基于聚类算法的城市中压配电网接线模式识别_尚龙龙.pdf

配电424供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月0 引言城市电网是城市内部各电压等级电网的总称，是城市现代化建设的重要基础设施。我国电网按电压等级可分为4种，即输电网（500 kV）、高压配电网（220、110、35 kV）、中压配电网（20、10 kV）和低压配电网（380、220 V）1-2。在配电系统规划过程中，电网结构是城市电网规划改造的一个重要问题，合理的电网结构是满足供电可靠性、提高运行灵活性、降低网络损耗的基础，而接线模式是电网结构的基本反映，不同的接线方式直接反映了配电网规划的经济性和可靠性3-6。对中压配电网进行接线模式识别，有助于全面了解中压配电网的结构特征，及时发现网架结构的薄弱环节，对于配电网建设改造和接线模式标准化具有重要意义。当前对配电网接线模式识别的研究主要集中于对配电网网络元件连接关系（即拓扑结构）的分析7，以及以拓扑分析为基础的接线模式经济性和可靠性等的计算8-11，忽略了对中压配电网的网络结构特征提取和典型接线模式识别，缺乏对接线模式的进一步统计分析，因而难以发现所研究的中压配电网的本质特征。文献12提出了一种基于网络拓扑分析和模式识别的城市中压配电网接线模式自动识别方法，可以有效识别中压配电网典型接线模式，但特征库数据有限，无法覆盖所有典型的电网结构。文献13-14基于城市高压配电网的接线模式模型提出了相应接线模式的自动识别方法，但主要针对高压配电网，并没有给出中压配电网接线模式识别的具体实例。另一方面，当前局部地区存在中压配电网闭环运行情况，智能软开关（soft open points，SOP）和电压源换流器（voltage source converter，VSC）等新型电力电子设备的技术进步促进了交直流混合配电技术的发展，使得配电网出现了一些新型网架结构，目前尚没有关于上述新型网架结构的接线模式特征、识别方法的研究成果发表。综上所述，针对当前中压配电网接线模式识别的研究不足，本文首先分析了10 kV架空线路、电缆线路的典型接线方式和闭环运行交流配电网、交直流混基于聚类算法的城市中压配电网接线模式识别尚龙龙1，邓世聪1，刘洋宇1，刘伟2（1深圳供电局有限公司，广东 深圳 518028；2中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）摘 要：接线模式识别是配电网规划的基础，对于保障配电网可靠、安全、经济运行具有重要意义。结合10 kV城市中压配电网接线模式特点，提出一种基于深度优先搜索分析和聚类算法的接线模式识别方法。首先，采用深度优先搜索算法将一个完整配电网划分为若干馈线树，作为模式识别的基本对象；然后，针对各种10 kV交流电网、交直流混联电网等典型网架结构，分别提取接线模式特征指标并形成特征参数库；最后，利用聚类算法将未知待识别线路的特征与已知特征库进行匹配。算例仿真结果验证了所提特征指标的有效性，聚类方法能够实现中压配电网接线模式的准确识别。关键词：中压配电网；接线模式识别；聚类算法；深度优先搜索算法；配电网规划中图分类号：TM76 文献标志码：A DOI：10.19421/ki.1006-6357.2023.02.004引文信息尚龙龙，邓世聪，刘洋宇，等基于聚类算法的城市中压配电网接线模式识别J 供用电，2023，40（2）：24-31SHANG Longlong,DENG Shicong,LIU Yangyu，et alConnection pattern recognition of urban medium voltage distribution network integrated with clustering algorithmJ Distribution&Utilization，2023，40（2）：24-31基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目“数字化转型背景下的配电网智能规划关键技术研究”（090000KK52200008）。Supported by China Southern Power Grid（090000KK52200008）.供用电2023年第02期第一部分.indd 24供用电2023年第02期第一部分.indd 242023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电425供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月合配电网等新型接线模式，提取了不同接线模式的特征指标。然后，提出了基于深度优先搜索（depth-first search，DFS）和聚类算法的接线模式识别算法。DFS是一种图遍历算法，可以获得电网的拓扑结构，并对电网接线模式识别进行预处理。将典型接线模式作为聚类簇心，采用聚类算法将待识别的未知线路的接线特征与簇心进行匹配，从而识别出对应的具体连接模式。最后，通过算例验证所提接线模式特征模型和识别方法的有效性。1 城市中压配电网接线模式分析与特征提取1.1 城市中压配电网接线模式传统10 kV配电网典型电网结构如表1所示。架空网中，“手拉手”型与多分段两联络型均属于多分段多联络型接线模式；电缆网中，“二供一备”型、“三供一备”型、“四供一备”型均属于“N供一备”型接线模式。表1传统10 kV配电网的典型电网结构Table1 Typical power grid structures of 10 kV distribution network电网结构接线模式架空网单辐射型“手 拉 手”型 多 分段两 联络型多分段三联络型电缆网单环网型双环网型“二供一备”型“三供一备”型“四供一备”型随着电力电子技术的日渐成熟和柔性直流配电技术的发展，配电网中将会出现一些新型配电网网络结构，如表2所示。本文主要考虑联络开关闭环运行交流配电网、含SOP的闭环运行交流配电网、含VSC的交直流混合配电网这3种接线模式。表2新型配电网网络结构Table2 New structure of distribution network接线模式网内线路类型联络开关闭环运行交流配电网交流含SOP的闭环运行交流配电网交流含VSC的交直流混合配电网交流、直流在表2中，联络开关闭环运行交流配电网是在传统交流配电网的基础上形成的，将传统交流配电网中的“动合”联络开关调整为“动断”以实现闭环；含SOP的闭环运行交流配电网利用电力电子设备SOP将2条交流线路互联并实现闭环运行；含VSC的交直流混合配电网利用电力电子设备VSC将1条直流线路与1条交流线路互联并实现闭环运行。相较于使用联络开关互联的交流配电网，电力电子设备SOP和VSC具有更好的功率调节能力和运行灵活性，但成本较高。1.2 城市中压配电网特征提取在对配电网进行拓扑分析后，根据需求提取接线模式的特征，作为后续接线模式识别的依据。中压配电网接线模式更关注设备之间的关联性，因此特征提取应涵盖供电变电站、电网、负荷等多维要素。针对不同的电网结构，进行如下分析。1.2.1 架空网10 kV架空网结构典型接线模式如图1所示，其核心特征主要包括电源供应点数量、开关类型、馈线数量。本文中，电源供应点一般是指10 kV变电站母线的数量，开关类型一般包括断路器（动断）、联络开关（动合）和分段开关（动断）。架空网的典型接线模式特征提取如表3所示。分段开关（动断）分段开关（动断）断路器（动断）断路器（动断）母线负载母线1母线2母线3联络开关（动合）(a)单辐射型(b)多分段多联络型图110 kV架空网结构典型接线模式Fig.1 Typical connection mode of 10 kV overhead network structure表3架空网特征提取Table3 Feature extraction for overhead network特征指标接线模式单辐射型多分段多联络型母线数量12动合开关数量01馈线数量1“手拉手”型：2多分段两联络型：3供用电2023年第02期第一部分.indd 25供用电2023年第02期第一部分.indd 252023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电426供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月1.2.2 电缆网10 kV电缆网结构典型接线模式如图2所示，其核心特征是电源供应点数量、开关柜数量、备用线路数量、馈线数量。与架空网一样，供电点数量仍指10 kV变电站内的母线数量。开关类型包括环网柜（或环网室、环网箱）负载开关、断路器（动断）、联络开关。电缆网特征提取如表4所示。1.2.3 新型配电网新型配电网典型接线模式如图3所示，新型配电网的特征与传统交流配电网有部分相同（如电源供应点数量、联络开关数量等），此外还具有其特有的核心指标。考虑到1个SOP一般是由2个“背靠背”VSC连接形成，因此，新型配电网特征指标主要考虑联络开关的状态、电力电子设备VSC的个数以及线路交直流类型。因此归纳新型配电网特征提取如表5所示。母线1母线2环网柜馈线1馈线2(a)单环网型母线1母线2母线3母线4.馈线1馈线2馈线3馈线4环网柜(b)双环网型母线1母线2主供线1主供线2主供线N母线(N(N(+1)N+1)N母线N备用线.动断环网柜(c)“N(c)“N(c)“供一备N供一备N”型图210 kV电缆网结构典型接线模式Fig.2 Typical connection mode of 10 kV cable network structure母线1母线2母线1母线1母线2母线2ACACACDCACDCACDCDC分段开关（动断）分段开关（动断）联络开关（动断）断路器（动断）断路器（动断）SOPVSC1VSC2(a)联络开关闭环运行交流配电网(b)含SOP的闭环运行交流配电网(c)含VSC的交直流混合配电网VSC1VSC2负载直流线路交流线路图3新型配电网典型接线模式Fig.3 Schematic diagram of typical connection mode of new distribution network表4电缆网特征提取Table4 Feature extraction of cable network特征指标接线模式单环网型双环网型“N供一备”型母线数24N+1常开开关数 12N馈线数24N+1是否含负载备用线否否是，1条注：N一般为二、三、四。表5新型配电网特征提取Table5 Feature extraction of new distribution network特征指标接线模式联络开关闭环运行交流配电网含SOP的闭环运行交流配电网含VSC的交直流混合配电网联络开关状态动断-VSC个数-22是否含直流线路否否是2 基于DFS拓扑分析和K均值聚类的城市中压配电网接线模式识别由于实际配电网的复杂性和多样性，需要根据具供用电2023年第02期第一部分.indd 26供用电2023年第02期第一部分.indd 262023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电427供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月2.2 基于K均值聚类算法的接线模式模式识别根据提取的接线方式的核心特征，可建立覆盖中压配电网典型接线模式的特征库，并利用特征匹配原理对待识别的未知线路进行接线模式识别。2.2.1 建立城市中压配电网典型接线模式特征库综合考虑架空网和电缆网的9种典型接线模式和新型配电网的3种典型接线模式，定义中压配电网接线模式特征表达式如式（1）所示，以此构建特征库。（1）式中：P1表示电网结构类型（1为架空网、0为电缆网）；P2表示电源点个数，即母线数；P3表示联络开关的个数（为了更详细地描述接线模式，开关类型需要具体化）；P4表示联络开关状态（1为动断、0为动合）；P5表示只存在于架空网中的分段开关的数量；P6表示环网柜（或环网室、环网箱）的数量，该特征指标仅存在于电缆网中，并内置负载开关；P7表示馈线树上环网柜