在线理论线损计算及线损精益化管理系统设计与应用

陈 峰，蒋 军，王博文，陆海清，徐玮韡，吴 俊，陆承宇

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江宁波市鄞州区供电有限公司，浙江 宁波 315100）

0 引言

随着我国构建资源节约型、环境友好型社会发展战略工作的逐步推进，节能降耗工作受到政府、企业、社会等各方面的高度重视[1-4]。目前，我国电力系统的电能损耗率仍比发达国家高出3～4个百分点，对电网公司而言，如何加强精细化的线损管理，实现技术线损最优化、管理线损最小化已成为亟需解决的重要课题[5-7]。

为响应国家“节能、低碳、环保”的号召，电网公司已开展代表日理论线损计算工作，旨在通过开展线损管理工作，进一步推进电网经济运行和节能运行。以往的线损计算管理系统大多是手动建模导入数据，配电网和低压台区计算范围覆盖很小，工作人员在计算理论线损时不得不手动进行调整，一方面效率低下，另一方面人工干预也会影响计算准确度[8-11]。

本文通过在线理论线损计算及线损精益化管理系统设计，实现SCADA（数据采集与监控系统）、PMS（生产管理系统）、营销用电信息采集系统等多系统数据融合[14-15]，并在此基础上进行全电压等级的理论线损计算，实现了线损自动计算功能。

1 总体框架

在线理论线损计算总体流程如图1所示。首先，明确在线理论计算所需数据的获取与预处理方式，主要包括所需数据及其来源、数据预处理及校验解析。其次，对解析生成的电网模型进行线损理论计算，根据适合的理论计算方法分主网、配网和低压网3部分进行。最后，对线损理论计算结果进行展示，并根据计算结果做出相关的降损规划辅助决策。

图1 在线理论线损计算总体流程

2 数据获取与预处理

2.1 数据获取方式

在线理论线损计算基于PMS，SCADA，EMS（电能量管理系统），用电信息采集系统，SG186营销业务应用系统以及GIS（配电网地理信息系统）等，通过数据接口获取现有系统数据，并将各系统数据进行关联，建立统一的数据平台，实现各系统之间信息的高度共享。

可通过Web访问各部门提供的下载地址获取数据，主网、配电网、低压网各数据获取来源详见表1。

其中，SCADA中的CIM文件主要包括所有主网线路、主变压器（以下简称“主变”）、断路器等设备的型号及参数信息，拓扑文件里存放所有元件互联关系，E语言文件包含所有主网线路、变压器的量测数据。

表1 数据获取来源

生产管理部门PMS中的CIM文件主要包括所有配电网馈线线路、配电变压器（以下简称“配变”）型号及参数信号，拓扑文件包括杆塔、线路段之间的互联关系。低压GIS维护的模型数据主要包含元件连接关系、设备参数、设备ID号、设备型号等。

营销部门用电信息采集系统提供低压用户抄表数据。SG186营销业务应用系统提供：配变负荷量测数据，包含电流、电压、有功功率、无功功率等数据及营配贯通配对表（用来与生产部门数据匹配）；表计、表箱从属关系数据及匹配关系，包含表箱ID号、表箱名称、表箱下表计号、用户号、用户名称等。

2.2 数据预处理

根据理论线损计算要求，需对获取到的数据进行以下预处理：

（1）对数据进行去零、去空、去重等清洗操作,以上数据清洗大致要对全数据做一个遍历，区分错误值、缺失值，辨别传感器问题和事件数据，剔除错误值、极端值、缺失值。设置如下清洗规则：

规则一：各字段任一数据缺失即定义为数据缺失。如有功、无功为0，电压为0或Null等。

规则二：明细条目重复出现即定义为数据冗余。如台区名称、统计时间等数据重复。

规则三：业务数据出现明显的常识性错误，即定义为数据异常。如电压值、等值电阻等与常识不符。

规则四：各字段任一数据格式不规范即定义为不规范。如统计时间格式不规范。

（2）利用专家经验、典型值等对可补全的内容进行适度补全。

（3）统一数据格式和记录精度。

（4）预处理完毕后，将所有数据在数据库中关联作为分析计算的数据基础。

2.3 数据校验解析

对获取的数据进行校验，误差超出一定范围的判定为模型维护有问题，按照标准格式生成检查清单，并反馈至相关部门。对模型没问题的数据统一解析形成标准形式存放在后台数据库。

根据拓扑文件中元件连接关系及断路器遥测状态，向电网末端进行辐射式拓扑搜寻，当遇到联络断路器断开或到达电网末端时拓扑结束，形成一个个“拓扑岛”。

3 理论计算方法

3.1 主网理论线损计算

主网理论线损计算通常采用牛顿拉夫逊潮流算法。但现实计算中，有时由于存在断路器遥测信号失效的情况，拓扑搜索形成“拓扑岛”时会发现与上级电源完全隔离的“孤立岛”，导致牛顿拉夫逊潮流算法失效。因此，对于正常的拓扑岛采用牛顿拉夫逊潮流算法，对于孤立岛则采用支路电流法。

3.1.1 牛顿拉逊潮流算法步骤

（1）形成节点导纳矩阵。

（2）使用直角坐标或极坐标设置电网各个节点电压初值，设置迭代次数。

（3）求解修正方程式常数项向量，根据求出的常数项向量求出雅克比矩阵。

（4）求解修正方程式，求取节点电压新值。

（5）检查收敛情况，检查是否超过迭代次数，若收敛或超过迭代次数，终止，否则继续第3步。

（6）在收敛的情况下，取最后一次迭代计算的电压值为最终计算结果，推算出首端的输入功率，进而推算出电网各个节点支路功率和损耗。

3.1.2 支路电流法步骤

（1）以线路、主变为单位获取线路首末段及主变各级绕组侧量测电压、有功功率、无功功率。

（2）根据功率及电压等级换算出线路、主变绕组电流值。

（3）根据电流值，结合元件等值阻抗，推算出有功损耗、无功损耗。

（4）求出线路、主变首端功率理论值、有功损耗、无功损耗、铜损、铁损等。

3.2 配电网理论线损计算

配电网理论线损计算采用牛顿拉夫逊算法与前推回代算法相结合的方法，在牛顿拉夫逊算法不收敛的情况下，采用前推回代算法修正。前推回代算法具体步骤如下：

（1）假设末端电压为线路额定电压，根据电网拓扑连接关系由末端向始端进行有功、无功、相角的累积叠加，从而求得始端功率及全网功率分布。

（2）用求得的线路始端功率和已知的线路始端电压，回推计算线路末端电压和全网功率分布。

（3）用第2步求得的线路末端电压计算线路始端功率和全网功率分布，若求得的各线路功率与前一次相同计算的结果差值小于允许值，则认为本步求得的线路电压和全网功率分布为最终计算结果。否则，返回第2步重新进行计算。

3.3 低压网理论线损计算

低压网理论线损计算采用等值电阻法，具体步骤如下：

（1）获取模型数据、营配贯通数据、用电信息采集系统用户抄表数据，得到等值电阻法所需计算参数。

（2）计算等值电阻，计算公式为：

式中：Si为用户容量；Ri为从用户至电源路径下的电阻；k为负荷修正系数。

（3）根据配变运行数据，计算配变电流，最后根据计算出的等值电阻和配变电流，计算低压网理论线损。

4 降损规划辅助决策

在线理论线损计算及线损精益化管理系统可对计算结果进行展示，并将降损规划辅助决策和报告、报表导出。针对电网高损耗部分，通过对大数据高损敏感因子的挖掘，能够找出节能降损工作切入点，形成系统降损规划辅助决策。

4.1 基于理论线损分析的重损区域挖掘

基于获得的各区域理论线损数据，对线损率进行划分，确定线损的轻重度等级，进而挖掘出重损区域。

4.2 基于多系统融合的降损空间挖掘

利用基于理论线损分析的重损区域挖掘方法，可对不同线损率等级的供电区域分别进行降损空间的挖掘。

由于区域线损主要受电网运行方式、运行参数、网架结构、元件参数、负荷水平、负载率、用户类型、变压器容量等因素的综合影响，要确定降损空间就必须找出对该区域线损影响较大的因素，并给出针对性的降损措施。降损空间挖掘流程如图2所示，其主要步骤包括：数据获取和预处理后确定重损区域各影响因素的区间划分或状态划分，并按照划分结果建立重损区域历史线损数据库。然后，判断各影响因素与区域重损之间是否存在强关联规则，将弱关联的因素剔除，从而提高对降损空间挖掘的精准性。接着，利用数据库中的数据信息作为训练样本集，建立区域统计线损的多元回归模型，从而确定各影响因素的权重系数。根据权重确定造成区域线损大的主要原因，并分析其为设备参数原因还是运行方式原因，从而有针对性地给出降损方案。

图2 降损空间挖掘流程

4.3 线损改造投资效益比评估

基于前述的重损区域挖掘、区域重损原因分析和降损空间挖掘，可以为发展策划部门提供科学合理的辅助决策，精准地选择降损方案，最大程度地降低网络损耗。

选择相关的降损方案后，建立降损投资工程评估模型，通过对比工程实施前后的区域线损数据，计算区域降损大小，从而得到项目的投资效益。进一步对工程投资效益比进行评估，确定降损方案是否为精准改造。

5 结语

本文设计开发了一套在线理论线损计算及线损精益化管理系统，并成功应用于浙江电网线损理论计算工作中。该系统具有以下优点：

（1）工作效率高。自动获取多个系统的数据并展开理论线损计算，自动输出计算结果和辅助决策，相对于人工建模、手动输入数据的模式，发挥了大数据的作用，工作效率提高明显。

（2）准确度高。在线理论线损计算数据来源于多个系统，利用数据融合和处理技术，分析判断各数据的正确性，对不合理数据进行分析并加以修正，提高了数据的正确性，计算精度更高。

（3）数据精细化。以10 kV配电网为例，以往人工建模计算理论线损，每个地市只选择几十条馈线进行简单计算，低压台区的可算率范围更小，而且人工建模的馈线，拓扑结构简单，不具备典型性。该系统将繁琐重复的理论线损计算工作交由计算机完成，对10 kV配电网理论线损可算率达到100%，大大提升了380 V低压台区可算率。

（4）智能化、自动化。该系统实现了省、市、县全电压等级的在线理论线损计算功能，可以一键自动生成选取代表日的理论线损报表以及线损分析报告，给出辅助降损决策，智能化、自动化程度较高。