高海霞，張永伍，白 洋，羅鳳章，李登武，趙明欣

（1.國網(wǎng)天津濱海供電分公司，天津300045；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010；3.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072；4.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津300384；5.中國電力科學研究院，北京100192）

作為電力系統(tǒng)到用戶的最后一環(huán)，配電系統(tǒng)與用戶的關(guān)系最為緊密，對系統(tǒng)整體性能和用戶供電可靠性的影響也最為直接[1-6]。配電系統(tǒng)的供電可靠性直接關(guān)系到用戶用電的安全和可靠，關(guān)系到供電企業(yè)的生存和發(fā)展，關(guān)系到整個社會和國民經(jīng)濟的發(fā)展。如何確保和提高配電系統(tǒng)的供電可靠性，是每一個供電企業(yè)都必須關(guān)心的重要課題。

目前，可靠性研究在我國電網(wǎng)中的應用大多仍局限于停電事件記錄。這些數(shù)據(jù)記錄稱為“配電網(wǎng)停電運行數(shù)據(jù)”，詳細描述了停電發(fā)生的時間、地點、設備、責任原因、保護動作情況等，是反映電網(wǎng)供電可靠性的基礎數(shù)據(jù)。中國國家電力監(jiān)管委員會推薦使用的“電力可靠性管理信息系統(tǒng)”中對電網(wǎng)的基礎維護數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)均有記錄。實際科研與生產(chǎn)管理中對這些數(shù)據(jù)記錄進行統(tǒng)計計算，以獲得各類可靠性指標來直觀地了解電網(wǎng)的可靠性水平?？煽啃灾笜税ǚ从彻╇娺B續(xù)性的指標、反映故障停電的指標、反映預安排停電的指標，以及反映外部影響的停電指標4 大類，利用該系統(tǒng)可以計算RS-1、RS-3、用戶平均停電時間AIHC（average interruption hours of customer）、用戶平均停電次數(shù)AITC（average interruption times of customer）、故障停電平均持續(xù)時間MID-F（mean interruption duration by failure）、架空線路故障停電率RLFI（rate of overhead line failure with interruption）、電纜線路故障停電率RCFI（rate of cable failure with interruption）等22 個指標（指標的定義和計算公式參見文獻[1]）。但是各供電公司的職責只是針對已發(fā)生的停電事件，按照國家電網(wǎng)公司的規(guī)定，生成各統(tǒng)計指標用于相關(guān)工作考核，對蘊含大量有用信息的停電運行數(shù)據(jù)本身卻并未加以過多分析，盡管供電公司能夠知曉現(xiàn)狀電網(wǎng)總體的可靠性水平和停運情況，而電網(wǎng)的基層運維部門在制定線路管理措施時，依然缺乏針對性，存在較大程度的常規(guī)性和盲目性，難以得到系統(tǒng)的、具體的指導，而可靠性水平的提高，與基層線路的設備狀況和運行維護水平密切相關(guān)?，F(xiàn)有配電網(wǎng)可靠性的研究中，也多關(guān)注于指標的更新[4]、算法的改進[6-7]和故障處理[8-9]等內(nèi)容，鮮有與具體運維工作相關(guān)的內(nèi)容和成果。國家電監(jiān)會、國家電網(wǎng)公司每月、每季度、每年都對停電運行數(shù)據(jù)進行收集統(tǒng)計，從而積累了大量數(shù)據(jù)，如果能采取一定的手段對這些基礎的停電記錄數(shù)據(jù)進行分析，挖掘出限制電網(wǎng)可靠性提高的因素并采取相應的措施，將十分有益于我國電網(wǎng)可靠性的提高。

文獻[10]探討了OLAP 技術(shù)在電力企業(yè)數(shù)據(jù)分析中的應用，有鑒于此，本文將近年來廣泛用于商業(yè)領(lǐng)域的多維分析技術(shù)應用到配電網(wǎng)可靠性分析中，通過對停電運行數(shù)據(jù)的多維分析，可有效發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，既可以為配電網(wǎng)的基層運行維護等生產(chǎn)管理工作提供直接指導，也可為各級管理單位提供決策依據(jù)。

1 多維分析技術(shù)簡介

多維分析技術(shù)（multi-dimensional analysis）又稱聯(lián)機分析處理OLAP（online analytical processing），是近年來數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫領(lǐng)域的研究重點和熱點，由IBM 公司的E.F.Codd 于1993 年提出，同時他還提出了OLAP 產(chǎn)品的12 條評價準則，指明OLAP 具有多維性特征，OLAP 的技術(shù)核心是“維”。淡化“聯(lián)機”的概念后，如今通常用“OLAP”作為“多維分析”的縮寫，因此本文也用OLAP 來表示多維分析[7，11-15]。OLAP 是現(xiàn)今最常用的數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)前端分析技術(shù)之一，是一類通過對信息的多種可能的觀察形式進行快速、穩(wěn)定一致和交互性的存取，允許管理決策人員對數(shù)據(jù)進行深入觀察，從而獲得對數(shù)據(jù)的更深入了解的軟件技術(shù)，它可用于證實人們提出的復雜的假設，其結(jié)果是以圖形或者表格的形式來表示的對信息的總結(jié)。OLAP 技術(shù)適用于對海量數(shù)據(jù)的分析，已經(jīng)廣泛應用于商業(yè)領(lǐng)域。停電運行數(shù)據(jù)從時間、空間、原因等多個維度描述了停電事件發(fā)生的各種要素，數(shù)量巨大，已經(jīng)具備了OLAP 的基本應用條件。

多維分析技術(shù)的應用過程主要分為兩步：首先根據(jù)多維數(shù)據(jù)模型（cube data model for OLAP）理論，建立分析對象的多維模型；然后在多維模型上，依照多維分析公式（cube data algebra for OLAP）的指導，通過逐步進行多維分析操作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深層分析挖掘，本文將在后面的章節(jié)結(jié)合具體的停電運行數(shù)據(jù)對其進行闡述。

2 停電運行數(shù)據(jù)多維分析建模

2.1 停電運行數(shù)據(jù)標準格式

在中壓配電網(wǎng)的日常運行中，基層運維部門以單條線路的單次停電為單位逐條記錄停電事件，停電運行數(shù)據(jù)的標準格式如表1 所示。

運用多維數(shù)據(jù)模型理論分析該標準格式的多維模型結(jié)構(gòu)，多維數(shù)據(jù)模型由維度集、層次集和度量指標集構(gòu)成[15]。則停電時間等字段是觀察停電事件的維度，并將線路編號、設備名稱合并為“停電誘發(fā)位置”維，簡稱停電位置維；保護動作情況等字段屬于字符串型的度量指標。為了能對停電運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計操作，本文引入一個“停電次數(shù)”的度量指標，因為停電運行數(shù)據(jù)是以單一線路的單次停電為基準的，因此該字段的取值恒為1；此外舍棄送電時間字段，將其與停電時間做差生成一個新的字段“停電時長”，作為另一個量化指標。

表1 停電運行數(shù)據(jù)標準格式Tab.1 General situation of the standard typesetting for outrage

2.2 完備的停電運行數(shù)據(jù)的多維模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的分析與處理得出停電運行數(shù)據(jù)的星型圖，如圖1 所示。停電運行數(shù)據(jù)具備6 個維度，2 個量化指標和3 個字符串型指標，進一步結(jié)合參考文獻[1]給出的各維度上取值的分類情況來確定各維度上的層次，這樣就構(gòu)成了完備的停電運行數(shù)據(jù)多維模型。用多維分析公式表示的停電運行數(shù)據(jù)模式如式（1）所示。限于篇幅，此處只詳細列出了其中的3 個維度。

圖1 配電網(wǎng)停電運行數(shù)據(jù)星型圖Fig.1 Star graph for distribution network outage operation data

式中：MD 為多模數(shù)據(jù)模式；D 為維度集，包含若干個維度d；每個d 上又包括若干層，≤表示層之間存在的層級關(guān)系（左邊低于右邊），層次越高其反應數(shù)據(jù)的綜合程度就越高；d.all 層是額外引入的層次，用來選取所有數(shù)據(jù)，是各維度上最高的層；M為指標集，包含若干個指標。

3 基于多維分析的配網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘流程

在得到停電運行數(shù)據(jù)的多維模型后，結(jié)合實際情況與應用需要，制定如下的配網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘流程：

（1）確定挖掘目標與方向；

（2）對完備的停電運行數(shù)據(jù)多維模型進行重構(gòu)；

（3）基于重構(gòu)的數(shù)據(jù)模型開展多維綜合分析；

（4）根據(jù)分析結(jié)果提出針對性的建議與對策。

以下結(jié)合實際案例分析，對本文介紹的配電網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)多維分析流程進行詳細闡述。

3.1 確定挖掘目標與方向

多維分析可以從多個角度、多個方向?qū)?shù)據(jù)進行信息查詢與分析。為了能夠快速得到有效的分析結(jié)果，配電網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)的挖掘需要有明確的切入點和目標。通?？梢詮哪繕穗娋W(wǎng)的基本情況、可靠性指標入手以確定對目標電網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)進行挖掘的目標和方向。

本案例針對天津市某10 kV 中壓電網(wǎng)進行可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘。該電網(wǎng)處于一工業(yè)功能區(qū)，用戶以工業(yè)用戶為主，有一處配套小區(qū)，居民用戶7 000 個。該功能區(qū)正處于發(fā)展階段，用戶用電需求有較大的不確定性。區(qū)內(nèi)電源點有3 個，其中110 kV 站2 座，35 kV 站1 座。10 kV 出線共計35條。架空線路的絕緣化率為100%，聯(lián)絡率100%。電纜線路中有7 條無聯(lián)絡，案例電網(wǎng)概況如表2所示。樣本電網(wǎng)電壓合格率、可靠率、故障次數(shù)、故障停電平均持續(xù)時間（h/次）等指標數(shù)據(jù)見表2。

由表2 可見，受故障停電影響，可靠率降低了0.017 8 個百分點，在停電總量中占36.46%，因此有必要對內(nèi)部故障造成的停電進行具體分析。本案例目的在于幫助配電網(wǎng)基層運維部門發(fā)現(xiàn)并制定重點維護對象，因此重點關(guān)注內(nèi)部故障的易發(fā)時間、易發(fā)位置以及主導因素。

表2 案例電網(wǎng)可靠率指標Tab.2 General situation of reliability index

3.2 停電運行多維數(shù)據(jù)模型重構(gòu)

在一個多維度、多層次、具有海量數(shù)據(jù)的高復雜數(shù)據(jù)模型上直接進行分析挖掘是低效且困難的，而且在實際應用中，通常的分析也并不會關(guān)注到所有的數(shù)據(jù)、所有的維度、層次和度量指標，因此在進行挖掘分析之前，有必要先根據(jù)實際情況和要求對運行數(shù)據(jù)多維模型進行重構(gòu)。即對數(shù)據(jù)進行篩選，對維度集、層次集和度量指標集進行裁剪，只保留該次挖掘分析中關(guān)注的部分。

根據(jù)上述挖掘目標與方向，本案例在維度上只保留停電時間、停電位置和責任原因，指標只考慮停電次數(shù)。OLAP 理論中多維數(shù)據(jù)通常用一個多維立方體CUBE 來表示[15]。重構(gòu)后的停電運行數(shù)據(jù)多維模型恰可以用一個三維數(shù)據(jù)立方體來表示，如圖2 所示。

圖2 重構(gòu)后的停電運行數(shù)據(jù)多維模型示意Fig.2 Schematic diagram of reconstructed multidimensional model of interruption operation Data

得到重構(gòu)的停電運行數(shù)據(jù)立方體模型后，接下來通過執(zhí)行各類多維分析操作，開展案例電網(wǎng)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘。

3.3 多維綜合分析

3.3.1 多維分析的基本操作

OLAP 系統(tǒng)中，用戶一般會有相對穩(wěn)定的信息需求，因此可以形式化地描述分析結(jié)構(gòu)。一個基本的分析中，被限定于單一元素的維稱為分析的選擇維，而其他維度稱為分析的結(jié)果維。在選擇維中，分析涉及到的層稱為選擇粒度層，而結(jié)果維中分析涉及到的層次稱為結(jié)果粒度層。切片（slice）是只具有一個結(jié)果維的分析操作，可以將數(shù)據(jù)在某一個維度上的分布呈現(xiàn)出來；切塊（dice）具有至少兩個結(jié)果維，可以挖掘出這些維度之間存在的聯(lián)系。切片和切塊是最主要的OLAP 操作，此外還有上卷（roll-up）、下鉆（drill-down）等操作，通過改變某一維上的觀察粒度，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深入分析和總體把握[7]。

停電運行數(shù)據(jù)中蘊含的配電網(wǎng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)信息體現(xiàn)在兩方面：停電事件在單個維度上的分布情況反映了單一因素的作用，通過執(zhí)行切片分析可挖掘；多個維度上綜合觀察停電事件，可挖掘不同因素之間的相互關(guān)聯(lián)及其對停電事件的共同作用，需要借助切塊分析實現(xiàn)。因此在明確了挖掘的目標與方向后，首先可在重構(gòu)后的多維模型上，沿關(guān)心的方向進行單維度上的切片分析。

3.3.2 停電位置軸上切片分析

為了尋找配電網(wǎng)故障易發(fā)點，需要從故障位置出發(fā)，尋找系統(tǒng)的故障易發(fā)線路與設備。為了解每條線路的故障頻率，可以線路層為觀察粒度，垂直于停電位置軸進行切片分析，如圖3 所示。

圖3 停電位置軸上切片分析示意Fig.3 Schematic diagram of slicing analysis on interruption position

圖4為停電位置軸上切片分析的結(jié)果。依據(jù)線路故障的嚴重程度，應將圣21、科32 和圣38 線路列入重點巡視線路名單，縮短巡視周期，細化巡視內(nèi)容；對于故障原因不明的線路，應逐設備、逐用戶、逐段進行巡視，排除線路隱患。

3.3.3 責任原因軸上切片分析

為了挖掘配電網(wǎng)中，故障停電在眾多責任原因上的分布情況，需要從原因類別層入手，垂直責任原因軸進行切片分析，如圖5 所示。

圖4 停電位置軸上切片分析結(jié)果Fig.4 Result of slicing analysis on interruption position

圖5 責任原因軸上切片分析示意Fig.5 Schematic diagram of slicing analysis on responsible cause

表3 展示了責任原因軸上切片分析的結(jié)果?？梢姡巴饬Α笔菍е略撾娋W(wǎng)故障的最主要因素。由于外力類包含多種具體原因，因此進一步對“外力”因素進行下鉆分析，將結(jié)果粒度層由原因類別細化為具體原因，結(jié)果如圖6 所示。

表3 責任原因軸上切片分析結(jié)果Tab.3 Results of slicing analysis on responsible cause

圖6 “外力”原因下鉆分析結(jié)果Fig.6 Results of drilling down analysis in external factors

下鉆分析顯示：①“外力”是導致線路故障發(fā)生的最主要原因，再通過對“外力”責任原因的細化分析（見圖3），由“動物”（主要是鳥害）引發(fā)的故障占其中的30%，其次是“異物短路”和“外部施工”，均占到了22.22%；②由“不明/查無原因”引發(fā)的故障占總故障數(shù)的18.75%。這類故障發(fā)生后，運維人員查不到具體的線路停電原因，線路試送良好，停電隱患繼續(xù)存在。

對此提出相關(guān)對策：①運維部門在鳥害多發(fā)季節(jié)，增加巡視，發(fā)現(xiàn)鳥窩及時清除，對于剛剛起搭，甚至是一根稻草，都要及時清理，不能存有僥幸心理。由“異物短路”引起的故障，多發(fā)生在大風、大霧、雷雨等惡劣天氣下，這就須運維人員克服困難，重視惡劣天氣下的特殊性巡視。對于線路沿線的施工，運維人員應注意“多說一句”，提醒施工人員注意架空線和地下電纜的安全。②“不明/查無原因”責任原因，尤其應該引起注意，線路帶病“正常運行”，隨時有可能再次發(fā)生停電故障，除強化相關(guān)線路的巡視內(nèi)容和巡視頻率外，還應在條件允許的情況下，提前做線路的預防性試驗，挖掘線路的故障隱患。③在線路設備和用戶設備的分界點，安裝“看門狗”開關(guān)，縮短故障下的停電范圍。在與用戶簽訂供電協(xié)議時，約定用戶主動上報己方設備故障、用戶設備故障導致線路停電的獎懲措施。用電檢查人員要細化驗收規(guī)范，“盯緊”用戶設備的交接試驗，保證無“帶病設備”投入運行，此外，應針對季節(jié)性故障的發(fā)生特點，如雷擊、鳥害等，逐用戶發(fā)放相關(guān)提示，并加強季節(jié)性巡視。

3.3.4 停電時間軸上切片分析

為了開展季節(jié)性的重點維護工作，可以月份為結(jié)果粒度層進行垂直于停電時間軸的切片分析，如圖7 所示。

圖7 停電時間軸上切片分析示意Fig.7 Schematic diagram of slicing analysis on interruption time

圖8顯示了故障在不同月份的發(fā)生情況。顯然，4—8 月是故障高發(fā)期，符合經(jīng)驗中鳥害多發(fā)生于4、5 月份，雷擊多發(fā)生7、8 月份的情況?，F(xiàn)場施工和惡劣天氣也集中于這個時段。作為運維人員，布置季節(jié)性工作需及時、有條理、有針對性。在春季，需密切關(guān)注鳥害，清除鳥窩，注意驅(qū)鳥器是否齊全，安裝是否正確；雨季需注意防雷，注意避雷器和防雷金具是否齊全，安裝是否到位。

圖8 停電時間軸上切片分析結(jié)果Fig.8 Results of slicing analysis on interruption time

3.3.5 停電位置軸與責任原因軸上切塊分析

設備是線路停電的直接觸發(fā)者。明確了該電網(wǎng)中頻發(fā)故障的責任原因后，為了使運維人員進一步明確需要重點巡視的線路設備，在停電運行數(shù)據(jù)三維立方體上垂直于責任原因軸與停電位置軸進行切塊分析，以具體原因?qū)雍驮O備層作為結(jié)果粒度層，如圖9 所示。

圖9 切塊分析示意Fig.9 Schematic diagram of dicing analysis

切塊分析的結(jié)果需要用如圖10 所示的三維圖表來表示。分析結(jié)果顯示：

由“桿塔”觸發(fā)的故障，主要的誘因是鳥害、交通車輛破壞和外部施工。雷擊是導致“柱上避雷器”發(fā)生故障的主導。絕緣子是10 kV 架空線路上大量使用的設備，應關(guān)注其質(zhì)量和老化周期。

隨著電纜的廣泛使用，由電纜頭制作工藝不良、纜頭質(zhì)量不佳等原因?qū)е碌木€路故障正逐年增多，常規(guī)的線路巡視難以發(fā)現(xiàn)問題。常規(guī)的預防性試驗周期較長，大多需要停電。有限的停電資源和大量的配電線路，使得運維人員難以依靠試驗手段發(fā)現(xiàn)電纜的安全隱患。

圖10 切塊分析結(jié)果Fig.10 Result of dicing analysis

對此提出相關(guān)對策：①加大資金投入，保證線路設備質(zhì)量優(yōu)良；②對電纜線段，尤其是電纜接頭，重點巡視和測溫，有條件的話，安裝在線監(jiān)測儀器；③惡劣天氣下，尤其是大風大雨大霧時，增加特巡，重點巡視電桿和導線。

4 結(jié)語

停電運行數(shù)據(jù)是配電網(wǎng)可靠性分析的重要資源，但由于歷史原因，管理制度一直比較薄弱，一直以來沒有得到較高的重視，缺乏有效的分析手段。本文通過建立停電運行數(shù)據(jù)的多維分析模型，對配電網(wǎng)停電記錄進行了多維度的匯總分析，較為清晰地分析出配電網(wǎng)運營維護薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在案例電網(wǎng)中的實際應用借助沿不同維度、不同細化層次的多維分析，分別挖掘出了故障最重的線路、易發(fā)故障類型、故障易發(fā)月份以及不同故障責任原因在不同設備上的發(fā)生情況，能夠有效地指導線路巡視和運行計劃的安排。實際應用說明本文提出的配電系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘?qū)嵱梅椒梢杂行е笇Ь€路巡視和運行計劃的安排等工作。

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