基于HPLC的低压配电台区线损与网络潮流分析

贵州电网有限责任公司都匀供电局 柏文健 时重雯 黔南都能开发有限公司 刘锦程

电能损耗可以称之为总电网线损[1]。电网的总电能损耗包括理论和管理两类[2]。线损值受电压电流、负荷功率、补偿容量和位置、运行时间等诸多因素的影响，导致配电网测表不全[3]。本文提出采用基于潮流的线损计算方法，通过三相不平衡对低压配电台区线损分析，最终将HPLC的低压配电台区线损与网络潮流分析融合贯通。

1 基于HPLC的低压配电台区线损与网络潮流分析

1.1 技术架构

基于HPLC的低压配电台区线损与网络潮流分析的技术架构基于“云—管—边—端”的物联网技术体系（整体技术架构），智能断路器和智能电表组成的高级量测体系（AMI）（数据流架构），以及高速载波通信技术（HPLC）（通信架构）[4]。

技术架构按照“云—管—边—端”体系，将整个配电台区的架构清晰划分[5]。同时按照“云主站—光纤/4G/无线公网—新型智能融合终端—智能断路器/智能电表”一一对应[6]。配电台区各电气节点，均可部署智能断路器或智能电表，可提供24/48/96点的采样信息，建立配电台区的负荷大数据。采用高速载波通信技术，提供各节点采样信息报文高速传输至边缘终端侧，并与边缘终端进行本地时钟校准。

1.2 技术路线

1.2.1 基于HPLC技术的网络拓扑识别

网络拓扑识别的内容包括相位识别，台区识别以及配电台区物理网络拓扑识别。实现流程如下：首先，融合终端通过CCO模块下发台区特征采集启动指令，配置采集周期、采集方式等参数，默认的采集特征为工频周期特征，也可选工频电压特征、工频频率特征。其次，STA节点（如物联网断路器或分支监测终端）按照CCO下发的采集参数进行数据采集并存储。接下来，进行CCO按照配置的采集参数进行数据采集，通过台区特征信息告知报文发给STA，STA获取到CCO的数据后进行计算，得出自身的台区归属结果。最后，CCO下发台区判断结果查询命令，轮询读取STA的台区识别结果。配电台区物理拓扑识别是基于电压相关性识别台区和相位，通过载波信号SNR（信噪衰减）识别配电台区拓扑识别。单相电能表挂载关系的确定，分别计算每一个电能表电压系列值与末端分支节点电压系列值间的相关系数，依据相关系数大小来评估电能表的挂载归属关系和相位信息。基于以上步骤，先确定各分支节点与变压器的拓扑关系，然后再确定电能表与末端分支节点间的拓扑关系。

1.2.2 基于前推回代法的网络潮流分析

基于前推回代法的网络潮流分析，可精确计算“台区总表→分表→分支箱→表箱→分表”等各支线的节点电气信息，可采用前推回代法。

在不同功率间被限制不能作出反应，体现出同一层次支路功率并不一样，可以进行同一层次合并计算，大规模辐射网络中分层数少于支路总数，分层后并行计算体现出了绝对的优势，可以最大程度上提高计算的速度，减少计算使用时间。

1.2.3 基于AMI的拓扑网络建模和表征

一般树状结构的网络节点可以区分成三大类，分别是处于最初始位置的根节点，以及在两者之间的中间节点，还有最后处于结构末端的叶节点三种。

处于始端根节点的源节点在低压配电网中；空心圆表示末端低压用户，AMI实施后，作为智能电网传感器的智能电表源源不断地采集系统支路末端节点处的电压、有功功率和无功功率等数据，使得支路阻抗估计成为可能。任意一条末端支路，例如点B通往电表1的路线根据欧姆定律可以得到式（1）：

式中：ZB-1是该段线路的阻抗；I1为支路上的电流量，通过电表1的数据测出U1为电压、P1属于功率和，Q1属于无功功率，由此可以得到式。在其他的变量都知晓，但ZB-1支路的抗阻未知时，式1的起点支路UB电压可以表示为支路阻抗分量电压，分别把他们设为R1和X1，其方程式为式（2）：

注入节点B的功率可以从经过下游支路的电流计算出来。也就是说，想要得到变压器二次侧出口处的节点A的电压UA，就需要从配电网络的末端计算到初始点，关于UA上各个电阻与电抗之间的方程式为下列式（3）：

依照之前所排列的公式，式（3）的过程首端是从电表1开始的，在推导之后会得到与式（3）有些相似的方程式，[UA1UA2…UAn]为用行量，UAj（j=1，2，…，n）为电表j的推导，UA表示起点，低压配电网总电表数用n来表示。合理时间窗口中，温度没有显著变化就代表各线路的参数不变。推导整个时间序列得到式（4）：

式中：UAtj（t=1，2，…，T;j=1，2，…，n）可以理解为在t时，从电表j开始推导，就会得到电压UA。T表示时间序列的总体长度，元素未知量为各电阻电抗，同一行元素的平均方差为式（5）和式（6）：

时间序列与电阻电抗相转换可以表示为下列式（7）：

最小值的求解优化问题即下式（8）：

约束条件为电阻和电抗值均大于零。其中，点A的电压可测（如当配变装有负控终端），UA就会被判断成UA_measured已知测量参数。配电网线路参数计算的最优化算法，而低压配电网线路参数计算方法中的目标函数式（7）是关于决策变量（R1，R2，…，X1，X2…）的二次函数，并且其约束条件是决策变量中的每一个电阻值和电抗值大于零，是线性函数，所以配电网线路参数计算的最优化问题属于二次规划问题。

1.2.4 精益线损分析

影响理论线损分析的主要因素包括窃电、三相不平衡等。在此基础上，可根据网络模型参数对各支路进行分段线损计算。依照欧姆定律得到式（9）：

式中，关联j为电表编号；智能电表Ij表示间隔设定；平均电压用Uj表示；用户阻抗看做Z；UPCj表示节点j在向上计算时对应的电压值。处于中间的三相节点情况大致与其相似，若是相互阻抗存在于线路之中，得到式（10）：

由节点量测电压替代，与UPC比较，用来计算功率的公式为式（11）：

式中：量测U为用户电压；Z为线路阻抗。窃电检测的准确性受波动影响，量测产生的波动包括量测项和电压项约在0.2-0.6V之间。

2 对比实验

2.1 实验准备

本次实验三相不平衡系统中进行，采用的技术路线为“拓扑识别→潮流分析和拓扑校核→网络参数计算建模→应用”四个环节，具体如图1所示：

图1 实验技术路线

低压配电台区供电模式为TN-C-S或TNC，供电方式有也有很多种类，低压配电网的网络混合供电模式如图2所示。

图2 低压配电台区混合供电模式示意图

相比较其他的供电模式来说，TN-C-S模式有一些不同，在三相不平衡系统中运行会产生一定量的损耗，回路电流经过零线上的时候碎号情况最为明显，低压配置内存在的损耗最高。此模式中接地线也存在较小电流的流过，微小的电流也会产生损耗，但其损耗数值微乎其微，一般在计算中都会被忽略不计，详细分析TN-C低压网络在不同供电方式下的零线线路损耗。

2.2 实验结果

如图2可知，支路L1三相电流分别为下列式（12）：

上流电流在经过零线节点1时，节点2的电流注入总电流，其求和为下列式（13）：

对于节点3来说，使用式（14）计算：

故可得最终结果式（15）：

综上可知，支路上的电流为该线路的三相电流之和。采用基于融合终端复压判定，实现低压故障的主动感知、精准定位，支路节点电流与开关状态对应，当支路有流时，支路开关应处于闭合供电状态；负荷节点电压与开关状态对应，当负荷节点有压时，负荷侧处于供电状态。

根据以上判定内容，结合公式计算线损值，对10kV和4kV的配电线路各个占比作出结果对比，获得下表1：

表1 配电线路理论电能损耗计算结果

综上所述，在基于HPLC的低压配电台区线损与网络潮流分析的改进法计算中，有关于配电线路的相关知识，以及全部电能的线损损耗，计算理论线损率及各个环节的理论电能损耗占比都与实际相符合，这也就证明改进方法是有效的，上表数据显示误差减小，误差比值所构建的相对误差降低，从而结果更加准确，使得损耗更加清晰。

3 结语

配电网络也在跟随着时代而进步，配电自动化将逐步向部分综测装置看齐，发展成为全部实测三相负荷配电终端的数据模式。然而，是否真正能够通过这种修正来影响并反映线损计算结果还需要进一步的研究和探讨。希望未来可以随着计量装置的逐渐完善，进行配电台和网络潮流分析的一体化深入，基于HPLC的低压电配线损与网络潮流计算的理论方法将得到更加大范围的运用和学习。