CN112886582A - 基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力拓扑大数据分析领域，尤其涉及基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法。包括以下步骤：S1：获取台区下变压器处考核总表和各用户表时间序列数据和台区用户分支数据；S2：建立基于用户分支的相位识别模型；S3：利用上述模型进行用户分支内表间、分支间基准表间、分支基准表与总表间电压相关性系数计算，诊断分支间相位一致性，完成台区单相表用户的相位识别；S4：输出相位。本专利在已知台区拓扑基础上，利用台区负荷率低时用户表电压主要由总表电压决定，对总表和用户表电压数据制定合适的点位选取策略，提出了相位趋同原则，利用皮尔逊相关性系数进行电压相关性分析，实现台区相位识别。

Description

基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法
技术领域
本发明属于电力拓扑大数据分析领域，尤其涉及基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法。
背景技术
低压台区用电负荷有二类，一类是单相居民照明用户，另一类是三相照明或动力用户。居民建筑电气设计规范要求台区供配电设计时宜使三相负荷平衡，但在实际台区中，因人为失误或负荷随机性会造成三相不平衡。三相不平衡会造成台区线损过大，严重时甚至会影响变压器的安全稳定运行，因此掌握用户在台区中的实际相位对电网安全运行非常必要。
台区通过供电线路和配电设备给用户供电时，因负荷电流流经的线路不同，其从变压器至用户的电压降也有所区别。对于从变压器引出的多个独立供电线路，对属于同一个供电线路的用户，因负荷电流经过相同线路，各用户负荷之间会互相影响，电压波动存在一定的相关性，但对从变压器分别引出的不同供电线路的用户，其电压波动主要取决于变压器侧电压，而与其他线路用户间相关性则较低。
皮尔逊相关性系数作为反映2个序列数据X,Y之间线性相关性程度的指标，其值在[-1,1]之间。皮尔逊系数用作样本时，记作R(X，Y)。
Figure BDA0002939473150000011
其中：n是样本数量，Xi,Yi是变量X，Y对应的i点观测值，
Figure BDA0002939473150000012
是X样本平均数，
Figure BDA0002939473150000013
是Y样本平均数。
在现有的通过电压相关性分析识别台区相位的方案中，通过对同一个集中表箱里的电能表进行皮尔逊相关性系数计算，计算结果聚类可将表箱内电能表分成三相。通过计算用户表和总表的电压之间皮尔逊相关性系数，与总表某相系数值大于阈值的，则用户与总表该相位一致。
在实际供电网络中，当变压器三相电压平衡时，用户表和总表三相电压相关性系数基本一致，不能识别用户表相位。同时，用户表单表箱分散布置时，因无法区分各用户是否在同一个分支上，三相负荷平衡时，各用户表间相关性系数值都很高，难以对用户表进行相位区分。
在其他专利中，通过选取不同的负荷点进行电压相关性计算，可以准确识别用户分支内各用户表的相位，但对变压器引出的不同用户分支的用户，其电压波动主要取决于变压器侧电压，而与其他线路用户间相关性则较低，因每个用户分支内A/B/C三相可任意指定，多个用户分支A/B/C相实际并不是同相位。因此识别不同用户分支的各相位是否一致则是必须面临的问题。
台区总表处三相电压从变电站经过10kV线路，因各相负荷不同，三相电压存在不平衡，由电压不平衡率来体现其不平衡程度，即：三相四线台区：同一时间点的(A、B、C相最大减A、B、C相最小)/A、B、C相最大，需先排除电压断相异常的情况。
电压不平衡率
Figure BDA0002939473150000021
其中Ua,Ub,Uc为三相电压值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法。
本发明是这样实现的，基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，包括以下步骤：
S1：获取台区下变压器处考核总表和各用户表一段时间T日电压电流时间序列数据和台区用户分支数据；
S2：根据上述电压电流时间序列数据和台区用户分支数据，建立基于用户分支的相位识别模型；
S3：利用上述相位识别模型进行进行用户分支内表间、分支间基准表间、分支基准表与总表间电压相关性系数计算，诊断分支间相位一致性，完成台区单相表用户的相位识别；
S4：输出单相表用户的相位。
其中优选方案是：
在上述S1之前，首先获取台区拓扑；台区拓扑识别的方法，包括以下步骤：
S11：数据接入及处理：根据用户采集特征、地址特征和用电特征将用户分类；
S12：以供配电设计规范分析作为主要分析方法，采集拓扑分析和电压相关性分析作为辅助分析方法，实现用户分支识别；
S13：用户分支识别后，对用户分支应属台区进行诊断；
S14：依据电压相关性分析结果和或供配电设计规范，通过分支邻近识别、分支共线识别，实现台区拓扑自动识别和输出。
所述的S2中建立基于用户分支的相位识别模型中的电压数据，按照如下策略进行选择：1)根据总表三相电压不平衡进行电压数据选取；2)根据台区负荷率进行电压数据选取；3)根据用户分支数据进行电压数据选取。
所述的根据总表三相电压不平衡情况进行电压数据选取，可分为如下四种情况：
1)Ua＝Ub≠Uc
2)Ua＝Uc≠Ub
3)Ua≠Ub＝Uc
4)Ua≠Ub≠Uc
两相电压相等，是指两相电压差值小于某个阈值时，认为两相电压近似相等。符合上述4种情况，对应的总表和用户表电压数据时间点，列入计算数据集1。
所述的根据台区负荷率进行电压数据选取，是指选取台区极轻载(负荷率小于P1)与负荷高时(负荷率大于P2)时对应的总表和用户表的电压数据时间点，列入计算数据集2。
所述的根据用户分支数据进行电压数据选取，是指选取用户分支内对应的用户表和总表的电压数据时间点，列入数据集3。
所述的S2中计算方法包括根据相位识别求同原则进行与总表相位识别、三相一致性识别和单相一致性识别。
所述的三相一致性识别，是指对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略1第4种情况Ua≠Ub≠Uc的时间点，按相关性计算所需数量N选择时间点对应的电压数据进行皮尔逊相关性系数计算，对计算结果进行聚类，如能聚成三类且数量相等，则2个用户分支的三相完全一致性识别成功。
所述的单相一致性识别，是指对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略1第1-3种情况任一种三相电压不完全相等的时间点，同情况1一样进行计算，如2个用户分支各有1相聚成一类，另2相聚成一类，数量之比为2:1，则2个用户分支单相一致性识别成功；如能完成2次单相一致性识别，则实现三相一致性识别。
所述的相位识别求同原则是指，
1)2个用户分支任意各选一个基准表组成一组基准表，只要有一组基准表可支持上述2种方式实现相位识别，则2个用户分支的相位即识别成功；
2)对多个用户分支，只要任意2个用户分支实现相位识别，则所有用户分支即识别成功。
本发明的优点及积极效果为：在已知台区拓扑和用户分支数据基础上，通过利用负荷率低情况下，从变压器独立引出的不同用户分支之间电电压数据选点策略，通过不同用户分支间压波动受总表处电压影响较大的特点，以用户分支基准表的电压相关性计算结果诊断分支间表的相位一致性，即便是总表三相电压不平衡率很低时，也可实现台区相位识别。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
图2是本发明的原理方框图。
图3是本发明的典型楼宇小区供配电设计用户分支识别示意图。
图4是本发明的独立房屋用户供配电设计用户分支识别示意图。
图5是本发明相位识别示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
如图1、2所示，本发明是这样实现的，基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，包括以下步骤：
S1：获取台区下变压器处考核总表和各用户表一段时间T日电压电流时间序列数据和台区用户分支数据；
S2：根据上述电压电流时间序列数据和台区用户分支数据，建立基于用户分支的相位识别模型；
S3：利用上述相位识别模型进行进行用户分支内表间、分支间基准表间、分支基准表与总表间电压相关性系数计算，诊断分支间相位一致性，完成台区单相表用户的相位识别；
S4：输出单相表用户的相位。
在上述S1之前，首先获取台区拓扑；台区拓扑识别的方法，包括以下步骤：
S11：数据接入及处理：根据用户采集特征、地址特征和用电特征将用户分类；
S12：以供配电设计规范分析作为主要分析方法，采集拓扑分析和电压相关性分析作为辅助分析方法，实现用户分支识别；
S13：用户分支识别后，对用户分支应属台区进行诊断；
S14：依据电压相关性分析结果和或供配电设计规范，通过分支邻近识别、分支共线识别，实现台区拓扑自动识别和输出。
本发明采用的技术方案基于用户采集特征、地址特征和用电特征将用户分类，引入用户分支概念，以供配电设计分析作为主要分析方法，结合距离分析(由采集拓扑分析+地址分析组合而成)、电压相关性分析、线损相关性分析和停上电分析关联分析实现台区户变和拓扑的自动识别。
台区供电设计中，供电路径一般从变压器->供电线路(架空线路或电缆)->配电设备(电杆或分支箱或配电箱或配电间配电柜)->供电线路->表箱(集中或单表箱)->电能表->用户进行供电。
针对需要进行户变识别的台区都是公变台区，且公变台区下用户绝大多数都是居民用户的特点，总结台区用户用电地址特征、采集特征和用户用电特征，引入用户分支概念，将台区下用户分成2大类六小类，方便对每类用户选择合适的分析方法进行户变关系识别。
1、用电地址结构化处理
以楼宇用户为例，如表附1所示，对采集档案数据中的用户用电地址进行11级结构化处理，获取楼栋-楼层-房号，可方便统计楼栋楼层和台区供电分布关系。
表1用电地址结构化处理
1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 10级 11级
省 市 县 乡/镇 路 弄 号 栋 单元 层 室
上海市 浦东新区 三林镇 凌兆路 88 28 01 01
2、用户分支定义
用户分支指一条供电线路及其下所带的电力用户。供电线路至表箱的用户分支为末级用户分支。一个用户分支下的电力用户由同一个台区供电，对台区户变关系的识别，引入用户分支后变为对分支归属台区识别。
在公变台区，一个末级用户分支最多时可有20余个电力用户，全国网平均每台区电力用户仅100户左右，引入用户分支后，分析数量可下降一个数量级，同时相对于单个电力用户分析，分支可体现出更多特征，分析结果的有效性可大大增加。
3、用户分类
将台区下用户分为居民楼宇类型(简称楼宇，多层和高层住宅，用电地址呈现有规律的层室特征)用户和非居民楼宇类型(简称独立房屋)用户，构建用户分支数据模型，并根据采集特征和用户用电特征，每个大类用户分支又细分为三个小类。如表2所示。
表2台区下用户分支分类
Figure BDA0002939473150000081
注①：方案中楼宇居民私人用户中，单表箱用户不被视作一个末级用户分支，集中表箱及其下用户可视作一个末级用户分支。
注②：集聚地址用户分支指多个用户的用户地址中具有相同的关键字如临沧路友好12队庄家宅。
注③：集聚地址用户分支可由多个末级用户分支组成。
多个末级用户分支可组成一个上一级用户分支。如图3所示，分支1和分支11～14的上级分支。如图4所示，分支11-110是分支111和分支112-1120的上一级分支。
本发明专利中，通过获取台区下变压器处考核总表和各用户表一段时间T内电压电流时间序列数据和台区下已识别完成的用户分支数据，根据台区负荷率制定电压数据选点策略，利用皮尔逊相关性系数计算用户分支内表间、分支间基准表间、分支基准表与总表间电压相关性系数，构建相位识别模型，诊断分支间相位一致性，完成台区单相表用户的相位识别。
对于电压相关性分析的电压数据，按照如下策略进行选择。
一、根据总表三相电压不等进行电压数据选取
对总表三相电压不等，可分为如下四种情况：
1)Ua＝Ub≠Uc
2)Ua＝Uc≠Ub
3)Ua≠Ub＝Uc
4)Ua≠Ub≠Uc
两相电压相等，是指两相电压差值小于某个阈值时，可认为两相电压近似相等。符合上述4种情况，对应的总表和用户表电压数据时间点，列入计算数据集1。
二、根据台区负荷率进行电压数据选取
当台区负荷率变化时，台区下用户表电压也随之波动。台区极轻载(负荷率P1,小于4％)，各用户表相对于总表的电压降小，用户表和总表电压相关性很高，当总表三相电压相近时，用户表间电压相关性系数值难以区分相位，当台区负荷高时(负荷率P2，高于15％)，不同用户分支间因负荷不同，电压波动大，适用于用户分支内相位识别，但不适合不同用户分支间的相位识别。
选取台区负荷率小于P1和大于P2时，对应的总表和用户表的电压数据时间点，列入计算数据集2。P1和P2可根据台区实际情况进行微调。
三、根据用户分支数据进行电压数据选取
因一个用户分支内已能够区分相位，因此只需选择用户分支内的基准表参与用户分支间的相位一致性识别。对于同一个用户分支的电能表，基准表可以选择三个单相表，也可以将选择一个三相表作为基准表。对每个用户分支，可按照一定规则选择多个基准表。
对同一用户分支的单相表，为扩大相关性系数特征，对分层布置的单户或双户用户表，选择距离尽可能远的电能表的电压数据进入计算数据集，以体现用户负荷对电压波动的影响。如表3，可选择N+1/N+2/N+6的1室的用户表电压数据进行计算，而不是选择N+1/N+2/N+3连续楼层的用户表电压数据进行计算。
选取用户分支内对应的用户表和总表的电压数据时间点，列入数据集3。
楼层 1室 2室
N+6 C【R】 C【R】
N+5 B【G】 B【G】
N+4 A【Y】 A【Y】
N+3 C【R】 C【R】
N+2 B【G】 B【G】
N+1 A【Y】 A【Y】
表3
对于总表三相严重不平衡，台区单相表相位识别可通过各用户分支基准表和总表的电压相关性分析结果6X6数据集{a11,....,a66}是否可聚类成三类且数量相等，作为三相识别成功的依据。如表4。
基准表A 总表A 基准表B 总表B 基准表C 总表C
基准表A a11【Y】 a12【Y】 a13 a14 a15 a16
总表A a21【Y】 a22【Y】 a23 a24 a25 a26
基准表B a31 a32 a33【G】 a34【G】 a35 a36
总表B a41 a42 a43【G】 a44【G】 a45 a46
基准表C a51 a52 a53 a54 a55【R】 a56【R】
总表C a61 a62 a63 a64 a65【R】 a66【R】
表4
对于因台区总表三相平衡，通过总表和用户表电压相关性不能进行相位识别的情况，可通过用户分支间电压相关性计算结果进行诊断。对所有的用户分支组成数据集X＝{X1,X2,...Xn}，任选2个用户分支Xi和Xj进行用户分支之间相位一致性识别。
分为如下2种情况诊断。
1)2个用户分支三相完全一致性识别
对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略一第4种情况Ua≠Ub≠Uc的时间点，按相关性计算所需数量N(可设置)选择时间点对应的电压数据进行皮尔逊相关性系数计算，对计算结果进行聚类，如能聚成三类且数量相等，则2个用户分支的三相完全一致性识别成功。
2)2个用户分支单相一致性识别
对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略一第1-3种情况任一种三相电压不完全相等的时间点，按相关性计算所需数量N(可设置)选择时间点对应的电压数据进行皮尔逊相关性系数计算，如2个用户分支各有1相聚成一类，另2相聚成一类，数量之比为2:1，则2个用户分支单相一致性识别成功。如能完成不一样的2次单相一致性识别，同样可实现三相一致性识别。
相位识别求同原则
1)2个用户分支可任意各选一个基准表组成一组基准表，只要有一组基准表可支持上述2种方式实现相位一致性识别，则2个用户分支的相位识别成功。
2)对多个用户分支，只要任意2个用户分支之间实现相位一致性识别，则所有用户分支识别成功。
具体如图5所示。
箭头表示各分支或基准表的相位对应关系。以分支或基准表1的A/B/C作为基准相位，分支或基准表2和3的相位识别结果如图5右所示。即便分支或基准表1和3的相关性计算结果不能实现相位一致性识别也可做出上述结果判定。
实验证明
本方法选择台区负荷率低时，对总表和用户表电压数制定合适的点位选取策略，利用皮尔逊相关性系数进行电压相关性分析，可准确实现台区相位识别。经过实际台区验证，准确率可高达99％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获取台区下变压器处考核总表和各用户表一段时间T日电压电流时间序列数据和台区用户分支数据；
S2：根据上述电压电流时间序列数据和台区用户分支数据，建立基于用户分支的相位识别模型；
S3：进行用户分支内表间、分支间基准表间、分支基准表与总表间电压相关性系数计算，诊断分支间相位一致性，完成台区单相表用户的相位识别；
S4：输出台区各单相表的相位。
2.如权利要求1所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，还在上述S1之前，首先获取台区拓扑；
台区拓扑识别的方法，包括以下步骤：
S11：数据接入及处理：根据用户采集特征、地址特征和用电特征将用户分类；
S12：以供配电设计规范分析作为主要分析方法，采集拓扑分析和电压相关性分析作为辅助分析方法，实现用户分支识别；
S13：用户分支识别后，对用户分支应属台区进行诊断；
S14：依据电压相关性分析结果和或供配电设计规范，通过分支邻近识别、分支共线识别，实现台区拓扑自动识别和输出。
3.如权利要求1所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的S2中建立基于用户分支的相位识别模型中的电压数据，按照如下策略进行选择：1)根据总表三相电压不等进行电压数据选取；2)根据台区负荷率进行电压数据选取；3)根据用户分支数据进行电压数据选取。
4.如权利要求3所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的根据总表三相电压不等进行电压数据选取，是指对总表三相电压不完全相等，可分为如下四种情况：
1)Ua＝Ub≠Uc
2)Ua＝Uc≠Ub
3)Ua≠Ub＝Uc
4)Ua≠Ub≠Uc
符合上述4种情况，对应的总表和用户表电压数据时间点，列入计算数据集1。
5.如权利要求3所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的根据台区负荷率进行电压数据选取，是指选取台区极轻载(小于P1)与负荷高时的负荷率(大于P2)时对应的总表和用户表的电压数据时间点，列入计算数据集2。
6.如权利要求3所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的根据用户分支数据进行电压数据选取，是指选取用户分支内对应的用户表和总表的电压数据时间点，对分层布置的单户或双户用户表，选择分支内楼层相距尽可能远的电能表的电压数据进入计算数据集，以体现用户负荷对电压波动的影响，列入数据集3。
7.如权利要求1所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的S2中计算方法包括根据相位识别求同原则进行与总表相位识别、三相一致性识别和单相一致性识别。
8.如权利要求7所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的三相一致性识别，是指对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略1第4种情况Ua≠Ub≠Uc的时间点，按相关性计算所需数量N选择时间点对应的电压数据进行皮尔逊相关性系数计算，对计算结果进行聚类，如能聚成三类且数量相等，则2个用户分支的三相完全一致性识别成功。
9.如权利要求7所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的单相一致性识别，是指对用户分支Xi和Xj，每个用户分支各选择一个基准表，从计算数据集2和3中选取策略1第1-3种情况任一种三相电压不完全相等的时间点，计算皮尔逊相关性系数，如2个用户分支各有1相聚成一类，另2相聚成一类，数量之比为2:1，则2个用户分支单相一致性识别成功；如能完成2次单相一致性识别，则实现三相一致性识别。
10.如权利要求7所述的基于负荷率和拓扑的电压相关性识别台区相位的方法，其特征在于，所述的相位识别求同原则是指，
1)2个用户分支任意各选一个基准表组成一组基准表，只要有一组基准表可支持上述2种方式实现相位一致性识别，则2个用户分支相位识别成功；
2)对多个用户分支，只要任意2个用户分支间实现相位一致性识别，则所有用户分支识别成功。
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