輸電網(wǎng)絡損耗在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究

蔣亞坤 李文云 程 旻

(云南電網(wǎng)公司電力調(diào)度中心，云南 昆明 650011)

1 前言

電力系統(tǒng)的網(wǎng)損率指標是直接反映了電網(wǎng)經(jīng)濟運行的狀況。掌握電網(wǎng)損耗的真實情況、對造成損耗的原因進行研究分析、制定降損措施、評估降損效果非常重要。調(diào)度自動化系統(tǒng) (EMS系統(tǒng))實時采集的電網(wǎng)遙測遙信數(shù)據(jù)，以及電能量采集系統(tǒng) (TMR系統(tǒng))采集的準實時電能計量數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)對云南電網(wǎng)輸電網(wǎng) (220kV及以上網(wǎng)絡)損耗進行準確、快速、多角度的自動統(tǒng)計和分析，開展降低網(wǎng)損率的研究提供了條件。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構

系統(tǒng)硬件結(jié)構見圖1，系統(tǒng)配置兩臺服務器，運行在DMIS系統(tǒng)網(wǎng)段上。網(wǎng)損計算分析及通信服務器通過RS232串口實現(xiàn)與EMS系統(tǒng)進行通信接口，通過自定義的通信協(xié)議接收電網(wǎng)運行實時數(shù)據(jù);通過ODBC數(shù)據(jù)庫接口與TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫 (位于DMIS系統(tǒng))進行連接，讀取電能計量數(shù)據(jù)，同時承擔系統(tǒng)計算、分析和統(tǒng)計工作。數(shù)據(jù)庫、報表處理及web發(fā)布服務器負責完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖形、參數(shù)、模型的存儲，報表的處理，系統(tǒng)成果的web發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

2.2 系統(tǒng)軟件總體框架

系統(tǒng)的軟件框架見圖2，主要模塊有:EMS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)接口軟件、TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)接口軟件、電網(wǎng)建模參數(shù)設置軟件、實時庫軟件、歷史數(shù)據(jù)存儲、拓撲分析、狀態(tài)估計、靈敏度掃描分析、無功電壓優(yōu)化、實時網(wǎng)損計算處理軟件、網(wǎng)損綜合分析軟件、數(shù)據(jù)監(jiān)視人機界面、Web服務軟件、報表系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構圖

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 系統(tǒng)建模

電網(wǎng)模型是本系統(tǒng)進行理論網(wǎng)損計算、無功優(yōu)化計算、網(wǎng)損縱向和橫向比較等系統(tǒng)功能的基礎。本系統(tǒng)采用圖模庫一體化的建模方式，用戶在繪制電網(wǎng)一次接線圖的同時，系統(tǒng)即自動完成電網(wǎng)模型 (電網(wǎng)拓撲信息)的生成和大部分數(shù)據(jù)庫的錄入，既減少了用戶的人為因素和工作量，又提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。

3.2 在線網(wǎng)絡拓撲分析

網(wǎng)絡拓撲是本系統(tǒng)的基本功能。它根據(jù)電網(wǎng)描述數(shù)據(jù)庫和遙信信息確定地區(qū)電網(wǎng)的電氣連接狀態(tài)，并將網(wǎng)絡的物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學模型，為狀態(tài)估計、網(wǎng)損分析計算等應用功能提供網(wǎng)絡分析基礎。本系統(tǒng)與調(diào)度自動化系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口，實時取得調(diào)度SCADA系統(tǒng)開關和刀閘的遙信信息，結(jié)合電網(wǎng)模型信息構造電網(wǎng)拓撲結(jié)構，實現(xiàn)電網(wǎng)拓撲結(jié)構自適應于電網(wǎng)實時方式，并可形成相應拓撲圖。

3.3 在線狀態(tài)估計計算

狀態(tài)估計數(shù)據(jù)是系統(tǒng)進行理論損耗統(tǒng)計以及各種分析的基礎;系統(tǒng)提供的狀態(tài)估計功能根據(jù)EMS系統(tǒng)提供的電網(wǎng)實時信息，結(jié)合電網(wǎng)部件參數(shù)和網(wǎng)絡拓撲分析的結(jié)果，實時的計算出電網(wǎng)內(nèi)各母線電壓 (幅值和相位)和潮流的最優(yōu)估計值，自動統(tǒng)量測系統(tǒng)的質(zhì)量指標。檢測和辨識錯誤開關信息和壞遙測數(shù)據(jù)。

3.4 實時在線理論損耗計算

系統(tǒng)利用狀態(tài)估計計算的結(jié)果進行理論網(wǎng)損計算。狀態(tài)估計軟件利用EMS系統(tǒng)的遙測和遙信數(shù)據(jù)，辨識并糾正不良數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行廣義的潮流計算，以及根據(jù)這些狀態(tài)量計算出來的支路(包括線路和變壓器)本側(cè)和對側(cè)潮流和網(wǎng)損。應用積分計算可得到理論電量及理論損耗電量。系統(tǒng)主要計算以下指標:

1)輸電網(wǎng)絡全網(wǎng)理論損耗。

2)輸電網(wǎng)絡分層理論損耗 (500kV層和220kV層)。

3)輸電網(wǎng)絡分區(qū)理論損耗。

奧智品（OGP）是一個全球非接觸式計量測試系統(tǒng)領域的知名供應商，其具有高新技術的產(chǎn)品被全球各生產(chǎn)領域廠商廣泛應用于加工制造過程，檢測產(chǎn)品的質(zhì)量情況。目前，其產(chǎn)品涵蓋從手動測量、全自動測量到多元傳感測量系統(tǒng)，可以為用戶提供一整套既經(jīng)濟又精確的解決方案，以滿足用戶的需求。

4)輸電網(wǎng)絡各設備損耗 (500kV變壓器、500kV及220kV線路)。

3.5 輸電網(wǎng)損耗靈敏度分析

靈敏度分析主要計算全網(wǎng)有載調(diào)壓變壓器、并聯(lián)補償設備、發(fā)電機組無功出力、節(jié)點電壓調(diào)整后對于網(wǎng)損的影響程度。設備調(diào)整的前提是保證電壓合格。對靈敏度計算的結(jié)果按設備類型進行排隊，從而知道對網(wǎng)損影響最大的設備。

3.6 輸電網(wǎng)損耗影響權重分析

系統(tǒng)進行降損分析計算，制訂或輔助指定短中長期的降損策略。主要進行拓撲結(jié)構改變對網(wǎng)損影響的權重分析和發(fā)電及負荷改變對網(wǎng)損影響的權重分析。

3.7 輸電網(wǎng)降損分析

1)動態(tài)降損策略。通過系統(tǒng)無功優(yōu)模塊化計算，產(chǎn)生動態(tài)降損策略，比如:發(fā)電的無功出力及無功補償設備的投切等。計算周期設定為15分鐘。

2)計劃降損策略分為電力電量安排策略和網(wǎng)架結(jié)構調(diào)整策略。電力電量安排策略分為日策略和月策略兩種。

3.8 數(shù)據(jù)橫 (縱)向比較分析

1)數(shù)據(jù)橫向比較分析，在同一個數(shù)據(jù)斷面或者同一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)斷面基礎上，針對不同運行方式對網(wǎng)損進行對比分析。

2)縱向數(shù)據(jù)比較分析，主要針對相同 (或相近)運行方式、或同一設備，在不同時間段上的損耗進行對比分析。

3.9 報表及Web發(fā)布

系統(tǒng)自動生成的報表分為實時報表，日報和月報三個部分。

4 系統(tǒng)關鍵技術及原理

4.1 EMS與TMR系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析

1)數(shù)據(jù)接口:系統(tǒng)通過4個高速RS232通信接口與EMS系統(tǒng)進行通信，以自定義的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，獲取各電網(wǎng)一次設備的遙測、遙信數(shù)據(jù)。通過ODBC數(shù)據(jù)庫接口方式與DMIS系統(tǒng)中的TMR系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)庫接口，定時從TMR鏡像數(shù)據(jù)庫中獲取準實時電能量數(shù)據(jù)。

2)TMR壞數(shù)據(jù)的替代:系統(tǒng)將實時采集的EMS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進行積分，得到各個關口的統(tǒng)計電量。同TMR采集的電量數(shù)據(jù)進行比較，將數(shù)據(jù)差異比較大的關口列出，有助于快速查找電能量表計中的壞數(shù)據(jù)或電網(wǎng)模型存在的問題。對于電量數(shù)據(jù)長期不能自動采集或者存在問題的關口，為保證電能量損耗統(tǒng)計的準確性，可由人工指定該關口表采集數(shù)據(jù)用EMS統(tǒng)計電量代替。自動采集正常后，取消替代。

3)TMR旁代數(shù)據(jù)的處理:系統(tǒng)利用開關、刀閘遙信實時數(shù)據(jù)和線路開關準實時電量數(shù)據(jù)判斷旁代事件，對旁代數(shù)據(jù)進行預處理。

4.2 理論損耗實時在線統(tǒng)計分析

在電力網(wǎng)絡經(jīng)濟運行的分析中，一個重要的目標函數(shù)就是降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。網(wǎng)損的大小與系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構、系統(tǒng)的運行方式、變壓器的分接頭、無功補償點的運行方式安排等都有著密切的聯(lián)系。通過理論網(wǎng)損的計算，確定理論網(wǎng)損與實際網(wǎng)損之間的差異，找出產(chǎn)生差異的原因，提出降低網(wǎng)損的措施。

理論線損包括兩部分，一部分與電網(wǎng)中通過的負荷電流的平方成正比，稱為變動損耗，如線路和變壓器電阻中的損耗;另一部分與電網(wǎng)中通過的負荷電流無關而只與電壓有關，稱為固定損耗，如變壓器中的鐵芯損耗、線路的電暈損耗及絕緣介質(zhì)中的損耗。

電力網(wǎng)變動電能損耗是指一定時段內(nèi)網(wǎng)絡各元件上的功率損耗對時間積分的總和。由于用戶的負荷特性具有很大的隨機性，所以準確的線損計算非常復雜。因為元件上的損耗對時間的解析函數(shù)關系很難準確表達出來，因此只能用數(shù)理統(tǒng)計的方法解決。

本系統(tǒng)接入EMS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，利用實時在線狀態(tài)估計和潮流計算方法，對電網(wǎng)理論損耗進行統(tǒng)計和分析。狀態(tài)估計之后的收斂的實時在線潮流中，已經(jīng)將每一時刻的每條支路的有功損耗與全網(wǎng)的有功損耗計算出來 (公式1)，單位為MW，如圖3所示。

圖3 一條支路的電流與有功、無功

該支路的有功損耗為:

在這基礎上只要將這些有功損耗 (單位為MW)進行積分，如公式 (2)，就能得到全網(wǎng)一天的有功損耗電量，單位為MW.H，繼而得到每月、每年的全網(wǎng)有功損耗電量。這樣就有了電網(wǎng)損耗統(tǒng)計的一個新途徑，可以與使用TMR系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的實際網(wǎng)損進行比較和分析。

4.3 輸電網(wǎng)絡損耗統(tǒng)計

輸電網(wǎng)絡損耗的統(tǒng)計采用四分統(tǒng)計方法，對輸電網(wǎng)來講是指分層 (220kV電壓層、500kV電壓層)、分區(qū)、分線、分變的四分統(tǒng)計;本系統(tǒng)能夠根據(jù)規(guī)則自動統(tǒng)計選定區(qū)域和選定電壓等級的上網(wǎng)、下網(wǎng)電量以及網(wǎng)絡損耗，無須人工定義公式來進行計算。上下網(wǎng)關口的劃分根據(jù)廠站屬性以及拓撲連接關系自動生成。

4.4 網(wǎng)損分攤計算

網(wǎng)損分攤計算采用邊際網(wǎng)損系數(shù)法，邊際網(wǎng)損系數(shù)法以靈敏度計算的結(jié)果為基礎進行分析;邊際網(wǎng)損系數(shù)法由于能夠反映各節(jié)點造成全網(wǎng)網(wǎng)損的微增成本信息，提供經(jīng)濟信號，已成為國外電力市場中最典型、最有應用前景的一種網(wǎng)損分攤方法。完全的邊際網(wǎng)損系數(shù)法 (FMLC)能提供最好的經(jīng)濟信號，但它不能保證所分攤的總網(wǎng)損與系統(tǒng)實際總網(wǎng)損一致，所以需要對該方法所分攤的網(wǎng)損量進行調(diào)整。云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡損耗實時在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)應用比例法來調(diào)整網(wǎng)損分攤量。比例法合理地分攤了系統(tǒng)總網(wǎng)損，使之與實際總網(wǎng)損一致，并且，使用比例法后，保持了邊際網(wǎng)損系數(shù)法的經(jīng)濟信號。

4.5 無功優(yōu)化分析

通過無功優(yōu)化計算得到降損調(diào)整策略，包括發(fā)電廠機組機端電壓優(yōu)化值，并聯(lián)補償設備和有載調(diào)壓變壓器的優(yōu)化狀態(tài);并可以得到并聯(lián)補償節(jié)點的實時最佳補償容量。無功優(yōu)化的結(jié)果作為系統(tǒng)短期動態(tài)調(diào)整策略以及中長期網(wǎng)絡拓撲調(diào)整策略的基礎數(shù)據(jù)。

目標函數(shù):網(wǎng)損最優(yōu)

狀態(tài)變量:母線電壓;發(fā)電機的無功出力

控制變量:無功補償容量;主變檔位;發(fā)電機機端電壓。

約束條件:等式約束條件:潮流方程;不等式約束條件:各種邊界條件，包括發(fā)電機的無功出力限值 (考慮發(fā)電機的無功儲備)、變壓器的檔位數(shù)及每次優(yōu)化的可調(diào)檔位數(shù)、變電站的可投無功量、母線考核點電壓上下限。

4.6 降損策略制定

云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡損耗實時在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)通過對輸電網(wǎng)損耗進行分析計算得到降低網(wǎng)絡損耗的調(diào)整策略，主要是運行性措施。調(diào)整策略共分為兩類:動態(tài)降損策略和計劃降損策略。

1)動態(tài)降損策略為實時調(diào)整的策略，按照設定的計算周期 (15分鐘)進行實時計算。動態(tài)策略主要是通過無功優(yōu)化得到的發(fā)電廠無功調(diào)整措施以及低壓并聯(lián)補償設備的投切措施。然后對策略對象進行效果分析，分別計算出各個措施的實施降損效果 (降低的損耗功率)，形成動態(tài)調(diào)整策略，為調(diào)度人員實時調(diào)整電網(wǎng)提供參考依據(jù)。

2)計劃降損策略:中長期優(yōu)化策略分為兩種類型，一種為電力電量優(yōu)化安排，另一種是對電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構的調(diào)整建議，如無功配置的建議、主變分接頭的調(diào)整建議。計劃降損策略主要供運行方式人員調(diào)整中長期的電網(wǎng)運行方式參考，以及電網(wǎng)規(guī)劃部門調(diào)整電網(wǎng)框架結(jié)構參考。

5 結(jié)束語

綜上所述，云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡損耗實時在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)對云南電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡的損耗情況進行了多角度的分析研究，并給出了開環(huán)的降損控制措施和建議，提供給方式、調(diào)度和電網(wǎng)規(guī)劃等部門進行應用，對研究并降低輸電網(wǎng)的損耗起到了重要作用。

［1］白曉民，于爾鏗，傅書逖，等.一種安全約束經(jīng)濟調(diào)度的廣義網(wǎng)絡流規(guī)劃算法 ［J］.中國電機工程學報，1992，12(3):66～72.

［2］朱文東，郝玉國，劉廣一，等.應用線性規(guī)劃方法的安全約束調(diào)度 ［J］.中國電機工程學報，1994，14(4):57～64.

［3］鄧佑滿，張伯明，相年德，等.聯(lián)絡線族的有功安全校正控制 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，1994，18(6):47～51.