智能配电网低压可视化技术的研究

林云峰

摘要：本文概述智能配电网，重点研究其可视化处理。分别从运行状态以及实时分析展开，前者有图层及信息反演等；后者有程序更新、统计频率及电能质量等。以供参考。

关键词：智能配电网；低压；可视化

引言：智能化的配电网低压可视化，能克服传统低压配电网运行中的不足，实现对相关运行信息的实时监测、运维管理、电能质量把控等。切实解决低压台区运行的问题，有效提升管理低压配电网的效果，改进电网服务管理模式。

一、智能配电网

智能配电网为智能电网中的重要构成，和一般配电网相较，其具备自愈能力，运行安全性更加突出，可输送高品质的电能。此外，还可和用户进行必要互动，支持同时接入若干DER，日常的配电及用电管理更加现代化，最关键的是可对自身与接入设备实现可视化管理。

二、配电网低压可视化分析

（一）运行状态

1.横纵分析

一方面，横向可视化处理。系统在取得可视化信息后，借助生成轻型趋势图。按照当下时刻形成的信息，得到等高线、同步电压相量以及非电量信息的三个图层，通过GIS完成叠加整合。图层支持拖移及定位等若干操作功能，使相关人员能随时掌握配电网运行状态。

另一方面，纵向可视化处理。此项可视化分析，包含实时采集信息、绘制图层以及人机交互。更新视图的动作，会根据设定间隔周期进行，移出部分时间较早的数据，补上对应条数的新内容，构成可视化的信息集合。按照内部信息的类型、装置编号，会在电压幅值等视图上，进行图层叠加，根据设定格式，添加坐标及刻度等标记，传输至访问接口，实现人机交互。操作人员可借助信息筛选、改变信息跨度及更新周期等，调整图形的属性，也可通过截图及录波等操作，实现离线的反演研究。以常规的趋势图为例，其所示内容包括标题、刻度及图例等，能按照数据情况，自动改变坐标，满足精细化输出的效果。在有若干量测设备的信息出现在一个框图内，页面信息会处于叠加的情况，造成视图混乱，无法正常查看，对此，配备筛选信息功能，以达到同步装置的可视化。一般而言，实测频率处于 之内，在频率趋势图上，可确定各区域频率波动存在高低频不同。分析趋势图，可以比较各区域频率波动情况。对于低压配电网，实际操作管理中，会和不同电压等级的信息被挑选，而有名值不能全部显示在页面上，所以可借助标幺值的方式，实现可视化。借助电压常规图，确定电能质量情况。相角量测信息使用角度值输出，处于 之间，同时，相角变化情况，可表现出额定功率和工频的联系。在相角扩大中，说明目前频率超过额定频率，反之亦反。

式中， 是同步相量相角； 是初始相角； 是频率； 是额定频率； 表示时间^[1]。

2.多图层

根据GIS，实现多图层的综合处理，兼顾量测信息等电量数据系统特点和非电量数据。可视化多图层的设计，包括地理信息、轻型趋势等图层，如地理信息图层中，有街景及卫星地图、经纬度坐标，属于常量信息，支持缩放与拖移。借此，配电网调度人员，能直接看到不同量测数据，以实现横向比较，分析各区域的不同。根据GIS形成的系统，可显现配电网运行状态，鉴于同时输出常规趋势图，会因为数据过大，包含内容过多，导致视图过比较复杂，所以，选择轻型趋势图，进行视图整合。和同步电压相量比较，轻型趋势图输出范围广，如果同时输出过多内容，也会造成视图混乱，对此，通过GIS缩放等级调整。具体而言，比如当下缩放等级是 ，视图呈现阈值是 ，在 条件下，输出图像。另外，考虑到轻型趋势图仅输出局部信息，而现实智能配电网的管控中，需同步观察不同场景，为此实施多分屏的方式。

根据凝聚层次，实现聚合图元。智能配电网中，安设诸多同步量测设备，部分可视化内容依旧处于清晰状态，而如果GIS调成市级或者全国的缩放程度后，会出现混乱的状况，无法完全辨认图元。对此，采取聚合图元的方式，直接表现出某地区的配电网运行情况。此处涉及到的凝聚层次，属于由下至上聚类算法，通过分析不同簇的距离，逐一完成合并。此算法运用到GIS可视化上，能借助缩放动作启动算法。把单个簇设成 ， 代表聚合处理次数， 则是编号。把单一同步量测的 当成单独簇 ，得到初始集合，而后随机计算两项簇-- 和 ，二者的平均距离。

式中， 表示两个簇的距离均值； 与 分别对应 和 的量测点数量。

3.信息反演

在借助同步数据的系统，对低压配电网进行可视化监控中，会发生短时间内，不能确定系统状态的状况，此时便需观察录波及波形信息。调度人员能手动进行录波，获取对应时段的录波资料，而后借助系统中带有的查看器，观察录波，以此达到反演配电网历史信息的目的，或者通过录波资料搭配高级应用，实现离线分析。另外，为符合对信息分析的精细化程度标准，录波信息通过常规趋势图输出，查看器则支持交互性分析。根据GIS实现数据的动态反演，在智能化配电网中，实施全天候的检测，并直接保存在系统数据库内，操作人员能从数据库内直接取得资料，支持离线分析，或者查看配电网运行回放记录，以了解某时段的动态运行情况。历史资料可视化处理，和实时信息一致，确保使用者能掌握所有图元代表的内容。比如，在进行信息反演操作中，可视化视图，通过动画方式输出信息，间隔设定周期进行数据刷新，放大视图局部后，会显现出多项量测单元，掌握对应配电网的电压有效值及频率等

^[2]。

（二）实时分析

1.程序更新

在智能化配电网的管理中，同步数据的运用，会是分析程序逐渐增多，对此需重视程序接入的问题。具体来说，数据方面，因为配电网低压的干扰源数量多，实际采集测量及传送、转化期间，可能带有噪声信息，所以在分析调度前，需对信息实施预处理。在分析实测轨迹中，实际应用时间尺度及空间范围均有区别，所以采取不同的访问模式，包括分段及滑动的数据窗。可视化方面，获取当下实时信息及历史资料、研究结果，生成图形。程序方面，基于数据接口，确定合适跨度及类型的信息，自动启动程序，进行图形化处理及后续研究。按照形成可执行程序过程，有无编译环节，编写所用高级语言包括：编译类和解释类。以预处理环节为例，配电网低压装置里，会有大量元件，实际投切操作次数多，使得电压波形容易被干扰。而同步相量类的算法，自身抗噪水平不高，数据从量测装置传送至主站期间，会被扰动。对此，需实施预处理。其一，进行合理化校验，辨识及估计异常值，面对偏差及遗漏信息，会选择外推法及差分法，以前者为例，其时效性更佳。运行中，基于历史正常不间断的量测信息 ，借助最小二乘法及多项式等，确定某时刻的估计值，即 ，最小二乘法下，让 和之前 个量测信息之间的平方差和，即 处于最小值。

在现实量测值和估计值之间的差值，大于误差阈值，说明对应信息是异常值。而运用多项式中，为加快算法运行速度，通常会选择连续五项，同时运用一阶及二阶的形式。确定异常值后，能将由外推发取得的估计值替换。

2.统计频率

频率可表现出有功电源及负载功率之间的联系，按照数值及时间区间、分布特性，研究频率信息，确定其趋势规律，继而支持相关管理决策，使配电网得以经济运转。根据分段数据窗的接口，不间断统计频率相关的各项指标，把单日取得的分析结果，保存到数据库内，以周及月、季度等，实施整体分析。在实时统计中，会在时间推进下，积累大量资料，建议避免程序退出时造成数据消失，采取自动备份的方式。所以，开启分析程序时，第一步是读取备份资料，将统计内容还原，基于此开展后续的工作。统计信息后，会直接把结果上传至平台，获取可视化结果。电网频率通常是 均值正态分布，而实际测量后，频率会有偏态的情况。而频率分布出现不对称的情况，形成原因通常是由于发电机的调频水平差异，发电机调频期间，出现非线性因素，使得频率分布呈现非正态的情况。对此，能借助频率分布曲线，判断调频死区与升降负荷速率，支持有效调整^[3]。系统运行中被干扰后，频率会出现偏移现象，并且偏移程度及连续时长，会直接影响系统运行。通过偏移安全及持续时间的阈值，能比较完整地现实偏移安全性标准。

3.数据分析

根据低频振荡及频率的实时监测情况，探讨滑动数据窗中，实时分析信息的状况。在供电系统中，低频振荡包括线路功率及发电机转角等，振荡频率通常在 之间。如果振荡频率处于 ，一般是区域间功率振荡情况，一般出现在重负荷且远距离输送的部分。假设低频振动保持时间偏长，则会干扰系统平稳工作，需及时加以处理。在遇到该种情况时，测量轨迹可显示出振荡形式，所以借助分析信号的方式，确定处于主导地位的模态。供电系统正常运行中，有功功率为供需平衡的状态，并且频率几乎是固定的。而现实运转期间，电网会遇到扰动情况，导致频率一直是动态。对于滑动数据窗内的信息处理，取得及预处理信息后，随机选择两个装置的电压相位差。在发现低频振荡现象后，确定主导模态。基于频率量测结果的平均变化率，在出现越界情况后，保留事件记录，作为后期反演资料。

4.电能质量

配电网中连接的用户端，会出现诸多低压装置接入，而此类装置运行中出现不平衡电流，能引发畸变波形。配电网中形成谐波，会降低测量及运维装置的正常运行，如变压器。为能够对畸变程度进行量化分析，采用畸变率表示。如果谐波较多，会干扰电网运转。为能够对谐波总含量实施细化处理，用含有率表示单次谐波情况。鉴于导进各个谐波及三相信息后，可视化内容数量增加，应用柱状图等形式，会导致视图混乱，所以增添极坐标，把单个谐波含量对应的三项信息，集中在一个角度中。如果后生成视图面积超过以前的图形，能盖住原本图形，使得数据丢失，对此，选择把图元根据面积，按照降序逐一部署。

在配电网中，用户一般是单相及三相负荷，同时负荷情况及应用时刻不固定，所以三相接入模式下的负荷总量通常不同。对于三相的不平衡度，应当同步输出三相的电流及电压幅值、不平衡度及相位^[4]。

5.信息反演

调度人员在查看实时信息中，还需同时了解以往统计内容，以进行动态反演对比。并且以往统计资料在反演中，可按照需要，自动把历史信息进行聚合处理。对此，可利用智能程序 达成，操作时把历史信息数据库连上，选定时间及区域、装置名称等，对此自动化完成合并及离散，通过图形状态输送至操作前端。对配电网长期监视期间，高密度及精度的信息逐渐增多，而真正具备分析价值的为：占比较小的故障记录。为能高效获取以往事件记录，系统能将出现的事件，自动保留记录，能通过可视化前端了解。而为能显现出事件对应时空情况，构成三维分布图，通过多帧的动画，显现彼时事件的整个过程。对此，添加运用针对频率动态事件的反演程序，事件推进期间，保留多个时间点的截面信息，操作人员在启动反演程序后，点击对应文件，便能看到三维动画模拟的图像。同时，观看动画中，操作人员也能使用正常的交互性工具，以从不同步视角了解事件。

结束语：可视化技术的运用，是智能配电网的一大进步，向调度管理人员输出清晰详细的运行资料，方便日常运维，实现对连接的用电装置，进行实时的动态化、针对性管理。并借助信息反演，研究配电网历史运行状态，利于提升调度决策的合理性。

参考文献：

[1]周荣乐,朱金凤.智慧城市的智能配电网整体解决方案[J].电气时代,2020,(12):26-28+36.

[2]葛诗涵.智能配电网运行状态评价指标体系优化研究[D].山东理工大学,2020.

[3]李毅.基于同步数据的配电网运行状态可视化研究[D].山东大学,2019.

[4]张勇军,刘斯亮,江金群,等.低压智能配电网技术研究综述[J].广东电力,2019,(01):1-12.