在線理論線損計算及線損精益化管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳 峰，蔣 軍，王博文，陸海清，徐瑋韡，吳 俊，陸承宇

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江寧波市鄞州區(qū)供電有限公司，浙江 寧波 315100）

0 引言

隨著我國構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會發(fā)展戰(zhàn)略工作的逐步推進，節(jié)能降耗工作受到政府、企業(yè)、社會等各方面的高度重視[1-4]。目前，我國電力系統(tǒng)的電能損耗率仍比發(fā)達國家高出3～4個百分點，對電網(wǎng)公司而言，如何加強精細化的線損管理，實現(xiàn)技術(shù)線損最優(yōu)化、管理線損最小化已成為亟需解決的重要課題[5-7]。

為響應(yīng)國家“節(jié)能、低碳、環(huán)保”的號召，電網(wǎng)公司已開展代表日理論線損計算工作，旨在通過開展線損管理工作，進一步推進電網(wǎng)經(jīng)濟運行和節(jié)能運行。以往的線損計算管理系統(tǒng)大多是手動建模導(dǎo)入數(shù)據(jù)，配電網(wǎng)和低壓臺區(qū)計算范圍覆蓋很小，工作人員在計算理論線損時不得不手動進行調(diào)整，一方面效率低下，另一方面人工干預(yù)也會影響計算準確度[8-11]。

本文通過在線理論線損計算及線損精益化管理系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）、PMS（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、營銷用電信息采集系統(tǒng)等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合[14-15]，并在此基礎(chǔ)上進行全電壓等級的理論線損計算，實現(xiàn)了線損自動計算功能。

1 總體框架

在線理論線損計算總體流程如圖1所示。首先，明確在線理論計算所需數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理方式，主要包括所需數(shù)據(jù)及其來源、數(shù)據(jù)預(yù)處理及校驗解析。其次，對解析生成的電網(wǎng)模型進行線損理論計算，根據(jù)適合的理論計算方法分主網(wǎng)、配網(wǎng)和低壓網(wǎng)3部分進行。最后，對線損理論計算結(jié)果進行展示，并根據(jù)計算結(jié)果做出相關(guān)的降損規(guī)劃輔助決策。

圖1 在線理論線損計算總體流程

2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取方式

在線理論線損計算基于PMS，SCADA，EMS（電能量管理系統(tǒng)），用電信息采集系統(tǒng)，SG186營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)以及GIS（配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)）等，通過數(shù)據(jù)接口獲取現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間信息的高度共享。

可通過Web訪問各部門提供的下載地址獲取數(shù)據(jù)，主網(wǎng)、配電網(wǎng)、低壓網(wǎng)各數(shù)據(jù)獲取來源詳見表1。

其中，SCADA中的CIM文件主要包括所有主網(wǎng)線路、主變壓器（以下簡稱“主變”）、斷路器等設(shè)備的型號及參數(shù)信息，拓撲文件里存放所有元件互聯(lián)關(guān)系，E語言文件包含所有主網(wǎng)線路、變壓器的量測數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)獲取來源

生產(chǎn)管理部門PMS中的CIM文件主要包括所有配電網(wǎng)饋線線路、配電變壓器（以下簡稱“配變”）型號及參數(shù)信號，拓撲文件包括桿塔、線路段之間的互聯(lián)關(guān)系。低壓GIS維護的模型數(shù)據(jù)主要包含元件連接關(guān)系、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備ID號、設(shè)備型號等。

營銷部門用電信息采集系統(tǒng)提供低壓用戶抄表數(shù)據(jù)。SG186營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供：配變負荷量測數(shù)據(jù)，包含電流、電壓、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)及營配貫通配對表（用來與生產(chǎn)部門數(shù)據(jù)匹配）；表計、表箱從屬關(guān)系數(shù)據(jù)及匹配關(guān)系，包含表箱ID號、表箱名稱、表箱下表計號、用戶號、用戶名稱等。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)理論線損計算要求，需對獲取到的數(shù)據(jù)進行以下預(yù)處理：

（1）對數(shù)據(jù)進行去零、去空、去重等清洗操作,以上數(shù)據(jù)清洗大致要對全數(shù)據(jù)做一個遍歷，區(qū)分錯誤值、缺失值，辨別傳感器問題和事件數(shù)據(jù)，剔除錯誤值、極端值、缺失值。設(shè)置如下清洗規(guī)則：

規(guī)則一：各字段任一數(shù)據(jù)缺失即定義為數(shù)據(jù)缺失。如有功、無功為0，電壓為0或Null等。

規(guī)則二：明細條目重復(fù)出現(xiàn)即定義為數(shù)據(jù)冗余。如臺區(qū)名稱、統(tǒng)計時間等數(shù)據(jù)重復(fù)。

規(guī)則三：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的常識性錯誤，即定義為數(shù)據(jù)異常。如電壓值、等值電阻等與常識不符。

規(guī)則四：各字段任一數(shù)據(jù)格式不規(guī)范即定義為不規(guī)范。如統(tǒng)計時間格式不規(guī)范。

（2）利用專家經(jīng)驗、典型值等對可補全的內(nèi)容進行適度補全。

（3）統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和記錄精度。

（4）預(yù)處理完畢后，將所有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)作為分析計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)校驗解析

對獲取的數(shù)據(jù)進行校驗，誤差超出一定范圍的判定為模型維護有問題，按照標準格式生成檢查清單，并反饋至相關(guān)部門。對模型沒問題的數(shù)據(jù)統(tǒng)一解析形成標準形式存放在后臺數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)拓撲文件中元件連接關(guān)系及斷路器遙測狀態(tài)，向電網(wǎng)末端進行輻射式拓撲搜尋，當(dāng)遇到聯(lián)絡(luò)斷路器斷開或到達電網(wǎng)末端時拓撲結(jié)束，形成一個個“拓撲島”。

3 理論計算方法

3.1 主網(wǎng)理論線損計算

主網(wǎng)理論線損計算通常采用牛頓拉夫遜潮流算法。但現(xiàn)實計算中，有時由于存在斷路器遙測信號失效的情況，拓撲搜索形成“拓撲島”時會發(fā)現(xiàn)與上級電源完全隔離的“孤立島”，導(dǎo)致牛頓拉夫遜潮流算法失效。因此，對于正常的拓撲島采用牛頓拉夫遜潮流算法，對于孤立島則采用支路電流法。

3.1.1 牛頓拉遜潮流算法步驟

（1）形成節(jié)點導(dǎo)納矩陣。

（2）使用直角坐標或極坐標設(shè)置電網(wǎng)各個節(jié)點電壓初值，設(shè)置迭代次數(shù)。

（3）求解修正方程式常數(shù)項向量，根據(jù)求出的常數(shù)項向量求出雅克比矩陣。

（4）求解修正方程式，求取節(jié)點電壓新值。

（5）檢查收斂情況，檢查是否超過迭代次數(shù)，若收斂或超過迭代次數(shù)，終止，否則繼續(xù)第3步。

（6）在收斂的情況下，取最后一次迭代計算的電壓值為最終計算結(jié)果，推算出首端的輸入功率，進而推算出電網(wǎng)各個節(jié)點支路功率和損耗。

3.1.2 支路電流法步驟

（1）以線路、主變?yōu)閱挝猾@取線路首末段及主變各級繞組側(cè)量測電壓、有功功率、無功功率。

（2）根據(jù)功率及電壓等級換算出線路、主變繞組電流值。

（3）根據(jù)電流值，結(jié)合元件等值阻抗，推算出有功損耗、無功損耗。

（4）求出線路、主變首端功率理論值、有功損耗、無功損耗、銅損、鐵損等。

3.2 配電網(wǎng)理論線損計算

配電網(wǎng)理論線損計算采用牛頓拉夫遜算法與前推回代算法相結(jié)合的方法，在牛頓拉夫遜算法不收斂的情況下，采用前推回代算法修正。前推回代算法具體步驟如下：

（1）假設(shè)末端電壓為線路額定電壓，根據(jù)電網(wǎng)拓撲連接關(guān)系由末端向始端進行有功、無功、相角的累積疊加，從而求得始端功率及全網(wǎng)功率分布。

（2）用求得的線路始端功率和已知的線路始端電壓，回推計算線路末端電壓和全網(wǎng)功率分布。

（3）用第2步求得的線路末端電壓計算線路始端功率和全網(wǎng)功率分布，若求得的各線路功率與前一次相同計算的結(jié)果差值小于允許值，則認為本步求得的線路電壓和全網(wǎng)功率分布為最終計算結(jié)果。否則，返回第2步重新進行計算。

3.3 低壓網(wǎng)理論線損計算

低壓網(wǎng)理論線損計算采用等值電阻法，具體步驟如下：

（1）獲取模型數(shù)據(jù)、營配貫通數(shù)據(jù)、用電信息采集系統(tǒng)用戶抄表數(shù)據(jù)，得到等值電阻法所需計算參數(shù)。

（2）計算等值電阻，計算公式為：

式中：Si為用戶容量；Ri為從用戶至電源路徑下的電阻；k為負荷修正系數(shù)。

（3）根據(jù)配變運行數(shù)據(jù)，計算配變電流，最后根據(jù)計算出的等值電阻和配變電流，計算低壓網(wǎng)理論線損。

4 降損規(guī)劃輔助決策

在線理論線損計算及線損精益化管理系統(tǒng)可對計算結(jié)果進行展示，并將降損規(guī)劃輔助決策和報告、報表導(dǎo)出。針對電網(wǎng)高損耗部分，通過對大數(shù)據(jù)高損敏感因子的挖掘，能夠找出節(jié)能降損工作切入點，形成系統(tǒng)降損規(guī)劃輔助決策。

4.1 基于理論線損分析的重損區(qū)域挖掘

基于獲得的各區(qū)域理論線損數(shù)據(jù)，對線損率進行劃分，確定線損的輕重度等級，進而挖掘出重損區(qū)域。

4.2 基于多系統(tǒng)融合的降損空間挖掘

利用基于理論線損分析的重損區(qū)域挖掘方法，可對不同線損率等級的供電區(qū)域分別進行降損空間的挖掘。

由于區(qū)域線損主要受電網(wǎng)運行方式、運行參數(shù)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、負荷水平、負載率、用戶類型、變壓器容量等因素的綜合影響，要確定降損空間就必須找出對該區(qū)域線損影響較大的因素，并給出針對性的降損措施。降損空間挖掘流程如圖2所示，其主要步驟包括：數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理后確定重損區(qū)域各影響因素的區(qū)間劃分或狀態(tài)劃分，并按照劃分結(jié)果建立重損區(qū)域歷史線損數(shù)據(jù)庫。然后，判斷各影響因素與區(qū)域重損之間是否存在強關(guān)聯(lián)規(guī)則，將弱關(guān)聯(lián)的因素剔除，從而提高對降損空間挖掘的精準性。接著，利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息作為訓(xùn)練樣本集，建立區(qū)域統(tǒng)計線損的多元回歸模型，從而確定各影響因素的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)權(quán)重確定造成區(qū)域線損大的主要原因，并分析其為設(shè)備參數(shù)原因還是運行方式原因，從而有針對性地給出降損方案。

圖2 降損空間挖掘流程

4.3 線損改造投資效益比評估

基于前述的重損區(qū)域挖掘、區(qū)域重損原因分析和降損空間挖掘，可以為發(fā)展策劃部門提供科學(xué)合理的輔助決策，精準地選擇降損方案，最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

選擇相關(guān)的降損方案后，建立降損投資工程評估模型，通過對比工程實施前后的區(qū)域線損數(shù)據(jù)，計算區(qū)域降損大小，從而得到項目的投資效益。進一步對工程投資效益比進行評估，確定降損方案是否為精準改造。

5 結(jié)語

本文設(shè)計開發(fā)了一套在線理論線損計算及線損精益化管理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于浙江電網(wǎng)線損理論計算工作中。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）工作效率高。自動獲取多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并展開理論線損計算，自動輸出計算結(jié)果和輔助決策，相對于人工建模、手動輸入數(shù)據(jù)的模式，發(fā)揮了大數(shù)據(jù)的作用，工作效率提高明顯。

（2）準確度高。在線理論線損計算數(shù)據(jù)來源于多個系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)融合和處理技術(shù)，分析判斷各數(shù)據(jù)的正確性，對不合理數(shù)據(jù)進行分析并加以修正，提高了數(shù)據(jù)的正確性，計算精度更高。

（3）數(shù)據(jù)精細化。以10 kV配電網(wǎng)為例，以往人工建模計算理論線損，每個地市只選擇幾十條饋線進行簡單計算，低壓臺區(qū)的可算率范圍更小，而且人工建模的饋線，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，不具備典型性。該系統(tǒng)將繁瑣重復(fù)的理論線損計算工作交由計算機完成，對10 kV配電網(wǎng)理論線損可算率達到100%，大大提升了380 V低壓臺區(qū)可算率。

（4）智能化、自動化。該系統(tǒng)實現(xiàn)了省、市、縣全電壓等級的在線理論線損計算功能，可以一鍵自動生成選取代表日的理論線損報表以及線損分析報告，給出輔助降損決策，智能化、自動化程度較高。