基于连接的配电网络安全性分析及算法研究

张永红，陈 峰

（中国联通甘肃省分公司，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

电气化时代的配电设备存在于生产和生活的各个场景，海量的配电设备连接成巨大的配电网络，接收电力部门发、输电系统输送的电能，面向终端用户进行电能的输送和分配。

配电系统虽然是与发、输电系统紧密连接的下级网络，但是与发、输电系统相比，在3方面有明显的差异。一是网络结构不同，不同于电力部门专业运营网状结构的高、中电压等级发、输电系统，配电系统的电压等级较低，为相对简单的树状结构；二是配置水平不同，输电系统在建设初期即做了严谨的设计和配置，配电系统则因分属不同的用户配置而导致水平不一；三是运维监控手段不同，发、输电系统配备完善的继电保护和自动装置，配电网络则因不同用户之间配置水平参差不齐，导致大多数配电网络的监控手段基本空白。

为保证配电系统安全稳定运行，对其系统结构、设备配置、运行状态等进行科学分析与严密监控就十分必要。目前，配电网络的各类信息都被人为割裂，呈碎片状，运营部门仅能通过仪表和简单的监控系统掌握配电系统实时运行信息，配电设备的配置参数等由资产管理部门掌握，而对配电网络十分重要的连接电缆则基本上被忽视、脱于管控。监控内容的不完整、不系统导致配电系统容易发生故障，甚至导致网络瘫痪。

随着配电系统越来越大、用户的用电要求越来越高，对配电系统的监控更有必要。对于大型复杂系统来说，涉及的各类参数数量十分巨大，传统的网络分析理论及方法存在较大的困难、甚至无法解决。但是随着数据计算和存储能力的快速发展，特别是分布式计算的快速发展，通过大型数据管理手段、高速计算等数字化手段，在厘清配电设备之间连接关系的基础上，通过全新设计的算法智能化处理大型且复杂的系统也就成为了可能。

1 现有方法的优缺点

传统配电系统的管理局限在于仅能通过人工手段简单核算关键器件的参数，即核算开关器件（以下简称开关）、开关与连接导体（以下简称电缆）之间的电气参数是否匹配合理。截止目前，配电系统中的上下级开关之间、同一源端并联的多路输出开关之间、开关和电缆之间，相互的电气参数匹配方法等尚未形成完整的理论和系统的数学模型、逻辑算法。现场通过经验积累、人工比对、简单判断可知，因效率低下、失误频发，极易埋下安全隐患、导致发生安全事故。

现有用于表征配电系统结构关系的理论，分别来自3种基础理论，其优缺点如下。基尔霍夫定律依据集总参数电路模型能准确反映配电系统内部的电气参数关系，但无法反映各节点之间的连接状况[1]。拓扑学结构理论能反映网元之间的空间位置关系，但无法正确反映各网元之间的电气参数逻辑[2]。图论能通过支路来反映各节点之间的连接关系，但无法正确反映本身以及连接的运行状态等[3]。

配电网络的特性在于连接，而上述3种传统分析理论和方法对电路连接本身并没有准确表达的数学模型、分析方法。这是电工理论长期以来对工程实践中复杂问题的选择性疏忽。为此需要构建一系列全新的模型（即配电系统的结构表达）和分析方法，能完整、准确地表征配电系统内部各网元之间的连接关系，反映相互连接的开关参数之间的逻辑关系以及配电系统的整体运行状态。

2 4张表法的分析过程及特点

经典电气理论分析方法中，采用了多种参数分解变换的方法，如傅里叶分析、拉普拉斯变换、派克变换以及正负零序分量分解法、P-Q分解法等参数分解、坐标变换方法[4,5]。在上述方法的启示下，可依据不同应用方向的现有数据，通过优化表格结构，完善表格参数，并构建反映核心连接关系的表格。在此基础上，通过配套的管理信息系统（Management Information System，MIS）对各个数据表格之间进行数据连接、参数比较，即可全面反映配电网络的结构信息、配置参数、运行状态、安全程度等，实现系统监控和运行调度，后期更能实现可视化呈现。

2.1 构建结构配置表

在现有设备参数表格的基础上，通过现场勘查、核对参数，构建配电系统的结构配置表（简称绿表）。如图1所示，对每个配电柜搜集其所有的进出线开关、进线电缆的型号、载流量等配置参数以及配电柜内部的基本结构等信息。

图1 结构配置表

配置参数用来表征配电单元（配电柜、配电箱等）的容量、端口等静态参数，配电柜投入运行后，静态参数将基本固定、不再变化。通过内部结构、配置参数之间的逻辑对比、分析，即可判断该配电柜的配置是否符合规范、科学合理。

D-1配电柜的进线开关额定电流为630 A，进线电缆的载流量为400 A，可见该配电柜的线电缆进容量与开关容量两个关键参数不匹配，进线电缆容量400 A限制了配电柜最大承载能力为400 A负荷，否则会因电缆过载导致发热严重、加速电缆绝缘老化、形成安全隐患，严重时还会导致电气火灾。

另外，配电柜内部的开关配置必须遵循大开关带小开关的基本原则，即进线开关为630 A时，出线开关则必须为不大于630 A级别的多个负荷开关，如400 A、250 A、100 A等。按照上述逻辑，即可在绿表内部简单实现各相关参数的配置。

2.2 构建运行状态表

依据现有的运行监控信息，构建如图2所示的运行状态表（简称红表）。数据来源于配电柜的仪表，将全部仪表实时监控的数据汇集成数据表格，即可全面反映整个配电系统的运行状态。因为系统的运行状态总是随着时间不断变化的，所以红表的数据均为动态数据，在不断进行刷新，反映的是当前运行的电气参数（状态），不能保存任何历史数据。对于需要历史数据以及累计数据（如用电的电度量等）的场景，则可通过配套的MIS实现定时提取、存储数据、对比分析、输出判断结果等。

图2 运行状态表

因为红表数据均为仪表测量所得，误差在所难免，所以将误差约束在一定的区间范围内十分必要。MIS可通过对每个配电柜状态实时数据进行分析判断采集仪表的准确性。例如，配电柜D-1中，进线的实测电流应该遵循基尔霍夫电流定律，扣除全部测量仪表的累计误差，综合各个测量表计的精度范围，不允许有过大的偏离。据此，可以判断仪表的准确度和偏离程度。

2.3 构建连接关系表

结构配置数据是静态数据，运行状态数据是动态数据，这些参数都相对独立存在，各自表征配电柜的配置特征、运行指标等。从应用的角度评判，这些数据虽然占用很大存储空间，但其价值并未充分利用，而数据本身的意义在于最大程度的可用。

要表征大型复杂的配电网络，不仅需要大量的数据，更需要厘清各网元之间的连接关系，即每个配电柜的上级配电柜具备哪些特性，下挂的负荷（即下级配电柜）又有什么技术特征。因此，配电柜之间的连接关系以及连接的电缆本身才是配电系统管理的核心。为了体现这种相互之间的逻辑关系，构建连接关系表（简称蓝表），如图3所示。

图3 连接关系表

蓝表的数据可视为一个地址池，存储每个配电柜各个端口之间的对应关系，如配电柜D-1的出线1下挂配电柜D-2，在表3的地址池里存储D-2的标志，如此则构建了D-1出线1端口与D-2进线端口之间的连接关系。

构建蓝表的意义在于将静态的结构配置表与动态的运行状态表之间的大量基础数据建立了相互的连接关系，为MIS进行必要的逻辑判断提供了核心的基础信息。海量的“死数据”根据内在的逻辑关系和算法均成功复活成为可用的“活数据”，实现了系统数据的计算与分析，并能输出需要的结果。

2.4 构建连接导体表

配电系统较之其他如通信网络等有所不同，即网络拓扑各节点之间的连接电缆也同样具有十分重要的物理意义。各配电柜之间的连接电缆均通过相应的负荷电流承载着电能量的流动、分配等，同时也因自身阻抗的客观存在导致发热、形成能量的损耗。因此，若实际流经电缆的电流值超过电缆产品约定的载流量上限，则电缆发热会加剧，导致电缆温升过高、绝缘加速老化、发生安全隐患；而如果实际流经电缆的电流远远超过其载流量，则会导致电缆严重发热、甚至引起电缆火灾。总而言之，连接导体本身也是表征配电系统的十分重要的电气参数，为此需要构建专门的连接导体表（简称黄表），如图4所示，作为系统基础参数的重要组成部分。

图4 连接导体表

3 算法及案例

3.1 MIS系统架构

前述构建的4张表格中，红表、绿表、黄表3张表格均为基础参数，而蓝表则表征网络的核心连接关系。综合起来，4张表即可完整地反映大型复杂配电系统的基本结构、参数配置、连接逻辑以及运行状态等。

依据上述4张表，从4个维度分别构建完备的基础数据信息，通过科学的算法来进行逻辑判断、分析处理，如此则能实现配电网络的智能运行监控和资源调度以及安全性判断等高级管理行为。其中，逻辑判断的过程中，算法是逻辑的灵魂。为此，在建设上述4个数据库的基础上，开发专用的管理信息系统，如图5所示，根据配电系统的固有特性制定算法，根据需要进行多重逻辑判断，分析配电系统的配置是否合理、运行是否安全、有无安全隐患等。

图5 管理信息系统

3.2 算法实施案例

算法实施案例如图6所示。首先，通过蓝表可查得配电柜D-1的出线1对应连接的是D-2的进线；其次，从绿表中查到该连接的上端开关参数为250 A；再次，从红表中查到该连接的负荷电流为43 A；最后，从黄表中可查到对应的连接电缆载流量为300 A。

图6 分析案例

据此可判断当电缆载流量300 A＞开关额定电流250 A＞实际运行负荷电流43 A时，该连接是安全、合理的，但是如果参数变更为实际运行负荷电流200 A＞电缆载流量150 A，则系统判断结论是电缆发热严重，参数配置不合理，对此必须尽快改正。当参数为开关额定电流250 A＞电缆载流量150 A＞实际运行负荷电流43 A时，该系统能安全运行，但因为开关标定为250 A，当实际运行负荷电流增长时，一般运行参数都参照开关额定电流标定，有可能因忽略电缆的参数而导致负荷增长到超过150 A，引发电缆发热。该种情况下需要做好安全预警，控制负荷增长，做好负荷调度和管理，将系统运行方式控制在安全边界之内。综上所述，不同的参数配置在系统经过逻辑判断后的算法结论大不相同。

3.3 算法的逻辑意义

本算法的关键点即通过构建4张表（4个数据库）分别表征大型复杂配电系统的结构配置信息、运行状态信息、连接关系信息、连接导体的特征信息等重要信息，将大型复杂配电系统的基本特征分解成多个维度的数据信息来表征，实现了大型复杂系统的结构模型简化、数字化表征、智能化的逻辑判断、统计分析和结果输出等。

通过上述基础数据表格的构建、算法的实施能输出准确的判断结果与处理方案，有助于实现配电系统建设和运行管理的数字化、精细化以及可视化，有效提高管理效率和管理水平。

4 结 论

大型复杂网络可以用分解计算的思路，按照数字化管理的潮流趋势，采用多维数据表格的方式完整、准确地表征其结构、配置、相对连接关系以及实时运行状态等重要信息。这是计算数学的一个分支，也是计算数学在工程实践中的有效应用。

该方法不仅局限于配电网络，还可延伸应用至大型工业生产控制系统，甚至包括化工、水利、煤矿等行业，按照参数分解变换的思路，通过多维表格完整、准确地表征生产系统的特性和状态，而连接是多张表格之间的核心关系，针对行业特色的算法则是灵魂。在具备大型计算能力、存储能力的情况下，通过上述方法简化模型即可对大型生产系统进行有效的综合研判。