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摘要：低压台区运行状态是台区管理的重要参考信息，把握和应用好台区状态对台区运维管理具有重要的实用价值，当前对台区运行状态评价缺少对用电数据的应用分析，此外采用单一赋权方法又存在主观性或客观性偏向的问题。针对此问题，提出了基于边缘计算的智慧台区一体化运行评估方法。首先，以台区作为计算节点，在台区部署边缘计算终端，对智能监测终端采集的数据就地处理分析，基于边缘终端的计算功能，建立台区一体化运行评估指标体系；其次，采用层次分析法和熵权法分别计算各指标的主观权重和客观权重，对一个指标在多组样本数据下的主-客观权重计算值应用最小二乘组合方法计算综合权重；最后，通过对指标体系加权后给出台区运行状态评估结果。通过实例分析，验证该评价方法具有有效性，具备工程使用价值。
关键词：低压台区；边缘计算；状态评估
Evaluation Method for Integrated Operation of Smart Station Area Based on Edge Computing
Ye Baoxuan1，Wu Qingbing1，Wang Yuzhong 1，Li Yejian1，Cai Zimo 1，Yang Yin2，Chen Dongyu2
(1.Wenchang Power Supply Bureau,Hainan Power Grid Co.,Ltd.,Wenchang,Hainan 571300,China;2.Guangzhou Power Electrical Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510700,China)
Abstract:The operating status of the low-voltage station area is an important reference information for the station area management.Grasping and applying the station area status well has important practical value for the station area operation and maintenance management.The current evaluation of the operation status of the station area lacks the application analysis of the power consumption data,and the single weighting method has the problem of subjectivity or objectivity bias.In response to the problem,an evaluation method for the integrated operation of the smart station area was proposed based on edge computing.First,the station area was taken as a computing node,edge computing terminals in the station area was deployed,the data collected was processed and analyzed by the intelligent monitoring terminal on the spot,and an evaluation index system for the integrated operation of the station area was established based on the computing function of the edge terminal.Secondly,the analytic hierarchy process and entropy weight method were used to calculate the subjective weight and objective weight of each index,respectively.The comprehensive weight was calculated by applying the least squares combination method to the subjective-objective weight of an indicator under multiple sets of sample data.Finally,the evaluation results of the operating status of the platform area were given by weighting the index system.Through case analysis,it is verified that the evaluation method is effective and has engineering application value.
Key words:low-voltage station area;edge computing;state assessment
0引言
当前智能电网正朝向数字化电网建设推进[1-3]，主网基本已实现自动化监控功能，而靠近用户最后1 km的低压配电网的自动化监测还很薄弱，因此研究低压配电网的智能感知技术将弥补该领域技术上的不足，为低压配电网智能感知方案的研究和建设提供一种思路。
随着集抄系统的推广普及，低压配电台区收集了大量的用电数据。基于用电大数据挖掘技术，在智能台区终端中嵌入边缘计算算法，对配电台区的运行数据进行监测和分析，感知台区的运行状态的技术思路是低压配电网“云-管-边-端”系统框架中“边-端”侧建设的可行方案[4-5]。在此技术方向上，目前基于现有运行用电数据和边缘计算结果进一步分析配电台区运行状态的研究还不多见，不过对配电网的状态评价现有较多研究。
当前配电网状态评估方法多种多样。李猛、左军等[6-7]采用多级模糊综合评判方法建立配电网状态评估，其采用的模糊隶属度函数较为简单粗略，导致状态等级判定不够准确；霍利民等[8-10]采用Bayesian网络实现配电系统可靠性评估，但研究者所建立的Bayesian网络节点是正常和故障两种状态，使得状态建模较为简单，评估结果不够精确；梁海峰等[11-12]采用AHP—熵权法—模糊综合分析配电网综合效益，兼顾了权重确定的主观性和客观性，同时又考虑了多种状态之间转移的模糊性，具有一定实用性，但对第一层级指标的融合方式较为简单，使得评估结果不一定完全贴合真实情况。而在指标体系建立方面，存在一些评价指标数据不可获取的问题，此外，在评估维度上也还不够全面，没有对配电台区运行数据的内涵进行挖掘。基于当前配电台区智能化建设方向，应当尽可能利用好大数据资源，融合多个维度信息进行状态评估。
综上现状，本文立足于当前常规的配电网状态评估方法，结合智能台区终端边缘侧计算功能，提出基于边缘计算的智慧台区一体化运行评估方法，综合主-客观评价要素，改良了传统单一评价方式及常规组合评价方式，实现对台区的智慧评估。
1智慧台区边缘计算终端部署
现有低压配电网数据集抄系统实现了低压电力用户电量采集和上送，满足了远程计量功能，随着台区智慧化建设，要实现配电网数据可测可观，离不开边-端设备运行数据的支撑。一方面，受限于现有信息管理机制，台区数据无法全量上送到计量系统；另一方面，台区运行监测需要对实时数据进行分析，若将所需数据上传到计量系统在做离线分析，其分析结果并没有正真反映运行实况。基于此，在台区本地部署边缘计算终端，对本地数据收集处理和计算分析，是建设智慧台区可行且有效的实施方案。智慧台区边缘计算终端部署结构如图1所示。
区作为边缘计算节点，边缘计算终端具备交采功能，直接采集相电压和相电流等数据，实现配变的监测和计量，其安装于配变低压出线近端。此外，该终端具备最重要的核心功能是对台区用电数据进行计算分析，其计算分析的功能有：“相-线-户”拓扑分析、线损分析、三相不平衡分析、电压分析等功能。终端下行通过RS485、微功率无线、电力载波等信道将用电数据汇集后计算，计算结果通过光纤、无线公网、电力专网等信道上传至计量系统等后台进行数据交互，这种方式方便了运维人员对台区智能管理。
2台区一体化运行评估指标体系
将智慧台区边缘计算终端功能项的结果作为台区一体化运行评估的量化指标，每项指标的定义和计算方式说明如下。
(1)供电半径
边缘计算终端嵌入台区“相-线-户”拓扑识别算法，“相-线-户”拓扑识别是指对台区用户用电数据特征进行挖掘，得到用户相序和用户出线的归属关系，具体算法方法参考文献[13]。将所有属于同一相线上的用户根据电压值排序确定用户的上下游关系，从末端用户开始往上游推算至上游最近用户之间的线路长度，如此一户户的往上游推算至首端用户，将每一节线路长度累加得到该条相线的供电长度。每一节线路长
度计算公式如下：
式中：γφl,n为用户n至用户n-1之间的线路长度；T为一天内用户电压曲线采集频次；utφl,n和itφl,n分别为时刻t相线φl的电压值和电流值；rφl为相线φl的单位长度电阻，φ∈{A,B,C}，l∈{1,2,⋯,L}，φ为相序，l为出线，L为台区有L回出线。
(2)线损率
线损率是台区配变向用户供能过程中在供电导线上的电量损耗与供入电量占比。线损率在技术上反映台区网架结构、负荷分配、导线参数的合理性，在管理上反映台区用户用电行为是否正常。计算如下：
式中：Wi为台区配变低压出线供入电量(供电量)；Wo为台区用户供出电量(用电量)。
(3)三相不平衡度
三相不平衡度反映三相负荷不均衡程度，台区三相严重不平衡运行会造成诸多危害影响[14]。由于线路电流容易获取，一般用电流计算得到，指标计算如下：
式中：Ibus,max为台区低压母线最大电流相的电流值；Ibus,min为台区低压母线最小电流相的电流值。
(4)电压骤变率
电压骤变是表征用户电压在两个相邻采集时刻的变化情况，反映台区用户端电压是否稳定。定义用户电压在下一时刻电压有效值变化幅度大于λ为电压骤变，统计电压骤变率如下：
式中：num(Γ)为统计集合Γ元素的数目；Γ为电压出现骤变的时段集合；U(t)为t时刻的电压测量值；λ为阈值。
电压骤变率由以下公式计算得到：
式中：N为采集周期，通常为24 h。当采样间隔为15 min时，N=96。
以上指标的量纲不同，无法直接进行比较和计算，需要对其进行标准化处理。指标(1)为区间型，指标(2)~(4)为成本型，分别对两种类型做准化处理，处理方式如式(9)和(10)。
式中：γj*为指标j标准化值；γj,max和γj,min分别为指标j的最大值和最小值；γj,op为指标j的最适宜属性值；γj,low和γj,high分别为指标j的容忍区间的上下限。
3基于改进主-客观赋权的评估方法
基于以上运行特征指标，本文采用主-客观组合赋权方法进行权值确定，其中主观赋权采用层次分析法(Analytic Hier⁃archy Process，AHP)，客观赋权采用CRITIC法。主-客观权重组合方法采用最小二乘拟合模型优化求解综合权重与主观权重及客观权重偏移量的最小值。
3.1 AHP的主观赋权
AHP赋权的方法流程如下。
(1)构造判断矩阵
采用数字1~9标度两两指标间的重要性，以两两数字的比值构造判断矩阵。
式中：λm为判断矩阵的最大特征值；n为指标数目。
若CR<0.1，判断矩阵满足一致性检验。
(3)计算权重
将通过一致性检验的判断矩阵进行归一化，得到归一化向量作为各指标权重分配值。
3.2 CRITIC的客观赋权
CRITIC赋权的方法流程如下：
(1)计算标准差和相关系数
计算标准化矩阵B的各指标标准差和相关系数，如下：
式中：μj为第j个指标的标准差；为第j个指标的均值；rij为指标i与指标j的相关系数；Bi、Bj分别表示矩阵B的i列和j列，j=1，2，…，n。
(2)计算权重
指标的权重计算公式如下：
3.3最小二乘组合AHP-CRITIC的综合赋权
AHP赋权基于专家经验评定，有很强主观性，而CRITIC赋权基于标准差和相关系数计算而来，缺少对实际情况判断的主观性，因此需要从两者之间选取折中结果。据此建立最小二乘组合AHP-CRITIC的综合赋权模型为：
式中：ωj为指标j通过最小二乘组合的综合权重；ωj,z为指标j的主观权重；ωj,k为指标j的客观权重；γ为指标j的第i个样本的标准化值。
4算例分析
本文选取海南某试点智慧台区的应用效果作为分析，在试点台区部署图1所示的边缘计算终端及监测设备。以一组样本为例进行指标权重分析。根据专家评分得出判断矩阵如表2所示。
判断矩阵最大特征根λmax=4.35，根据式(11)CI通过一致性检验，各项目指标权重为ωz=(0.06 0.49 0.26 0.19)。根据3.2节熵值计算、熵权计算后客观权重为ωk=(0.15 0.45 0.23 0.17)。通过对多组不同样本的分析，并采用最小二乘组合计算综合权重为ω=(0.13 0.47 0.24 0.16)。根据综合权重可进一步计算台区运行状态综合评价结果，并将结果反馈至主站系统。
5结束语
本文在智能电网建设的方向下提出了智慧台区一体化运行监测方案，通过部署边缘计算终端和终端监测设备实现数据收集和计算分析，实现了台区运行状态感知和评估。评估方法结合了主观评价和客观评价两种因素，用最小二乘组合方式计算两者组合的折中评价结果，通过算例表明了方法的可行性。配电台区通过本文所提的评估方法可将在线运行状态反馈给运维人员，使得台区运维更及时、更精准，加强台区的智慧化运行。但该方法还存在以下两点不足。
(1)最小二乘组合环节是在多组样本下求解最优折中权重，求解过程受样本数量的影响很大，若以一个时间采集点为一个样本则会使得计算时间过长，这会影响边缘计算终端对其他任务的处理，想要缩短计算时间，则对边缘计算终端的算力有更高的要求。因此还需要权衡好样本量和计算准确性的矛盾关系。
(2)AHP法的主观赋权采用专家经验的方式，适合于离线手动计算，而把算法设计好嵌入到边缘计算终端后再调用AHP功能时需要自动计算，因此还需要建立和完善好AHP赋权的经验算法，保障整套评价算法易用性和准确性。
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