基于實時可開放容量分析的電網元件柔性供電能力挖掘方法研究

國網承德供電公司 孔慶澤 張 勇 李 巖

在數字化轉型時代背景下，電網對供電能力計算的實時性、靈活性、高效性、準確性以及即用性要求不斷提高。隨著電網企業數字化轉型不斷推進，基層減負增效工作部署持續推動落實，在調度運行分析、方式調整、規劃建設、業擴報裝等環節，對供電能力計算值的實時性、靈活性、高效性、準確性和即用性等需求不斷提高。目前，在供電能力挖掘方面，仍存在著計算結果準確度不高、源端數據質量良莠不齊、計算周期不夠靈活、計算結果較為單一等不足。

本文提出了一種基于實時可開放容量分析的電網元件柔性供電能力挖掘計算方法，全面分析供電能力的影響因素，縮短供電能力計算周期，提升供電能力計算精確性與實時性，客觀反映電網供電瓶頸和聯絡薄弱點，為電網網絡結構優化和負荷接入提供指導，充分挖掘和發揮電網的供電潛力。

1 研究現狀

1.1 可開放容量研究現狀

目前主要研究聚焦在配電網可開放容量計算指標、可開放容量計算方法以及配電網可開放容量的規劃方法等方面。常用的可開放容量計算指標主要有線路限流值、線路最高負荷以及線路新能源等效出力電流等[1]。可開放容量計算方法主要可分為整體可開放容量計算、單條饋線可開放容量計算、多聯絡饋線可開放容量計算以及饋線可開放容量計算等方法[2-3]。進行配電網可開放容量規劃通常綜合考慮資源共享情況、以及設備利用率、行業使用系數差異性等因素，推動負荷資源開放共享，降低配電網建設成本[4]。

1.2 柔性供電能力挖掘方法研究現狀

最大供電能力是指在一定供電區域范圍內，電網在滿足N-1準則并考慮到網絡實際運行情況下，所具有的最大負荷供應能力。我國供電能力挖掘方法的理論研究一共經歷了三個發展階段[5]：

第一階段主要通過變電容量來評估配電系統的供電能力，常用的供電能力評估方法主要為容載比法；第二階段在考慮變電站變量容量的基礎上也增加了變電轉供的思想，主要通過負荷能力法、最大負荷倍數法以及網絡最大流法等方法計算配電網的供電能力；第三階段是在N-1準則下，同時計算變電站與網絡轉供能力，對配電網供電能力進行評估，常用的供電能力計算方法主要有解析法和模型法[6]。

2 數據來源及分析方法

2.1 信息數據來源

本研究選取承德地區某個供電區域的一個典型變電站為例，采集調度自動化系統變壓器、線路實時運行信息，生產系統試點主變、線路、變壓器載流信息及電網拓撲結構、負荷轉移關系等網架信息，生產系統試點主變、線路、配變的故障信息，營銷系統用戶檔案、與電源的對應關系信息，采集系統新能源發電上網電量、負荷數據，以及營銷系統業擴報裝計劃、設備投退運信息等信息。

2.2 數據分析方法

描述性統計方法。通過對研究對象有關變量的相關數據進行頻數分析、集中趨勢分析、離散程度分析及分布等分析，并通過指標和分類、圖形或計算概括性數據等形式對研究對象的變量數據特征進行描述。通常用來檢驗數據中的異常值、分析數據的一般水平以及數據之間的差異程度、分布狀況；相關性分析方法。通過對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度，是篩選某種變化產生的影響因素的常用方法。

聚類分析。是通過數據建模簡化數據的一種方法，按照一定的要求和規律將搜集到的數據或變量進行分類，一般被用來描述數據、衡量不同數據源間的相似性及將數據源分類到不同的簇中。在同一個簇中的對象具有很大的相似性，而不同簇間的對象具有很大的相異性。傳統的聚類分析方法包括系統聚類法、分解法、加入法、動態聚類法、有序樣品聚類、有重疊聚類和模糊聚類等，常用的聚類分析算法包括k-均值、k-中心點等，通常運用SPSS或SAS軟件進行聚類分析。

3 電網元件柔性供電能力挖掘

3.1 數據特征篩選

數據導入。選取承德地區一個典型變電站，依次導入該變電站主變、線路及配電變壓器運行信息、網架信息、故障信息及營銷系統相關信息，通過分類、劃分等級等方法進行特征因素量化，并對缺失值、異常值進行填補或替換處理。具體數據及其說明如表1所示。

表1 電網元件柔性供電能力挖掘相關數據表

特征處理。通過相關系數計算，篩選出與因變量具有強相關關系的特征變量，以此作為研究的依據。以變電站主變實時可開放容量分析為例，計算各個特征與當天最大負荷之間相關系數，根據計算的相關系數篩選出強相關特征。表2為各季節特征因素與當日最大負荷之間的相關系數。

表2 各季節特征與當日最大負荷相關系數表

3.2 電網柔性供電能力分析

電網柔性供電能力主要由變電站主變實時可開放容量、線路實時可開放容量及配電變壓器實時可開放容量三部分構成。可對這三部分可開放容量進行分析計算，最終得出電網柔性供電能力挖掘結果。

3.2.1 變電站主變實時可開放容量分析

變電站的主變實時可開放容量的計算過程主要包含以下步驟：

計算該變電站每一天尖、峰、平、谷時段最大負荷；計算每一天外部數據：當天最高氣溫、當天最低氣溫、當天濕度、當天降水量、當天風速、當天風向、當天最大濕度、當天最低濕度、當天是否節假日、當天星期幾；使用聚類方法對上述變電站內外部特征做聚類，將近1年的變電站特征數據聚類為若干類。

對于聚類得到的每一個小類計算變電站可開放容量。可開放容量Sk的計算：Sk=αSn-max(Sh,γSzj)-Sd-γSz。式中，Sk為本變壓器可開放容量；α為重載率管控閾值；Sn為本變壓器額定容量；Sh為本變壓器正常運行方式下該聚類類別的近一年最高負荷；γ為等效負荷系數，建議參考值為Sh/Sn；Szj為本變壓器當前接入用戶總容量；Sd為本變壓器最高負荷時刻新能源等效出力； Sz為在途報裝容量。

3.2.2 線路實時可開放容量分析

對電網線路實時可開放容量進行分析主要分為四個步驟：

計算該10kV出線每一天尖、峰、平、谷時段最大電流；計算每一天外部數據：當天最高氣溫、當天最低氣溫、當天濕度、當天降水量、當天風速、當天風向、當天最大濕度、當天最低濕度、當天是否節假日、當天星期幾；使用聚類方法對10kV出線內外部特征做聚類，將近1年的10kV出線特征數據聚類為若干類。

對于聚類得到的每一個小類，計算配電線路的可開放容量。可開放容量Sk的計算：Sk=式中，Sk為本線路可開放容量，UB為本線路基準線電壓，Ik為本線路可開放電流，γ為等效負荷系數，Sz為在途報裝容量；本線路可開放電流Ik的計算公式為：Ik=α×Immax(Ih,γIzj)-Id。式中，Ik為本線路可開放電流，α為重載率管控閾值，Ih為本線路正常運行方式下該聚類類別的歷史最高負荷電流，γ為等效負荷系數，Izj為本線路當前接入用戶容量換算電流值，Id為本線路最大負荷時刻新能源發電等效電流。

3.2.3 配電變壓器實時可開放容量分析

配電變壓器實時可開放容量的計算過程主要包含以下步驟：

計算該配電變壓器近1年每一天尖、峰、平、谷時段最大負荷；計算近1年每一天外部數據：當天最高氣溫、當天最低氣溫、當天濕度、當天降水量、當天風速、當天風向、當天最大濕度、當天最低濕度、當天是否節假日、當天星期幾；拼接上述內外部數據，使用聚類方法對該公變內外部特征做聚類，將近1年的公變特征數據聚類為若干類。

對于聚類得到的每一個小類，計算公變的可開放容量。可開放容量Sk的計算：Sk=αSnmax(Sh,γSzj)-Sd+Sx-γSz。式中，Sk為本變壓器可開放容量；α為重載率管控閾值；Sn為本變壓器額定容量；Sh為本變壓器正常運行方式下該聚類類別近一年內最高負荷；γ為等效負荷系數；Szj為本變壓器當前接入用戶容量；Sd為本變壓器歷史最高負荷日新能源發電等效出力；Sx為本變壓器歷史最高負荷日已申請銷戶用戶負荷；Sz為在途報裝容量。

3.3 電網運行薄弱環節分析

基于實時可開放容量分析對電網柔性供電能力進行挖掘，整合調度生產、營銷等各個專業系統數據，可以有效幫助電網開展運行薄弱環節分析、設備負載情況分析，輔助電網做出更加精準有效的負荷轉移調整決策。

一是通過研發臺區運行薄弱環節分析功能，按時間段、設備匯總各時間段、各個設備發生的故障次數，深入分析設備故障、設備負載情況，快速定位運行薄弱環節；二是針對主變/線路/配變各個時段的最大負載率或平均最大負載率等負載情況，進行橫向和縱向對比分析，得出負荷運行情況，精準定位負載水平較高設備，實施負荷轉移，提升電網負荷轉移措施的精確性；三是選取典型線路、配變設備，結合設備可開放容量分析計算結果及當前臺區負荷運行情況，研究負荷遷移的試點方案，對轉移前后的臺區供電能力情況進行試測算，形成負荷轉移調整輔助決策指導建議。

綜上，開展基于實時可開放容量分析的電網元件柔性供電能力挖掘方法研究，能夠提升配電網進行供電能力計算的精確性與及時性，客觀反映電網供電瓶頸和聯絡薄弱點，為電網絡結構優化和負荷接入提供指導，全方位提升供電能力計算應用水平，支撐相關業務的多元化數據需求，充分挖掘和發揮電網的供電潛力。本研究主要選取了供電網絡中其中一類變電站進行供電能力分析，未來可針對性的開展每一類變電站、線路、變壓器的可開放容量，綜合展示各類設備的運行狀況和相關業務信息。