中低压配网线路路径及数据自动在线还原技术研究

黎健，何承瑜，梁泳

（广西电网有限责任公司，广西南宁 530001）

随着我国经济社会的发展，电力建设的需求越来越高，中低压配电网络的发展和建设是提高供电服务水平的重点[1]。10 kV 配网是电力传输末端的核心，对电力供应起到关键的配置调节作用[2]。

充分利用配网数据信息可以优化故障定位方案，提升终端用户的体验度[3-4]。以往，对数据的应用主要是分析故障和进行检修处理过程的风险评估[5-8]。这种方式能够得到相对准确的检修处理结果，但容易导致权重决策产生偏差，影响当前配网设备状态的调取[9]。同时，人工处理数据信息存在着效率低、考虑不全面等局限性，而智能化的自动处理能够满足现代化电网的发展使用要求[10-16]。

针对上述问题，该文对配电网线路的路径及相关数据展开了研究，实时处理系统获取的新数据并优化配网线路路径。首先，简要介绍了10 kV 配网数据采集传输处理系统的建设需求和架构要素。然后深入分析了配网系统的整体建设方案，为数据自动处理技术在10 kV 配网系统中发挥更为理想的应用优势提供了新的途径，并采用聚类处理算法得到自动调试结果。最终，通过分析案例证明了新型算法的实际应用价值。

1 配网数据系统

1.1 信号采集

状态数据包含电力运行时的电流、电压、有功和无功功率，以及主变分接抽头、开关、隔离刀闸的状态等。一旦发生故障，通过数据传输装置上传配电网线路的实时运行状态及变化信息，配合远程控制信号缩小故障范围，实现系统化的信息共享。具体的数据采集过程如图1 所示。

图1 数据采集过程

1.2 信号量处理

中低压配网系统的数据在SCADA 系统中被调取出来，由数据处理功能完成对采集信号的检验，并通过相关算法过滤异常数据。采集到的数据包含断路器、隔离开关位置、继保装置动作信号等。数据处理使用质量码对采集到的输入数据和系统计算出的数据进行标注，观察被标数据质量，甄别是否存在坏损。

1.3 存储

对系统内的所有数据支持按需变化储存，存储过程具备批量定义和人工选择功能，最大限度地满足输出储存位置的需求，通过数据组指针的设定，可以便捷地实现信息的调取和使用。

1.4 操作控制

主要是指对数据、标识牌和解闭锁的操作和权限控制。闭锁装置用于保障控制的精确性，避免出现误操作，其通常可以分为机械闭锁和逻辑闭锁两种类型。通过操作实现对各分量的人为置数，并对被操作数据进行有效性检验。

1.5 事故反演

事故反演可以提前对故障进行预防，当预设事故被预检到将会发生时，系统将调取相关数据。通过这部分数据处理可以对事故情况进行反演，且具备允许操作人员在反演过程中暂停进程的功能。

1.6 线路建模及调用

通过对图模库的建模，可以实现对库中图模数据的直接调用，结合单线图和站所图对整个配电网络的静态拓扑结构进行自动生成并实现定时校验维护管理，但这一流程需要严格遵守相关电网规范。该功能的实现还有利于系统图模数据在不同部门和地区间的交流。开通图模库和其他各系统间的查询检索功能，可以有效提高建模与调用效率。

2 配网数据自动还原技术

对配网线路的信息数据主要是掌握其线路路径信息，以及更重要的线路故障信息。一旦配电网发生故障，为了实现数据信息的自动处理，快速掌握故障发生的相关信息，该文提出了数据自动在线还原技术来完成配网故障自动定位。

2.1 数学模型

配电系统发生故障时，通常故障电流较正常负载电流明显增大。其可以通过检测系统逻辑算法识别电流数值的区别，分析计算主站检测到的电压电流信号的变化实现故障的精准定位。

假设一个区域的配网可以划分为n条线路段，且每个线路区段有a、b、c等支路（以3 条支路为例），则该线路区段的零序电流可表示为：

且该区段线路零序电流有效值为：

因此可以构建配网线路的数学模型，由模型求解各测控点的状态值，图2 为典型的配网结构线路。

图2 典型配网结构线路

当配电网络发生故障时，各开关处的电流值不仅包含短路回路的电流，还包括流经对地电容或对地阻抗所构成回路的电流。因此建立配电网络线路的数学模型时，需要考虑采用分布式参数元件。线路分布式参数元件模型，如图3 所示。

图3 配网线路分布式参数元件模型

若某一线路上零序电流的有效值与其他区段零序电流的平均有效值比值为Ki，则由Ki的数值即可判定该区域配网中发生单相接地故障的线路段，求解方法如下：

2.2 判断函数

判断函数是对线路路径可行性的判定。以单相接地故障为例，当线路出现故障时，故障点的正、负、零序故障电流的实际模值和相位均相同，则可定义配电系统网络的判断函数为：

由此即可根据距离x的值获取不同的P(x)，由于公式中所包含的子项均为平方项，因此可知P(x)≥0，所以只需要找到P(x)的最小值，即可确定出发生故障可能性最大的位置，从而实现故障点的位置判断。

图4 为配电系统单相接地故障的判定流程。状态值的数据采用1和0表示，其中，存在故障电流的馈线开关量为1，不存在故障电流的馈线开关量为0。

图4 单相接地故障判定流程

2.3 线路故障测距原理

若线路特征中，总线路等效阻抗为Z，故障电流零序分量为I，故障支路电压为U，则可推导出故障线路首末段的电流频率分量之比为：

其中，Zc是故障点到首端测控点的线路阻抗；Z′是故障点到线路末端测控点的阻抗值；ZL是未发生故障时测控点测量的线路阻抗值，对于实际的配电网络，线路阻抗ZL一般为常数。

假设线路特征离散属性A中分量值a的数量为V，即A={a1,a2…aV}，则可以采用a值对S进行划分，分为V个分支节点，其中第v个包含S上所有线路特征属性A的取值即为av，由此即可得到该线路的信息增益。然后将拥有最大信息增益的线路特征属性作为第一个节点，拥有次大信息增益的线路作为下一个决策节点。最终通过递归计算迭代整个决策，得到自动处理决策树。

2.4 路径优化算法

在电网的故障定位过程中，通常将配网线路作为计算路径。假设用u表示为每个区段发生故障的初始概率，v表示每个区段不发生故障的初始概率。利用迭代初期产生的评价函数对路径概率的赋值进行优化调整。在配网故障决策的流程中，设置区域内的每条故障线路段上故障的首概率为ui1和vi0，则局部概率更新公式为：

其中，pi1、pi0为可能的故障区域与可能的非故障区域之间的状态选择概率值。经局部概率值的调整，计算流程为：

式（8）中，σk表示概率局部更新后的值，YA、YB、YC是测控得到的各相阻抗对应的导纳值，Y0是零序导纳。若式（8）求得的单次输出可行解判定函数的值小于预期，则需要对概率值进行加权调整：

如式（9）所示，调整后的概率值为，加入一个分量后再代入迭代流程，直到符合预期且收敛为止。注意初值的选取会影响到收敛速度，因此线路故障的首概率值需要比对后再确定，加快了算法的收敛。

3 应用案例分析

图5 是某配电网络含分支的线路未发生故障时的示意图，其中配电自动化的终端设备没有显示，位置与线路上的开关一致。R1～R9表示各条线路的分段开关代号，假设在某时刻R6、R8和R9开关之间的线路发生了接地短路故障，故障电流导致继电保护设备动作，各开关按照预设程序跳开，该配电网络的线路全部失电，如图6 所示。

图5 线路未发生故障时的示意图

图6 故障电网示意图

由该文提出的自动化控制算法可知，通过采集到的模拟量状态值和系统的暂态特征量、稳态特征量及一些方向性特征量等信息，传递相应的数据信号信息素，可以对所有开关检测出故障量，开关R8、R9、R6处距离故障点较近，按照继电保护装置的执行方案首先断开。此时故障信号消失，无需进一步断开开关。控制主站通过采集到的信号，按照顺序依次判断故障线路段。最终发现故障区间应位于开关R8、R9和R6之间。由此自动控制开关状态，切断故障区间两侧的电源功率流入，减小停电范围。自动控制后供电恢复的配电网络图，如图7 所示。

图7 自动控制后配网示意图

案例验证了环网有分支线路发生故障时，开关动作选择的合理性。此外，对于非环网线路，采用该文提出的配网数据自动还原算法后，故障切除时间和线路切断判定准确率的数据对比如表1 所示。

表1 自动还原技术效率提升对比

表中的数据来源为多次仿真获得的平均值。从表中可以看出，采用该文提出的自动在线还原技术对于环网无分支、环网有分支、非环网无分支线路、非环网有分支线路类型均能较为明显地缩短故障线路切除时间，并提高故障线路的判定准确率。

4 结束语

该文在对配电网数据系统架构进行分析的基础上，提出了数据处理与故障自动检测方案。通过自动在线算法对数据进行分析研判，实现配电系统的自动化决策，提高配网发生故障时线路路径的选择速度。算法以切断负荷最小和开关操作次数最少为目标函数，对故障后的配电网恢复重构。最终通过接地故障配电网自动诊断案例验证了算法的有效性与可行性，证明中低压配网的线路路径自动决策故障切除的逻辑合理性。且在一定程度上缩减了故障切除时间，提高故障线路切断的判定准确率。未来通过连接变电10 kV 出线数据，可以进一步提高线路路径和数据自动在线还原处理的效率。