基于負荷曲線的配電網用戶月線損值預測研究

伏蕾， 楊斌

(國網寧夏電力有限公司固原供電公司， 寧夏， 固原 756000)

0 引言

目前，我國配電網規模巨大，居民、工業的用電負荷量與日俱增，與此同時電能損耗也非常大。電力能源是經濟發展的重要保障，當過度發展經濟時會引起電力能源浪費，因此需尋求兩者之間的平衡方法[1]。電力能源損耗是在配電網系統內每個設備、線路、零件可估計電能消耗和不明原因的損耗，受各種不定因素影響，導致配電網用戶線損最難預測，而配電公司整體考核的核心指標為線損[2]。此時配電網企業需要尋找適合自身發展的節能減排措施，快速對配電網用戶月線損實施計算和預測，為企業制定降損策略提供理論支持[3-4]。因此對配電網用戶線損分析與預測非常重要，同時對提高配電網企業管理水平有著深遠的意義。

文獻[5]提出了一種計及峰谷分時的配電線路同期月線損預測方法。該方法首先采用X12-ARIMA方法對臺區和高壓用戶的月尖峰平谷售電量分別進行預測；然后采用非線性最小二乘法建立臺區歷史月售電量與歷史月線損的關聯模型對臺區線損進行預測，進而得到臺區關口供電量；最后根據高壓用戶月售電量預測結果和臺區關口供電量通過前推回代方法得到主線路線損,將臺區線損與主線路線損相加得到配電線路同期月線損預測值。文獻[6]針對電力市場采用位置邊際定價原則進行市場清算、進行多重結算并發行金融轉讓權的情況，對DCOPF模型進行了細化。分段線性損失預測模型比傳統的純線性損失模型具有典型的優勢。與現有的帶靜態參數的分段線性損耗模型不同，該研究提出的靜態曲線擬合技術通過基于線負荷水平的二元分類的加權誤差最小化來評估損耗參數。給出了詳細的數學程序來求解所提出的曲線擬合優化問題。評估和比較了適用于特定市場框架的不同線性和分段線性損耗模型的潮流精度。但是，以上的配電網用戶月線損值預測方法忽略了對月負荷曲線的計算，導致月線損值預測結果出現較大偏差。

據以上資料表明線損受負荷曲線影響較大，而在配電網中包括多種用戶類型，其對應的負荷曲線不同。在配電網分析中，包括Zbus法、前推回代法、回路法等方法。Zbus法處理分支、環網的能力強，具有較高收斂速度，而前推回代法運算速度快，且便捷。為此從實際負荷曲線獲取數據為基礎，將2種方法的優勢相結合，生成潮流計算方法，提高配電網用戶月線損值計算速度，因此研究基于負荷曲線的配電網用戶月線損值預測方法，提高預測效率。

1 基于負荷曲線的配電網用戶月線損值預測研究

利用用電信息采集系統實現配電網拓撲信息和線路參數等運行數據采集，并以采集配電網各種信息的基礎上，通過實際負荷曲線生成方法分解配變月用電量，并求解配變的實際月負荷有功無功功率曲線，采用潮流計算方法，計算出配電網用戶的月線損值。由此可得月負荷曲線下的配電網用戶月線損值計算流程如圖1所示。

圖1 月負荷曲線的配電網用戶月線損值計算流程

1.1 實際供應電量的負荷曲線生成

為實現配電網用戶月線損值預測[7-8]，需求解配電網的實際月負荷曲線，其具體流程如下。

Step 1 求解配變的月負荷標準化曲線

若第j類負荷的月負荷標準化曲線和配變x下第y類負荷所占總負荷比例為已知條件，配變x的月負荷標幺曲線，用式(1)描述：

(1)

式中，負荷y曲線中t時刻以平均負荷為基準標幺值用Oyt描述，負荷類型數用l描述，比例系數用Kxy描述，配變x月負荷曲線中以平均負荷為基準標幺值用Oxt描述。

Step 2 求解配變的實際月負荷有功功率曲線

有功功率曲線求解如式(2)：

(2)

其中，采集點數用c描述，配變x的t時刻有功功率用Pxt描述，配變i的月用電量用Ax描述。

Step 3 求解配變的實際月負荷無功功率曲線

為獲取該無功功率通過配變典型功率因數和實際月負荷有功功率曲線獲取，其求解如式(3)：

Qxt=Pxt×tan(arccosφxt)

(3)

其中，配變x的t時刻的無功功率用Qxt描述，典型功率因數用φxt描述。

1.2 基于潮流計算的配電網用戶月線損值預測

潮流計算的數據基礎為生成的實際負荷曲線，潮流計算融合了前推回代法和Zbus計算法的優點。前推回代法主要求解輻射型配電網；而Zbus計算法主要求解環形配電網。潮流計算將配電網看作一個整體，為維持網絡計算平衡，需修正邊界節點信息[9-11]。

先對配電網節點的電壓實施初始化，利于前推計算輻射型結構體的功率，根據式(4)求出修正邊界點負荷注入電流，

(4)

按照前推計算修正電流，通過Zbus計算法對環形結構體實施求解得出信息修正邊界節點2的功率，再采用前推計算求解輻射型配電網。當輻射型配電網求解時，若存在環網，需在求解后繼續采用前推計算方法求解環網的潮流，最后求解連接根節點的網絡功率，在得到環網功率后通過迭代運算修正配電網信息，直到求解出最優值[12-13]。潮流計算算法具體過程，見圖2。

圖2 潮流計算算法具體過程

1.2.1 基于前推回代法輻射型狀構體潮流計算

前推回代法是潮流計算的經典算法，主要適用于輻射型結構體的潮流計算[14]，該算法流程如下。

(1) 假設配電網線路中節點初始電壓用Ug=10kV描述，其中g=1,2,3,…。

(2) 依據支線級別求解每個節點的功率和損耗，如式(5)、式(6)：

(5)

Pi=Pj+Plossij

Qi=Qj+Qlossij

(6)

其中，節點j有功、無功功率分別用Pj、Qj描述，支線電阻用zij描述，連接上下支線的節點號用i描述，支線有功功率損耗用Plossij描述，節點i有功、無功功率分別用Pi、Qi描述，支線阻抗用hij描述，支線無功功率損耗用Qlossij描述，支線特征節點號用j描述。

(3) ΔP表示線路開始端功率修正量，當|ΔP|>ε(ε=10-5)時，需修正該功率后再進行下一環節。

(4) 為求解節點電壓，按照支線級別求出，具體如式(7)：

(7)

其中，i節點電壓用Ui描述，j節點電壓用Uj描述。

(5) 節點電壓幅值的修正量的求解ΔUi(n+1)，如式(8)：

ΔUi(n+1)=|Ui(n+1)-Ui(n)|

(8)

其中，迭代次數用n描述。

(6) 修正量的最大值Umax，如式(9)：

Umax=max(ΔUi(n+1))

(9)

(7) 判斷修正量的最大值是否滿足收斂要求。

當收斂值θ滿足Umax<θ時，可求出電壓值，當不滿足要求時，需從第(2)步開始運行至第(7)步，直至滿足要求為止。

(8) 節點功率角按照該點電壓可求出，具體如式(10)：

(10)

1.2.2 基于Zbus計算法的環型結構體潮流計算

通過Zbus計算法求解環網潮流，將相同電流值生成電壓與根節點生成電壓相加得出母線電壓。因輻射型配電網內信息對根節點電壓無影響，可獨立求解；求解同電流值生成電壓需按照輻射型配電網信息實施修正后求解[15]。

受源節點電壓求解，如式(11)：

(11)

在導進相同電流時生成節點電壓，如式(12)：

(12)

節點電壓通過疊加原理求出，節點電壓如式(13)：

(13)

在求解環網潮流時，假如環網配電網內無源節點，通過式(12)可求解導進相同電流時生成節點電壓；假如環網配電網內存在源節點，需通過式(11)～式(13)求解節點電壓。

2 實驗分析

為驗證本文方法的效果，實驗選取某地區供電公司10 kV·A線路2014～2017年數據作為數據基礎，該線路包括60個配電網用戶、20個節點。線路電路圖如圖3所示。采用本文方法對2018年6～9月配電網用戶月線損實施預測，同時和實際值作比較。

圖3 線路電路圖

為驗證本文方法的性能，經實驗得出本文方法的誤差迭代圖，見圖4。

圖4 本文方法的誤差迭代圖

分析圖4可知，本文方法在計算過程中誤差絕對百分比逐漸呈下降趨勢，采用本文方法收斂速度快，在第150次迭代時就可迅速完成收斂，說明本文方法的性能良好。

采用本文方法預測出線路各節點的有功功率、無功功率及電壓，并與實測值對比，其結果如表1所示。

利用1.1節獲取實際供應電量的負荷曲線，并通過式(3)對該曲線進行求解，得出以上實測供應電量的相關數據，如表1。通過式(11)計算受源節點電壓，求取平均值，利用式(3)計算有功功率，利用式(6)計算無功功率，相關數據如表1。分析表1可知，實測出各節點平均電壓、有功功率、無功功率分別為9.79 kV、0.74 MW、0.71 Mvar；本文方法預測出各節點平均電壓、有功功率、無功功率分別為10.76 kV、0.86 MW、 0.82 Mvar，因此采用本文方法預測各節點的有功功率、無功功率及電壓與實測值非常相近，誤差較小。說明本文方法預測效率高，可準確預測線路中各節點的數據信息，為線路同期月線損的預測提供準確的數據信息。

表1 本文方法與實測值的各節點計算對比結果

為進一步驗證本文方法的準確性，從20個節點中隨機選出3個節點，分別是節點1、節點7、節點18，采用本文方法得出節點6月的標準化曲線，結果如圖5所示。

圖5 負荷曲線

通過分析圖5得出，3個節點的負荷曲線，雖然節點7在6月10日、6月14日出現較大峰值，相對誤差百分數的極大值和極小值分別為5.0%、4.2%，但該節點負荷平均誤差在-3%～+3%之間，而其他2個節點的平均誤差百分數均在該區間內，由此說明本文方法的標準化曲線生成準確性較高。

采用本文方法得出線路同期月線損預測值，結果見表2。

表2 配電線路同期月線損預測結果

由表2可知，配電網用戶月線損率與售電量成正比，當售電量升高，月線損率也隨著升高，和實際相吻合，證明本文方法的月線損值預測準確性高。

對比本文方法6～9月的總月線損值預測結果與實際統計結果，對比情況如表3所示。

表3 對比結果

由表3可知，本文方法預測出的月線損值與實際統計值偏差較小，平均偏差低至3.215%，說明本文方法有效性較高。

3 總結

由于配電數據采集信息缺失、無法準確獲取負荷曲線，使得配電網用戶月線損預測效率低。因此，本文研究基于負荷曲線的配電網用戶月線損值預測方法，提升預測準確率，提高配電網用戶的管理水平，為降低配電網用戶的損耗提供理論依據。本文通過月負荷分類曲線和負荷月用電量的實際負荷曲線求出配電網用戶的有功與無功功率曲線，并利用潮流計算方法計算出配電網用戶月線損預測值。實驗結果表明，本文方法可有效地預測配電網用戶月線損值，并與實測值非常貼近，說明本文方法預測準確性較高，在本文方法的基礎上可減少線損的損失，為配電網的正常運行提供技術支持。

但是，本文提出基于負荷曲線的配電網用戶月線損值預測方法，需要在實踐中逐漸完善，運用更加先進的技術手段，提高本文方法預測精度，考慮到因配電網中線損還會受變壓器空載因素影響，下一步將該因素作為研究重點，繼續深入研究該課題。