，完全满足网络安全相关要求，各地调均具备相应的信息系统接口和数据基础，建设难度低，本成果相关逻辑规则已成熟，可实现整体打包移植，推广成本较低，具备较好的推广应用前景。