劉思嘉,劉子銳,趙波
(1.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,北京 100192;2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)
近年來(lái),隨著電力科技發(fā)展,配電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展越來(lái)越迅速,配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式也變得越來(lái)越復(fù)雜,并且可能隨著運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化[1-4]。另一方面,電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)單位一般只存儲(chǔ)有中壓以上電網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)(geography information system,GIS)拓?fù)?,而低壓配電網(wǎng)部分的拓?fù)渫ǔJ呛茈y提前獲知的[5]。因此,有必要研究配電網(wǎng)的在線拓?fù)浔孀R(shí)(topology identification,TI)方法。
目前,配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)方法主要有主動(dòng)和被動(dòng)兩類。其中,主動(dòng)方法是在電網(wǎng)中產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào),通過(guò)檢測(cè)擾動(dòng)信號(hào)來(lái)確定配電網(wǎng)的拓?fù)?,如文獻(xiàn)[6]通過(guò)測(cè)量微電網(wǎng)中不同節(jié)點(diǎn)之間疊加的傳輸線通信信號(hào)到達(dá)時(shí)間差,將電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為似然比檢驗(yàn)問(wèn)題來(lái)求解電網(wǎng)拓?fù)洌晃墨I(xiàn)[7]針對(duì)多母線的直流微電網(wǎng),通過(guò)在下垂控制中注入特定的訓(xùn)練信號(hào),觀測(cè)其穩(wěn)態(tài)母線電壓偏移,并通過(guò)最小二乘法生成微電網(wǎng)的導(dǎo)納矩陣;文獻(xiàn)[8]則通過(guò)在智能斷路器中注入擾動(dòng)信號(hào)以獲取網(wǎng)絡(luò)信息,將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)非凸極小化問(wèn)題進(jìn)行求解;文獻(xiàn)[9]采用層次聚類法針對(duì)電壓曲線皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行異常變壓器電壓波形的類別分離,從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別。
另一方面,被動(dòng)方法則是通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù),來(lái)還原電網(wǎng)拓?fù)?。如文獻(xiàn)[3]將配電網(wǎng)TI視為一個(gè)分類問(wèn)題,并使用判別分析來(lái)開(kāi)發(fā)僅依賴于配電能量流中可用的測(cè)量值的網(wǎng)絡(luò)TI算法;文獻(xiàn)[5]利用分析基于智能電表的用戶電壓數(shù)據(jù),來(lái)確定終端用戶所歸屬的配電柜;文獻(xiàn)[10]在對(duì)配電網(wǎng)中區(qū)域、分支進(jìn)行拓?fù)浔孀R(shí)的基礎(chǔ)上,提出了基于分層的配電網(wǎng)拓?fù)淠P?;文獻(xiàn)[11]基于有限智能電表的數(shù)據(jù),提出一種針對(duì)放射狀低壓電網(wǎng)的拓?fù)浔孀R(shí)和線路阻抗估計(jì)方法。
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能斷路器[12-13]已經(jīng)在配電網(wǎng)的發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用,它具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集以及信息交互能力,可以實(shí)時(shí)采集斷路器節(jié)點(diǎn)的電氣參數(shù)信息[12-15],這就為配電網(wǎng)的拓?fù)浔孀R(shí)提供了一個(gè)新的思路。
本文將設(shè)計(jì)一種新的拓?fù)浔孀R(shí)算法,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)智能斷路器測(cè)量的電壓和電流信息,基于圖論原理,采用層次聚類方法,得到配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即其母線之間的連接關(guān)系。采用此方法,可以在配電網(wǎng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下,實(shí)時(shí)獲知電網(wǎng)拓?fù)洌瑸榕潆娋W(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷提供保障。
一個(gè)典型的配電網(wǎng)從低壓變壓器出線端到終端用戶進(jìn)線端之間通常包含一個(gè)或多個(gè)以下元件:1)母線;2)連接電纜;3)斷路器。這樣的配電網(wǎng)連接示意圖如圖1(a)所示。
顯然,圖1(a)所示的配電網(wǎng)具有如下特點(diǎn):1)每個(gè)配電網(wǎng)包含且只包含一個(gè)根節(jié)點(diǎn)母線;2)每個(gè)母線包含一個(gè)進(jìn)線端和若干個(gè)出線端;3)除配電網(wǎng)進(jìn)線端的斷路器外,每條電纜兩端各有一個(gè)斷路器,斷路器個(gè)數(shù)為奇數(shù);4)電網(wǎng)中不存在環(huán)路。
對(duì)于這樣的配電網(wǎng),可以用一個(gè)圖G=(V,E)來(lái)表示,其中V、E為圖的節(jié)點(diǎn)和邊的集合,分別對(duì)應(yīng)母線和電纜,而斷路器的數(shù)量對(duì)應(yīng)了圖中節(jié)點(diǎn)的度。因此,不考慮省略的部分,圖1(a)所表示的配電網(wǎng)就可以抽象為一個(gè)有根樹(shù),如圖1(b)所示。
圖1 一種典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
假設(shè)圖1所示的配電網(wǎng)G中含有n個(gè)斷路器、b條母線和e條電纜,根據(jù)圖論的原理[13],這些量存在如式(1)所示的關(guān)系:
(1)
因此,配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)的問(wèn)題就變成:如何通過(guò)n個(gè)智能斷路器所采集的實(shí)時(shí)電壓、電流信號(hào),獲得b個(gè)節(jié)點(diǎn)和e條邊之間的連接關(guān)系。
對(duì)于這樣的圖,可用鄰接矩陣[14]對(duì)其進(jìn)行描述。鄰接矩陣A是一個(gè)b×b的矩陣,其元素具有如式(2)所示的性質(zhì):
(2)
其中i,j=1,2,…,b為母線編號(hào)。顯然,對(duì)于一般的配電網(wǎng),鄰接矩陣是一個(gè)稀疏矩陣。
本文討論的配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)算法,通過(guò)智能斷路器的電壓電流等信息,得到以配電網(wǎng)各母線為節(jié)點(diǎn)的圖G的鄰接矩陣,從而得到配電網(wǎng)的拓?fù)洹_@個(gè)過(guò)程分為兩部分:
1)通過(guò)智能斷路器電壓相量聚類,將其聚為b個(gè)類,得到b條母線的電壓及開(kāi)關(guān)與母線的連接關(guān)系;
2)通過(guò)智能斷路器電流相量聚類,將其聚為e個(gè)類,從而得到e條電纜的電流及開(kāi)關(guān)與電纜直接的連接關(guān)系。
實(shí)現(xiàn)了上面兩個(gè)步驟,則能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)智能斷路器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)的目的。
1.2.1 配電網(wǎng)母線的電壓聚類
如圖2所示,配電網(wǎng)中的母線大致可以分為3種類型:
1)與臺(tái)區(qū)變壓器直接相連的母線,稱之為根節(jié)點(diǎn)(root node)母線,如圖2(a)所示,這樣的母線在整個(gè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)中只有一個(gè);
2)溝通上下級(jí)母線的母線,稱之為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(internal node)母線,如圖2(b)所示;
3)連接用戶負(fù)荷的母線,稱之為葉節(jié)點(diǎn)(leaf node)母線,如圖2(c)所示。
對(duì)于圖2(a)或圖2(b)所示的母線,其特點(diǎn)為一條母線都有若干個(gè)斷路器與其直接相連,根據(jù)基爾霍夫電壓定律,這些斷路器上的電壓幅值和相角嚴(yán)格相等。因此,可以通過(guò)電壓聚類的方法,以電壓的“幅值—相角”作為聚類的特征參數(shù),得到屬于同一母線的斷路器,從而得到這些母線信息的列表。而對(duì)于如圖2(c)所示的葉節(jié)點(diǎn)母線,則只有一個(gè)斷路器與其相連。在斷路器電壓聚類過(guò)程中,得到的孤立斷路器則為葉節(jié)點(diǎn)母線。
圖2 不同母線類型
1.2.2 配電網(wǎng)電纜的電流聚類
由于每條電纜兩端各有一個(gè)斷路器,對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō),每條電纜的長(zhǎng)度通常較短(≤1 km),可以不考慮電纜分布參數(shù)的影響,其兩端的斷路器電流完全相等。因此,對(duì)n個(gè)斷路器電流相量進(jìn)行聚類,以電流的“幅值—相角”作為聚類的特征參數(shù),得到e=(n-1)/2個(gè)類。但需要指出,根節(jié)點(diǎn)母線的入端斷路器實(shí)際不屬于任何一條電纜,因此實(shí)際的聚類數(shù)為e+1=(n+1)/2組。根據(jù)聚類結(jié)果則可以得到各電纜的信息列表。
由于配電網(wǎng)的復(fù)雜性,實(shí)際采集到的電網(wǎng)運(yùn)行信息可能存在以下特殊情況,造成直接采用聚類方法出現(xiàn)辨識(shí)錯(cuò)誤。因此,需要分別討論各種特殊情況出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。需要指出,以下的特殊情況均是在各斷路器電壓電流能夠正確讀取的前提下討論的。至于獲取電壓或電流數(shù)值錯(cuò)誤或誤差較大的情況,則不在本文的討論范圍內(nèi)。
1.3.1 兩條母線電壓相等
根據(jù)母線類型,可以分為兩種情況。
1)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)母線與其他母線電壓相同。
對(duì)于同一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)母線,上面連接著若干斷路器,代表了流入或流出該母線的支路。根據(jù)基爾霍夫電流定律,這些支路電流滿足:
(3)
若兩條內(nèi)部節(jié)點(diǎn)母線或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)母線之間電壓相等,會(huì)造成連接在這兩條母線上的所有斷路器讀取的電壓相等,從而在電壓聚類時(shí)將其聚成一類。此時(shí),這些母線的電流數(shù)據(jù)將不滿足式(3)??赏ㄟ^(guò)查表法驗(yàn)證式(3)從而將不同母線區(qū)分出來(lái)。
2)兩條葉節(jié)點(diǎn)母線電壓相同。
由于直接連接在葉節(jié)點(diǎn)母線上的斷路器只有1個(gè),因此,兩個(gè)葉節(jié)點(diǎn)斷路器可以根據(jù)電流情況直接進(jìn)行判斷:若二者電流不等,則可以直接將其分屬兩個(gè)葉節(jié)點(diǎn);若二者電流也相等,則無(wú)法判定。但需要指出的是,實(shí)際運(yùn)行的配電網(wǎng)中,由于負(fù)荷狀態(tài)的隨機(jī)性,兩個(gè)葉節(jié)點(diǎn)母線的電壓電流相量均嚴(yán)格相等這種情況并非常態(tài),因此,可通過(guò)不同時(shí)間段采樣比較來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)的配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)困難。
1.3.2 不同電纜的電流相等
圖3 兩條電纜電流相等
本文所采用的算法共分下面5個(gè)步驟。
1)信號(hào)采集。采集各智能斷路器的電壓和電流若干周期的瞬時(shí)值信號(hào)。
2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將瞬時(shí)值信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT),得到其幅值和相角。
3)電壓聚類。以電壓幅值和相角組成的聚類特征量,采用層次聚類(hierarchical clustering)方法,對(duì)各斷路器進(jìn)行聚類。
4)電流聚類。以電流幅值和相角組成的聚類特征量,同樣采用層次聚類方法,對(duì)各斷路器進(jìn)行聚類。
5)鄰接矩陣生成。根據(jù)聚類結(jié)果,生成鄰接矩陣,得到相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
為對(duì)本文提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證,作者以某地區(qū)配電臺(tái)區(qū)實(shí)際低壓配電網(wǎng)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了兩種不同類型的負(fù)荷情況,進(jìn)行配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)驗(yàn)證。該配電網(wǎng)自變壓器后分為4條支路,其中3條支路各帶4個(gè)負(fù)載,第4條支路帶2個(gè)負(fù)載;配電網(wǎng)中共包含37組智能斷路器,根據(jù)式(1),該配電網(wǎng)中包含19個(gè)母線和18條電纜,配電網(wǎng)電壓等級(jí)0.4 kV。
在該配電網(wǎng)實(shí)際線路長(zhǎng)度和負(fù)載容量等參數(shù)的基礎(chǔ)上,在Matlab/Simulink中建立如圖4和圖5所示的模擬該真實(shí)配電網(wǎng)電路的仿真模型。其中圖4和圖5的區(qū)別在于增加了不同的負(fù)載模型。圖4為與原配電網(wǎng)拓?fù)渫耆嗤闹缓衅胀ㄗ韪胸?fù)載的配電網(wǎng),圖5為原配電網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了兩路含有逆變器異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的配電網(wǎng)。
圖4 阻感負(fù)載的Simulink模擬配電網(wǎng)
3.2.1 配電網(wǎng)模型仿真運(yùn)行
首先會(huì)調(diào)用搭建的如圖4、圖5所示的Simulink模擬某地區(qū)的實(shí)際配電網(wǎng)模型圖,包括阻感負(fù)載或逆變器異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載。
圖5 包含逆變器異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的Simulink模擬配電網(wǎng)
在配電網(wǎng)仿真模型運(yùn)行完畢后會(huì)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的智能斷路器中的電壓、電流、相位的瞬時(shí)值記錄下來(lái),生成一個(gè)各個(gè)時(shí)間的參數(shù)表格存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
將瞬時(shí)值數(shù)據(jù)繪制成系統(tǒng)圖可以發(fā)現(xiàn)阻感模型為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形而逆變器異步電動(dòng)機(jī)波形為非正弦波形,逆變器異步電動(dòng)機(jī)波形如圖6所示。在數(shù)據(jù)的預(yù)處理時(shí)需要對(duì)這種負(fù)載的數(shù)值進(jìn)行特殊處理。
圖6 逆變器異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載電壓波形
3.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
在處理純電阻和阻感負(fù)載這一類標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的普通負(fù)載時(shí),進(jìn)行Simulink仿真時(shí)可以采用相量模型進(jìn)行仿真,能夠大大提高仿真速度,所得的結(jié)果就是各節(jié)點(diǎn)的電壓/電流的幅值和相角,因此只需進(jìn)行幅值與有效值的轉(zhuǎn)換計(jì)算即可。
在含逆變器與異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載下,由于逆變器帶來(lái)的大量諧波,部分節(jié)點(diǎn)/支路的電壓/電流波形不是正弦波,不能使用Simulink中的相量模型進(jìn)行仿真,而必須采用瞬態(tài)模型進(jìn)行仿真。此時(shí)得到的結(jié)果為各節(jié)點(diǎn)的電壓/電流的瞬時(shí)值序列,要對(duì)瞬時(shí)值序列進(jìn)行快速傅里葉變換,才能得到各節(jié)點(diǎn)的電壓/電流的幅值和相角。
在得到電壓電流的有效值與相位后,就可以根據(jù)P=UIcosρ與Q=UIsinρ算出有功與無(wú)功功率,為后續(xù)的功率驗(yàn)證進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
3.2.3 建立斷路器運(yùn)行狀態(tài)表格
在參數(shù)預(yù)處理完成后,電壓電流的數(shù)值由瞬時(shí)值變成可以進(jìn)行對(duì)比的有效值,也得到了有功和無(wú)功功率,下一步就要根據(jù)這些有效值的參數(shù)建立斷路器運(yùn)行狀態(tài)表格。
完善斷路器運(yùn)行狀態(tài)表格是拓?fù)浔孀R(shí)的具體過(guò)程。在建立出每個(gè)斷路器對(duì)應(yīng)的電壓電流有效值和功率的信息之后,再通過(guò)不斷的拓?fù)浔孀R(shí)算法,將各個(gè)斷路器之間的連接關(guān)系在表格中建立,最終即可根據(jù)斷路器參數(shù)表格直接輸出拓?fù)浔孀R(shí)圖,所以整個(gè)配電網(wǎng)拓?fù)涞淖R(shí)別就是在完善智能斷路器表格中完成的。
圖7即為辨識(shí)前的斷路器參數(shù)表格,各參數(shù)的含義見(jiàn)表1。
表1中前7個(gè)參數(shù)皆為參數(shù)預(yù)處理后由智能斷路器分析計(jì)算出的基本參數(shù),第8至13個(gè)參數(shù)則為后續(xù)配電網(wǎng)識(shí)別的過(guò)程中需要分析和計(jì)算出的信息。其中:
1)BusType為斷路器所連接箱子類型,0表示待定,1表示JP柜,2表示樓宇分接柜,3表示單元柜。
2)Current Direction為斷路器上的電流方向,1表示流入,-1表示流出,0表示待定。
3)BusNo為斷路器所連接的箱子編號(hào),0表示待定,其余為對(duì)應(yīng)序號(hào),最終辨識(shí)結(jié)果中BusNo列應(yīng)有b組不同的序號(hào)。
4)LineNo為斷路器所連接的支路編號(hào),0表示待定,其余為對(duì)應(yīng)序號(hào);根據(jù)1.2.2,包含根節(jié)點(diǎn)母線入端斷路器在內(nèi)的LineNo列中共有e+1組不同的序號(hào)。
5)ClusterType為聚類初步結(jié)果,在聚類前均設(shè)置為“0”(如圖7所示),聚類后分為1~7級(jí)(如圖8所示)。
圖7 辨識(shí)前的斷路器參數(shù)表格
表1 斷路器表格參數(shù)說(shuō)明
圖8 經(jīng)過(guò)聚類辨識(shí)后的斷路器參數(shù)表格
3.2.4 對(duì)電壓和電流進(jìn)行聚類
在斷路器參數(shù)表格建立完成之后,要根據(jù)參數(shù)預(yù)處理結(jié)果對(duì)電壓和電流分別進(jìn)行聚類。其中,電壓聚類樹(shù)狀圖如圖9(a)所示,聚類結(jié)果如圖9(b)所示。圖9(b)中橫坐標(biāo)為電壓值,縱坐標(biāo)為電流值,不同的符號(hào)代表不同的類,屬于同一類的斷路器可能屬于同一母線(需要指出,聚類算法所采用的聚類變量包含電壓輻值和相角,而圖9僅能展示出電壓輻值,因此會(huì)出現(xiàn)距離相近的兩點(diǎn)不屬于同一類的情況)。從圖9(b)的結(jié)果可以看出,根據(jù)最初隨意給定的聚類劃分指標(biāo)所得到的聚類數(shù)不滿足式(1);因此,可進(jìn)一步采取更嚴(yán)格的聚類劃分指標(biāo),直至聚類數(shù)滿足式(1)。之后將聚類結(jié)果添加到斷路器參數(shù)運(yùn)行表格的BusNo中,顯然,BusNo列中共有b=(n+1)/2個(gè)不同的編號(hào)。
圖9 電壓聚類結(jié)果
對(duì)于電流聚類,采取類似的流程,得到的結(jié)果添加到斷路器參數(shù)運(yùn)行表格的LineNo列中,LineNo列中共有e+1=(n+1)/2個(gè)不同的編號(hào)。
3.2.5 鄰接矩陣生成
填充完畢的斷路器參數(shù)表格如圖8所示,其8-13列均根據(jù)聚類辨識(shí)結(jié)果填入了相應(yīng)的值。其1-7列與圖7中相同,為清楚表示聚類后斷路器辨識(shí)結(jié)果,故圖中略去了3-7列。
接下來(lái)建立全零方陣A,作為鄰接矩陣的待定陣。對(duì)于填充完畢BusNo和LineNo信息列的斷路器列表,通過(guò)式(2)將其實(shí)現(xiàn)。
配電網(wǎng)電路的可視化呈現(xiàn)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在斷路器運(yùn)行參數(shù)表格的全部節(jié)點(diǎn)識(shí)別完畢,并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)的子父節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系全部校驗(yàn)成功且驗(yàn)證電壓電流功率全部電氣參數(shù)匹配之后,就可以根據(jù)根節(jié)點(diǎn)下的各個(gè)節(jié)點(diǎn)斷路器的連接關(guān)系,生成配電網(wǎng)電路圖,從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的可視化呈現(xiàn)。最終的辨識(shí)結(jié)果如圖10、圖11所示。
圖10 阻感負(fù)載識(shí)別結(jié)果
圖11 含變頻器負(fù)載拓?fù)浔孀R(shí)結(jié)果
顯然,圖10、圖11所示的辨識(shí)結(jié)果不僅滿足式(1),而且將其與圖4、圖5中搭建的Simulink仿真電路拓?fù)鋱D對(duì)照,識(shí)別結(jié)果與識(shí)別對(duì)象的配電網(wǎng)完全一致。因此,可以說(shuō)明,本文所提出的配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)算法能夠正確辨識(shí)出不同拓?fù)浜拓?fù)載類型的配電網(wǎng)。
本文針對(duì)電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí),以智能斷路器為背景提出了一種結(jié)合配電網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)并基于聚類分析與廣度優(yōu)先搜索的智能識(shí)別算法,并將這種識(shí)別算法進(jìn)行了不同負(fù)載的配電網(wǎng)拓?fù)浞抡骝?yàn)證,最終輸出了正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),證明其能夠有效實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)建與識(shí)別,為電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的拓?fù)浔孀R(shí)構(gòu)建提供一個(gè)新的途徑。如何在智能斷路器讀取數(shù)據(jù)失敗或誤差較大的情況下獲得配電網(wǎng)拓?fù)?,是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。