一種配電網(wǎng)理論線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析系統(tǒng)

李云薪，羅四倍

（1.寧夏銀川長(zhǎng)慶油田，銀川 750006；2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

配電網(wǎng)線損的計(jì)算和管理一直是業(yè)內(nèi)的難題［1—2］。近年來(lái)，隨著配網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，傳統(tǒng)的人工線損計(jì)算已逐步由專用的線損管理系統(tǒng)軟件所替代［3—4］。但是，由于配電網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)常變化和量測(cè)條件的限制，難以全面獲得實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，線損計(jì)算缺乏準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，不能確切地反映配電網(wǎng)線損的實(shí)際情況，無(wú)法準(zhǔn)確判斷損耗的性質(zhì)、成因及損耗的位置，對(duì)制定合理的降損措施造成困難。

隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，大量饋線終端（FTU）和智能配變終端（IDTT）的裝設(shè)、高速通信通道的建立，克服了傳統(tǒng)線損計(jì)算只能從線路出口獲取數(shù)據(jù)的局限性，配電網(wǎng)中分段開(kāi)關(guān)和配變低壓側(cè)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)也可以直接獲得。充分利用這些FTU、IDTT以及饋線出口斷路器處的保護(hù)測(cè)控裝置所上傳的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)理論線損的實(shí)時(shí)計(jì)算分析提供了可能。

為了提高線損計(jì)算的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，本文提出一種配電網(wǎng)理論線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10 kV配電網(wǎng)和0.4 kV低壓網(wǎng)的線損計(jì)算分析，為制定技術(shù)降損措施提供依據(jù)，為線損精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)方案

配電網(wǎng)理論線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括主站系統(tǒng)、10 kV饋線保護(hù)測(cè)控裝置、饋線終端、智能配變終端和通信通道，完成10 kV配電網(wǎng)和0.4 kV低壓網(wǎng)的線損計(jì)算分析。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

下面以圖2所示的典型10 kV配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)為例，說(shuō)明該系統(tǒng)的具體實(shí)施方式。圖2中，QF1、QF2為饋線出口斷路器；S1、S2、S4、S5為分段開(kāi)關(guān)；S3為手拉手聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)；T1—T14為配電變壓器。

10 kV饋線保護(hù)測(cè)控裝置位于饋線出口斷路器（即QF1和QF2）處，通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信通道將線路出口的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（電壓、電流、有功和無(wú)功等）和開(kāi)關(guān)狀態(tài)上傳至主站系統(tǒng)。

饋線終端包括分段FTU和環(huán)網(wǎng)柜FTU，位于饋線上的分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)（即S1—S5）處，通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信通道將分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處的三相實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)上傳至主站系統(tǒng)。

按照《農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術(shù)條件》［5］，智能配變終端可具備以下高級(jí)應(yīng)用：根據(jù)配變運(yùn)行負(fù)荷情況和臺(tái)區(qū)下線路等值參數(shù)就地計(jì)算所在配電臺(tái)區(qū)線損、變損，當(dāng)線損超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行告警。因此，0.4 kV低壓網(wǎng)的線損可直接由智能配變終端進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信通道將所計(jì)算的配電臺(tái)區(qū)理論線損和配變低壓側(cè)三相實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至主站系統(tǒng)。

主站系統(tǒng)根據(jù)饋線保護(hù)測(cè)控裝置、FTU和IDTT上傳的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑴渥兊蛪簜?cè)的數(shù)據(jù)折算到高壓側(cè)，結(jié)合線路參數(shù)，每5 min或10 min利用前推回代潮流算法進(jìn)行10 kV配電網(wǎng)理論線損的在線計(jì)算［6—7］，并按配電臺(tái)區(qū)對(duì)IDTT上傳的理論線損計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類匯總，獲得0.4 kV低壓網(wǎng)的線損。即使運(yùn)行方式發(fā)生變化，例如：將S2作為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、S3作為分段開(kāi)關(guān)，主站系統(tǒng)也能夠快速反應(yīng)，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，得到相?yīng)運(yùn)行方式下的實(shí)時(shí)線損。

主站系統(tǒng)進(jìn)一步按饋線區(qū)段給出線損的實(shí)時(shí)分布情況，統(tǒng)計(jì)各類負(fù)荷的線損占比及變動(dòng)情況，進(jìn)行綜合分析決策，形成若干技術(shù)降損措施。同時(shí)，在對(duì)線損進(jìn)行綜合比較分析的基礎(chǔ)上，找出損耗的主要環(huán)節(jié)，自動(dòng)生成降損網(wǎng)絡(luò)改造方案，并進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償模擬分析、變壓器及線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析和配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模擬分析，優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行方式。上述分析結(jié)果可按要求以各種分類表格、圖形或曲線輸出。

主站系統(tǒng)還具有線損異常監(jiān)測(cè)功能，自動(dòng)報(bào)警和診斷，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)計(jì)量故障和用戶違章竊電行為，實(shí)現(xiàn)在線竊電監(jiān)視、定位線損源。

圖2 典型10 kV配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)

通信通道可采用光纖專網(wǎng)、配電線載波、無(wú)線專網(wǎng)和GPRS/CDMA/3G無(wú)線公網(wǎng)等，復(fù)用配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信通道，具有較高的通信速率，滿足理論線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析的要求。

配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，情況復(fù)雜，難免會(huì)出現(xiàn)個(gè)別量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失或產(chǎn)生壞數(shù)據(jù)，對(duì)此可采用文獻(xiàn)［2］的方法得到電網(wǎng)的等效運(yùn)行數(shù)據(jù)予以解決。

下面對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——智能配變終端的一種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 智能配變終端設(shè)計(jì)

2.1 智能配變終端架構(gòu)

目前，臺(tái)區(qū)配電變壓器側(cè)（臺(tái)變側(cè)）存在眾多測(cè)控終端裝置，如配變監(jiān)測(cè)終端（TTU）、集中器（采集器）、負(fù)荷管理終端和電能質(zhì)量管理終端（無(wú)功補(bǔ)償裝置）等。各測(cè)控終端相互獨(dú)立，僅關(guān)注臺(tái)區(qū)下供電的部分信息，實(shí)現(xiàn)部分用電管理功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)下信息共享。因此，造成配電臺(tái)區(qū)設(shè)備冗余，建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用成倍增加。多個(gè)終端同時(shí)對(duì)同一配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所采集的數(shù)據(jù)重復(fù)又不完全一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性始終無(wú)法保證，不能為分析決策系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支撐，難以滿足配用電系統(tǒng)智能化的發(fā)展要求。

隨著新能源的發(fā)展，以光伏、風(fēng)電為代表的分布式電源接入0.4 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)的需求越來(lái)越多，這對(duì)配電臺(tái)區(qū)的管理提出了新的更高的要求，必須保證臺(tái)區(qū)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的測(cè)控終端無(wú)法滿足分布式電源接入的要求。

鑒于上述情況，為適應(yīng)智能配用電系統(tǒng)的發(fā)展要求，國(guó)家電網(wǎng)公司制定了《農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術(shù)條件》，以功能集成的智能配變終端作為臺(tái)變側(cè)實(shí)現(xiàn)“智能、節(jié)能、新能”的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)。

本文提出的一種實(shí)時(shí)計(jì)算臺(tái)區(qū)線損的智能配變終端，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括CPU模塊、交直流模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊和為整個(gè)終端供電的電源模塊。單一裝置實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)的綜合監(jiān)測(cè)管理和線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析。

2.2 智能配變終端功能

（1）監(jiān)測(cè)配變正常運(yùn)行情況、反映配變運(yùn)行異常情況和故障的配電變壓器監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

圖3 智能配變終端的硬件框圖

（2）對(duì)用戶智能電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、工況監(jiān)測(cè)的用戶用電信息監(jiān)測(cè)，相當(dāng)于集成了集中器（采集器）的功能。

（3）對(duì)臺(tái)區(qū)智能電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、考核其計(jì)量有效性的配電變壓器計(jì)量總表監(jiān)測(cè)，可及時(shí)檢測(cè)出臺(tái)區(qū)總電能表的計(jì)量故障，進(jìn)行告警。

（4）監(jiān)測(cè)剩余電流保護(hù)器運(yùn)行狀態(tài)和剩余電流值的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器監(jiān)測(cè)。

（5）監(jiān)測(cè)配變油溫和瓦斯?jié)舛?、臺(tái)區(qū)進(jìn)出線開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電容器/濾波器投切狀態(tài)的臺(tái)區(qū)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行異常告警。

（6）綜合控制管理配電臺(tái)區(qū)負(fù)荷，相當(dāng)于集成了負(fù)控終端功能。

（7）監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量、選擇并執(zhí)行無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、三相不平衡治理和諧波治理最優(yōu)控制方案，相當(dāng)于集成了電能質(zhì)量管理終端功能。

（8）對(duì)分布式電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。按照《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》［8］，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)分布式電源靈活接入，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（9）配電臺(tái)區(qū)線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析。一方面，統(tǒng)計(jì)線損可根據(jù)所獲取的臺(tái)區(qū)總電能表和用戶電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算；另一方面，理論線損可根據(jù)配變運(yùn)行負(fù)荷情況和臺(tái)區(qū)下線路等值參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。當(dāng)統(tǒng)計(jì)線損或理論線損超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警方式告警。若實(shí)時(shí)計(jì)算所得的統(tǒng)計(jì)線損和理論線損相差超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，表明存在用戶竊電或計(jì)量故障。將上述信息迅速上傳給主站系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，就可以及時(shí)準(zhǔn)確地確定竊電用戶位置或計(jì)量故障位置，為線損的精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。

2.3 智能配變終端的硬件構(gòu)成

實(shí)現(xiàn)上述眾多功能，需要設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大的硬件平臺(tái)。該智能配變終端的CPU模塊采用ARM和DSP雙處理器架構(gòu)，分工協(xié)作，高效執(zhí)行各項(xiàng)功能。2個(gè)處理器之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)雙口RAM快速完成。ARM采用主頻166 MHz、ARM940T內(nèi)核的微控制器S3C2510A，其上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，完成復(fù)雜的通信、人機(jī)交互等功能。DSP采用主頻150 MHz、具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力的數(shù)字信號(hào)處理器F28335，完成快速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用2片16位高速AD轉(zhuǎn)換器ADS 8556以及F28335提供的12位AD轉(zhuǎn)換器。

交直流模擬量輸入模塊將配變低壓側(cè)和（或）分布式電源側(cè)的三相電壓、三相電流、配變油溫和瓦斯?jié)舛鹊饶M量轉(zhuǎn)換為適合AD采集的電壓信號(hào)傳送給CPU模塊?？商峁?2路交流、16路直流模擬量輸入。

開(kāi)關(guān)量輸入模塊經(jīng)光電隔離將進(jìn)出線開(kāi)關(guān)位置、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器狀態(tài)、電容器/濾波器投切狀態(tài)和分布式電源接入控制斷路器位置等狀態(tài)量信號(hào)傳送給CPU模塊，可提供14路開(kāi)關(guān)量輸入。

開(kāi)關(guān)量輸出模塊經(jīng)光電隔離、繼電器進(jìn)行低壓出線開(kāi)關(guān)控制、負(fù)荷控制、有源濾波控制和分布式電源接入控制，經(jīng)晶閘管投切電容器控制接口電路控制低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?？商峁?2路繼電器輸出，可控制9路低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)。

通信模塊根據(jù)應(yīng)用的要求，遠(yuǎn)程通信（與主站系統(tǒng)）可選擇所提供的光纖以太網(wǎng)模塊、230 MHz無(wú)線專網(wǎng)模塊和GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)模塊；本地通信（與采集器）可選擇所提供的低壓電力線載波模塊、微功率無(wú)線模塊和以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）模塊，與臺(tái)區(qū)智能電能表通信以獲取臺(tái)區(qū)電量信息、與剩余電流動(dòng)作保護(hù)器通信以獲取剩余電流值，可選擇RS485串行通信模塊，還提供了用于本地維護(hù)和升級(jí)的電以太網(wǎng)接口模塊。

人機(jī)接口模塊包括常規(guī)的LCD、按鍵和指示燈。通過(guò)USB接口WIFI模塊提供無(wú)線接入方式，與手持終端進(jìn)行人機(jī)交互，方便了終端的維護(hù)管理。

該智能配變終端通過(guò)合理的模塊化設(shè)計(jì)，多功能一體化，減少了配電臺(tái)區(qū)的二次設(shè)備數(shù)量，降低了生產(chǎn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)成本；實(shí)現(xiàn)了配電臺(tái)區(qū)線損的實(shí)時(shí)計(jì)算、就地分析；支持分布式電源的靈活接入，為新能源并網(wǎng)創(chuàng)造有利條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種配電網(wǎng)理論線損實(shí)時(shí)計(jì)算分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了適用于該系統(tǒng)的智能配變終端。隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，量測(cè)條件逐漸具備，作為一種配電網(wǎng)的高級(jí)應(yīng)用，本系統(tǒng)將為節(jié)能降耗措施的制定提供有力的技術(shù)支撐，為智能配電網(wǎng)的線損管理奠定良好的基礎(chǔ)。

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