摘 要

当今社会，科学技术飞速发展，人们的生活日益现代化， 都离不开电力的支持。为满足现代社会对电能的要求，提出了配电自动化。

本文首先对配电自动化的研究背景、现状及意义等方面进行了阐述。电网当前的发展趋势是智能化、集成化、综合化，配电自动化作为一个综合性系统，是其中的重要一环。在配电网的安全稳定运行中，馈线终端单元（Feeder terminal unit, FTU）起到了至关重要的作用。配电自动化馈线终端单元（Distribution automation feeder terminal unit, FTU）与配电网中开关设备相互配合，实现配电网运行状态监控，故障定位并隔离，馈线终端信息采集，使配电网安全稳定运行，而对FTU状态量的分析能有效判断FTU状态是否良好。

其次，本文深入分析了K-最近邻算法（K-nearest neighbor algorithm, KNN）的原理及实际应用，明确KNN的分类作用，并将其应用到对配电自动化馈线终端单元（Distribution automation feeder terminal unit, FTU）的状态评价中，从而实现故障FTU与非故障FTU的有效分类，确保故障FTU得到及时更换，使线路运行在FTU的监测下，最终更好地实现配电网故障可观测、配电自动化系统完善、智能电网建设完备。目前，对FTU状态量的研究尚在探索之中，本文初步提出基于KNN的配电自动化馈线终端单元（Distribution automation feeder terminal unit）的状态评价方法分析，说明了该方法的可行性。

最后，本文对基于KNN的馈线终端单元（Feeder terminal unit, FTU）状态评价进行了总结，并对未来该研究的发展进行了展望。

关键词：配电自动化；智能配电网；馈线终端单元；K-最近邻算法

Abstract

With the rapid development of science and technology, people's life is becoming more and more modernized. In order to meet the requirement of modern society, the distribution automation is put forward.

Firstly, the research background and significance of distribution automation are described in this paper. The current development trend of power grid is intelligent, integration and integration. Distribution automation, as a comprehensive system, is an important part of it. In the safe and stable operation of distribution network, Feeder terminal unit (FTU) plays an important role. Distribution automation feeder terminal unit (FTU) and switch equipment in the Distribution network cooperate with each other to realize the monitoring of Distribution network operating state. It can realize fault location and isolation, collect feed terminal information, make the operate distribution network safe and stable, and the analysis of FTU state quantity can effectively determine whether the FTU state is good or not.

Secondly, this paper deeply analyzes the principle and practical application of k-nearest neighbor algorithm (KNN), clarifies the classification function of KNN, and applies it to distribution automation feeder terminal unit (FTU) state evaluation. It can realize effective classification of fault FTU and non fault FTU to ensure fault FTU are change in time. At present, the research of FTU state quantity is still in exploration. This paper preliminarily proposes the analysis of the state evaluation method of Distribution automation feeder terminal unit based on KNN, which illustrates the feasibility of this method.

Finally, the status evaluation of Feeder terminal unit (FTU) based on KNN is summarized, and the future development of this study is prospected.

Key Words: distribution automation; smart distribution automation; feeder terminal unit (FTU); K-nearest neighbor algorithm (KNN)

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1配电自动化概述 1

1.2配电自动化的概念及发展历程 1

1.3配电自动化发展现状 2

1.3.1国内配电自动化发展现状 2

1.3.2国外配电自动化发展现状 3

1.4配电自动化的研究目的及意义 3

1.4.1配电自动化的研究目的 3

1.4.2配电自动化的研究意义 4

1.5配电自动化的研究内容及发展趋势 4

第2章 配电自动化系统 6

2.1配电自动化系统的基本结构 6

2.2配电自动化系统的基本功能 6

2.3配电自动化系统的运维指标 7

2.4本章小结 7

第3章 配电自动化馈线终端单元FTU 9

3.1馈线自动化 9

3.2配电自动化馈线终端单元FTU的基本结构 9

3.2.1配电自动化馈线终端单元FTU概述 9

3.2.2配电自动化馈线终端单元FTU的硬件结构 10

3.2.3配电自动化馈线终端单元FTU的软件结构 12

3.3配电自动化馈线终端单元FTU的基本功能 14

3.4本章小结 15

第4章 KNN算法分析 16

4.1 KNN算法简介 16

4.2 KNN算法流程及计算步骤 17

4.2.1 KNN算法流程 17

4.2.2 KNN算法计算步骤 17

4.3 KNN程序算例 18

4.4 KNN算法的优缺点及改进 19

4.4.1 KNN算法的优缺点 19

4.4.2 KNN算法的改进 20

4.5本章小结 20

第5章 基于KNN的配电自动化馈线终端单元FTU的状态评价方法研究 21

5.1状态评价模型 21

5.1.1硬件状态评价模型 21

5.1.2软件状态评价模型 22

5.2基于KNN的状态评价方法 23

5.3仿真验证 23

5.3.1基于KNN的配电自动化馈线终端单元FTU硬件状态评价仿真验证 23

5.3.2基于KNN的配电自动化馈线终端单元FTU软件状态评价仿真验证 25

5.4本章小结 26

第6章 结论与展望 28

6.1研究结论 28

6.2研究展望 28

致谢 30

参考文献 30

附录A Matlab编程代码 33

附A1 KNN算法算例 33

附A2 FTU硬件状态量分类程序 34

附A3 FTU软件状态量分类程序 35

绪论

1.1配电自动化概述

随着社会的持续发展，人们的物质生活水平逐步提高，对电量的需求量也在快速增长，直到2015年，我国已经成为世界上第二大电力生产国。与此同时，配电网的拓扑结构日趋复杂，我们对配电调度、电能供应质量和电能供应可靠性的要求也在提高。当前，由于我国在发电、输电、配电方面的投资不合理，配电网络的发展较为滞后，导致电能供应质量未能得到很好的提高。在现代生活中，电力系统的反复失效会对电气设备造成极大的破坏，不仅会损害社会的生产效益，也会给我们带来许多不便。而许多地方的配电网由于结构不合理、设备落后等问题，不再能够满足现代社会的日常电能供应，因此，应当改造当地的配电网络，优化区域配电网结构及功能，以达到现代社会对供电的要求。

为达到配电网长期高效安全稳定运行的目的，必须加快电网自动化的发展，特别是要加快配电自动化的发展。配电网发展的目标是当发生故障时，能自动控制采用发生故障线路两端的分段开关切除，且恢复非故障区域的电能供应。随着科学技术的发展进步，配电网的拓扑结构变得更加复杂，故障的出现概率也有所提高，当网络中出现故障时，总是会造成难以挽回的损失，如大面积停电、大规模系统瘫痪、烧毁生产设备等。配电自动化需要根据故障的实际情况找到最优处理方式，以恢复配网运行。实际应用表明，配电自动化的发展在多个方面都对社会有益。

配电自动化可分为以下几个方面：用户自动化、馈线自动化、变电站综合自动化及配电管理自动化。张平立足于当下，指出了我国配电网当前的问题和未来发展方向^[1]；张樵夫在配网调度中详细分析了馈线自动化的应用要点，强调馈线自动化的重要性^[2]；黄晓明依据《配电自动化实用化验收细则》对配电网运维的考核要求，基于故障树分析法对配电自动化实用化运维指标进行了研究^[3]；李亭葳基于FC-KNN提出了一种C语言程序自动评分算法^[4]。而对FTU状态的研究目前尚不成熟，基于文献^[12-16]中KNN在不同场景中的应用，本文提出基于KNN的配电自动化馈线终端单元FTU的状态评价方法研究。

1.2配电自动化的概念及发展历程

自动配电系统是一个综合性系统，集现代设备、计算机技术、控制、管理及数据传输技术于一体，能提高电能供应可靠性，改善电能供应质量，服务于用户。

配电自动化的发展总体而言经历了三个自动化程度不相同的阶段。

第一阶段是在上一世纪五十年代，为了加速故障点定位并对关键线路上的的故障自动切除，采用了自动切除故障的有序定时输电设备，该时期可称为局部自动化阶段。

第二阶段始于上一世纪七十年代，随着科学技术的大幅进展、各类自动设备以及远程控制设备的应用，逐步初步实现了配电自动化。发表在1988年的电气与电子工程刊物中，第一次较为官方地提出了这一概念，意味着具有当代发展意义的配电自动化的开端，该时期可称为监控自动化阶段。

第三阶段始于上一世纪末期，开始通过互联网来开发地理信息系统，采用未联网的配电管理与联网的实时数据采集，开始进入状态监控设备与用户管理设备结合的综合自动化发展阶段。

1.3配电自动化发展现状

1.3.1国内配电自动化发展现状

改革开放以来，我国经济与技术得到很大的进展，给配电、变电带来了史无前例的发展机会。但由于配网改造的日益深入，规模的日益扩大，这些行业同时也面临着亟待攻克的难题。现阶段中，虽供电可靠性和供电指标相较于以前已经有了很大的提高，但是要继续提高供电质量水平，满足未来的发展要求，必须进一步实现配电自动化，完善配电网的各项功能^[5]。

与欧美等西方国家比起来，中国配电网络方面的发展开始得晚，早期我国配电网的研究进展受到一系列客观条件的限制，配电自动化的发展程度较低。当前，由于城市商圈等的广泛建设，人们对电量需求愈来愈大，给电能供应的可靠性水平也提出了更高的要求，而我国现阶段的配电网规划水平与期望水平不相匹配。

现阶段，我国智能电网配电自动化的发展进程中亟待解决问题有：

（1）配电自动化设计的功能不够多元。我国过去发展配电自动化的重点关注目标是减少故障发生概率来提高电能供应可靠性，而现今的数据表明，降低电能供应可靠性水平的原因并不仅仅在于配网中发生故障并导致停电。

（2）对线路上安装的设备选择过于盲目，缺乏创新。通常，为了节约成本投入，追求最大限度的利益，不能进行统一的布局安排。

（3）电能的供应质量无法保障。我国在配电网发展早年铺设的线路损耗率较高，造成了资源的浪费和环境的破坏。

（4）配电网的结构设计不合理。如由于城市商圈的发展，而配电网电线传输的容量受到限制，两者之间不相匹配。

（5）管理体制存在弊端以及行业标准执行不到位^[1]。当前的监管机制不够完善，此外，还存在一些中小型供电公司为了利润的最大化，不服从国家制定的管理条例，需要得到相关部门的监管。

1.3.2国外配电自动化发展现状

欧美等国家在二十世纪七十年代就针对配电自动化这一概念展开探究，他们的馈线自动化技术开始得相对较早，因此，技术水平也相对成熟^[6]。

如美国的配电自动化的发展有如下几个过程：自动切除故障、独立的自动控制系统、综合性自动化系统。

欧洲各个国家的配电自动化的发展也比较快，大范围采用了超级电容技术来逐渐取代蓄电池的使用。英国则与美国相同。德国大部分使用环式供电得方式，拥有比较稳固的配网结构，供电可靠性水平很高。因此，对德国而言，优化结构及运行管理水平的需求不高。德国的主要目标为在配电网关键点实现配电自动化，而非进行网络扩张。法国一般采用20kV的中压等级电压，减小网络损耗的同时也使故障发生几率偏高，因此配电自动化的发展不可或缺。

新加坡配电网的电能供应可靠性水平居于世界领先地位，强调配电系统的综合性发展。

1.4配电自动化的研究目的及意义

1.4.1配电自动化的研究目的

配电自动化能够有效改善电能供应质量^[7]。配电自动化的主要目的是通过改进自动化技术来使供电公司和用户都受益，作为配电线路运行管理中的关键概念，必须与时俱进，不断更新。在配电技术与自动化技术日趋成熟的同时，若能将电力调度技术与自动化技术完美联合，不仅能满足现代社会对电能质量的要求，也能保证电网良好的运行状态。基于配电自动化的优势，结合配电自动化的发展现状，促进配电自动化技术的改进与发展，是电力领域未来发展的确定趋向，也是一项需要重点研究的课题。

大力发展配电自动化的目的有以下几点：监测并改善电压质量；减小电能损失，改进电网结构；减小停电次数和停电范围，尽量规避停电；增强电源的电能供应性能，提高设备利用率；缩短设备检修时间；优化配电设备管理系统等。

1.4.2配电自动化的研究意义

当今社会，现代化的生产生活与电力资源不可分割，电力供给对社会的现代化进程具有重要作用，而随着我们对配电网的电能供应质量的要求逐渐增高，传统配电网的调度缺点便逐渐显现出来，如：出现故障却不能获取故障信息，无法通过负荷电流检查电路的故障问题，维修技术人员仅凭经验对故障进行判断，故障处理耗时长，维护质量差等问题。相比较而言，馈线自动化系统的设备中所拥有的自动隔离功能，能有效减小停电及检修范围，从而使停电损失最小化。

本文中分析的馈线终端单元（Feeder terminal unit, FTU）作为配电网馈线终端的设备，不仅能对故障进行精确定位，采取隔离检修措施，全面提升故障处理效率，以最快的速度将发生故障的区段隔离开来，并恢复非故障区段的电能供应，还能采集线路终端的电量、设备运行状态等信息，提前预防故障的发生，即通过诊断技术及状态检测技术对线路运行信息及设备状态信息进行整合，判断配电网的运行状态及终端设备是否正常工作，提前预测电网运行中可能出现的各类问题并及时采取相应措施。馈线终端FTU还可以调控成本维护费用，有效推进电力系统的健康稳固发展，获取到最大的经济效益。除此以外，馈线自动化系统在配电网中的应用，也能对线路电压的状态进行分析，监控电压器的运行状态，保障电能稳定输出^[2]。

1.5配电自动化的研究内容及发展趋势

对配电自动化的研究内容包括利用信息技术、网络技术、计算机硬件、通信技术与电力设备相结合，对正常及非正常情况下的配网进行控制、监测、保护，以合乎常理的电力价格满足电能用户各式各样的需求，实现经济性与服务性并行，提高电能供应可靠性水平、电能供应质量及售后服务质量，提升电力设备利用率等。

配电自动化发展的必由之路是向着智能电网的方向发展。当前，对智能电网的研究尚且不成熟，而将人工智能赋予电网，能够使电网具备一定的应变及处理能力，在故障时能做出智能反应，处理故障。未来配电自动化的发展必须做到：

（1）安全保障。配电自动化应尽量避免大规模供电故障，具备一定的妨害能力，在考虑任何外力破坏或自然灾害问题下，要确保供电及电力信息安全。

（2）具备一定的自愈能力。能实时监测线路运行状态，对故障线路进行故障分析，根据故障类型自动跳闸以切除故障并自动合闸恢复线路运行。

（3）接纳可再生能源的并入。能够做到兼容并包，合理调度不同发电站的发电量。

（4）不仅能满足用户用电需要，还能为用户提供其他多样化服务，如最优套餐选择服务、增值服务等。

（5）保证有效的电力服务。优化资源的配置方式，减小能源损耗量，将配电网的信息集成共享，采取统一的标准，做到规范化、精细化。

（6）智能配电。根据不同区域的实际用电及负荷量，合理调整配电网上的发、变电站数量，并自动调整不同时刻的电站发电量。

配电自动化系统

2.1配电自动化系统的基本结构

配电自动化系统是一个分层分布式系统，其结构如图 2.1所示^[8]。

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