CN111026927A - 一种低压台区运行状态智能监测系统 - Google Patents

一种低压台区运行状态智能监测系统 Download PDF

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CN111026927A CN201911367797.8A CN201911367797A CN111026927A CN 111026927 A CN111026927 A CN 111026927A CN 201911367797 A CN201911367797 A CN 201911367797A CN 111026927 A CN111026927 A CN 111026927A
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Abstract

本发明涉及一种低压台区运行状态智能监测系统，包括数据采集模块，用于采集运行参数数据；拓扑辨识数据分析模块，利用拓扑识别计算模型进行统计分析，辨识或校验箱表关系、户变关系，实现拓扑识别成图；拓扑辨识成像模块，用于对数据分析结果的可视化展示，动态生成拓扑图并实时跟踪校验，支持台区管理、台区拓扑、异常和分析日志的动态、条件查询。本发明可以有效实现电网安全用电管理及安全运维监控模式，为电网整体规划和统筹管理提供可靠依据。

Description

一种低压台区运行状态智能监测系统
技术领域
本发明涉及台区运行监测领域，具体涉及一种低压台区运行状态智能监测系统。
背景技术
低压配电网是直接面向用户供电的末端网络，承担着电力网末端输送生活用电的关键职能，是电网的重要组成部分。由于低压配电网建设期间用户电表线路档案错误或检修时造成的变更电表档案没有记录、记录错误等现象的存在，其拓扑关系常常出现错误，会对低压配电网中的线损计算、节能分析等造成很大影响。而传统的低压配电网拓扑辨识检测主要依赖人工巡检手段，即依照低压台区配电网分布和走向，利用手持户变辨识仪逐段进行人工普查，由于低压配电网网状分布线路较多，电缆沟或架空线路并行敷设，巡检不但效率低、成本高，而且无法实时、准确地获取低压台区户变拓扑信息。低压台区运行状态智能监测就是为了解决这些问题而诞生的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低压台区运行状态智能监测系统，有效实现电网安全用电管理及安全运维监控模式，为电网整体规划和统筹管理提供可靠依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低压台区运行状态智能监测系统，包括
数据采集模块，用于采集运行参数数据；
拓扑辨识数据分析模块，利用拓扑识别计算模型进行统计分析，辨识或校验箱表关系、户变关系，实现拓扑识别成图；
拓扑辨识成像模块，用于对数据分析结果的可视化展示，动态生成拓扑图并实时跟踪校验，支持台区管理、台区拓扑、异常查询和分析日志的动态、条件查询。
进一步的，所述数据采集模块由主端设备和从端设备构成，主端设备安装在配变侧，从端设备安装在分支箱和电表箱侧，分别采集变压器侧和客户电能表侧的数据。
进一步的，所述拓扑辨识数据分析模块包括台区管理单元、电量平衡分析单元、电压相关分析单元和线路阻抗分析单元；其中，台区管理单元负责台区基础信息的存储与相邻台区分组的计算，电量平衡分析单元负责户变关系的自动辨识，电压相关分析单元负责箱表关系的自动辨识，线路阻抗分析单元负责台区拓扑的绘制。
进一步的，所述台区管理单元相邻台区分组的计算，具体为：
对于同一母线下的台区，两两进行电压相关系数的计算，计算公式为
Figure BDA0002338901140000021
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure BDA0002338901140000022
表示某一电箱电压的平均值；
设置一台区经验阈值，该台区经验阈值预设为大于等于0.8并小于1，大于台区经验阈值的台区对被划分到同一相邻台区组，计算两个台区的电压相关系数时，考虑到实际生产环境中相序可能出现混乱，同相不同相的电压相关系数都要计算，取最大值作为两个台区最终的电压相关系数。
进一步的，电压相关分析单元负责箱表关系的自动辨识实现方法，具体为：
根据台区总表与户表电量的总分平衡关系，利用电量平衡分析法，应用统计学方法判断隶属关系，公式如下：
y＝β0+β1x1+β2x2+…+βpxp
其中，y是台区总表电量，作为因变量，x1，x2，…，xp是各户表电量，作为自变量，β0，β1，β2，…，βp是回归系数。对电量数据做回归分析时，x1，x2，…，xp包含了相邻台区所有电表电量，y为单个台区总表电量，如户表隶属于此台区总表的，其对应的回归系数βj接近1，且该项拟合度较好，分项拟合度可以用t统计量判断，值越大越好，如户表不属于总表的，其对应的回归系数βj接近0，且拟合度较差，t统计量较小。
进一步的，所述电压相关分析单元的箱表关系自动辨识，具体为：
同箱同相电压具有一致性，同相不同箱电压区别较大，不同节点间电压曲线的吻合程度反映了节点间的电气距离，两条曲线的吻合程度可以通过作图来直观对比，也可通过数学方法来定量对比，相关系数的计算公式如下：
Figure BDA0002338901140000031
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure BDA0002338901140000032
表示某一电箱电压的平均值；
系数越接近1的相关性越高，系数越接近0的相关性越低，设置相关系数的电压经验阈值大于等于0.8并小于1，大于电压经验阈值的认为系数趋近于1，相关性高，隶属于同一电表箱，小于电压经验阈值的认为系数趋近于0，相关性低，隶属于不同电表箱，与档案数据对比后即可辨识出异常的箱表关系。
进一步的，所述线路阻抗分析单元的台区拓扑绘制功能实现方法如下：
步骤A1:线路阻抗分析法通过电压、电流及阻抗之间的关系，自底向上逐级推导上游拓扑，直至拓扑顶层再通过电压相关性判断台区隶属；
步骤A2:通过连线表示各节点的连接关系，节点间连线的横向长度表示阻抗大小绘制得到台区的拓扑图。
进一步的，所述步骤A1具体为：设节点1与节点2具有公共的上层节点0，
则有：U0＝U1+R1I1,R+X1I1,X＝U2+R2I2,R+X2I2,X
R、X为线路的电阻与电抗，IR、IX为电流的有功分量与无功分量
得到线性回归方程如下：
U2＝β0+β1U1+R1I1,R+X1I1,X+R2(-I2,R)+X2(-I2,X)
将U2作为因变量，U1、I1,R、I1,X、-I2,R、-I2,X作为自变量，β0、β1、R1、X1、R2、X2为回归系数；
求出线路阻抗R1、X1、R2、X2后，同时得到节点0的电压、电流：
Figure BDA0002338901140000041
通过回归方程的拟合度优劣判断，推测节点1与节点2是否确实有公共上层节点；进一步确定其下游所有节点，即电表箱的台区隶属；
进一步的，所述通过回归方程的拟合度优劣判断，推测节点1与节点2是否确实有公共上层节点具体为：
1)设所有底层节点的集合为A。获取每一节点的U、IR、IX曲线；
2)将集合A中每两个节点作为一对做上面的回归分析；
3)R2最大的一对视为具有公共上层节点。将这一对的两个节点从集合A中删除，添加它们的公共上层节点k，同时计算节点k的U、IR、IX；
4)重复步骤2，直至集合A只剩一个节点。
进一步的，当采用三相四线供电且三相不平衡时，需要考虑零线阻抗与零线电流，并需要考虑节点为三相节点，所述步骤A1具体为：
对于节点的每一相L，压降方程如下：
U0,L＝U1,L+R1,LI1,L,R+X1,LI1,L,R+R1,NI1,N,R+X1,NI1,N,X
设定，RL＝RN，XL＝XN，于是：
U0,L＝U1,L+R1(I1,L,R+I1,N,R)+X1,L(I1,L,X+I1,N,X)
由于无法得到全网的电压相位偏差，只能视所有节点的三相相位差都是刚好120°，以A相为例，通过三个相线电流汇总零线电流，并以A相电压为参考相位，则有：
Figure BDA0002338901140000051
Figure BDA0002338901140000052
Figure BDA0002338901140000053
是功率因数，由于箱内同相电压相差太小，难以计算阻抗，用电压相关分析法就可以确定箱表关系，本单元从表箱一级开始推导，通过计算次顶层节点与台区变压器电压曲线的相关性判断其台区隶属。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明以低压配电支路为索引，结合智能电表和智能计量开关的信息采集结果，基于用电特征自动生成台区线路台账，同时系统可实时采集并计算各时段的耗电量、实时电压电流数据、线路损耗等，有效增加用户对内部能源使用情况的了解，通过分析识别方法和匹配策略，有效监测计量装置状态，在不停电情况下实现低压台区拓扑的自动辨识，并通过拓扑成像实现可视化和动态、条件查询。
2、本发明是对不同低压台区拓扑辨识技术的集成，综合利用各种技术方法的长处，规避短处，以提升辨识结果的准确性与可靠性，为实现电网智能化管理的提供支撑，大幅提升低压台区拓扑自动辨识准确率和运维抢修水平。
附图说明
图1是本发明一实施例中系统示意图；
图2为本发明一实施例中的相关示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种低压台区运行状态智能监测系统，包括数据采集模块、拓扑辨识数据分析模块与拓扑辨识成像模块。
数据采集模块实现电压、电流、功率因数、日冻结电量等参数的采集，由主端设备和从端设备构成，主端设备安装在配变侧，从端设备安装在分支箱和电表箱侧，分别采集变压器侧和客户电能表侧的数据。
拓扑辨识数据分析模块利用拓扑识别计算模型，精准的实现统计分析，辨识或校验箱表关系、户变关系，实现拓扑识别成图，由台区管理单元、电量平衡分析单元、电压相关分析单元、线路阻抗分析单元构成。其中，台区管理单元负责台区基础信息的存储与相邻台区分组的计算，电量平衡分析单元负责户变关系的自动辨识，电压相关分析单元负责箱表关系的自动辨识，线路阻抗分析单元负责台区拓扑的绘制。
拓扑辨识成像模块是对数据分析结果的可视化展示，动态生成拓扑图并实时跟踪校验，支持台区管理、台区拓扑、异常和分析日志的动态、条件查询。
在本实施例中，所述拓扑辨识成像模块中台区管理单元负责台区基本信息的维护，包括增加、删减和修改等；台区拓扑单元负责展示线路阻抗分析生成拓扑图并实时跟踪校验的台区拓扑管理；异常单元负责展示户变关系异常、箱表关系异常、计量异常等电网异常情况；分析日志单元负责展示电量平衡分析、电压相关分析等算法的台区分析结果。
在本实施例中，优选的，电压相关分析单元和线路阻抗分析单元都涉及相位的计算，先要通过HPLC模块实现相序的校正。
优选的，电压相关分析单元和线路阻抗分析单元所使用的量测数据都是瞬时量测值，对数据的同步性有较高要求，因此在计算前要先进行时钟采集同步处理。
(1)台区管理单元
台区管理单元的相邻台区分组计算功能实现方法如下：
对于同一母线(Line_id相同)下的台区，两两进行电压相关系数的计算，计算公式如公式(1)所示。
Figure BDA0002338901140000071
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure BDA0002338901140000081
表示某一电箱电压的平均值。
设置一台区经验阈值，该台区经验阈值根据实际情况设定为0.9，大于台区经验阈值的台区对被划分到同一相邻台区组。值得注意的是，这里计算两个台区的电压相关系数时，考虑到实际生产环境中相序可能出现混乱，同相不同相的电压相关系数都要计算，取最大值作为两个台区最终的电压相关系数。
(2)电量平衡分析单元
电量平衡分析单元的户变关系自动辨识功能实现方法如下：
根据台区总表与户表电量的总分平衡关系，利用电量平衡分析法，应用统计学方法判断隶属关系。这里是用多元线性回归分析方法，回归方程如下：
y＝β0+β1x1+β2x2+…+βpxp (2)
其中，y是台区总表电量，作为因变量，x1，x2，…，xp是各户表电量，作为自变量，β0，β1，β2，…，βp是回归系数。为了识别隶属，x1，x2，…，xp包含了相邻台区所有电表电量，y则为单个台区总表电量。分别用各总表电量作为因变量做回归分析。如户表隶属于总表的，其对应的回归系数βj接近1，且该项拟合度较好，分项拟合度可以用t统计量判断，值越大越好。如户表不属于总表的，其对应的回归系数βj接近0，且拟合度较差，t统计量较小。
为了减少样本量需求，同时尽量避免零电量、小电量用户的影响，这里假设箱表关系正确(至少不存在同箱不同台区的情况)，将表电量汇总至表箱一级来分析。
(3)电压相关分析单元
电压相关分析单元的箱表关系自动辨识功能实现方法如下：
同箱同相电压具有很高的一致性，同相不同箱电压区别较大。不同节点间电压曲线的吻合程度反映了节点间的电气距离。两条曲线的吻合程度可以通过作图来直观对比，也可通过数学方法来定量对比。
相关系数的计算公式如公式
Figure BDA0002338901140000091
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure BDA0002338901140000092
表示某一电箱电压的平均值。
系数越接近1的相关性越高，系数越接近0的相关性越低。设置相关系数的电压经验阈值，该电压经验阈值根据实际情况设定为0.8，大于该电压经验阈值的认为系数趋近于1，相关性高，隶属于同一电表箱，小于电压经验阈值的认为系数趋近于0，相关性低，隶属于不同电表箱，与档案数据对比后即可辨识出异常的箱表关系。
(4)线路阻抗分析单元
线路阻抗分析单元的台区拓扑绘制功能实现方法如下：
线路阻抗分析法通过电压、电流及阻抗之间的关系，自底向上逐级推导上游拓扑，直至拓扑顶层再通过电压相关性判断台区隶属，会更准确一点。
假设节点1与节点2具有公共的上层节点0，如图2中(a)所示。
则有：U0＝U1+R1I1,R+X1I1,X＝U2+R2I2,R+X2I2,X
R、X为线路的电阻与电抗，IR、IX为电流的有功分量与无功分量。这里只考虑了压降的实部，压降的虚部对电压幅值改变较小，为简化计算忽略了。
得到线性回归方程如下：
U2＝β0+β1U1+R1I1,R+X1I1,X+R2(-I2,R)+X2(-I2,X)
将U2作为因变量，U1、I1,R、I1,X、-I2,R、-I2,X作为自变量，这些都是已知数。β0、β1、R1、X1、R2、X2作为回归系数，待求解。β0、β1主要为提高回归方程的拟合度，物理意义不明确。
当求出线路阻抗R1、X1、R2、X2后，可以同时得到节点0的电压、电流：
Figure BDA0002338901140000101
通过回归方程的拟合度(决定系数R2)优劣判断，可以推测节点1与节点2是否确实有公共上层节点。
具体步骤如下：
1)设所有底层节点的集合为A。获取每一节点的U、IR、IX曲线。
2)将集合A中每两个节点作为一对做上面的回归分析。
3)R2最大的一对视为具有公共上层节点。将这一对的两个节点从集合A中删除，添加它们的公共上层节点k，同时计算节点k的U、IR、IX。
4)重复步骤2，直至集合A只剩一个节点。
当采用三相四线供电且三相不平衡时，需要考虑零线阻抗与零线电流，并需要考虑节点为三相节点。如图2中(b)所示，对于节点的每一相(L)，将压降方程修改如下：
U0,L＝U1,L+R1,LI1,L,R+X1,LI1,L,R+R1,NI1,N,R+X1,NI1,N,X
本实施例中，设定RL＝RN，XL＝XN，于是：
U0,L＝U1,L+R1(I1,L,R+I1,N,R)+X1,L(I1,L,X+I1,N,X) (8)
由于无法得到全网的电压相位偏差，只能视所有节点的三相相位差都是刚好120°。以A相为例，通过三个相线电流汇总零线电流，并以A相电压为参考相位，如图2中(c)所示，则有：
Figure BDA0002338901140000102
Figure BDA0002338901140000111
Figure BDA0002338901140000112
Figure BDA0002338901140000113
是功率因数，智能表负荷曲线有记录。
Figure BDA0002338901140000114
可通过
Figure BDA0002338901140000115
换算。由于箱内同相电压相差太小，难以计算阻抗，用电压相关分析法就可以确定箱表关系，本单元从表箱一级开始推导。通过计算次顶层节点与台区变压器电压曲线的相关性判断其台区隶属，进一步可以确定其下游所有节点，即电表箱的台区隶属。
通过连线表示各节点的连接关系，节点间连线的横向长度表示阻抗大小，就可以绘制出台区的拓扑图。
本实施例中，台区经验阈值设定为0.9，电压经验阈值设定为0.8。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：包括
数据采集模块，用于采集运行参数数据；
拓扑辨识数据分析模块，利用拓扑识别计算模型进行统计分析，辨识或校验箱表关系、户变关系，实现拓扑识别成图；
拓扑辨识成像模块，用于对数据分析结果的可视化展示，动态生成拓扑图并实时跟踪校验，支持台区管理、台区拓扑、异常和分析日志的动态、条件查询。
2.根据权利要求1所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述数据采集模块由主端设备和从端设备构成，主端设备安装在配变侧，从端设备安装在分支箱和电表箱侧，分别采集变压器侧和客户电能表侧的数据。
3.根据权利要求1所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述拓扑辨识数据分析模块包括台区管理单元、电量平衡分析单元、电压相关分析单元和线路阻抗分析单元；其中，台区管理单元负责台区基础信息的存储与相邻台区分组的计算，电量平衡分析单元负责户变关系的自动辨识，电压相关分析单元负责箱表关系的自动辨识，线路阻抗分析单元负责台区拓扑的绘制。
4.根据权利要求3所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述台区管理单元相邻台区分组的计算，具体为：
对于同一母线下的台区，两两进行电压相关系数的计算，计算公式为
Figure FDA0002338901130000011
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure FDA0002338901130000021
表示某一电箱电压的平均值；
设置一台区经验阈值，该台区经验阈值预设为大于等于0.8并小于1，大于台区经验阈值的台区对被划分到同一相邻台区组，计算两个台区的电压相关系数时，考虑到实际生产环境中相序可能出现混乱，同相不同相的电压相关系数都要计算，取最大值作为两个台区最终的电压相关系数。
5.根据权利要求3所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：电量平衡分析法负责户变关系的自动辨识，具体为：
根据台区总表与户表电量的总分平衡关系，利用电量平衡分析法，应用统计学方法判断隶属关系，公式如下：
y＝β0+β1x1+β2x2+…+βpxp
其中，y是台区总表电量，作为因变量，x1，x2，…，xp是各户表电量，作为自变量，β0，β1，β2，…，βp是回归系数。为了识别隶属，x1，x2，…，xp包含了相邻台区所有电表电量，y则为单个台区总表电量。分别用各总表电量作为因变量做回归分析，如户表隶属于总表的，其对应的回归系数βj接近1，且该项拟合度较好，分项拟合度可以用t统计量判断，值越大越好，如户表不属于总表的，其对应的回归系数βj接近0，且拟合度较差，t统计量较小。
6.根据权利要求3所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述电压相关分析单元的箱表关系自动辨识，具体为：
同箱同相电压具有一致性，同相不同箱电压区别较大，不同节点间电压曲线的吻合程度反映了节点间的电气距离，两条曲线的吻合程度可以通过作图来直观对比，也可通过数学方法来定量对比，相关系数的计算公式如公式
Figure FDA0002338901130000022
其中，Xi与Yi表示两个电箱的电压，i对应不同的采样时刻，
Figure FDA0002338901130000031
表示某一电箱电压的平均值；
系数越接近1的相关性越高，系数越接近0的相关性越低，设置相关系数的电压经验阈值大于等于0.8并小于1，大于电压经验阈值的认为系数趋近于1，相关性高，隶属于同一电表箱，小于电压经验阈值的认为系数趋近于0，相关性低，隶属于不同电表箱，与档案数据对比后即可辨识出异常的箱表关系。
7.根据权利要求3所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：
所述线路阻抗分析单元的台区拓扑绘制功能实现方法如下：
步骤A1：线路阻抗分析法通过电压、电流及阻抗之间的关系，自底向上逐级推导上游拓扑，直至拓扑顶层再通过电压相关性判断台区隶属；
步骤A2：通过连线表示各节点的连接关系，节点间连线的横向长度表示阻抗大小绘制得到台区的拓扑图。
8.根据权利要求8所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述步骤A1具体为：设节点1与节点2具有公共的上层节点0，
则有：U0＝U1+R1I1，R+X1I1，X＝U2+R2I2，R+X2I2，X
R、X为线路的电阻与电抗，IR、IX为电流的有功分量与无功分量
得到线性回归方程如下：
U2＝β0+β1U1+R1I1，R+X1I1，X+R2(-I2，R)+X2(-I2，X)
将U2作为因变量，U1、I1，R、I1，X、-I2，R、-I2，X作为自变量，β0、β1、R1、X1、R2、X2为回归系数；
求出线路阻抗R1、X1、R2、X2后，同时得到节点0的电压、电流：
Figure FDA0002338901130000041
I0＝I1+I2
通过回归方程的拟合度优劣判断，推测节点1与节点2是否确实有公共上层节点；进一步确定其下游所有节点，即电表箱的台区隶属。
9.根据权利要求9所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：所述通过回归方程的拟合度优劣判断，推测节点1与节点2是否确实有公共上层节点具体为：
1)设所有底层节点的集合为A。获取每一节点的U、IR、IX曲线；
2)将集合A中每两个节点作为一对做上面的回归分析；
3)R2最大的一对视为具有公共上层节点。将这一对的两个节点从集合A中删除，添加它们的公共上层节点k，同时计算节点k的U、IR、IX；
4)重复步骤2，直至集合A只剩一个节点。
10.根据权利要求7所述的一种低压台区运行状态智能监测系统，其特征在于：当采用三相四线供电且三相不平衡时，需要考虑零线阻抗与零线电流，并需要考虑节点为三相节点，所述步骤A1具体为：
对于节点的每一相L，压降方程如下：
U0，L＝U1，L+R1，LI1，L，R+X1，LI1，L，R+R1，NI1，N，R+X1，NI1，N，X
设定，RL＝RN，XL＝XN，于是：
U0，L＝U1，L+R1(I1，L，R+I1，N，R)+X1，L(I1，L，X+I1，N，X)
由于无法得到全网的电压相位偏差，只能视所有节点的三相相位差都是刚好120°，以A相为例，通过三个相线电流汇总零线电流，并以A相电压为参考相位，则有：
Figure FDA0002338901130000042
Figure FDA0002338901130000051
Figure FDA0002338901130000052
是功率因数，由于箱内同相电压相差太小，难以计算阻抗，用电压相关分析法就可以确定箱表关系，本单元从表箱一级开始推导，通过计算次顶层节点与台区变压器电压曲线的相关性判断其台区隶属。
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