輸電網(wǎng)絡(luò)損耗在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究

蔣亞坤 李文云 程 旻

(云南電網(wǎng)公司電力調(diào)度中心，云南 昆明 650011)

1 前言

電力系統(tǒng)的網(wǎng)損率指標(biāo)是直接反映了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀況。掌握電網(wǎng)損耗的真實(shí)情況、對(duì)造成損耗的原因進(jìn)行研究分析、制定降損措施、評(píng)估降損效果非常重要。調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng) (EMS系統(tǒng))實(shí)時(shí)采集的電網(wǎng)遙測(cè)遙信數(shù)據(jù)，以及電能量采集系統(tǒng) (TMR系統(tǒng))采集的準(zhǔn)實(shí)時(shí)電能計(jì)量數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)云南電網(wǎng)輸電網(wǎng) (220kV及以上網(wǎng)絡(luò))損耗進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、多角度的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析，開展降低網(wǎng)損率的研究提供了條件。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)配置兩臺(tái)服務(wù)器，運(yùn)行在DMIS系統(tǒng)網(wǎng)段上。網(wǎng)損計(jì)算分析及通信服務(wù)器通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與EMS系統(tǒng)進(jìn)行通信接口，通過自定義的通信協(xié)議接收電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);通過ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)接口與TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫(kù) (位于DMIS系統(tǒng))進(jìn)行連接，讀取電能計(jì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)計(jì)算、分析和統(tǒng)計(jì)工作。數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表處理及web發(fā)布服務(wù)器負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖形、參數(shù)、模型的存儲(chǔ)，報(bào)表的處理，系統(tǒng)成果的web發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件總體框架

系統(tǒng)的軟件框架見圖2，主要模塊有:EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口軟件、TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)接口軟件、電網(wǎng)建模參數(shù)設(shè)置軟件、實(shí)時(shí)庫(kù)軟件、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、拓?fù)浞治觥顟B(tài)估計(jì)、靈敏度掃描分析、無功電壓優(yōu)化、實(shí)時(shí)網(wǎng)損計(jì)算處理軟件、網(wǎng)損綜合分析軟件、數(shù)據(jù)監(jiān)視人機(jī)界面、Web服務(wù)軟件、報(bào)表系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 系統(tǒng)建模

電網(wǎng)模型是本系統(tǒng)進(jìn)行理論網(wǎng)損計(jì)算、無功優(yōu)化計(jì)算、網(wǎng)損縱向和橫向比較等系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用圖模庫(kù)一體化的建模方式，用戶在繪制電網(wǎng)一次接線圖的同時(shí)，系統(tǒng)即自動(dòng)完成電網(wǎng)模型 (電網(wǎng)拓?fù)湫畔?的生成和大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的錄入，既減少了用戶的人為因素和工作量，又提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 在線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h3>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫潜鞠到y(tǒng)的基本功能。它根據(jù)電網(wǎng)描述數(shù)據(jù)庫(kù)和遙信信息確定地區(qū)電網(wǎng)的電氣連接狀態(tài)，并將網(wǎng)絡(luò)的物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，為狀態(tài)估計(jì)、網(wǎng)損分析計(jì)算等應(yīng)用功能提供網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)。本系統(tǒng)與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)取得調(diào)度SCADA系統(tǒng)開關(guān)和刀閘的遙信信息，結(jié)合電網(wǎng)模型信息構(gòu)造電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)于電網(wǎng)實(shí)時(shí)方式，并可形成相應(yīng)拓?fù)鋱D。

3.3 在線狀態(tài)估計(jì)計(jì)算

狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)進(jìn)行理論損耗統(tǒng)計(jì)以及各種分析的基礎(chǔ);系統(tǒng)提供的狀態(tài)估計(jì)功能根據(jù)EMS系統(tǒng)提供的電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息，結(jié)合電網(wǎng)部件參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果，實(shí)時(shí)的計(jì)算出電網(wǎng)內(nèi)各母線電壓 (幅值和相位)和潮流的最優(yōu)估計(jì)值，自動(dòng)統(tǒng)量測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)。檢測(cè)和辨識(shí)錯(cuò)誤開關(guān)信息和壞遙測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4 實(shí)時(shí)在線理論損耗計(jì)算

系統(tǒng)利用狀態(tài)估計(jì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行理論網(wǎng)損計(jì)算。狀態(tài)估計(jì)軟件利用EMS系統(tǒng)的遙測(cè)和遙信數(shù)據(jù)，辨識(shí)并糾正不良數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行廣義的潮流計(jì)算，以及根據(jù)這些狀態(tài)量計(jì)算出來的支路(包括線路和變壓器)本側(cè)和對(duì)側(cè)潮流和網(wǎng)損。應(yīng)用積分計(jì)算可得到理論電量及理論損耗電量。系統(tǒng)主要計(jì)算以下指標(biāo):

1)輸電網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)理論損耗。

2)輸電網(wǎng)絡(luò)分層理論損耗 (500kV層和220kV層)。

3)輸電網(wǎng)絡(luò)分區(qū)理論損耗。

奧智品（OGP）是一個(gè)全球非接觸式計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)領(lǐng)域的知名供應(yīng)商，其具有高新技術(shù)的產(chǎn)品被全球各生產(chǎn)領(lǐng)域廠商廣泛應(yīng)用于加工制造過程，檢測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量情況。目前，其產(chǎn)品涵蓋從手動(dòng)測(cè)量、全自動(dòng)測(cè)量到多元傳感測(cè)量系統(tǒng)，可以為用戶提供一整套既經(jīng)濟(jì)又精確的解決方案，以滿足用戶的需求。

4)輸電網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備損耗 (500kV變壓器、500kV及220kV線路)。

3.5 輸電網(wǎng)損耗靈敏度分析

靈敏度分析主要計(jì)算全網(wǎng)有載調(diào)壓變壓器、并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備、發(fā)電機(jī)組無功出力、節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)整后對(duì)于網(wǎng)損的影響程度。設(shè)備調(diào)整的前提是保證電壓合格。對(duì)靈敏度計(jì)算的結(jié)果按設(shè)備類型進(jìn)行排隊(duì)，從而知道對(duì)網(wǎng)損影響最大的設(shè)備。

3.6 輸電網(wǎng)損耗影響權(quán)重分析

系統(tǒng)進(jìn)行降損分析計(jì)算，制訂或輔助指定短中長(zhǎng)期的降損策略。主要進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變對(duì)網(wǎng)損影響的權(quán)重分析和發(fā)電及負(fù)荷改變對(duì)網(wǎng)損影響的權(quán)重分析。

3.7 輸電網(wǎng)降損分析

1)動(dòng)態(tài)降損策略。通過系統(tǒng)無功優(yōu)模塊化計(jì)算，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)降損策略，比如:發(fā)電的無功出力及無功補(bǔ)償設(shè)備的投切等。計(jì)算周期設(shè)定為15分鐘。

2)計(jì)劃降損策略分為電力電量安排策略和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整策略。電力電量安排策略分為日策略和月策略兩種。

3.8 數(shù)據(jù)橫 (縱)向比較分析

1)數(shù)據(jù)橫向比較分析，在同一個(gè)數(shù)據(jù)斷面或者同一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)斷面基礎(chǔ)上，針對(duì)不同運(yùn)行方式對(duì)網(wǎng)損進(jìn)行對(duì)比分析。

2)縱向數(shù)據(jù)比較分析，主要針對(duì)相同 (或相近)運(yùn)行方式、或同一設(shè)備，在不同時(shí)間段上的損耗進(jìn)行對(duì)比分析。

3.9 報(bào)表及Web發(fā)布

系統(tǒng)自動(dòng)生成的報(bào)表分為實(shí)時(shí)報(bào)表，日?qǐng)?bào)和月報(bào)三個(gè)部分。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及原理

4.1 EMS與TMR系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析

1)數(shù)據(jù)接口:系統(tǒng)通過4個(gè)高速RS232通信接口與EMS系統(tǒng)進(jìn)行通信，以自定義的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，獲取各電網(wǎng)一次設(shè)備的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)。通過ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)接口方式與DMIS系統(tǒng)中的TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)接口，定時(shí)從TMR鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取準(zhǔn)實(shí)時(shí)電能量數(shù)據(jù)。

2)TMR壞數(shù)據(jù)的替代:系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得到各個(gè)關(guān)口的統(tǒng)計(jì)電量。同TMR采集的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將數(shù)據(jù)差異比較大的關(guān)口列出，有助于快速查找電能量表計(jì)中的壞數(shù)據(jù)或電網(wǎng)模型存在的問題。對(duì)于電量數(shù)據(jù)長(zhǎng)期不能自動(dòng)采集或者存在問題的關(guān)口，為保證電能量損耗統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，可由人工指定該關(guān)口表采集數(shù)據(jù)用EMS統(tǒng)計(jì)電量代替。自動(dòng)采集正常后，取消替代。

3)TMR旁代數(shù)據(jù)的處理:系統(tǒng)利用開關(guān)、刀閘遙信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和線路開關(guān)準(zhǔn)實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)判斷旁代事件，對(duì)旁代數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

4.2 理論損耗實(shí)時(shí)在線統(tǒng)計(jì)分析

在電力網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的分析中，一個(gè)重要的目標(biāo)函數(shù)就是降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。網(wǎng)損的大小與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的運(yùn)行方式、變壓器的分接頭、無功補(bǔ)償點(diǎn)的運(yùn)行方式安排等都有著密切的聯(lián)系。通過理論網(wǎng)損的計(jì)算，確定理論網(wǎng)損與實(shí)際網(wǎng)損之間的差異，找出產(chǎn)生差異的原因，提出降低網(wǎng)損的措施。

理論線損包括兩部分，一部分與電網(wǎng)中通過的負(fù)荷電流的平方成正比，稱為變動(dòng)損耗，如線路和變壓器電阻中的損耗;另一部分與電網(wǎng)中通過的負(fù)荷電流無關(guān)而只與電壓有關(guān)，稱為固定損耗，如變壓器中的鐵芯損耗、線路的電暈損耗及絕緣介質(zhì)中的損耗。

電力網(wǎng)變動(dòng)電能損耗是指一定時(shí)段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)各元件上的功率損耗對(duì)時(shí)間積分的總和。由于用戶的負(fù)荷特性具有很大的隨機(jī)性，所以準(zhǔn)確的線損計(jì)算非常復(fù)雜。因?yàn)樵系膿p耗對(duì)時(shí)間的解析函數(shù)關(guān)系很難準(zhǔn)確表達(dá)出來，因此只能用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法解決。

本系統(tǒng)接入EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用實(shí)時(shí)在線狀態(tài)估計(jì)和潮流計(jì)算方法，對(duì)電網(wǎng)理論損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。狀態(tài)估計(jì)之后的收斂的實(shí)時(shí)在線潮流中，已經(jīng)將每一時(shí)刻的每條支路的有功損耗與全網(wǎng)的有功損耗計(jì)算出來 (公式1)，單位為MW，如圖3所示。

圖3 一條支路的電流與有功、無功

該支路的有功損耗為:

在這基礎(chǔ)上只要將這些有功損耗 (單位為MW)進(jìn)行積分，如公式 (2)，就能得到全網(wǎng)一天的有功損耗電量，單位為MW.H，繼而得到每月、每年的全網(wǎng)有功損耗電量。這樣就有了電網(wǎng)損耗統(tǒng)計(jì)的一個(gè)新途徑，可以與使用TMR系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的實(shí)際網(wǎng)損進(jìn)行比較和分析。

4.3 輸電網(wǎng)絡(luò)損耗統(tǒng)計(jì)

輸電網(wǎng)絡(luò)損耗的統(tǒng)計(jì)采用四分統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)輸電網(wǎng)來講是指分層 (220kV電壓層、500kV電壓層)、分區(qū)、分線、分變的四分統(tǒng)計(jì);本系統(tǒng)能夠根據(jù)規(guī)則自動(dòng)統(tǒng)計(jì)選定區(qū)域和選定電壓等級(jí)的上網(wǎng)、下網(wǎng)電量以及網(wǎng)絡(luò)損耗，無須人工定義公式來進(jìn)行計(jì)算。上下網(wǎng)關(guān)口的劃分根據(jù)廠站屬性以及拓?fù)溥B接關(guān)系自動(dòng)生成。

4.4 網(wǎng)損分?jǐn)傆?jì)算

網(wǎng)損分?jǐn)傆?jì)算采用邊際網(wǎng)損系數(shù)法，邊際網(wǎng)損系數(shù)法以靈敏度計(jì)算的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行分析;邊際網(wǎng)損系數(shù)法由于能夠反映各節(jié)點(diǎn)造成全網(wǎng)網(wǎng)損的微增成本信息，提供經(jīng)濟(jì)信號(hào)，已成為國(guó)外電力市場(chǎng)中最典型、最有應(yīng)用前景的一種網(wǎng)損分?jǐn)偡椒āＭ耆倪呺H網(wǎng)損系數(shù)法 (FMLC)能提供最好的經(jīng)濟(jì)信號(hào)，但它不能保證所分?jǐn)偟目偩W(wǎng)損與系統(tǒng)實(shí)際總網(wǎng)損一致，所以需要對(duì)該方法所分?jǐn)偟木W(wǎng)損量進(jìn)行調(diào)整。云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)損耗實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)應(yīng)用比例法來調(diào)整網(wǎng)損分?jǐn)偭俊１壤ê侠淼胤謹(jǐn)偭讼到y(tǒng)總網(wǎng)損，使之與實(shí)際總網(wǎng)損一致，并且，使用比例法后，保持了邊際網(wǎng)損系數(shù)法的經(jīng)濟(jì)信號(hào)。

4.5 無功優(yōu)化分析

通過無功優(yōu)化計(jì)算得到降損調(diào)整策略，包括發(fā)電廠機(jī)組機(jī)端電壓優(yōu)化值，并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備和有載調(diào)壓變壓器的優(yōu)化狀態(tài);并可以得到并聯(lián)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)最佳補(bǔ)償容量。無功優(yōu)化的結(jié)果作為系統(tǒng)短期動(dòng)態(tài)調(diào)整策略以及中長(zhǎng)期網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔{(diào)整策略的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目標(biāo)函數(shù):網(wǎng)損最優(yōu)

狀態(tài)變量:母線電壓;發(fā)電機(jī)的無功出力

控制變量:無功補(bǔ)償容量;主變檔位;發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。

約束條件:等式約束條件:潮流方程;不等式約束條件:各種邊界條件，包括發(fā)電機(jī)的無功出力限值 (考慮發(fā)電機(jī)的無功儲(chǔ)備)、變壓器的檔位數(shù)及每次優(yōu)化的可調(diào)檔位數(shù)、變電站的可投無功量、母線考核點(diǎn)電壓上下限。

4.6 降損策略制定

云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)損耗實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)通過對(duì)輸電網(wǎng)損耗進(jìn)行分析計(jì)算得到降低網(wǎng)絡(luò)損耗的調(diào)整策略，主要是運(yùn)行性措施。調(diào)整策略共分為兩類:動(dòng)態(tài)降損策略和計(jì)劃降損策略。

1)動(dòng)態(tài)降損策略為實(shí)時(shí)調(diào)整的策略，按照設(shè)定的計(jì)算周期 (15分鐘)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。動(dòng)態(tài)策略主要是通過無功優(yōu)化得到的發(fā)電廠無功調(diào)整措施以及低壓并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的投切措施。然后對(duì)策略對(duì)象進(jìn)行效果分析，分別計(jì)算出各個(gè)措施的實(shí)施降損效果 (降低的損耗功率)，形成動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，為調(diào)度人員實(shí)時(shí)調(diào)整電網(wǎng)提供參考依據(jù)。

2)計(jì)劃降損策略:中長(zhǎng)期優(yōu)化策略分為兩種類型，一種為電力電量?jī)?yōu)化安排，另一種是對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的調(diào)整建議，如無功配置的建議、主變分接頭的調(diào)整建議。計(jì)劃降損策略主要供運(yùn)行方式人員調(diào)整中長(zhǎng)期的電網(wǎng)運(yùn)行方式參考，以及電網(wǎng)規(guī)劃部門調(diào)整電網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)參考。

5 結(jié)束語

綜上所述，云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)損耗實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)對(duì)云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)的損耗情況進(jìn)行了多角度的分析研究，并給出了開環(huán)的降損控制措施和建議，提供給方式、調(diào)度和電網(wǎng)規(guī)劃等部門進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)研究并降低輸電網(wǎng)的損耗起到了重要作用。

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