基于负荷突变的配电系统故障告警研究与实现

霍 健 ，施冬明 ，郑 雷 ，王 亮 ，卢 恒

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

随着用户对供电可靠性要求的不断提高，配电网调控人员需要及时发现并处理配电系统中供电的各种异常及故障。但由于现代配电网结构日趋复杂，配电自动化终端无法遍及每一个设备，且配电设备、配电自动化终端和通信网络一般工作在户外恶劣环境下［1］，在实际运行中存在大量分支线失电、配变失电等故障，调度自动化系统及配电自动化系统无法检测到。针对这一类故障，利用配电线路负荷突变进行故障预警是行之有效的方案；但配电线路负荷特性及负荷突变原因的多样性，使得确定合理的负荷突变量作为故障告警定值变得困难，因此，寻求一种可靠的利用负荷突变进行分支线失电、配变失电等故障告警的方法，具有十分重要的现实意义。

在配电网故障预警及诊断方面，文献［2-3］提出了利用负荷变化进行故障预警及辨识的方法；文献［4-7］探讨了利用电压、电流等电气量的变化情况，在无保护信息情况下进行故障预警及定位的建模及实现方式。在配电系统负荷分析方面，文献［8-9］将概率负荷分析等方法应用于配电系统负荷预测，为利用概率负荷分析确定负荷突变告警策略提供了参考。

本文在分析配电线路负荷特性及配电系统负荷突变原因的基础上，提出了基于负荷突变的配电系统故障预警方法。基于概率负荷分析确定负荷突变量告警值；利用非同期赋值法实现负荷变化量的采集与计算；通过合理设置闭锁，抑制非故障原因造成的告警信息；基于调度自动化系统实现了该功能的开发与应用。通过对济南地区实际负荷突变告警案例及其原因的分析，证明了该方法对分支线失电、配变失电等无告警信息的配电系统故障，能够有效地实现告警，具有良好的实用价值。

1 配电系统负荷突变原因分析

1.1 配电线路负荷特性分析

我国绝大部分的中压配电系统以6~20 kV的配电线路为主构成，根据负荷大小及其变化规律的不同，可大致分为三类［10］。

第一类，以居民用电、一般工商业负荷为主。负荷曲线随时间变化比较平缓，具有较强的规律性，其日、周负荷曲线如图1所示，绝大部分城区配电线路负荷具有此类负荷特性。

图1 常规10 kV线路日、周负荷曲线

第二类，负荷有较强的冲击性，此类负荷一般为特殊的工业负荷。受冲击性负荷影响，负荷曲线波动较大，具有明显的冲击特性，其日、周负荷曲线如图2所示。

图2 冲击性较强负荷日、周负荷曲线

第三类，小负荷线路，其线路电流值在10 A以内，且波动较小，此类线路多为备用线路，其日、周负荷曲线如图3所示。

图3 冲击性较强负荷日、周负荷曲线

具备上述第二类负荷特性的配电线路，多为特殊工业用户的专用线路；具备第三类负荷特性的配电线路多为备用线路，因此，研究基于负荷突变的配电线路故障预警，主要针对第一类负荷特性的配电线路。

1.2 配电线路负荷突变原因分析

配电线路发生分支线失电、配变失电等调度自动化系统无法检测到的故障，反映在配电线路的负荷变化象征为负荷突然降低，对于以居民用电、一般工商业负荷为主，负荷曲线变化比较平缓的第一类配电线路，造成负荷突降主要有7种原因，造成配电线路负荷突降的原因、负荷变化情况及告警信号如表1所示。

表1 配电线路荷突降原因

表1中造成配电线路负荷突降的7种情况，前4种有告警信号，第5种、第7种无告警信号，对于第6种分支线跳闸的情况，实现配网自动化功能的线路有告警信号，未实现配网自动化功能或配网自动化功能异常的线路，无告警信号。

对于无告警信号的分支线跳闸、配变故障及主网故障冲击造成的低压用户脱扣等情况，调控人员无法通过原有的集中监控信息在第一时间获得故障及异常信息，造成用户长时间停电，因此，迫切需要针对上述无告警的负荷突降情况制定告警策略，增设告警信号。

2 基于概率分析的负荷突变告警策略

利用负荷突变进行配电系统故障告警，核心问题是区别配电线路正常运行时的负荷变化和故障及异常时的负荷变化。对于图1所示的具有第一类负荷特性的配电线路，利用概率负荷分析可以归纳其正常运行情况下负荷变化的规律，从而确定负荷突降告警定值。

2.1 负荷变化量的概率分析

调度自动化系统对配电线路负荷数据每隔时间Δt保存一次，记为 i1、i2、i3……in。 则该线路的负荷变化变量序列 Δi可表示为：Δi=［i2-i1，i3-i2，…，in-in-1］；由于配电网支线故障均反应为负荷突降，因此针对线路负荷变量序列中Δi数值小于零的部分进行分析研究，记为序列 Δi＜0，满足：

记负荷变量序列中数值小于零的部分序列Δi＜0绝对值为配电线路负荷跌落量， 以 Δi′表示，即Δi′=|Δi＜0|。

根据文献［8］中“元胞负荷”的概念，可将每条配电线路作为一个负荷元胞。统计每个元胞在一段时期内负荷跌落量Δi′的概率，并将这些概率值根据对应元胞负荷跌落量的大小来排序，所得到的离散序列可形成一条曲线，这条以元胞负荷跌落量Δi′为横轴、以其概率p（Δi′）k为纵轴的曲线就是该元胞负荷跌落值的概率谱曲线。元胞负荷跌落值出现的概率为

式中：ni表示大小为Δi′k的负荷跌落值在该统计时间段内出现的次数；N为不同Δi′k的总个数。

将元胞负荷跌落值的概率谱曲线p（Δi′）作为元胞负荷跌落值Δi′的概率密度函数，则可以根据p（Δi′）求取 Δi′的累积概率分布函数 F（Δi′）式中：F（Δi′m）为元胞负荷跌落值 Δi′落在［0，i′m］之间的概率。

2.2 负荷突降告警值

对图1所示常规负荷特性的配电线路，可以通过统计其一定时期内历史负荷数据，根据式（1）求取Δi＜0及负荷跌落量序列Δi′。将每条配电线路作为一个负荷元胞，利用式（2）获取配电线路负荷跌落量谱曲线，求得该配电线路各负荷跌落值的概率p（Δi′）k。 根据其正态分布规律，可以确定合理的负荷突降告警值。

为正确区分负荷突降与正常负荷波动，同时考虑减少无效告警信息，控制新增负荷突降告警后的信号监控量，取累积概率分布函数 F（Δi′m）=0.9 时的负荷突降值Δi′m作为负荷突降告警限值。即

Δi′alam=Δi′｛F（Δi′）=0.9｝ （4）

根据式（4），负荷突降限值的求取步骤为：选取配电线路一段时期内历史负荷数据，对前后每两个采样点进行作差，选取差值为负的作为该线路负荷突降的样本库，并对该样本库进行概率分布统计，生成其负荷跌落值的概率谱曲线。确定概率分布在90%以内的负荷突降为正常负荷波动，并将该负荷突降数值确定为负荷突降越限告警限值Δi′alarm。

3 基于负荷突变的配电系统故障预警实现

在确定负荷突变告警策略及告警值的基础上，在调度自动化系统平台实现该故障预警的实际应用，需解决两个问题。一是配电线路负荷变化量的采集，二是针对表1中第1项至第5项非故障原因造成或有其他对应告警信号的负荷突降，抑制负荷突降告警信号的发出，以避免无效的告警信息。

在调度自动化（EMS）系统实现配电线路负荷变化量的采集，最直接的方法是将其当前时刻电流采样数据与上一次采样数据作差，但由于EMS系统实时数据无法与历史数据直接进行计算［11］，因此利用“非同期赋值法”求取配电线路负荷变化量。

一般情况下EMS系统对配电线路负荷电流量采样间隔为300 s，针对需设置负荷突变告警的配电线路，设置变量 i（1）、i（2）、i（3），将线路电流实时采样值赋予 i（1）、i（2），其中 i（1）的采样周期 T1为 150 s，i（2）的采样周期 T2为常规的 300 s，以 i（1）的采样周期 T1为周期对实时采样值 i（1）、i（2）做差，赋予 i（3），即

i（3）的计算原理如图 4 所示。

图4 “非同期赋值法”计算负荷电流变化量

对于将每个采样周期计算的 i（3）组成的序列 i（3）=［i（3）1，i（3）2，i（3）3……］，由式（5）及图4可知，i（3）2n-1=0，i（3）2n为有效的配电线路负荷变化量采样值。因此，配电线路负荷跌落量 Δi′为

图5 配电线路负荷突降告警信号生成、抑制及输出流程

根据调度运行需求，对表1中第1项至第6项中非故障原因造成或有其他对应告警信号的负荷突降，需设置告警信号闭锁，抑制负荷突降告警信号的发出。排除冲击性负荷及小负荷线路，针对图1所示常规负荷线路，若通过实时电流采样值计算得到的Δi′＞Δi′alarm，需针对表 1 中第 1～6 种情况设置相对应信号对负荷突降告警的抑制。其中，第5项合环调负荷的告警抑制条件为配电自动化系统合环操作信号。配电线路负荷突降告警信号生成、抑制及输出流程如图5所示。

4 实例分析

以济南地区10 kV梓轨线支线故障造成负荷突降为例，分析说明本文所述故障告警策略实现过程及告警策略的有效性。

图6 10 kV梓轨线元胞负荷跌落值的概率谱曲线

某日，由于配网自动化无线通信系统关闭，10 kV梓轨线支线开关遥信位置信号、变位信号、跳闸信号均无法上传至主站，调控人员无法通过配网自动化系统监视线路支线故障。因此，以线路负荷突变告警作为支线故障判据。

首先以10 kV梓轨线一段时期内负荷跌落历史数据为基础，利用式（2）绘制其元胞负荷跌落值的概率谱曲线如图 6所示。 根据式（3）、式（4），结合图 6，可知对于该元胞负荷跌落值的概率分布函数F=0.9时对应的电流跌落量Δi′为7.1 A。由此可确定对于10 kV 梓轨线，Δi′alarm=7.1A。

图7 10 kV梓轨线负荷突降告警报文

确定负荷突变告警值后，在EMS系统设置该告警信号，利用非同期赋值法实时采集10 kV梓轨线电流跌落量，根据图5所示流程生成并输出告警信号。告警信号报文如图7所示。

为检验负荷突降告警的有效性和正确性，将当日10 kV梓轨线实际负荷曲线与其典型负荷曲线对比如图所示8所示。可以看出图6中负荷突降告警信号与图8中配电线路实际发生的三次非正常负荷跌落吻合。通过运维人员巡视发现，当日10 kV梓轨线3次负荷突降均为线路发生支线故障造成，由此看出，在无支线故障信息情况下，所述负荷突变告警策略准确有效地对线路的支线故障做出了告警，避免了分支线故障造成的用户长时间失电，提高了故障点查找及恢复供电的效率。

图8 10 kV梓轨线当日负荷曲线与典型负荷曲线对比图

5 结语

对于调度自动化系统及配电自动化系统无法检测到的分支线失电、配变失电等配电系统故障，配电线路负荷突变是有效的判别依据。但配电线路负荷特性及负荷突变原因的多样性，使得确定合理的负荷突变量作为故障告警定值变得困难，因此，寻求一种可靠的利用负荷突变进行故障告警的方法有十分重要的现实意义。本文在分析配电系统负荷突变原因的基础上，提出了基于负荷突变的配电系统故障预警方法并实现了实际应用。基于概率负荷分析确定负荷突变量告警值；利用非同期赋值法实现负荷变化量的采集与计算；通过合理设置闭锁，抑制非故障原因造成的告警信息；基于调度自动化系统实现该功能的开发和应用。在济南地区10 kV梓轨线实际案例分析中，线路三次支线故障，该方法均准确检测并可靠发出告警信号，证明了该方法可以利用配电线路负荷突变对配电系统的分支线失电、配变失电等故障可靠地告警，从而避免用户长时间停电，提高故障点查找及恢复供电的效率。

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