基于邊緣計算的臺區用戶用電特性感知方法

李金燦，李景順，覃江英

（1.廣西電網有限責任公司，廣西南寧 530000；2.廣西電網公司桂林供電局，廣西桂林 541000；3.廣西電網公司河池供電局，廣西河池 547000）

用戶用電負荷特性是指用戶用電設備在使用期間所特有的用電行為，按用電量的不同，負荷特性可以劃分為穩態、瞬態、運行模式三種。穩態特征是指電力系統在穩定工作時的電性能，是電力系統負載的重要特征。在對站區用戶的負載特性進行分析時，發現用戶使用電力行為涉及很多指標，且具有隨機性，而且指標不能疊加，因此分析較困難，工作量也很大。從總體上來看，國外對負載特性的研究還比較缺乏，各個區域的負載特性指標也不盡相同，負荷特性分析的深度和歷史資料的累積程度也不盡相同。目前提出了一種自適應模糊C 均值算法，根據調峰負荷對用戶用電波動的跟蹤特性，提取連續變化感知參數。根據該參數，使用C 均值聚類算法，聚類調峰負荷和不可調峰負荷，并使用模糊評判方法感知調峰負荷[1]，提出一種小波分解感知方法，利用上單邊帶調制實現對電壓和電流信號的頻譜感知，再結合小波包分解方法計算電壓和電流有效值[2]。然而，由于不同時間段的負荷不能直接疊加，所以分析該區域負荷大小難度也隨之增加，使得感知效果較差。為此，提出了基于邊緣計算的臺區用戶用電特性感知方法。

1 基于邊緣計算的臺區用戶屬性判定

臺區用戶屬性判定采用“雙向”臺區用戶識別儀器對鄰近臺區因嚴重干擾而造成載波信號不能傳送的線路，進行較為精確的識別。先將脈沖電流信號傳輸到用戶一側以進行識別，在主電源上，脈沖電流檢測器探測到脈沖電流后，通過判定用戶變壓器的某個相實現信號相位的獲取，進而確定脈沖電流大小[3-4]。同時，利用主機將功率載波信號傳送到各自的相位。當手持終端接收到全部脈沖信號后，可確定用戶屬于此變壓器[5]；如果手持式終端沒有接收到這個載波信號，就必須檢查用戶是否接收到了一個脈沖電流信號。若接收到脈沖電流信號，則表示用戶屬于此變壓器；若無脈沖電流信號，則表示該用戶不屬于該變壓器[6-7]。

通過對臺區用戶用電特性風險大數據進行均衡調度處理后，能夠獲取部分感知信息，也由此構建了臺區感知負荷、風險特征向量和融合的多源參數，由此實現配電網數據實時采集[8-10]。結合邊緣計算，構建的屬性判定函數為：

式中，μ表示用電特性數據信息融合的節點；σ表示臺區用戶用電轉換功率；I表示模糊度標記的特征量；u表示臺區用戶用電屬性評估的可靠性分布維數。判定基于邊緣計算的臺區用戶屬性，當式（1）計算結果大于或等于0 時，則說明該用戶為非零用電量用戶；反之，則為零用電量用戶[11]。

2 基于邊緣計算的臺區用戶用電特性感知

根據基于邊緣計算的臺區用戶屬性判定結果，設計用電特性感知流程，結合基于邊緣計算方法，提取臺區用戶用電特征，實現對用戶電壓特性感知。

2.1 臺區用戶用電特性提取

臺區用戶用電特性提取過程如下：

步驟1：從實際需要出發，根據電網公司的分層分類原則及臺區實際運行情況，建立臺區的特征抽取規則，并設置相應的指標集合[12]；

步驟2：針對用電臺區的建設特點，分析了影響臺區用電量特征的主要因素[13]；

平均采集成功率計算公式為：

式中，m1表示一年中平均每天被采集的數量；m總表示臺區內總用戶數。當該計算結果為0 時，需判斷用戶每天用電量是否為0，統計平均每天的零用電量數量，以此反映該臺區的人口特征[14]。

步驟3：在臺區非計量、非電力計量數據的基礎上，利用壓縮抽取法抽取電力系統的各種參數，建立標準用電特征參數矩陣，并通過計算各影響因子與電網負荷特性的相關性，得到各典型臺區的特征參數[15]。

構建的標準用電特征參數矩陣可表示為：

關于日期類型，因為人們在工作日和周末的用電量習慣有很大差別，負荷的大小不僅取決于氣溫，而且取決于氣候狀況[16]。通常不能用數量來描述氣候條件，而是通過加權平均功率消耗特性矩陣，得出一個權重矩陣，其可反映出電力消耗的總功率：

結合式（4），可得到全部用戶用電信息。

2.2 用戶用電特性感知聚類

根據提取的臺區用戶用電特性，生成異常用戶告警清單。通過建立告警清單，生成可疑用戶列表，在清單清理階段，對每個區域列表中的原始日負載曲線進行檢驗，并進行標準化處理。

根據用戶用電波動的特點，采用以下公式對各無空位負載采集點的初始日負載曲線進行標幺化處理：

式中，q1表示初始的日負荷值；qmin表示日負荷最小值；qmax表示日負荷最大值。

對負荷數據進行標幺化處理后，對其是否滿足聚類誤差指標進行判定，公式可表示為：

式中，表示第i個日負荷經過j次聚類后的負荷值；表示經過j次聚類后的中心負荷值。

對疑似異常用戶電壓進行檢測，如果發現是異常用戶，則將該用戶列入異常名單中，由此排除不符合要求的異常用電用戶，自動生成異常清單，即得到判斷結果。

2.3 用戶電壓異常感知

通過對智能電網各臺區的電力消耗情況的分析，提取出反映電力系統運行狀況的電力計量類型數據。

臺區線損百分比計算公式為：

式中，表示臺區的分差；D總表示臺區的總偏差。

對用戶電壓異常數據進行狀態邊緣感知，獲取預警信息，并向主站系統發送報警信息；根據預先設定的判別門限，對電表的電壓進行站區報警，并自動產生報警信息。在無報警情況下，可選擇在任一時間段內進行測量和負載記錄的采集，按參數或需求進行，并向主站系統傳輸報警信息或所獲取的數據。

臺區告警判斷分為站內高壓站的報警判定和低壓站的判定。低壓站區域報警判定門限由第一低電壓門限值和第二低電壓門限值組成。站內低壓報警級別判定為：一級低壓報警，即在連續三天內，每天有四次以上的取樣值低于一級；二級低壓報警，即在三天內，每日有2～3 次取樣數據在一次低壓門限以下；三級低壓警告，即在三天內，至少有四個取樣數據在第二低壓門限值以下，并且比第一低壓門限值高；四級低電壓警報，即每日最高三次取樣值小于二次及以上，由此實現臺區用戶用電特性感知。

3 實驗

為驗證基于邊緣計算的臺區用戶用電特性感知方法的應用合理性，采用Matlab 進行測試。

3.1 實驗裝置及實驗數據采集過程

功率載波控制器是一種單獨的載波發送與接收模塊，相當于把集線器的載波模塊分開，用作路由與手持式裝置，用以檢測載波通信信號品質，并對輔助臺進行識別，由此確定了集電極承載組件性能。實驗采集裝置如圖1 所示。

圖1 實驗采集裝置

由圖1 可知，操作者靈活選擇試驗場地，設置一、二次中繼、點名、從點等功能，識別流程如下：

1）在測量點1（聚光器一側），由節點測量點2（采集器1）和測量點3（采集器）被記錄器標記。

2）通過觀察信號質量和不同的特征，來判別收集器與聚集器是否在同一臺區，并據此判定臺區的性質。

3）由于測量點2（采集器1）的臺區已經被確定，所以可直接從測量點3（采集器）開始抄錄各種信息。如果信息抄錄成功，則說明1/2 采集器處于同一臺區，并由此可以判定臺區屬性。

3.2 實驗數據

年度負荷持續時間如表1 所示。

表1 年度負荷持續時間

由表1 可知，第一類居民用戶尖峰負荷時間小于第二類居民用戶，說明尖峰時刻負荷沒有得到良好調度。

3.3 實驗結果與分析

選用自適應模糊C 均值算法、小波分解感知方法為對比方法，構建對比實驗，分析三種方法對兩類用戶的年度負荷持續時間的感知結果，如圖2 所示。

圖2 三種方法兩類用戶年度負荷持續時間感知結果

由圖2 可知，使用自適應模糊C 均值感知方法第一類用戶在70%、90%尖峰負荷下的持續時間比表1實際數據均高150 h，成為最大時間差。第二類用戶在70%、90%尖峰負荷下的持續時間比表1 實際數據均高500 h，成為最大時間差；使用小波分解感知方法第一類、第二類用戶在90%尖峰負荷下的持續時間比表1 實際數據均高290 h，成為最大時間差；使用邊緣計算感知方法第一類用戶和第二類用戶均在70%尖峰負荷下的持續時間比表1 實際數據均高20 h，成為最大時間差。

通過上述分析結果可知，使用邊緣計算感知方法對用戶年度負荷持續時間感知結果更加精準。

4 結束語

文中提出的一種基于邊緣計算的用戶電壓特性感知方法，主要負責對用戶的用電量進行感知，并將最終的結果反饋給主站進行處理。主站系統會根據報告的結果，自動判定何時進行特定電壓數據采集，同時還可根據通信容量，動態調節采集任務，從而實現用戶電壓異常情況感知。