基于智能电表的配电网需求侧运行状态评估方法

王谦，黄双，张伟

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000 ；2.积成电子股份有限公司，山东 济南 250100)

运行状态评估作为态势感知的重要一环，可实时把握电网及设备的健康状态，并结合历史态数据预测未来态电网及设备的演变态势，及时发现潜在的风险环节，有效指导调度及运维检修人员快速抢修和智能检修[1-3]。

当前高中压输配电领域是运行状态评估研究的热点，对低压配电网的运行状态评估的研究较少。文献[4]提出一种通过输电网变压器内部多种量测信息的融合实现运行状态评估的方法；文献[5]提出一种将变压器健康影响因子进行模糊化处理的综合评价方法；文献[6]提出一种运用主观贝叶斯理论对高压输电线路进行状态评估的方法；文献[7]提出一种运用不确定性可信度理论对输电网断路器进行运行状态评估的方法；文献[8]提出一种运用“N-1”静态安全分析对电力系统的综合运行状态进行评估的方法；文献[9]提出一种运用数据融合及挖掘技术对配电变压器(以下简称“配变”)进行状态评估的方法；文献[10]提出一种运用雷达图对各因子量进行中压配电网络实时运行状态综合评估的方法；文献[11]提出一种运用多级网格化理论进行复杂配电网运行状态评估的方法；文献[12]提出一种运用多层分布式权重理论进行中压配电网实时运行状态评估的方法；文献[13]提出一种运用置信区间可信度理论进行中压配电网运行风险评估的方法。上述方法从不同的角度对高压输电网、中压配电网、变压器、高压断路器等网络和设备的实时运行状态和未来运行风险进行评估，具有重要的现实意义。

上述方法在终端配置齐全、量测质量较高的高压输电网和中压配电网中具有较好的适应性，但在终端配置不均、量测质量较差的低压配电网中其适应性受到一定制约。目前，随着智能配电网建设在低压方面的深入推进，智能电表作为需求侧低压用户的标准配置，已被广泛应用于低压配电网络中。因此，在当前低压线路配电采集终端配置较少的情况下，基于现有条件，研究低压配电网的实时运行状态评估方法具有重要的实际意义。

Tdi(i=1,2,…,n)为智能电表i在A相上的接入点；Tfi(i=1,2,…,n)为智能电表i在中性线上的接入点；Rs为配变等效电阻；Rd1为A相出线至接入点Td1的低压线路等效电阻；Rdi(i=2,3,…,n)为A相上各相邻接入点之间的等效电阻；Rf1为中性线出线至接入点Tf1的低压线路等效电阻；Rfi(i=2,3,…,n)为中性线上各相邻接入点之间的等效电阻；Rli为智能电表i与接入点Tdi之间的等效电阻；Rzi为智能电表i与接入点Tfi之间的等效电阻。图1 低压配电网简化单线图Fig. 1 Simplified single-line diagram of low-voltage distribution network

本文从现有低压配电网特点出发，提出低压回路阻抗的概念，以及基于回路阻抗的低压配电网运行状态评估原理，根据该原理与智能电表实时及历史运行数据，提出了一种基于智能电表的配电网低压需求侧运行状态评估方法。

1 基于回路阻抗的运行状态评估原理

智能电表可对低压需求侧的电流、电压和功率信息等进行采集和上送，利用低压智能电表采集的量测信息实现对低压配电设备及配电网络的实时运行状态评估具有重要现实意义。

目前的低压配电网多为三相四线制，图1为某配变低压侧A相上接入智能电表和负荷的简化单线图。

从图1可以看出，配变、A相线路、T接线路、智能电表、负荷及中性线构成一个供电回路。其中：智能电表下游的负荷阻抗是由低压用电设备的数量和阻抗决定的，其值不确定；智能电表上游的供电回路，即由配变、A相线路、T接线路、智能电表、中性线组成的供电回路，其线路本身的阻抗参数一定，正常运行时不会突变；如果线路阻抗发生突变，则表示该智能电表上游的供电线路发生故障。根据该原理可对低压配电网需求侧的运行状态进行量化评估。根据智能电表采集到的电流和电压数据，可由电流和电压变化速率的比值近似确定智能电表上游的回路阻抗值，具体描述为：

[UG-(Rs+Zdi+Zfi)(Ibi+Ibp)-(Rli+Rzi)Ibi-

UG+(Rs+Zdi+Zfi)(Iai+Iap)+(Rli+Rzi)Iai]/

(Iai-Ibi)=Rs+Zdi+Zfi+Rli+Rzi+

[(Rs+Zdi+Zfi)(Iap-Ibp)/(Iai-Ibi)]=

Zwi+[(Rs+Zdi+Zfi)(Iap-Ibp)/(Iai-Ibi)].

(1)

(2)

式中：Vi为ta至tb时刻智能电表i的电压变化量ΔUi与电流变化量ΔIi的比值；Ui为智能电表i的电压，用下标a、b表示时刻ta、tb的参数值，下同；Ii为智能电表i的电流；UG为配变上游中高压配电网络等效电源电压，为简化计算及满足工程需求，认为ta、tb两个时刻的等效电源电压相同；Zdi为智能电表i上游A相支路阻抗；Zfi为智能电表i上游中性线支路阻抗；Ip为除智能电表i以外的所有智能电表对馈线各支路的影响电流；Zwi为智能电表i上游回路阻抗。

在ta、tb两个时刻，由于负荷的随机切除和投运，各智能电表的实时电流是有变化的，但若ta至tb时刻的间隔足够小，则可以认为实时电流的变化与负荷i有关，与其他负荷无关，即近似认为Iap=Ibp，因此式(1)可简化为

(3)

式中Uai≠Ubi，Iai≠Ibi。实际上Iap与Ibp是不同的，因此可以用多个时刻的回路阻抗Zwi的平均值对其进行修正。

2 配电网低压需求侧运行状态评估方法

2.1 智能电表数据融合

随着智能电网建设向低压需求侧的延伸，大量具备远方抄表功能的智能电表配置在负荷终端，有效解决了低压量测信息采集困难的问题，为低压配电网的实时运行状态评估提供了有利条件[14]。

智能电表的数据融合如图2所示。需求侧智能电表首先通过RS232/485总线，将智能电表采集到的电压、电流、功率、电量等信息汇集到集中器中，然后通过光纤通信、无线传输、载波通信3种方式将汇集后的量测数据上送到远方的用电信息采集系统[15]；而用电信息采集系统将配变与智能电表的从属关系及智能电表的量测采集信息转发到配电管理系统(distribution management system，DMS)中，DMS再融合配变上游中压线路运行情况对配变数据、智能电表数据进行过滤，并根据处理后的数据进行运行状态评估分析。

图2 智能电表的数据融合Fig. 2 Data fusion of smart meter

为减轻通信网络负载和减少数据流量，智能电表上送的实时数据配置采样间隔一般为5 min。DMS首先根据配变、低压馈线、智能电表的变线户关系，对智能电表采集的量测“生”数据进行辨识分析，然后将辨识后的“熟”数据进行保存及提取，最后将提取的“熟”数据发送给运行状态评估系统进行分析应用。

2.2 运行状态评估方法

DMS基于大量智能电表采集的量测值信息和中压配电网运行状态，并根据第1节所述原理，可对低压用户侧的配电网运行状态进行工程性分析评估。

建立需求侧实时电压数据表(demand side real-time voltage data
Table，DRVT)记录配电网低压需求侧智能电表采集到的实时电压量测信息，具体描述为

CDRVT={Ue,Ue-1,…,Ue-j,…,U3,U2,U1}.

(4)

式中：CDRVT为DRVT的变量符号；Ue-j为当前时刻之前第j个采样周期的智能电表电压值，e为采样点数，j=0,1,2,…,e-1。需求侧实时电压数据表中可以记录1～3 h内的所有电压量测值，一般取2 h，按采样间隔为5 min计算，e=24。

建立需求侧实时电流数据表(demand side real-time current data
Table，DRCT)记录配电网低压需求侧智能电表采集到的实时电流量测信息，具体描述为

CDRCT={Ie,Ie-1,…,Ie-j,…,I3,I2,I1}.

(5)

式中：CDRCT为DRCT的变量符号；Ie-j为当前时刻之前第j个采样周期的智能电表电流值，j=0,1,2, …,e-1。

建立需求侧实时回路阻抗数据表(demand side real-time loop resistance data
Table，DRRT)记录配电网低压需求侧智能电表上游的实时回路阻抗信息，具体描述为

CDRRT={Ze,Ze-1,…,Ze-j,…,Z3,Z2,Z1}.

(6)

(7)

式中：CDRRT为DRRT的变量符号；Ze-j为当前时刻之前第j个采样周期的智能电表上游回路阻抗值，j=0,1,2,…,e-1，k=0,1,2,…,j-1。

DRVT、DRCT和DRRT皆为轮询滚动表，具备固定的表长度，表中元素随着时间推移按照先进先出的顺序更新。

基于DRRT，对低压配电网需求侧的运行状态评估如下：

a)若DRRT中的Ze及其之前的连续h(一般取h=3)个数据Ze-1,Ze-2,…,Ze-h+1的值为-1时，表示该智能电表上游A相或中性线低压馈线发生断线故障。

b)若DRRT中的Ze及其之前的连续h(一般取h=3)个数据Ze-1,Ze-2,…,Ze-h+1的值为-2时，则表示该智能电表下游负荷未启动。

c)若DRRT中的Ze及其之前的连续g(一般取g=25 920)个数据Ze-1,Ze-2,…,Ze-g+1的值为-2时，则表示该智能电表下游负荷长时间处于无电状态，可能已断电或者存在窃电行为，具体情况需进一步确认。

d)当DRRT中的智能电表回路阻抗越报警限值的次数SA超过阈值SLA时，表示该智能电表上游线路存在老化，需及时检修更换。

(8)

式中：Zm为智能电表在第m个采样点的回路阻抗；ZLA为智能电表回路阻抗老化报警限值。

e)当DRRT中智能电表上游老化线路回路阻抗的个数SB超过阈值SLB时，表示该智能电表上游线路存在严重老化，需立即检修更换。

(9)

式中ZLB为智能电表回路阻抗老化故障限值。

f)上述条件皆不满足时，表示该智能电表的上游回路处于正常运行状态。

由以上分析可知，低压配电网需求侧的运行状态评估可由智能电表上游回路阻抗值的变化规律确定。

3 实例分析

3.1 短期状态评估

图3为智能电表1—4在2 h内的电压、电流及回路阻抗的测量数据曲线，取h=3，ZLA=3 Ω，SLA=12，ZLB=6 Ω，SLB=12。

(a)电压

(b)电流

(c)回路阻抗图3 智能电表1—4量测数据曲线Fig. 3 Measurement data curves of smart meters

根据第2节所述方法，由图3(a)和3(b)分别建立智能电表1—4的DRVT和DRCT，并根据式(6)和式(7)计算各时刻回路阻抗值，生成智能电表1—4的DRRT，得到图3(c)所示的回路阻抗曲线。

对于智能电表2，其数据点1—4的回路阻抗值为-1，连续为-1的数据点数为4，大于h，根据第2.2节的评估条件a可知，智能电表2上游发生断线故障。

对于智能电表4，其数据点1—5的回路阻抗值为-2，连续为-2的数据点数为5，大于h，根据第2.2节的评估条件b可知，智能电表4下游负荷处于未启动状态。

对于智能电表3，其上游老化线路回路阻抗的个数为17次，超过报警次数标准值SLA(12次)，根据第2.2节的评估条件d可知，智能电表3上游线路的老化问题严重，需及时检修处理。

对于智能电表1，其各时刻回路阻抗值皆不满足第2.2节的评估条件a—e，根据评估条件f可知，智能电表1的上游线路处于正常运行状态。

3.2 中长期状态评估

智能电表5—7在7个月内61 056个采样点的回路阻抗曲线如图4所示，取ZLA=3 Ω，SLA=12，ZLB=6 Ω，SLB=12，g=25 920。

图4 智能电表5—7回路阻抗曲线Fig. 4 Loop impedance curves of smart meters

由图4可知，智能电表5回路阻抗值随着时间的变化不断增大，在第4个月数据点号为34 560时，其回路阻抗值超过报警限值3 Ω，此时需及时检修处理，并将回路阻抗降低，否则将导致线路绝缘老化向不可逆方向发展。当第6.5个月数据点号为56 592时，其回路阻抗超过故障限值6 Ω，此时线路老化程度严重，绝缘存在随时损坏的风险，需及时检修更换。

智能电表6和智能电表7回路阻抗值为-2的持续时间都超过5.5个月，持续数据点分别为54 128和48 296，远远超过需求侧负荷长时间无用电行为判定持续数据点数g(25 920)，判断智能电表6和7存在窃电或家中无人的可能，需进一步现场排查确认。

4 结束语

本文介绍了基于回路阻抗的配电网低压需求侧运行状态评估方法。首先由智能电表的电压和电流量测值变化速率的比值近似确定回路阻抗值，基于需求侧DRVT和DRCT生成需求侧DRRT，然后根据DRRT进行配电网低压需求侧运行状态评估。最后，通过短期和中长期数据变化情况对本文所提方法的可行性进行验证，结果表明该方法可满足现场实际应用要求。