基于大數據的配電臺區線損管理和計算系統

徐法甄

(國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司,浙江 杭州311201)

0 引言

由于配電系統中線路較長，呈輻射狀的網絡考慮到電阻和電抗的因素，網絡損耗率較高，因此，配電系統線損管理是電力系統電能質量管理的重要內容。降低臺區線損率能夠有效提高電力供應水平，從而減少能源浪費，提升電力企業運行經濟效益。

在大數據背景下，數據的采集、傳輸、存儲、分析以及管理和展示，都能夠在相應的算法和數據處理機制下高效實現。因此，大數據技術應用于配電網線損分析十分有必要，能夠大大減輕數據在采集和傳輸以及分析計算過程中的壓力，提高計算的效率和準確率，從而為配電臺區線損管理提供相應的數據支撐。

目前，針對配網的線損研究較多，有代表性的主要集中在以下方面：文獻[1]提出了基于配網最優經濟運行區間的網損分攤方法；文獻[2]提出了基于時間序列線性大數據分析的電力系統潮流計算方法；文獻[3]提出了配網線損同期化計算與多維分析系統；文獻[4]研究了依托大數據的配網線損管理；文獻[5]研究了中低壓直流配電網線損計算與分析；文獻[6]分析了配電網非完全量測同期線損計算方法。在大數據背景下，配網臺區線損的分析和管理還應當繼續深入。

為此，本文針對基于大數據的配電臺區線損系統進行了設計，并在實際系統中進行仿真分析，來驗證本文系統的有效性。

1 配電臺區線損

配電線路損耗簡稱配電線損，是分布載各配電變壓器臺區下的線路損耗的總稱。配電線損是受專業部門管理的內容，電力公司對配電臺區線損有相應的考核和檢查機制，歸口管理部門負責日常線損管理工作，需要對相應的營銷、無功電壓、節能等內容進行相關的深入研究，從而建立起專業的線損管理體系。線損主要是指變壓器、線路中的損耗，配網結構如圖1所示。

圖1 配電網結構示意

典型的配電線損管理結構如圖2所示[7]。線損管理領導小組負責向省歸口部門和考核監督部門的管理，根據從上而下的管理體系，衍生出營銷管理、供電所管理、無功電壓管理、節能技術管理、職工培訓管理和調度運行管理。這些專業類別齊全的管理體系構成專業管理部門。由此對應的管理末端為抄表班、供電所、營業廳、計量所、運行班和調度班等。由于線損管理需要與用戶以及用戶配電表計掛鉤，因此針對用戶的線損管理是十分復雜而又重要的內容。通過調整網絡結構可以改變網絡損耗，但同時需要在無功分配以及相應技術協調方面進行支撐。

圖2 線損管理網絡

現階段，隨著網絡技術以及通信信息技術的發展，配電系統日益實現自動化和智能化，電力公司也根據配電系統的特點建立了相關的管理系統，包括計量自動化系統、負荷控制系統、用電營銷系統和配電變壓器監測系統等。這些系統在不斷提高配電網自動化運行水平的同時，也能夠開展實時和線上數據計算，從而對線損進行實時和在線分析。

但由于配電線路較多，不同的臺區管理現狀和數據收集程度難易有所差異，因此線損管理系統在自動化計量以及用電營銷系統中的表現內容并不完全一致。需要從相應臺區的自動化計量系統中獲得運行數據，根據相應的配電營銷管理內容得到配網運行數據，并且還要結合運行班組以及生產管理系統，得到變電站臺區以及配電線路的拓撲結構等內容。

另一方面，不同的網絡管理系統，采用的信息在不同配電臺區之間有可能出現信息孤島現象，線損信息不能夠共享和協同，導致對象不統一、信息重復維護等現象，因此線損管理仍然是當前配電網管理工作中較為棘手的問題。目前針對大數據技術以及互聯網技術的發展可以建立相應的業務平臺，通過局域網絡構建配電臺區或者多個配電區域的線損管理系統，可以開發相應的平臺和數據接口，達到配電線損管理系統與數據接口以及數據采集裝置同步的機制，從而將割裂的業務融合發展，適應新形勢下配電網的發展需求。

2 配電臺區線損大數據

2.1 采集數據

配電線損的數據包括采集數據、計算數據和結果數據。采集數據主要來源于電網拓撲資料、電網運行數據、電網模型數據和電力營銷數據等。電網拓撲數據能夠準確提供配電線路的連接關系，體現電力設備以及配電線路在線損計算中的節點位置。電網運行數據主要提供計算線損所需要的節點電壓、節點電流以及開關狀態等信息。電力營銷數據能夠提供用戶側計量表計所顯示的負荷數據以及售電量信息等。這類數據信息的輸入如圖3所示。

圖3 電壓曲線示意

這類基礎數據為配電網的基礎信息，可以通過PMS系統獲得；配電網的量測數據來自SCADA系統；實時拓撲數據主要來自線路和變壓器的參數信息。這些基礎數據的數據量較大，需要高性能傳輸，因此在大數據技術中，可以通過相應的數據接口，對訪問數據進行高效查取。

2.2 計算數據

配電系統的線損是基于潮流計算的結果。潮流計算主要有快速解耦法、改進PQ法和改進NL法等。但較為常用的是前推回代算法。本文利用前推回代潮流計算中的公式得到線損。

由量測裝置采集各負荷節點注入電流。根據基本電路定理，有

(1)

節點運算功率計算公式為

(2)

支路的始端功率為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

無功功率計算公式為

(8)

功率損耗計算公式為：

(9)

(10)

配電網前推回代潮流計算流程如圖4所示。

圖4 前推回代計算流程

2.3 結果數據

計算結果數據則為線損計算后的結果，計算結果信息量較小，可以通過相應的數據展示技術對其進行可視化以及動態展示，實現線損與變電、配電過程中的多環節耦合，從而有助于線損管理以及營銷系統的配電計劃等。

2.4 數據交互

配電網線損數據在交互時需要遵循一定規范，本文采用基于IEC 61970的組件交互規范，可以針對能量管理系統內部數據交互，以及實時獲準實時數據訪問接口、實時數據訪問的高速數據訪問接口、歷史數據訪問時間序列訪問接口等進行定義。

3 基于大數據的配網臺區線損計算系統

3.1 系統設計

本文設計基于大數據的配電臺區線損優化系統，由3個部分組成：數據采集單元、數據傳輸單元和數據分析單元。數據采集單元可以獲得節點電壓電流以及網絡拓撲數據。數據傳輸單元需要對采集到的數據進行加密傳輸，通過在線分析或離線計算系統對得到的數據進行線損計算，最終得到結果。線損優化系統結構如圖5所示。

圖5 同期線損優化系統

本文所提的系統架構，采用面向服務的體系結構，能夠將不同功能的單元通過定義相應的接口和協議進行緊密連接。這樣的通信接口可以實現不同功能單元的高度耦合。

數據分析單元是本系統中的計算中心，能夠在專用網絡中對傳輸得到的數據進行現存計算。考慮到數據傳輸過程中的數據結構和數據類型不同，數據分析單元需要一定的存儲和初步分析計算能力，將數據分析單元分為數據讀取、拓撲分析和線損計算3個模塊。采取區分結構數據與運行數據的方式，對數據進行歸檔和分別讀取。

在數據采集單元獲取的數據中，電氣設備參數、邏輯節點及電氣連接圖等均屬于結構數據；運行數據主要包括設備的開關狀態、變壓器分接頭位置，以及負荷節點的電壓、電流、功率等。數據分析單元結構如圖6所示。

圖6 數據分析單元示意

本文提出的線損計算時序如圖7所示，反映了不同數據在計算機系統中的傳遞順序。

圖7 線損計算時序

3.2 仿真分析

本文采用配電網絡進行仿真，接線圖如圖8所示，該網絡共有5個節點，圖8中已經用數字標出。配電線路以及負荷參數見文獻[8]。

圖8 仿真系統

利用本文提出的大數據配電臺區線損計算管理系統，采集各節點的原始數據進行相應信息的初步分析，最后計算線損。通過前推回代算法，求得該網絡的線損。線損計算結果如表1所示。

表1 線損計算結果

由表1可以看出，本文的系統計算結果能夠反映網損的真實狀況，并且與傳統計算方法相比差別不大，具有較高的可靠性和適應性。

本文的大數據量測裝置部署在各節點，對于本算例為1～5節點，經過數據的收集、存儲和分析，最終得到計算結果。線損數據得到后有助于管理部門針對歷史數據、實時數據進行對比分析，從而查找有關的問題節點，優化網絡線損。

4 結束語

本文提出了基于大數據的臺區配網線損分析和系統設計。通過本文的分析，說明了大數據技術在數據來源、計算數據和結果數據中的應用，并且設計了基于面向服務體系的系統架構，用來對數據進行分析，并根據相應的算法求解配網線損。仿真算例說明了本文所提方法的有效性。