基于HPLC的低壓配電臺(tái)區(qū)線損與網(wǎng)絡(luò)潮流分析

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司都勻供電局 柏文健 時(shí)重雯 黔南都能開發(fā)有限公司 劉錦程

電能損耗可以稱之為總電網(wǎng)線損[1]。電網(wǎng)的總電能損耗包括理論和管理兩類[2]。線損值受電壓電流、負(fù)荷功率、補(bǔ)償容量和位置、運(yùn)行時(shí)間等諸多因素的影響，導(dǎo)致配電網(wǎng)測表不全[3]。本文提出采用基于潮流的線損計(jì)算方法，通過三相不平衡對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)線損分析，最終將HPLC的低壓配電臺(tái)區(qū)線損與網(wǎng)絡(luò)潮流分析融合貫通。

1 基于HPLC的低壓配電臺(tái)區(qū)線損與網(wǎng)絡(luò)潮流分析

1.1 技術(shù)架構(gòu)

基于HPLC的低壓配電臺(tái)區(qū)線損與網(wǎng)絡(luò)潮流分析的技術(shù)架構(gòu)基于“云—管—邊—端”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系（整體技術(shù)架構(gòu)），智能斷路器和智能電表組成的高級(jí)量測體系（AMI）（數(shù)據(jù)流架構(gòu)），以及高速載波通信技術(shù)（HPLC）（通信架構(gòu)）[4]。

技術(shù)架構(gòu)按照“云—管—邊—端”體系，將整個(gè)配電臺(tái)區(qū)的架構(gòu)清晰劃分[5]。同時(shí)按照“云主站—光纖/4G/無線公網(wǎng)—新型智能融合終端—智能斷路器/智能電表”一一對(duì)應(yīng)[6]。配電臺(tái)區(qū)各電氣節(jié)點(diǎn)，均可部署智能斷路器或智能電表，可提供24/48/96點(diǎn)的采樣信息，建立配電臺(tái)區(qū)的負(fù)荷大數(shù)據(jù)。采用高速載波通信技術(shù)，提供各節(jié)點(diǎn)采樣信息報(bào)文高速傳輸至邊緣終端側(cè)，并與邊緣終端進(jìn)行本地時(shí)鐘校準(zhǔn)。

1.2 技術(shù)路線

1.2.1 基于HPLC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R(shí)別

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R(shí)別的內(nèi)容包括相位識(shí)別，臺(tái)區(qū)識(shí)別以及配電臺(tái)區(qū)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R(shí)別。實(shí)現(xiàn)流程如下：首先，融合終端通過CCO模塊下發(fā)臺(tái)區(qū)特征采集啟動(dòng)指令，配置采集周期、采集方式等參數(shù)，默認(rèn)的采集特征為工頻周期特征，也可選工頻電壓特征、工頻頻率特征。其次，STA節(jié)點(diǎn)（如物聯(lián)網(wǎng)斷路器或分支監(jiān)測終端）按照CCO下發(fā)的采集參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)。接下來，進(jìn)行CCO按照配置的采集參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過臺(tái)區(qū)特征信息告知報(bào)文發(fā)給STA，STA獲取到CCO的數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算，得出自身的臺(tái)區(qū)歸屬結(jié)果。最后，CCO下發(fā)臺(tái)區(qū)判斷結(jié)果查詢命令，輪詢讀取STA的臺(tái)區(qū)識(shí)別結(jié)果。配電臺(tái)區(qū)物理拓?fù)渥R(shí)別是基于電壓相關(guān)性識(shí)別臺(tái)區(qū)和相位，通過載波信號(hào)SNR（信噪衰減）識(shí)別配電臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別。單相電能表掛載關(guān)系的確定，分別計(jì)算每一個(gè)電能表電壓系列值與末端分支節(jié)點(diǎn)電壓系列值間的相關(guān)系數(shù)，依據(jù)相關(guān)系數(shù)大小來評(píng)估電能表的掛載歸屬關(guān)系和相位信息?；谝陨喜襟E，先確定各分支節(jié)點(diǎn)與變壓器的拓?fù)潢P(guān)系，然后再確定電能表與末端分支節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。

1.2.2 基于前推回代法的網(wǎng)絡(luò)潮流分析

基于前推回代法的網(wǎng)絡(luò)潮流分析，可精確計(jì)算“臺(tái)區(qū)總表→分表→分支箱→表箱→分表”等各支線的節(jié)點(diǎn)電氣信息，可采用前推回代法。

在不同功率間被限制不能作出反應(yīng)，體現(xiàn)出同一層次支路功率并不一樣，可以進(jìn)行同一層次合并計(jì)算，大規(guī)模輻射網(wǎng)絡(luò)中分層數(shù)少于支路總數(shù)，分層后并行計(jì)算體現(xiàn)出了絕對(duì)的優(yōu)勢，可以最大程度上提高計(jì)算的速度，減少計(jì)算使用時(shí)間。

1.2.3 基于AMI的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建模和表征

一般樹狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以區(qū)分成三大類，分別是處于最初始位置的根節(jié)點(diǎn)，以及在兩者之間的中間節(jié)點(diǎn)，還有最后處于結(jié)構(gòu)末端的葉節(jié)點(diǎn)三種。

處于始端根節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)在低壓配電網(wǎng)中；空心圓表示末端低壓用戶，AMI實(shí)施后，作為智能電網(wǎng)傳感器的智能電表源源不斷地采集系統(tǒng)支路末端節(jié)點(diǎn)處的電壓、有功功率和無功功率等數(shù)據(jù)，使得支路阻抗估計(jì)成為可能。任意一條末端支路，例如點(diǎn)B通往電表1的路線根據(jù)歐姆定律可以得到式（1）：

式中：ZB-1是該段線路的阻抗；I1為支路上的電流量，通過電表1的數(shù)據(jù)測出U1為電壓、P1屬于功率和，Q1屬于無功功率，由此可以得到式。在其他的變量都知曉，但ZB-1支路的抗阻未知時(shí)，式1的起點(diǎn)支路UB電壓可以表示為支路阻抗分量電壓，分別把他們?cè)O(shè)為R1和X1，其方程式為式（2）：

注入節(jié)點(diǎn)B的功率可以從經(jīng)過下游支路的電流計(jì)算出來。也就是說，想要得到變壓器二次側(cè)出口處的節(jié)點(diǎn)A的電壓UA，就需要從配電網(wǎng)絡(luò)的末端計(jì)算到初始點(diǎn)，關(guān)于UA上各個(gè)電阻與電抗之間的方程式為下列式（3）：

依照之前所排列的公式，式（3）的過程首端是從電表1開始的，在推導(dǎo)之后會(huì)得到與式（3）有些相似的方程式，[UA1UA2…UAn]為用行量，UAj（j=1，2，…，n）為電表j的推導(dǎo)，UA表示起點(diǎn)，低壓配電網(wǎng)總電表數(shù)用n來表示。合理時(shí)間窗口中，溫度沒有顯著變化就代表各線路的參數(shù)不變。推導(dǎo)整個(gè)時(shí)間序列得到式（4）：

式中：UAtj（t=1，2，…，T;j=1，2，…，n）可以理解為在t時(shí)，從電表j開始推導(dǎo)，就會(huì)得到電壓UA。T表示時(shí)間序列的總體長度，元素未知量為各電阻電抗，同一行元素的平均方差為式（5）和式（6）：

時(shí)間序列與電阻電抗相轉(zhuǎn)換可以表示為下列式（7）：

最小值的求解優(yōu)化問題即下式（8）：

約束條件為電阻和電抗值均大于零。其中，點(diǎn)A的電壓可測（如當(dāng)配變裝有負(fù)控終端），UA就會(huì)被判斷成UA_measured已知測量參數(shù)。配電網(wǎng)線路參數(shù)計(jì)算的最優(yōu)化算法，而低壓配電網(wǎng)線路參數(shù)計(jì)算方法中的目標(biāo)函數(shù)式（7）是關(guān)于決策變量（R1，R2，…，X1，X2…）的二次函數(shù)，并且其約束條件是決策變量中的每一個(gè)電阻值和電抗值大于零，是線性函數(shù)，所以配電網(wǎng)線路參數(shù)計(jì)算的最優(yōu)化問題屬于二次規(guī)劃問題。

1.2.4 精益線損分析

影響理論線損分析的主要因素包括竊電、三相不平衡等。在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)對(duì)各支路進(jìn)行分段線損計(jì)算。依照歐姆定律得到式（9）：

式中，關(guān)聯(lián)j為電表編號(hào)；智能電表Ij表示間隔設(shè)定；平均電壓用Uj表示；用戶阻抗看做Z；UPCj表示節(jié)點(diǎn)j在向上計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值。處于中間的三相節(jié)點(diǎn)情況大致與其相似，若是相互阻抗存在于線路之中，得到式（10）：

由節(jié)點(diǎn)量測電壓替代，與UPC比較，用來計(jì)算功率的公式為式（11）：

式中：量測U為用戶電壓；Z為線路阻抗。竊電檢測的準(zhǔn)確性受波動(dòng)影響，量測產(chǎn)生的波動(dòng)包括量測項(xiàng)和電壓項(xiàng)約在0.2-0.6V之間。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)三相不平衡系統(tǒng)中進(jìn)行，采用的技術(shù)路線為“拓?fù)渥R(shí)別→潮流分析和拓?fù)湫：恕W(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算建?！鷳?yīng)用”四個(gè)環(huán)節(jié)，具體如圖1所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

低壓配電臺(tái)區(qū)供電模式為TN-C-S或TNC，供電方式有也有很多種類，低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)混合供電模式如圖2所示。

圖2 低壓配電臺(tái)區(qū)混合供電模式示意圖

相比較其他的供電模式來說，TN-C-S模式有一些不同，在三相不平衡系統(tǒng)中運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定量的損耗，回路電流經(jīng)過零線上的時(shí)候碎號(hào)情況最為明顯，低壓配置內(nèi)存在的損耗最高。此模式中接地線也存在較小電流的流過，微小的電流也會(huì)產(chǎn)生損耗，但其損耗數(shù)值微乎其微，一般在計(jì)算中都會(huì)被忽略不計(jì)，詳細(xì)分析TN-C低壓網(wǎng)絡(luò)在不同供電方式下的零線線路損耗。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖2可知，支路L1三相電流分別為下列式（12）：

上流電流在經(jīng)過零線節(jié)點(diǎn)1時(shí)，節(jié)點(diǎn)2的電流注入總電流，其求和為下列式（13）：

對(duì)于節(jié)點(diǎn)3來說，使用式（14）計(jì)算：

故可得最終結(jié)果式（15）：

綜上可知，支路上的電流為該線路的三相電流之和。采用基于融合終端復(fù)壓判定，實(shí)現(xiàn)低壓故障的主動(dòng)感知、精準(zhǔn)定位，支路節(jié)點(diǎn)電流與開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，當(dāng)支路有流時(shí)，支路開關(guān)應(yīng)處于閉合供電狀態(tài)；負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓與開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，當(dāng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)有壓時(shí)，負(fù)荷側(cè)處于供電狀態(tài)。

根據(jù)以上判定內(nèi)容，結(jié)合公式計(jì)算線損值，對(duì)10kV和4kV的配電線路各個(gè)占比作出結(jié)果對(duì)比，獲得下表1：

表1 配電線路理論電能損耗計(jì)算結(jié)果

綜上所述，在基于HPLC的低壓配電臺(tái)區(qū)線損與網(wǎng)絡(luò)潮流分析的改進(jìn)法計(jì)算中，有關(guān)于配電線路的相關(guān)知識(shí)，以及全部電能的線損損耗，計(jì)算理論線損率及各個(gè)環(huán)節(jié)的理論電能損耗占比都與實(shí)際相符合，這也就證明改進(jìn)方法是有效的，上表數(shù)據(jù)顯示誤差減小，誤差比值所構(gòu)建的相對(duì)誤差降低，從而結(jié)果更加準(zhǔn)確，使得損耗更加清晰。

3 結(jié)語

配電網(wǎng)絡(luò)也在跟隨著時(shí)代而進(jìn)步，配電自動(dòng)化將逐步向部分綜測裝置看齊，發(fā)展成為全部實(shí)測三相負(fù)荷配電終端的數(shù)據(jù)模式。然而，是否真正能夠通過這種修正來影響并反映線損計(jì)算結(jié)果還需要進(jìn)一步的研究和探討。希望未來可以隨著計(jì)量裝置的逐漸完善，進(jìn)行配電臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)潮流分析的一體化深入，基于HPLC的低壓電配線損與網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算的理論方法將得到更加大范圍的運(yùn)用和學(xué)習(xí)。