基于負荷突變的配電系統(tǒng)故障告警研究與實現(xiàn)

霍 健 ，施冬明 ，鄭 雷 ，王 亮 ，盧 恒

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著用戶對供電可靠性要求的不斷提高，配電網(wǎng)調(diào)控人員需要及時發(fā)現(xiàn)并處理配電系統(tǒng)中供電的各種異常及故障。但由于現(xiàn)代配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復雜，配電自動化終端無法遍及每一個設(shè)備，且配電設(shè)備、配電自動化終端和通信網(wǎng)絡(luò)一般工作在戶外惡劣環(huán)境下［1］，在實際運行中存在大量分支線失電、配變失電等故障，調(diào)度自動化系統(tǒng)及配電自動化系統(tǒng)無法檢測到。針對這一類故障，利用配電線路負荷突變進行故障預警是行之有效的方案；但配電線路負荷特性及負荷突變原因的多樣性，使得確定合理的負荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負荷突變進行分支線失電、配變失電等故障告警的方法，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

在配電網(wǎng)故障預警及診斷方面，文獻［2-3］提出了利用負荷變化進行故障預警及辨識的方法；文獻［4-7］探討了利用電壓、電流等電氣量的變化情況，在無保護信息情況下進行故障預警及定位的建模及實現(xiàn)方式。在配電系統(tǒng)負荷分析方面，文獻［8-9］將概率負荷分析等方法應(yīng)用于配電系統(tǒng)負荷預測，為利用概率負荷分析確定負荷突變告警策略提供了參考。

本文在分析配電線路負荷特性及配電系統(tǒng)負荷突變原因的基礎(chǔ)上，提出了基于負荷突變的配電系統(tǒng)故障預警方法。基于概率負荷分析確定負荷突變量告警值；利用非同期賦值法實現(xiàn)負荷變化量的采集與計算；通過合理設(shè)置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調(diào)度自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了該功能的開發(fā)與應(yīng)用。通過對濟南地區(qū)實際負荷突變告警案例及其原因的分析，證明了該方法對分支線失電、配變失電等無告警信息的配電系統(tǒng)故障，能夠有效地實現(xiàn)告警，具有良好的實用價值。

1 配電系統(tǒng)負荷突變原因分析

1.1 配電線路負荷特性分析

我國絕大部分的中壓配電系統(tǒng)以6~20 kV的配電線路為主構(gòu)成，根據(jù)負荷大小及其變化規(guī)律的不同，可大致分為三類［10］。

第一類，以居民用電、一般工商業(yè)負荷為主。負荷曲線隨時間變化比較平緩，具有較強的規(guī)律性，其日、周負荷曲線如圖1所示，絕大部分城區(qū)配電線路負荷具有此類負荷特性。

圖1 常規(guī)10 kV線路日、周負荷曲線

第二類，負荷有較強的沖擊性，此類負荷一般為特殊的工業(yè)負荷。受沖擊性負荷影響，負荷曲線波動較大，具有明顯的沖擊特性，其日、周負荷曲線如圖2所示。

圖2 沖擊性較強負荷日、周負荷曲線

第三類，小負荷線路，其線路電流值在10 A以內(nèi)，且波動較小，此類線路多為備用線路，其日、周負荷曲線如圖3所示。

圖3 沖擊性較強負荷日、周負荷曲線

具備上述第二類負荷特性的配電線路，多為特殊工業(yè)用戶的專用線路；具備第三類負荷特性的配電線路多為備用線路，因此，研究基于負荷突變的配電線路故障預警，主要針對第一類負荷特性的配電線路。

1.2 配電線路負荷突變原因分析

配電線路發(fā)生分支線失電、配變失電等調(diào)度自動化系統(tǒng)無法檢測到的故障，反映在配電線路的負荷變化象征為負荷突然降低，對于以居民用電、一般工商業(yè)負荷為主，負荷曲線變化比較平緩的第一類配電線路，造成負荷突降主要有7種原因，造成配電線路負荷突降的原因、負荷變化情況及告警信號如表1所示。

表1 配電線路荷突降原因

表1中造成配電線路負荷突降的7種情況，前4種有告警信號，第5種、第7種無告警信號，對于第6種分支線跳閘的情況，實現(xiàn)配網(wǎng)自動化功能的線路有告警信號，未實現(xiàn)配網(wǎng)自動化功能或配網(wǎng)自動化功能異常的線路，無告警信號。

對于無告警信號的分支線跳閘、配變故障及主網(wǎng)故障沖擊造成的低壓用戶脫扣等情況，調(diào)控人員無法通過原有的集中監(jiān)控信息在第一時間獲得故障及異常信息，造成用戶長時間停電，因此，迫切需要針對上述無告警的負荷突降情況制定告警策略，增設(shè)告警信號。

2 基于概率分析的負荷突變告警策略

利用負荷突變進行配電系統(tǒng)故障告警，核心問題是區(qū)別配電線路正常運行時的負荷變化和故障及異常時的負荷變化。對于圖1所示的具有第一類負荷特性的配電線路，利用概率負荷分析可以歸納其正常運行情況下負荷變化的規(guī)律，從而確定負荷突降告警定值。

2.1 負荷變化量的概率分析

調(diào)度自動化系統(tǒng)對配電線路負荷數(shù)據(jù)每隔時間Δt保存一次，記為 i1、i2、i3……in。 則該線路的負荷變化變量序列 Δi可表示為：Δi=［i2-i1，i3-i2，…，in-in-1］；由于配電網(wǎng)支線故障均反應(yīng)為負荷突降，因此針對線路負荷變量序列中Δi數(shù)值小于零的部分進行分析研究，記為序列 Δi＜0，滿足：

記負荷變量序列中數(shù)值小于零的部分序列Δi＜0絕對值為配電線路負荷跌落量， 以 Δi′表示，即Δi′=|Δi＜0|。

根據(jù)文獻［8］中“元胞負荷”的概念，可將每條配電線路作為一個負荷元胞。統(tǒng)計每個元胞在一段時期內(nèi)負荷跌落量Δi′的概率，并將這些概率值根據(jù)對應(yīng)元胞負荷跌落量的大小來排序，所得到的離散序列可形成一條曲線，這條以元胞負荷跌落量Δi′為橫軸、以其概率p（Δi′）k為縱軸的曲線就是該元胞負荷跌落值的概率譜曲線。元胞負荷跌落值出現(xiàn)的概率為

式中：ni表示大小為Δi′k的負荷跌落值在該統(tǒng)計時間段內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)；N為不同Δi′k的總個數(shù)。

將元胞負荷跌落值的概率譜曲線p（Δi′）作為元胞負荷跌落值Δi′的概率密度函數(shù)，則可以根據(jù)p（Δi′）求取 Δi′的累積概率分布函數(shù) F（Δi′）式中：F（Δi′m）為元胞負荷跌落值 Δi′落在［0，i′m］之間的概率。

2.2 負荷突降告警值

對圖1所示常規(guī)負荷特性的配電線路，可以通過統(tǒng)計其一定時期內(nèi)歷史負荷數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）求取Δi＜0及負荷跌落量序列Δi′。將每條配電線路作為一個負荷元胞，利用式（2）獲取配電線路負荷跌落量譜曲線，求得該配電線路各負荷跌落值的概率p（Δi′）k。 根據(jù)其正態(tài)分布規(guī)律，可以確定合理的負荷突降告警值。

為正確區(qū)分負荷突降與正常負荷波動，同時考慮減少無效告警信息，控制新增負荷突降告警后的信號監(jiān)控量，取累積概率分布函數(shù) F（Δi′m）=0.9 時的負荷突降值Δi′m作為負荷突降告警限值。即

Δi′alam=Δi′｛F（Δi′）=0.9｝ （4）

根據(jù)式（4），負荷突降限值的求取步驟為：選取配電線路一段時期內(nèi)歷史負荷數(shù)據(jù)，對前后每兩個采樣點進行作差，選取差值為負的作為該線路負荷突降的樣本庫，并對該樣本庫進行概率分布統(tǒng)計，生成其負荷跌落值的概率譜曲線。確定概率分布在90%以內(nèi)的負荷突降為正常負荷波動，并將該負荷突降數(shù)值確定為負荷突降越限告警限值Δi′alarm。

3 基于負荷突變的配電系統(tǒng)故障預警實現(xiàn)

在確定負荷突變告警策略及告警值的基礎(chǔ)上，在調(diào)度自動化系統(tǒng)平臺實現(xiàn)該故障預警的實際應(yīng)用，需解決兩個問題。一是配電線路負荷變化量的采集，二是針對表1中第1項至第5項非故障原因造成或有其他對應(yīng)告警信號的負荷突降，抑制負荷突降告警信號的發(fā)出，以避免無效的告警信息。

在調(diào)度自動化（EMS）系統(tǒng)實現(xiàn)配電線路負荷變化量的采集，最直接的方法是將其當前時刻電流采樣數(shù)據(jù)與上一次采樣數(shù)據(jù)作差，但由于EMS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)無法與歷史數(shù)據(jù)直接進行計算［11］，因此利用“非同期賦值法”求取配電線路負荷變化量。

一般情況下EMS系統(tǒng)對配電線路負荷電流量采樣間隔為300 s，針對需設(shè)置負荷突變告警的配電線路，設(shè)置變量 i（1）、i（2）、i（3），將線路電流實時采樣值賦予 i（1）、i（2），其中 i（1）的采樣周期 T1為 150 s，i（2）的采樣周期 T2為常規(guī)的 300 s，以 i（1）的采樣周期 T1為周期對實時采樣值 i（1）、i（2）做差，賦予 i（3），即

i（3）的計算原理如圖 4 所示。

圖4 “非同期賦值法”計算負荷電流變化量

對于將每個采樣周期計算的 i（3）組成的序列 i（3）=［i（3）1，i（3）2，i（3）3……］，由式（5）及圖4可知，i（3）2n-1=0，i（3）2n為有效的配電線路負荷變化量采樣值。因此，配電線路負荷跌落量 Δi′為

圖5 配電線路負荷突降告警信號生成、抑制及輸出流程

根據(jù)調(diào)度運行需求，對表1中第1項至第6項中非故障原因造成或有其他對應(yīng)告警信號的負荷突降，需設(shè)置告警信號閉鎖，抑制負荷突降告警信號的發(fā)出。排除沖擊性負荷及小負荷線路，針對圖1所示常規(guī)負荷線路，若通過實時電流采樣值計算得到的Δi′＞Δi′alarm，需針對表 1 中第 1～6 種情況設(shè)置相對應(yīng)信號對負荷突降告警的抑制。其中，第5項合環(huán)調(diào)負荷的告警抑制條件為配電自動化系統(tǒng)合環(huán)操作信號。配電線路負荷突降告警信號生成、抑制及輸出流程如圖5所示。

4 實例分析

以濟南地區(qū)10 kV梓軌線支線故障造成負荷突降為例，分析說明本文所述故障告警策略實現(xiàn)過程及告警策略的有效性。

圖6 10 kV梓軌線元胞負荷跌落值的概率譜曲線

某日，由于配網(wǎng)自動化無線通信系統(tǒng)關(guān)閉，10 kV梓軌線支線開關(guān)遙信位置信號、變位信號、跳閘信號均無法上傳至主站，調(diào)控人員無法通過配網(wǎng)自動化系統(tǒng)監(jiān)視線路支線故障。因此，以線路負荷突變告警作為支線故障判據(jù)。

首先以10 kV梓軌線一段時期內(nèi)負荷跌落歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用式（2）繪制其元胞負荷跌落值的概率譜曲線如圖 6所示。 根據(jù)式（3）、式（4），結(jié)合圖 6，可知對于該元胞負荷跌落值的概率分布函數(shù)F=0.9時對應(yīng)的電流跌落量Δi′為7.1 A。由此可確定對于10 kV 梓軌線，Δi′alarm=7.1A。

圖7 10 kV梓軌線負荷突降告警報文

確定負荷突變告警值后，在EMS系統(tǒng)設(shè)置該告警信號，利用非同期賦值法實時采集10 kV梓軌線電流跌落量，根據(jù)圖5所示流程生成并輸出告警信號。告警信號報文如圖7所示。

為檢驗負荷突降告警的有效性和正確性，將當日10 kV梓軌線實際負荷曲線與其典型負荷曲線對比如圖所示8所示。可以看出圖6中負荷突降告警信號與圖8中配電線路實際發(fā)生的三次非正常負荷跌落吻合。通過運維人員巡視發(fā)現(xiàn)，當日10 kV梓軌線3次負荷突降均為線路發(fā)生支線故障造成，由此看出，在無支線故障信息情況下，所述負荷突變告警策略準確有效地對線路的支線故障做出了告警，避免了分支線故障造成的用戶長時間失電，提高了故障點查找及恢復供電的效率。

圖8 10 kV梓軌線當日負荷曲線與典型負荷曲線對比圖

5 結(jié)語

對于調(diào)度自動化系統(tǒng)及配電自動化系統(tǒng)無法檢測到的分支線失電、配變失電等配電系統(tǒng)故障，配電線路負荷突變是有效的判別依據(jù)。但配電線路負荷特性及負荷突變原因的多樣性，使得確定合理的負荷突變量作為故障告警定值變得困難，因此，尋求一種可靠的利用負荷突變進行故障告警的方法有十分重要的現(xiàn)實意義。本文在分析配電系統(tǒng)負荷突變原因的基礎(chǔ)上，提出了基于負荷突變的配電系統(tǒng)故障預警方法并實現(xiàn)了實際應(yīng)用。基于概率負荷分析確定負荷突變量告警值；利用非同期賦值法實現(xiàn)負荷變化量的采集與計算；通過合理設(shè)置閉鎖，抑制非故障原因造成的告警信息；基于調(diào)度自動化系統(tǒng)實現(xiàn)該功能的開發(fā)和應(yīng)用。在濟南地區(qū)10 kV梓軌線實際案例分析中，線路三次支線故障，該方法均準確檢測并可靠發(fā)出告警信號，證明了該方法可以利用配電線路負荷突變對配電系統(tǒng)的分支線失電、配變失電等故障可靠地告警，從而避免用戶長時間停電，提高故障點查找及恢復供電的效率。

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