基于狀態(tài)估計的配電網(wǎng)線損分析

梁辰 孫姝賢 張帥 楊瑞

摘 ?要：當前電站自動化覆蓋率高，可提供大量數(shù)據(jù)進行分析計算，為此提出一種基于狀態(tài)估計的配電網(wǎng)線損分析方法，并分析該方法所用的信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。通過狀態(tài)估計方法對采集數(shù)據(jù)進行處理，同時滿足潮流計算的約束，消除誤差和丟包帶來的影響，得出較為精確的節(jié)點注入功率，以此計算配電網(wǎng)的線損率。

關(guān)鍵詞：線損；配電網(wǎng)；狀態(tài)估計；潮流計算；節(jié)點注入功率

中圖分類號：TM731 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0149-04

Abstract： At present， the automation coverage of power stations is high， and a large amount of data can be provided for analysis and calculation. Therefore， a distribution network line loss analysis method based on state estimation is proposed， and the structure and function of the information management system used in this method are analyzed. The collected data are processed by the state estimation method， and the constraint of power flow calculation is satisfied at the same time， the influence of error and packet loss is eliminated， a more accurate node injection power is obtained， and the line loss rate of distribution network is calculated.

Keywords： line loss; distribution network; state estimation; power flow calculation; node injection power

隨著通信、自動化等技術(shù)的高速發(fā)展，各類變電站、開關(guān)站廣泛采用微機保護、配電自動化、綜合自動化后臺等設(shè)備，都具有較高的數(shù)字化、智能化水平，采集的運維信息、故障信息也非常豐富，且具有傳輸速度快，數(shù)據(jù)完整等優(yōu)點，運維人員可以遠方實時監(jiān)視和操作站內(nèi)設(shè)備[1-3]，如何更好地利用這些裝置和數(shù)據(jù)，提高電網(wǎng)運行時的控制和管理能力，故障時的分析和處理能力，是電力系統(tǒng)面臨的重大課題，需要深入分析研究。

在電力系統(tǒng)分析中，傳統(tǒng)的計算方法[4]有等值電阻法、均方根電流法等，優(yōu)點是模型簡單，不依賴詳細的運行數(shù)據(jù)，缺點是無法得出精度較高的計算結(jié)果，這些計算方法都已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對電網(wǎng)運行管理的要求，也沒有很好地利用站內(nèi)豐富的采集信息。狀態(tài)估計是利用電網(wǎng)模型、參數(shù)和實時遙測數(shù)據(jù)，求解電網(wǎng)實時運行狀態(tài)，并檢測和辨識量測中不良數(shù)據(jù)的一種計算方法[5-6]，其理論研究和工程應(yīng)用相輔相成，都已取得大量成果。電網(wǎng)線損指標是國家電網(wǎng)公司評價經(jīng)營技術(shù)能力的重要參考，也是創(chuàng)建世界一流電網(wǎng)、提升電力管理水平的一項重要依據(jù)。在不同電壓等級的電網(wǎng)線損組成中，10 kV配電網(wǎng)線損電量占比最大，約占電網(wǎng)總損耗的65%[2]。因此，電力企業(yè)積極開展線損分析和理論計算，利用先進的信息采集技術(shù)采集實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行精確評估，為電網(wǎng)降損、規(guī)劃設(shè)計、提高供電可靠性提供了重要參考，為實現(xiàn)智能化堅強電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

當前站內(nèi)的后臺自動化系統(tǒng)可對電網(wǎng)信息進行采集，在一定程度上能夠完成監(jiān)測功能并部分控制站里一次二次設(shè)備，但缺乏對這些數(shù)據(jù)的有效分析和運用，在后臺系統(tǒng)中加入信息管理系統(tǒng)，收集各類信息，采用狀態(tài)估計、潮流計算等數(shù)學方法，分析電網(wǎng)運行變化規(guī)律，計算線損等，作為電網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)支持，提高其信息化、智能化水平。

本文提出了一種基于電站實時數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計方法，分析了該種方法所需要的信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對采集到的線路始端節(jié)點功率、終端節(jié)點功率、節(jié)點電壓等數(shù)據(jù)進行混合量測狀態(tài)估計，同時滿足配電網(wǎng)的潮流計算，得出更加符合實際運行情況的結(jié)果，從而更好地對線損情況精確評估，為電網(wǎng)降損、運行管理提供數(shù)據(jù)支持，有一定的實用性。

1 ?10 kV電網(wǎng)線損基本理論

線損是指從發(fā)電廠發(fā)出電能，經(jīng)電網(wǎng)傳輸供給客戶的全過程中，在輸變配用的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能量損耗的總和。原因在于這一過程中的所有線路和設(shè)備都存在阻抗， 電流流經(jīng)后即會產(chǎn)生有功損耗。線損率定義為線損電量占供電總電量的百分占比， 其計算公式表示為

ΔP%=（輸入電量-輸出電量）/輸入電量×100%。

線損電量一般由以下幾部分組成：①35 kV及以上線路電能損耗；②主變壓器電能損耗；③10 kV及以下線路電能損耗；④配變電能損耗；⑤電容器等無功補償設(shè)備電能損耗；⑥站用變、蓄電池等變電站輔助設(shè)備電能損耗；⑦電壓、電流互感器及二次回路電能損耗；⑧進戶線、電表電能損耗；⑨計量裝置誤差、違規(guī)用電行為等造成的部分電能損耗。

線損率是體現(xiàn)電網(wǎng)管理水平的一個重要指標。在實際的輸電、變電、配電過程中，有一部分損耗是不可避免的，由所轄范圍內(nèi)設(shè)備的運行參數(shù)決定，可通過方均根電流法、平均電流法、等效電阻法等理論線損計算方式得到。線損管理的相關(guān)研究內(nèi)容包括電能損耗計算、線損計算，以及根據(jù)計算結(jié)果提出相應(yīng)的降損措施等，這就要求管理過程有合理性、針對性。

2 ?信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)需滿足電力系統(tǒng)監(jiān)測控制時間上同步和空間上廣域的發(fā)展需求。不同地點安裝的一些信息采集裝置記錄的數(shù)據(jù)缺乏準確的共同時標，這種數(shù)據(jù)僅局部有效，難以用于分析整個電網(wǎng)的動態(tài)特性，對于狀態(tài)估計這種實時性、精確性要求較高的分析方法具有一定的誤差，因此統(tǒng)一電網(wǎng)時標顯得尤為重要。現(xiàn)在的變電站均廣泛配備GPS和北斗定時系統(tǒng)，精度高、范圍廣，無需通信通道，受地理條件限制小。隨著電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，變電站、開關(guān)站、配電站等均安裝具備通信、電子信息、計算機等新技術(shù)，具有相當高的數(shù)字化、智能化水平的自動化后臺裝置，數(shù)據(jù)交換快速且完整。大量的電網(wǎng)信息都能及時送至調(diào)控中心主站用于故障診斷、電網(wǎng)運行智能管理。

為進一步提高電能利用率，降低供電成本，從而增加企業(yè)經(jīng)濟效益，集成電力系統(tǒng)中已有的數(shù)據(jù)，根據(jù)降損需求設(shè)計新的信息管理系統(tǒng)具有重要意義[7-8]。

信息管理系統(tǒng)可以劃分為5個模塊：數(shù)據(jù)監(jiān)測、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、故障信息管理和綜合信息管理，具體功能如下。

數(shù)據(jù)監(jiān)測：安裝在各個子站的綜合自動化后臺，監(jiān)測全網(wǎng)的一、二次設(shè)備，保證對電流電壓等電網(wǎng)數(shù)據(jù)的幅值、相角等要素達到實時監(jiān)測和傳輸?shù)哪康模⑼竭M行電網(wǎng)的干擾分析、模型校正等。

系統(tǒng)管理：協(xié)調(diào)各個功能模塊之間的運行使其完成相應(yīng)任務(wù)，建立和維護系統(tǒng)的日常運行，如管理線路參數(shù)、開關(guān)量配置管理等。

網(wǎng)絡(luò)通信：信息傳輸，文件傳送，格式轉(zhuǎn)換等。

故障信息管理：收集微機保護、斷路器及故障錄波器的各種數(shù)據(jù)，建立信息庫，用于故障定位、診斷，判斷故障性質(zhì)，分析故障原因等。

綜合信息管理：具備強大的分析計算能力，可以進行潮流計算、狀態(tài)估計、線損計算等，發(fā)現(xiàn)線損較高的線路、電網(wǎng)存在異常波動的節(jié)點，為降損、電網(wǎng)運行管理提供數(shù)據(jù)支持。標記存在數(shù)據(jù)缺失問題的裝置，及時提示運維人員，監(jiān)控電站的整體運行狀態(tài)。

站內(nèi)自動化系統(tǒng)作為監(jiān)測電網(wǎng)及其設(shè)備的主要設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳送至主站端，并在主站端開放相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢接口給信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可調(diào)用站內(nèi)信號、測量等數(shù)據(jù)給上層應(yīng)用，在已有的硬件基礎(chǔ)上即可實現(xiàn)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

強大的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力是線損管理中的重要一環(huán)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，并通過有效的檢測方法降低影響對線損計算是十分重要的。當前電流、電壓等線損相關(guān)數(shù)據(jù)的采集傳輸過程基本類似，主要是通過電流、電壓互感器、微機保護裝置和后臺自動化系統(tǒng)等設(shè)備，傳送至主站，站內(nèi)及站與站之間采用網(wǎng)線、光纖等通道，且裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本類似，傳輸?shù)膮f(xié)議也在進一步統(tǒng)一中。電網(wǎng)中部分參數(shù)會因為運行環(huán)境的變化而偏離設(shè)計值，或因為遙信通道受到干擾、元件出現(xiàn)故障導致數(shù)據(jù)誤差、丟包，失去比對價值。若以錯誤的電網(wǎng)參數(shù)為基礎(chǔ)進行狀態(tài)估計，將導致計算結(jié)果精度降低，可信性變差，給電網(wǎng)的安全運行帶來重大隱患。

信息管理系統(tǒng)利用潮流計算、狀態(tài)估計等方法進行分析計算，可以推算出缺失的量測量信息，且計算結(jié)果具有相當高的精準度，該數(shù)據(jù)結(jié)果有2方面作用：①與采集數(shù)據(jù)進行比較，可以精準定位存在數(shù)據(jù)缺失或不準確問題的裝置。②用該結(jié)果分析計算線損，精確度較高，受采集數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)劣影響較小。

3 ?狀態(tài)估計的應(yīng)用

站內(nèi)的智能設(shè)備為運維人員提供了大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，目前運維人員對這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用以監(jiān)測為主。電力系統(tǒng)信息化、數(shù)字化、智能化程度的提高，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)井噴式的增加，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與線損數(shù)據(jù)管理相結(jié)合。針對監(jiān)測到的大量的、有噪聲的、隨機的電網(wǎng)信息進行數(shù)據(jù)挖掘，提取隱含在內(nèi)、潛在有用的信息，剖析其中的規(guī)律，用于實際電網(wǎng)運行管理和分析計算，可助力電力企業(yè)提升管理水平，減少電網(wǎng)運行損耗，推動企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

數(shù)據(jù)挖掘過程主要包括數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果評估3個階段。

數(shù)據(jù)準備。目的為選取目標信息，通過線損計算需求，從原始數(shù)據(jù)中挑選一組數(shù)據(jù)，然后對其進行數(shù)據(jù)處理，主要處理過程有濾波降噪、去掉冗余數(shù)據(jù)、無效數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)挖掘。明確數(shù)據(jù)挖掘的目的及挖掘的信息類型，確定計算方法，獲得有用的信息量。

結(jié)果評估。電網(wǎng)數(shù)據(jù)中會包含一些不相關(guān)信息，需對其進行評估，濾除無用信息。當信息不滿足要求時，需要進行再次挖掘以滿足要求。

借助大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依托站內(nèi)自動化系統(tǒng)，先進的通信技術(shù)，以及精準負控系統(tǒng)獨立的主站，構(gòu)建系統(tǒng)化平臺。采用狀態(tài)估計這一數(shù)學方法分析計算配電網(wǎng)各節(jié)點數(shù)據(jù)，彌補數(shù)據(jù)誤差和缺失，提高線損計算精準度，強化運行管理，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

狀態(tài)估計是利用具有冗余度的實時量測來估計或預(yù)報系統(tǒng)運行狀態(tài)，排除量測系統(tǒng)的隨機噪聲干擾，是提高數(shù)據(jù)精度的一種方法。電網(wǎng)在實際運行時較為平穩(wěn)，采集的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)會保持相對穩(wěn)定。雖然這種采集功能已非常完善，但仍然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或者偏差較大等情況。經(jīng)狀態(tài)估計處理后，剔除不良數(shù)據(jù)，使運行數(shù)據(jù)的可靠性更高，與實際上傳數(shù)據(jù)進行比較可以檢測線損。狀態(tài)估計量測方程如下

z=h（x）+v， ? ? ? ? （1）

式中：z為m×1維量測量；x為n×1維狀態(tài)量；v為服從正態(tài)分布的量測誤差；h（x）為m×1非線性量測函數(shù)。h（x）表示量測量的實際值，在采集傳輸過程中會受到干擾產(chǎn)生誤差，實際值疊加誤差得到量測值。

配電網(wǎng)線損計算中，狀態(tài)估計和潮流計算二者結(jié)合可以提供較為豐富和精確的結(jié)果[9-10]。電站數(shù)據(jù)在采集傳輸過程中產(chǎn)生的誤差或丟包等問題，基于潮流計算的狀態(tài)估計能夠盡可能消除其對測量值的影響。當量測量少于狀態(tài)量時這種計算方法不能實現(xiàn)，但站內(nèi)自動化系統(tǒng)采集了大量數(shù)據(jù)，量測量多于狀態(tài)量，利用多余的量測量反復計算，可進一步提高結(jié)果精度。狀態(tài)估計的目標函數(shù)為

minJ（x）=[z-h（x）]TR-1[z-h（x）]， （2）

？駐P？駐Q=H NJ ?L？駐U？駐？茲， ? （3）

s.t.f（x）=0， ? ? ? ? ? ?（4）

式（2）中：R-1為量測誤差協(xié)方差矩陣；式（3）為潮流計算的修正方程，配電網(wǎng)的功率和電壓必然滿足潮流方程，因此狀態(tài)估計同樣受潮流方程的約束；式（4）為潮流方程的等式約束，包含功率和電壓之間的關(guān)系，可提高狀態(tài)估計的合理性與估計精度，也可推算出丟包的量測量，限制錯誤數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響。通過此方法計算配電網(wǎng)線損只需知道節(jié)點功率和電壓，因此，量測量z為

z=PQ， ? ? ? ? ? （5）

式中：P、Q分別為有功、無功的量測量。

量測函數(shù)為

h（x）=PQ。 ? ? ? ? ?（6）

狀態(tài)估計一般選擇電壓幅值和相角作為狀態(tài)量，完成估計后利用這些量計算功率、電流等其他量。本文為了計算線路損耗情況，選擇狀態(tài)量x為

x=PQUθ， ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：U和θ分別為節(jié)點電壓的幅值和相角。

狀態(tài)估計的流程具體步驟如下：①根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與量測情況，建立量測方程；②依據(jù)求解的狀態(tài)變量修正量，對狀態(tài)變量進行修正，如果是迭代的首次循環(huán)，代入的是狀態(tài)變量設(shè)置初值；③根據(jù)求得的狀態(tài)變量，計算量測量的估計值；④讀入信息管理系統(tǒng)量測，根據(jù)本章求得的迭代公式，求取狀態(tài)變量的修正量；⑤根據(jù)設(shè)置的迭代判據(jù)判斷是否停止迭代，符合則結(jié)束，不符合回至②。

4 ?配電網(wǎng)線損分析

10 kV電網(wǎng)接近于電網(wǎng)末端供應(yīng)環(huán)節(jié)，損耗水平和影響因素均屬于線損管理的重點和難點。如對于10 kV電網(wǎng)大用戶用電，線損率直接涉及供用電雙方經(jīng)濟利益。為持續(xù)加強計量和線損管理，保障供電可靠性和電能質(zhì)量，提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的用電環(huán)境，在電網(wǎng)供應(yīng)各個環(huán)節(jié)采取科學降損舉措，更加經(jīng)濟合理、高效節(jié)能，有力地推動區(qū)域供電能力的穩(wěn)步提升， 形成良好的循環(huán)促進機制。因此，10 kV電網(wǎng)的線損分析與治理對社會、對用戶、對企業(yè)均有重要實際應(yīng)用價值。

信息管理系統(tǒng)實時更新計量點的電壓、電流、功率和功率因數(shù)等計量信息，為線損計算和分析提供可靠數(shù)據(jù)支撐。在信息管理系統(tǒng)中，為檢測采樣數(shù)據(jù)的有效性，設(shè)檢測周期為T，保護裝置在時間T內(nèi)上傳m個傳輸數(shù)據(jù)Xi，與狀態(tài)估計結(jié)果計算均方差，設(shè)定門檻值為εX，若均方差超過設(shè)定門檻值，則該節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中可能存在故障，可發(fā)出告警信號，提醒運維人員維修，該節(jié)點暫停計算線損。計算公式如下

如節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效，則可以通過以下計算公式判斷該線路線損率

式中：Pk和Pl為狀態(tài)估計結(jié)果，是一條線路始端k節(jié)點和末端l節(jié)點的有功功率。

通過以上分析計算，可以較為精確地得出10 kV配電網(wǎng)每條線路上的有功損耗。采用狀態(tài)估計結(jié)果進行計算的優(yōu)點，一方面是可以減低數(shù)據(jù)誤差，提高精度; 另一方面是即使存在數(shù)據(jù)丟包問題，仍可以通過狀態(tài)估計和潮流計算結(jié)合得出該節(jié)點功率，從而發(fā)現(xiàn)損耗較嚴重的線路，以便今后及時采取有效的降損措施。

5 ?結(jié)束語

本文提出了基于狀態(tài)估計的配電網(wǎng)理論線損分析計算模型，分析了用于數(shù)據(jù)采集分析的信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。該方法采用潮流計算的約束，在傳輸數(shù)據(jù)誤差較大或有缺失的情況下時，仍然可以補充完善配電網(wǎng)的狀態(tài)量，從而進行理論線損計算，為電力系統(tǒng)分析和降損措施提供數(shù)據(jù)支持，在橫向上打通了電網(wǎng)中各數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的壁壘，在縱向與線損大數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，提高精細化管理水平，從整體上達到降低電網(wǎng)綜合成本、改善運行質(zhì)量等效果。

使用高精度的量測裝置對配電網(wǎng)進行精細化管理已成為可能。因此，通過狀態(tài)估計等數(shù)學方法對不良數(shù)據(jù)進行檢測和辨識是非常重要的。配電網(wǎng)規(guī)模巨大，節(jié)點數(shù)動輒以千、萬計，預(yù)計未來還將研究適用于大規(guī)模配電系統(tǒng)的狀態(tài)估計算法。

參考文獻：

[1] 吳東名.基于計量自動化系統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量與線損分析研究[D].廣州：華南理工大學，2021.

[2] 宋滕飛.10 kV電網(wǎng)線路損耗特性及降損措施的研究[D].濟南：山東大學，2016.

[3] 劉林毓.低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.

[4] 丁心海，羅毅芳，劉巍，等.改進配電網(wǎng)線損計算方法的幾點建議[J].電力系統(tǒng)自動化，2001，25（13）：57-60.

[5] 梁辰，邰能靈，胡炎，等.基于混合量測狀態(tài)估計的保護隱形故障檢測系統(tǒng)[J].水電能源科學，2015（9）：200-204.

[6] 于爾鏗.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計[M].北京：水利水電出版社，1985.

[7] 夏金鑫.電能計量與線損管理分析和應(yīng)用[D].南京：東南大學，2021.

[8] 劉峰.繼電保護管理信息系統(tǒng)設(shè)計與改進的研究[D].北京：華北電力大學，2008.

[9] 孫健，江道灼，劉志華.基于前推回代的配電網(wǎng)潮流改進算法[J].電力自動化設(shè)備，2004（3）：81-84.

[10] 李濱，杜孟遠，韋維，等.基于準實時數(shù)據(jù)的智能配電網(wǎng)理論線損計算[J].電力自動化設(shè)備，2014（11）122-128，148.