基于数据融合的雷电灾害后电网运行全景可视化建模分析

王 奇，张 晗，宋云海

(南方电网超高压输电公司 检修试验中心，广东 广州 510663)

由于社会经济的不断发展和进步，以及人们的生活水平的不断提高，电力行业异军突起，对推动社会发展和提高人们生活质量占据重要地位，特别是近年来电网规模的不断扩展，电网结构的日趋复杂，以及潮流计算不确定因素的逐渐增多，电网运行机制面临巨大挑战[1-2]。雷电灾害的频繁发生，导致电网运行的故障，使建立的电网运行可视化模型的精准性下降，无法真实反映配电节点和支路的负载状况，不能制定出有效的预警方案。当前我国电网运行机制存在效率不高、准确性较差、且具有一定的盲目性和局限性的缺点[3]。如何依靠信息技术方面的高新技术手段来提高电网运行的安全性和稳定性，保障电力系统通信能力，以及如何在突发事件和紧急情况下实现电网运行的及时指挥调度，提高反应灵敏度，同时依据电力系统中的应用程序即监控设备等进行统一调度，是电力系统各信调部门面临的最主要问题，实现电网运行全景可视化能够实时反映电力系统的设备运行环境和电网运行状态等，能够将有关电网运行的各类信息更加直观、形象、具体地呈现出来，为电力系统中心服务器实现输电运行、故障检修、设备维护、现场作业等业务提供监测、统计、分析、检索、操作的“一站式”服务[4-5]。非常适合在复杂的电网运行环境下，随时随地向用户提供准确的电网运行数据，同时确保电网运行时的安全性能和全景可视化，实现电力系统计算机的信号源和大规模的显示终端之间的无缝切换，且不出现黑屏现象，确保电力系统的调度与决策能够及时传达给用户[6]。

针对传统方法无法准确获得雷电灾害下电网运行数据情况，未对电网运行数据进行预处理，存在较多测量误差[7]，采集获得的电网运行数据可用性较差等导致最终对电网运行过程中各个配电节点和支路的负载情况分析结果有误，无法提出有效预警方案以平衡负载的问题，提出一种基于数据融合的雷电灾害下电网运行全景可视化建模方法。

1 基于数据融合的雷电灾害下电网运行全景可视化建模分析

采用全量抽取和增量抽取的方式从电力系统各个独立输电设备中抽取需要的雷电灾害下电网运行测量数据序列，但由于抽取的数据序列存在格式不统一、输入存在错误或不完整等问题，需要对抽取获得的雷电灾害下电网运行测量数据进行转换和加工处理，按照电网运行需求和相应的管理规范，将抽取的数据转换成需要的形式，同时对存在的输入错误和格式不统一的数据进行清洗和加工，并将转换与加工后的电网运行测量数据进行数据融合，并对数据融合后存在的有功功率不平衡量和无功功率不平衡量进行分区分配和潮流调整，实现雷电灾害下电网运行全景可视化建模[8]。

1.1 雷电灾害下电网运行数据处理

在进行雷电灾害下电网运行全景可视化数据融合过程中，由于监测环境、运行设备本身以及被监测设备等多重干扰因素作用下，难免存在一些误差；通常情况下在处理雷电影响下电网运行实际数据过程中，经常会出现真实误差与预测误差相差甚远的现象，这些被疏漏的误差数据称为疏失误差或过失误差，这种误差的产生通常是由于工作人员操作有误或者电力系统本身内部元件发生损坏引发的[9]。

采用一种具有编程简单，稳定性好，实时性强的分布图法能够有效剔除这些被疏漏的误差数据，具体操作步骤如下：

(1)假设N表示测量获得的雷电灾害影响下电网运行数据数目，将这N个数据按照从小到大的顺序进行排列，得到一个有序的测量序列，表示为X1,X2,…,XN；

(2)计算这N个雷电灾害影响下电网运行数据的中位值XM：

(1)

(3)假设fH和fL分别表示XM的上四分位数和下四分位数，且fH和fL分别为[XM,XN]和[X1,XM]区间的中位数，计算与上述步骤(2)同理。

(4)假设β为常数，df表示雷电灾害影响下电网运行数据序列的四分位数离散程度：

df=fH-fL。

(2)

(5)根据上述计算，确定雷电灾害影响下电网运行有效数据区间[ρ1,ρ2]，则：

(3)

(6)对于雷电灾害影响下电网运行过程中的有序测量数据，如果满足Xi≤ρ1或者Xi≥ρ2，其中，i=1,2,…,N，则将该测量数据从序列中剔除，否则将该测量数据保留。

采用算术平均值方法对上述剔除了雷电灾害影响下电网运行疏失误差后的测量数据序列进行一致性检查,则：

(4)

如果满足以下条件，则判定Xk为电网运行测量数据一致性采样值；相反，则剔除Xk。则：

(5)

1.2 基于数据融合的雷电灾害影响下电网运行全景可视化建模

PSD-BPA格式的运行方式基本覆盖了网、省、地三级所有的电网运行数据，由于各区域的调度系统关注的重点不同，采用的电网运行基础网络也存在差异，如果盲目对电网运行调度系统之间的数据机械能转换和拼接，可能会导致雷电灾害影响下电网运行数据之间的关联发生失效，需要以PSD-BPA格式的运行方式为基础，建立基于电压等价的雷电灾害影响下电网运行网架简化模型，具体步骤如下。

(1)选定网、省、地三级电网运行全景可视化调度管理模式作为基础方式，对其进行潮流计算，并对潮流计算结果进行自动解析；

(2)确定要保留雷电影响下电网运行网架的电压等级和系统下网节点；

(3)从电力系统下网节点开始遍历并关闭系统内各个子网节点与通信支路；

(4)依据解析后的潮流计算结果读取系统下网店潮流数据，并将其设置为相应节点的有功负荷与无功负荷；

(5)对雷电灾害影响下电网运行网架简化后仍然存在的孤网进行单独处理。

图1给出了220 kV电网运行网架简化设计流程，根据该流程图能够实现对电网运行网络简化的各个步骤的详细设计。

图1 220 kV电网运行网架简化设计流程

通过关联关系模型对雷电灾害影响下电网运行全景可视化数据进行融合，形成完整可用的可视化数据，在上述220 kV电网运行简化网架下，形成电力系统一一对应的可视化数据集，并根据以下分配准则将雷电灾害影响下电网运行全景可视化数据分配到PSD-BPA格式的运行方式各个节点上，建立雷电灾害影响下电网运行全景可视化模型。雷电灾害影响下电网运行全景可视化潮流数据自动融合流程如图2所示。

图2 雷电灾害影响下电网运行全景可视化潮流数据自动融合流程

匹配准则为：

(1)对于雷电灾害影响下电网运行全景可视化数据中的出力数据，如果是电力系统机组给出，在进行数据融合时直接进行参数转换即可；如果是以电力系统电站形式给出，则需要按照机组出力分配后再进行参数转换，该数据融合不影响潮流计算；

(2)对于雷电灾害影响下电网运行全景可视化数据中的负荷数据，通常情况下按照电力系统变电站及其关联节点的形式给出，数据融合方法与上述同理；

(3)对于雷电灾害下电网运行全景可视化数据中的检修数据，由于获得的雷电灾害下电网运行全景可视化测量数据均为状态估计后的数据，包含了电网检修数据，对其进行数据融合处理，只需要在处理出力数据和负荷数据之前，对电力系统中计划检修的设备作停运操作即可，检修数据融合处理有利于雷电灾害下电网运行全景可视化数据的潮流可计算性。

1.3 雷电灾害下电网运行全景可视化数据功率平衡与潮流调整

对于数据直接融合处理后的电网运行方式，由于雷电灾害下电力系统外部与电网运行方式的功率分布不一致，会导致产生的功率存在不平衡，这部分不平衡功率由系统平衡机承担，但如果系统平衡机元件与功率不平衡区域之间的电气距离较大，会导致潮流计算的收敛性能，有必要对数据融合后的电网运行方式进行功率调整。

对于系统中的有功不平衡功率，将电力系统目标区域划分为n个子区域；i表示电力系统分区标号，PG和PL分布表示雷电灾害影响下电力系统子区域有功出力和有功负荷；Pw表示电网运行预测网损；考虑电力系统分区和平衡机组的最大发电能力和最小出力限制，同时对系统子区域网损计算估计，将电网运行过程中产生的不平衡功率均匀分配到各个平衡机组，实现功率平衡调整，则：

(6)

式中；j和k分别表示电网运行负荷标号和平衡机组标号Si表示电力系统分区；PL,j表示系统中第j个符合的有功负荷；PGk表示系统第k个平衡机组的有功出力；PWi表示系统第i个子区域的预测网损；Puei表示电网运行过程中允许的最小功率不平衡量。

根据上述分析与计算可知，对于雷电影响下电网运行过程中无功功率的不平衡量，采用就地补偿机制，在电力系统设置多个补偿节点，将电网运行枢纽节点设置为PV节点，并对系统电压值进行合理设置时雷电灾害影响下电网运行全景可视化数据潮流计算具有较好的收敛性；根据潮流计算结果，在系统中就近选取负荷节点进行无功补偿，直到所有设置的补偿节点的功率在电网运行过程中允许的最小功率不平衡量范围内，将PV节点恢复原始类型，实现雷电灾害影响下电网运行数中的无功不平衡量的调节。

2 雷电灾害影响下电网运行全景可视化模型应用实例分析

在Microsoft Windows7操作系统，版本为JDK1.6的Microsoft Visual Studio 2016编译器开发环境，Inte酷睿四核处理器，2 GB独立显卡，4GB运行内存，MyEclipse Enterprise Workbench 7.5的可视化系统开发平台下进行性能检验。图3给出了一条10 kV馈线作为电网运行全景可视化网络拓扑数据，针对该区域电网运行过程中可能出现的超载、低电压、网损过高等情况进行全景可视化建模分析，提出相应预警方案。

图3 电网运行全景可视化网络拓扑数据

按照上述基于数据融合的雷电灾害影响下电网运行全景可视化建模方法计算图3中各个节点负荷预测曲线，其中一部分结果显示如图4所示。图4中的横坐标代表电网运行时间；纵坐标代表电网运行过程中有功功率标幺值。电网运行潮流计算需要的数据有：系统节点有功负荷和无功负荷、系统节点额定容量。

图4 10 kV馈线部分配电节点的负荷预测曲线

图5绘制了该线路支路1随时间的负载率变化曲线，从图5中可以看出，区域电网运行过程中的整体负荷变化情况，支路1始终处于负荷超载状态，且在测试时间为15：30时达到负荷最大值。为了改变雷电灾害影响下电网运行过程中支路1的负荷超载状态，可以考虑通过图4中的回路对支路1中的部分功率负荷进行转带，但是如果转带过后的支路1的负载率仍然没有较大好转，应该及时对支路1进行线路容量扩展。根据图5可以看出，在测试时间为15：30时该支路达到负荷最大值，此时该10 kV馈线1～30个支路的负载率变化曲线如图6所示。从图6中可以看出，10 kV馈线中的支路1、2、3、4处于严重过载状态，支路6、8、22、27同样也处于过载状态，但是相比支路1、2、3、4程度较轻，而该馈线的10、16、19、21、25支路却处于轻载状态，此时可以考虑将重载状态下支路上的负荷转移到轻载支路上，实现功率平衡调节。

针对图6所示的10 kV馈线各支路负载率情况提出以下预警方案(严重预警用红色代表；较严重预警用黄色代表)：

(1)10 kV馈线支路1、2、3、4属于重载严重预警，用红色标识；

(2)支路6、8、22、27属于重载较严重预警，用黄色警示；

(3)支路11属于轻载严重预警，用红色标识；

(4)支路10、16、19、21、25属于轻载较严重预警，用黄色警示。

综合实验分析结果，10 kV馈线各个支路重载情况比较严重，电网运行短时间内可以考虑通过联络各个业务开关将重载负荷转带给轻载节点；从电网运行长期考虑，则应该通过对10 kV馈线中的部分支路进行容量扩展。

图7为10 kV馈线出现最大负荷时所有节点的负载率变化情况。从图7中可以看出，电网运行过程中配电所在节点(7)和(31)处于重载运行状态，节点(6)、(8)、(15)、(23)处于轻载运行状态，观察整个雷电影响下的电网运行过程发现，并未出现特别严重的超载、重载和轻载状况，但是雷电灾害影响下电网运行过程中大多数配变负载率都低于50%，存在经济性较差的问题，可以通过减小线路容量的方式提供电力系统设备利用率。

图7 10 kV馈线在15：30时所有配电所在节点的负载率

3 结束语

配电网是用户与电力系统输电网之间相互连接的重要环节，与雷电灾害影响下电力系统中的输电网相比较，配电网的结构更加复杂，规模也更加庞大，自动化技术水平相对较低，电网运行数据采集困难程度更大，实现雷电灾害影响下配电网运行全景可视化建模对保证电力系统的安全、稳定以及经济运行具有重要意义。

(1) 针对这一现状，提出以一种基于数据融合的雷电灾害影响下电网运行全景可视化建模方法，并通过实例分析结果证明了所提方法的合理性与可行性。

(2) 本文通过对分布图法对雷电灾害后电网运行数据进行分类，通过关联关系模型对电网数据融合，根据分配准则匹配对应电网运行数据，实现全景可视化模型的建立。