阅读说明：本技术 一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统 (Impedance identification method and system based on low-voltage distribution network ) 是由 刘庆程 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统,属于电网供电分析技术领域。该方法包括：获取低压配电网络拓扑线路中每个节点电流和电压；根据所述每条支路的电阻初值、电抗初值、每个节点电流I以及每个节点电压U计算得到变压器二次侧出口处电压值U<Sub>A</Sub>；根据所述变压器二次侧出口处电压值U<Sub>A</Sub>,计算变压器二次侧出口处电压值的平均值U<Sub>Aavg</Sub>和方差U<Sub>Avar</Sub>；重复上述步骤,计算整个时间序列T变压器二次侧出口处电压值的平均值U<Sub>ATavg</Sub>和方差U<Sub>ATvar</Sub>；其中T表示整个时间序列；将所述变压器二次侧出口处电压值的平均值(U<Sub>At</Sub>)<Sub>ave</Sub>和方差U<Sub>ATvar</Sub>通过最优化算法计算得到各支路电阻、电抗值。解决了现有技术对低压配电网阻抗识别存在误差,不够精确的问题。(The invention discloses an impedance identification method and system based on a low-voltage distribution network, and belongs to the technical field of power supply analysis of a power grid. The method comprises the following steps: acquiring current and voltage of each node in a low-voltage distribution network topological line; calculating to obtain a voltage value U of a secondary side outlet of the transformer according to the initial resistance value, the initial reactance value, the current I of each node and the voltage U of each node of each branch A (ii) a According to the voltage value U at the secondary side outlet of the transformer A Calculating the average value U of the voltage value at the secondary side outlet of the transformer Aavg Sum variance U Avar (ii) a Repeating the steps, and calculating the average value U of the voltage values at the secondary side outlet of the whole time series T transformer ATavg Sum variance U ATvar (ii) a Wherein T represents the entire time series; averaging (U) the voltage values at the secondary side outlet of the transformer At ) ave sum variance U ATvar Calculating to obtain each branch through an optimization algorithmresistance, reactance value. The problem of prior art to low voltage distribution network impedance identification have the error, accurate inadequately is solved.)

一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统

技术领域

本发明属于电网供电分析技术领域，具体地说，涉及一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统。

背景技术

低压配电网中的电力线路参数是对其进行潮流计算、线损分析、窃电监测等的基础，而目前对于这方面的研究并不多，主要是由于无法获得低压配电网的量测数据。随着智能电网高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)的出现，使得利用量测数据进行配电网阻抗识别成为可能。

现有技术一般通过两种方案进行配电网阻抗识别。第一种方案：利用网络中每个电表每小时的功率和电压平均值，以及GIS中的拓扑数据，提出了估计变压器二次侧出口处每小时电压平均值、计算二次侧各支路阻抗值的方法，同时描绘了当出现拓扑连接错误和存在窃电现象时的电压曲线并分析了其异常。对于第一种方案，用户数量并不多的情况，通过观察描绘出的电压曲线可以分析出拓扑连接错误和存在窃电现象的异常，但是当网络中的用户数量较多时，通过描绘电压曲线分析可能无法得到满意的结论。第二种方案：利用电表与台区变压器二次侧出口处电压数据的相关性进行电表所属相的判断，认为与电表电压数据相关系数最大的相(各相数据为台区变压器二次侧出口处电压数据)即为该电表所在相。在“直接相连于同一节点的两个电表电压数据间的相关系数最大”的假设下，对配电网二次侧进行了自下而上的建模，并得到了每个电表上游交汇节点处的电压值。对于第二种方案中电压关系模型并不精确，只是近似关系，可能对建模结果产生影响。因此现有技术对低压配电网阻抗识别存在误差，不够精确。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术对低压配电网阻抗识别存在误差，不够精确的问题，本发明提供一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统，通过将所述变压器二次侧出口处电压值的平均值和方差通过最优化算法计算得到电阻、电抗值，使计算结果更加精确，能够结合出口侧电压电流变化，结合大数据分析结果，实现针对供电回路的设备、线路老化，回路短路等状态识别更为精确。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

本发明第一方面提供一种基于低压配电网阻抗识别方法，包括：

S102：配置低压配电网络拓扑线路中每条支路的电阻和电抗初值,并设置时间断面t＝1；

S104：获取时间断面t＝1的节点电压和支路电流；根据所述每条支路的电阻初值、电抗初值、每个支路电流I以及每个节点电压U，从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游计算得到变压器二次侧出口处电压值U_A；

S106：根据所述变压器二次侧出口处电压值U_A，得到变压器二次侧出口处电压值的平均值U_Aavg和方差U_Avar；

S108：设置时间断面t＝t+1回到步骤S104，直至计算出整个时间序列T的变压器二次侧出口处电压值的平均值(U_At)_ave和方差U_ATvar；

S110：以所述变压器二次侧出口处电压值在整个时间序列T内方差U_ATvar平均值最小为目标，通过最优化算法计算得到各支路电阻以及电抗。

进一步的，所述步骤s102中，将低压配电网络拓扑线路中每条支路的电阻和电抗初值均配置为0。

进一步的，所述步骤s104中变压器二次侧出口处电压值U_A计算步骤包括：

对于每一段线路有

其中，U_up表示该支路上游节点电压，即U_A；U_down表示该支路下游节点电压；R表示线路的电阻；X表示段线路的电抗；表示U与I的夹角；△U表示与U_down同方向的矢量；δU₁表示与U_down方向垂直的的矢量；

从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游计算得到U_A。

进一步的，在所述步骤S108中，根据公式计算变压器二次侧出口处电压值的平均值；

根据公式计算变压器二次侧出口处电压值的方差；

其中U_Atj表示时间t时以电表j为推导起点得到的变压器二次侧出口处电压值U_A。

进一步的，所述时间序列长度T取5。

进一步的，将得到的各支路电阻、电抗值进行统计，用于预判用户线路潜在风险；所述风险包括线段断线、老化以及故障。

本发明第二方面提供一种基于低压配电网阻抗识别系统，包括：

初值配置模块，用于配置低压配电网络拓扑线路中每条支路的电阻和电抗初值,并设置时间断面t＝1；；

第一计算模块，用于获取时间断面t＝1的节点电压和支路电流；根据所述每条支路的电阻初值、电抗初值、每个支路电流I以及每个节点电压U，从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游计算得到变压器二次侧出口处电压值U_A；

第二计算模块，根据所述变压器二次侧出口处电压值U_A，得到变压器二次侧出口处电压值的平均值U_Aavg和方差U_Avar；

第三计算模块，用于设置时间断面t＝t+1回到步骤S104，直至计算出整个时间序列T的变压器二次侧出口处电压值的平均值(U_At)_ave和方差U_ATvar；；

最优算法计算模块，用于以所述变压器二次侧出口处电压值在整个时间序列T内方差U_ATvar平均值最小为目标，通过最优化算法计算得到各支路电阻以及电抗。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供一种基于低压配电网阻抗识别方法，通过将所述变压器二次侧出口处电压值的平均值和方差通过最优化算法计算得到电阻、电抗值，使计算结果更加精确，能够结合出口侧电压电流变化，结合大数据分析结果，实现针对供电回路的设备、线路老化，回路短路，拓扑变更，窃电等状态识别更为精确；

(2)本发明利用回路阻抗测量的统计结果，可以用于预判用户潜在的断线，保证在发出警告信号之后、客户供电回路断线之前，运维人员有足够处理时间，能够定位出线路老化或故障点，提前发现故障类型并定位，及时安排现场检修，减少设备故障，提升工作效率及用户满意度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于低压配电网阻抗识别方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于低压配电网阻抗识别系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种低压配电网络配电架构示意图；

图4为本发明实施例提供的低压配电网络配电模型示意图A；

图5为本发明实施例提供的配电网二次侧模型示意图；

图6为本发明实施例提供的配电线路两端电压关系示意图；

图7为本发明实施例提供的低压配电网络配电模型示意图B；

图8为本发明实施例提供的矢量分解示意图；

图9为本发明实施例提供的用户侧电回路阻抗变化示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。

具体实现中，本发明实施例中描述的终端包括但不限于诸如具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的移动电话、膝上型计算机或平板计算机之类的其它便携式设备。还应当理解的是，在某些实施例中，所述设备并非便携式通信设备，而是具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的台式计算机。

在接下来的讨论中，描述了包括显示器和触摸敏感表面的终端。然而，应当理解的是，终端可以包括诸如物理键盘、鼠标和/或控制杆的一个或多个其它物理用户接口设备。

终端支持各种应用程序，例如以下中的一个或多个：绘图应用程序、演示应用程序、文字处理应用程序、网站创建应用程序、盘刻录应用程序、电子表格应用程序、游戏应用程序、电话应用程序、视频会议应用程序、电子邮件应用程序、即时消息收发应用程序、锻炼支持应用程序、照片管理应用程序、数码相机应用程序、数字摄影机应用程序、web浏览应用程序、数字音乐播放器应用程序和/或数字视频播放器应用程序。

可以在终端上执行的各种应用程序可以使用诸如触摸敏感表面的至少一个公共物理用户接口设备。可以在应用程序之间和/或相应应用程序内调整和/或改变触摸敏感表面的一个或多个功能以及终端上显示的相应信息。这样，终端的公共物理架构(例如，触摸敏感表面)可以支持具有对用户而言直观且透明的用户界面的各种应用程序。

对于背景技术中提到的第一种方案：利用网络中每个电表每小时的功率和电压平均值，以及GIS中的拓扑数据，提出了估计变压器二次侧出口处每小时电压平均值、计算二次侧各支路阻抗值的方法，同时描绘了当出现拓扑连接错误和存在窃电现象时的电压曲线并分析了其异常。

如图4中展示的低压配电网络配电模型示意图A，其表述变压器二次侧出口处电压的公式为：

其中，U_ij表示变压器二次侧出口处的电压，下标j表示是由第j个电表数据计算得到的；U_j表示电表每小时的电压平均值，L_j表示电表每小时的功率平均值，Z_j和Z_ij表示线路阻抗。

经申请人研究发现，上述建立的模型中虽然Z_j和Z_ij表示为阻抗，但是在计算过程中只考虑了电阻，并未将阻抗表示为Z＝R+jX的复数形式，其中Z表示线路阻抗，R表示电阻，X表示电抗，这在电力线路模型的建立上与实际差距较大；对应地，功率也只考虑了有功分量而未涉及无功分量，不符合实际低压配电网的实际情况。同时，对于该方案中用户数量并不多的情况，通过观察描绘出的电压曲线可以分析出拓扑连接错误和存在窃电现象的异常，但是当网络中的用户数量较多时，通过描绘电压曲线分析可能无法得到满意的结论。

对于背景技术中提到的第二种方案：

如图5和6所示所示，利用电表与台区变压器二次侧出口处电压数据的相关性进行电表所属相的判断，认为与电表电压数据相关系数最大的相(各相数据为台区变压器二次侧出口处电压数据)即为该电表所在相。在“直接相连于同一节点的两个电表电压数据间的相关系数最大”的假设下，对配电网二次侧进行了自下而上的建模，并得到了每个电表上游交汇节点处的电压值。,

该方案在进行建模的过程中，将线路的电压降表示为：U_drop≈RI_R+XI_X，于是下图中线路两端的电压关系表示为：U₀＝U₁+R₁I_1,R+X₁I_1,X，其中，U₀表示一端电压，U₁表示另一端电压，R、X分别代表该段线路的电阻、电抗，I_R、I_X分别代表线路中流过电流的有功分量和无功分量。

申请人研究发现，上述方案中电压关系模型并不精确，只是近似关系，可能对建模结果产生影响。另外建模的假设条件“直接相连于同一节点的两个电表电压数据间的相关系数最大”在实际的配电网中并不严格成立。

本发明的目的是针对电力行业实际需要，提供一种基于低压配电网阻抗识别方法和系统，所要解决的技术问题是通过对节点电压U，支路电流I以及网络拓扑结构进行分析，得到低压配电网的支路阻抗参数。低压阻抗回路监测通过对末端、节点的低压智能监测单元、智能配变终端等设备所采集的实时与历史运行数据，计算和分析台区低压各节点的回路阻抗，结合出口侧电压电流变化，结合大数据分析结果，实现针对供电回路的设备、线路老化，回路短路，拓扑变更，窃电等状态或行为进行主动识别。根据实时计算结果进行分析，通过事件报警、运行指标等方式上传到智能化运维管控平台，借助线路阻抗辨识量化方法实现低压配网故障预警主动提示功能。

实施例1

如图1所示，一种基于低压配电网阻抗识别方法流程示意图：

S102：配置低压配电网络拓扑线路中每条支路的电阻和电抗初值,并设置时间断面t＝1；

具体的，可以将置电阻和电抗初值为0，

S104：获取时间断面t＝1的节点电压和支路电流；根据所述每条支路的电阻初值、电抗初值、每个支路电流I以及每个节点电压U，从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游计算得到变压器二次侧出口处电压值U_A；

对于每一段线路有

其中，U_up表示该支路上游节点电压，即U_A；U_down表示该支路下游节点电压；R表示线路的电阻；X表示段线路的电抗；表示U与I的夹角；△U表示与U_down同方向的矢量；δU₁表示与U_down方向垂直的的矢量；

从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游上推，最终得到U_A。

下面进一步对上述公式进行推导：

如图7所示，对于从点B到电表1的线路，根据欧姆定律，有：

其中表示点B电压；分别电表1的电压；表示从点B流向电表1的电流；Z_B-1表示电路的阻抗。

进一步，该段线路的阻抗Z_B-1采用式Z＝R+jX定义的电力线路数学模型：

Z_B-1＝R₁+jX₁ (2)

其中表示点B电压；分别电表1的电压；表示从点B流向电表1的电流，R₁表示线路的电阻；X₁分别表示线路的电抗。

如图8所示，以的方向为参考轴，分析与的关系，得到向量图：

将分解为与同方向的和与方向垂直的二者的大小分别为

其中，分别电表1的电压；R₁表示线路的电阻；表示与的夹角，△U₁表示与同方向的矢量；δU₁表示与方向垂直的的矢量；表示从点B流向电表1的电流。

在计算大小的过程中，中间变量利用了将分解得到的相垂直的R₁I₁和jX₁I₁，前者方向与的方向相同，后者方向与方向相垂直。

进一步，将电表1的功率可以表示为：

其中，P₁表示有功功率；Q_i表示无功功率。

在上图8中，可以得到关于电压的等式：

联立式(3)至(7)，建立方程如下：

其中，U₁表示下游支路电压；P₁表示有功功率；Q₁表示无功功率；R₁表示线路的电阻；X₁表示段线路的电抗；表示U₁与的夹角。其中电表1的电压、有功功率和无功功率均是量测已知量。

将公式(7)转换为为U_B关于R₁、X₁的方程：

U_B＝f(R₁,X₁) (9)

该方程为二次方程。同理，在图7中，点C与点B间的电力线路的关系也可表示为U_C关于点C与点B间电阻、电抗以及点B下游各支路电阻、电抗的方程。在此过程中，需要将U_B和I_b作为已知量，U_B可通过式(9)求得，I_b可通过直接量测得到，也可通过公式(8)获得U_C的值，此时点B的功率等于其下游电表的功率与线路损耗的总和：

其中，m表示下游电表和支路的总数；对于点C的计算，点B可以视作其下游的虚拟电表。P_B表示点B的有功功率，Q_B表示点B的无功功率，△P_j表示第j条支路的有功功率损耗，△Q_j表示第j条支路的无功功率损耗，R_j表示第j条支路的电阻值，X_j表示第j条支路的电抗值；P_j表示第j条支路的有功功率；Q_j表示第j条支路的无功功率。

因为式(11)和(12)中涉及到了点B下游各支路的电阻、电抗，所以U_C是关于点C与点B间电阻、电抗以及点B下游各支路电阻、电抗的方程。

以此类推，得到变压器二次侧出口处节点A的电压U_A关于该低压配电网各条线路电阻以及电抗的方程：

U_A＝f(R₁,R₂,K,X₁,X₂) (12)

根据上述推导过程，式(12)的推导起点是电表1，如果将网络中不同的电表作为起点进行推导，均可得到类似式(12)的方程，用行向量[U_A1 U_A2 L U_An]表示，其中U_Aj(j＝1,2,L,n)表示以电表j为推导起点得到的U_A，n为该低压配电网的电表总数。

以上分析与推导均是对某一时刻的低压配电网进行的，即时间等于某一特定的时刻t，为保证算法的准确度，可利用一个长度为T的时间序列用于计算和分析，以避免某一时刻的量测错误对结果的影响，在这些时间序列中，线路的长度、参数是不变的。

S106：根据所述变压器二次侧出口处电压值U_A，得到变压器二次侧出口处电压值的平均值U_Aavg和方差U_Avar；

具体的，根据公式计算变压器二次侧出口处电压值；

根据公式计算变压器二次侧出口处电压值的方差；

其中U_Atj表示第j个表示变压器二次侧出口处电压值。

S108：设置时间断面t＝t+1回到步骤S104，直至计算出整个时间序列T的变压器二次侧出口处电压值的平均值(U_At)_ave和方差U_ATvar；

具体的，改变时间断面t的设置，计算整个时间序列的方差的平均值，一般时间序列长度取为T＝5即可，即t的变化范围为1至5。

S110：以所述变压器二次侧出口处电压值在整个时间序列T内方差U_ATvar平均值最小为目标，通过最优化算法计算得到各支路电阻以及电抗。

具体的，据最优化算法，改变电阻和电抗的值，返回步骤S104，直到整个时间序列内目标函数最小，此时的各支路电阻、电抗值即为所求解，最优化算法如下：

其中；T表示时间序列的长度；U_Atj表示第j个表示变压器二次侧出口处电压值；

其约束条件为电阻和电抗值均大于零。对于点A的电压可测(如当配变装有负控终端)，U_A就成为已知量测量U_{A_measure}；优化问题的目标函数可直接变为每个电表计算得到的U_A与U_A实测值的差值，即可用U_{A_measure}代替上述平均值(U_At)_ave的作用。

如图3所示，在上述方法的的基础上本实施例进一步提供一种低压配电网络配电架构，该架构在配变侧包括相互连接的配变电压器60、低压总开线70、分出向开关80，在用户侧的设置用户监测电表90，分出向开关80与用户监测电表90连接；其中低压总开线70、分出向开关80以及用户监测电表90均与智能配变终端100通信连接，具体可以是通过3G或4G网络，或者无线wifi网络进行连接，此架构在现有技术中运用比较成熟，在此不做赘述。

根据低压配电网络结构，采用回路阻抗测量原理，通过测量两个时刻的各用户电压电流变化率确定回路阻抗。其中回路阻抗是根据采样量测基于辨识算法得出的的实时阻抗，阻抗值估计是在实时阻抗基础上运用统计学原理对实时阻抗进行概率统计。通过等时间间隔的测量方式，得到一天的阻抗估计值样本，利用统计原理得到样本的中位数作为用户当天的阻抗估计值。具体的，根据智能配变终端采集每天配变侧和用户侧低压总开70关、分出线开关80和用户侧在线监测电表90的测量数据，通过统计方法得到每天的阻抗估计值，并利用概率统计的方法估计结果的置信区间。

利用回路阻抗测量的统计结果，可以用于预判用户潜在的断线，保证在发出警告信号之后、客户供电回路断线之前，运维人员有足够处理时间，能够定位出线路老化或故障点，提前发现故障类型并定位，及时安排现场检修，减少设备故障，提升工作效率及用户满意度。

如图9所示，根据噪音、误差、老化速率以及故障等情况，设置阻抗变化判据的门槛值，该门槛值的设定基于现场环境、工程经验值、故障率等因素综合给定。基于回路阻抗测量结果实现潜在的故障预判，在正常情况下，回路阻抗是一个较稳定的值。若发生线路短路等故障，则辨识值会有较大波动，若波动超过门槛值，则推出告警信息给用户。保证在发出警告信号之后、低压设备故障之前，运维人员有足够处理时间，具体故障预判时序图如下图所示。通过定位出线路老化或故障点，提前发现故障类型并定位，及时安排现场检修，减少设备故障，提升工作效率及用户满意度。

表1为智能配变终端100采集的数据频率

表2为智能配变终端100采集的数据计算阻抗的频率

经申请人经过测试，通过表1采集的数据频率采集的数据，按照上述方法得到表2采集的数据计算阻抗的频率，进行低压配电电路的计算，其资源消耗少，可以在配置较低的硬件终端上运行，适应范围广。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种基于低压配电网阻抗识别系统包括：

初值配置模块，用于配置低压配电网络拓扑线路中每条支路的电阻和电抗初值,并设置时间断面t＝1；；

第一计算模块，用于获取时间断面t＝1的节点电压和支路电流；根据所述每条支路的电阻初值、电抗初值、每个支路电流I以及每个节点电压U，从配电网络拓扑线路的末端节点逐级向上游计算得到变压器二次侧出口处电压值U_A；

第二计算模块，根据所述变压器二次侧出口处电压值U_A，得到变压器二次侧出口处电压值的平均值U_Aavg和方差U_Avar；

第三计算模块，用于设置时间断面t＝t+1回到步骤S104，直至计算出整个时间序列T的变压器二次侧出口处电压值的平均值(U_At)_ave和方差U_ATvar；；

最优算法计算模块，用于以所述变压器二次侧出口处电压值在整个时间序列T内方差U_ATvar平均值最小为目标，通过最优化算法计算得到各支路电阻以及电抗。