基于實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析的電網(wǎng)元件柔性供電能力挖掘方法研究

國(guó)網(wǎng)承德供電公司 孔慶澤 張 勇 李 巖

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)代背景下，電網(wǎng)對(duì)供電能力計(jì)算的實(shí)時(shí)性、靈活性、高效性、準(zhǔn)確性以及即用性要求不斷提高。隨著電網(wǎng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷推進(jìn)，基層減負(fù)增效工作部署持續(xù)推動(dòng)落實(shí)，在調(diào)度運(yùn)行分析、方式調(diào)整、規(guī)劃建設(shè)、業(yè)擴(kuò)報(bào)裝等環(huán)節(jié)，對(duì)供電能力計(jì)算值的實(shí)時(shí)性、靈活性、高效性、準(zhǔn)確性和即用性等需求不斷提高。目前，在供電能力挖掘方面，仍存在著計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度不高、源端數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊、計(jì)算周期不夠靈活、計(jì)算結(jié)果較為單一等不足。

本文提出了一種基于實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析的電網(wǎng)元件柔性供電能力挖掘計(jì)算方法，全面分析供電能力的影響因素，縮短供電能力計(jì)算周期，提升供電能力計(jì)算精確性與實(shí)時(shí)性，客觀反映電網(wǎng)供電瓶頸和聯(lián)絡(luò)薄弱點(diǎn)，為電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和負(fù)荷接入提供指導(dǎo)，充分挖掘和發(fā)揮電網(wǎng)的供電潛力。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 可開(kāi)放容量研究現(xiàn)狀

目前主要研究聚焦在配電網(wǎng)可開(kāi)放容量計(jì)算指標(biāo)、可開(kāi)放容量計(jì)算方法以及配電網(wǎng)可開(kāi)放容量的規(guī)劃方法等方面。常用的可開(kāi)放容量計(jì)算指標(biāo)主要有線路限流值、線路最高負(fù)荷以及線路新能源等效出力電流等[1]?？砷_(kāi)放容量計(jì)算方法主要可分為整體可開(kāi)放容量計(jì)算、單條饋線可開(kāi)放容量計(jì)算、多聯(lián)絡(luò)饋線可開(kāi)放容量計(jì)算以及饋線可開(kāi)放容量計(jì)算等方法[2-3]。進(jìn)行配電網(wǎng)可開(kāi)放容量規(guī)劃通常綜合考慮資源共享情況、以及設(shè)備利用率、行業(yè)使用系數(shù)差異性等因素，推動(dòng)負(fù)荷資源開(kāi)放共享，降低配電網(wǎng)建設(shè)成本[4]。

1.2 柔性供電能力挖掘方法研究現(xiàn)狀

最大供電能力是指在一定供電區(qū)域范圍內(nèi)，電網(wǎng)在滿足N-1準(zhǔn)則并考慮到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行情況下，所具有的最大負(fù)荷供應(yīng)能力。我國(guó)供電能力挖掘方法的理論研究一共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段[5]：

第一階段主要通過(guò)變電容量來(lái)評(píng)估配電系統(tǒng)的供電能力，常用的供電能力評(píng)估方法主要為容載比法；第二階段在考慮變電站變量容量的基礎(chǔ)上也增加了變電轉(zhuǎn)供的思想，主要通過(guò)負(fù)荷能力法、最大負(fù)荷倍數(shù)法以及網(wǎng)絡(luò)最大流法等方法計(jì)算配電網(wǎng)的供電能力；第三階段是在N-1準(zhǔn)則下，同時(shí)計(jì)算變電站與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力，對(duì)配電網(wǎng)供電能力進(jìn)行評(píng)估，常用的供電能力計(jì)算方法主要有解析法和模型法[6]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

2.1 信息數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取承德地區(qū)某個(gè)供電區(qū)域的一個(gè)典型變電站為例，采集調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)變壓器、線路實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，生產(chǎn)系統(tǒng)試點(diǎn)主變、線路、變壓器載流信息及電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移關(guān)系等網(wǎng)架信息，生產(chǎn)系統(tǒng)試點(diǎn)主變、線路、配變的故障信息，營(yíng)銷系統(tǒng)用戶檔案、與電源的對(duì)應(yīng)關(guān)系信息，采集系統(tǒng)新能源發(fā)電上網(wǎng)電量、負(fù)荷數(shù)據(jù)，以及營(yíng)銷系統(tǒng)業(yè)擴(kuò)報(bào)裝計(jì)劃、設(shè)備投退運(yùn)信息等信息。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

描述性統(tǒng)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)研究對(duì)象有關(guān)變量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)分析、集中趨勢(shì)分析、離散程度分析及分布等分析，并通過(guò)指標(biāo)和分類、圖形或計(jì)算概括性數(shù)據(jù)等形式對(duì)研究對(duì)象的變量數(shù)據(jù)特征進(jìn)行描述。通常用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中的異常值、分析數(shù)據(jù)的一般水平以及數(shù)據(jù)之間的差異程度、分布狀況；相關(guān)性分析方法。通過(guò)對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量?jī)蓚€(gè)變量因素的相關(guān)密切程度，是篩選某種變化產(chǎn)生的影響因素的常用方法。

聚類分析。是通過(guò)數(shù)據(jù)建模簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的一種方法，按照一定的要求和規(guī)律將搜集到的數(shù)據(jù)或變量進(jìn)行分類，一般被用來(lái)描述數(shù)據(jù)、衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性及將數(shù)據(jù)源分類到不同的簇中。在同一個(gè)簇中的對(duì)象具有很大的相似性，而不同簇間的對(duì)象具有很大的相異性。傳統(tǒng)的聚類分析方法包括系統(tǒng)聚類法、分解法、加入法、動(dòng)態(tài)聚類法、有序樣品聚類、有重疊聚類和模糊聚類等，常用的聚類分析算法包括k-均值、k-中心點(diǎn)等，通常運(yùn)用SPSS或SAS軟件進(jìn)行聚類分析。

3 電網(wǎng)元件柔性供電能力挖掘

3.1 數(shù)據(jù)特征篩選

數(shù)據(jù)導(dǎo)入。選取承德地區(qū)一個(gè)典型變電站，依次導(dǎo)入該變電站主變、線路及配電變壓器運(yùn)行信息、網(wǎng)架信息、故障信息及營(yíng)銷系統(tǒng)相關(guān)信息，通過(guò)分類、劃分等級(jí)等方法進(jìn)行特征因素量化，并對(duì)缺失值、異常值進(jìn)行填補(bǔ)或替換處理。具體數(shù)據(jù)及其說(shuō)明如表1所示。

表1 電網(wǎng)元件柔性供電能力挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)表

特征處理。通過(guò)相關(guān)系數(shù)計(jì)算，篩選出與因變量具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系的特征變量，以此作為研究的依據(jù)。以變電站主變實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析為例，計(jì)算各個(gè)特征與當(dāng)天最大負(fù)荷之間相關(guān)系數(shù)，根據(jù)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)篩選出強(qiáng)相關(guān)特征。表2為各季節(jié)特征因素與當(dāng)日最大負(fù)荷之間的相關(guān)系數(shù)。

表2 各季節(jié)特征與當(dāng)日最大負(fù)荷相關(guān)系數(shù)表

3.2 電網(wǎng)柔性供電能力分析

電網(wǎng)柔性供電能力主要由變電站主變實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量、線路實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量及配電變壓器實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量三部分構(gòu)成?？蓪?duì)這三部分可開(kāi)放容量進(jìn)行分析計(jì)算，最終得出電網(wǎng)柔性供電能力挖掘結(jié)果。

3.2.1 變電站主變實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析

變電站的主變實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量的計(jì)算過(guò)程主要包含以下步驟：

計(jì)算該變電站每一天尖、峰、平、谷時(shí)段最大負(fù)荷；計(jì)算每一天外部數(shù)據(jù)：當(dāng)天最高氣溫、當(dāng)天最低氣溫、當(dāng)天濕度、當(dāng)天降水量、當(dāng)天風(fēng)速、當(dāng)天風(fēng)向、當(dāng)天最大濕度、當(dāng)天最低濕度、當(dāng)天是否節(jié)假日、當(dāng)天星期幾；使用聚類方法對(duì)上述變電站內(nèi)外部特征做聚類，將近1年的變電站特征數(shù)據(jù)聚類為若干類。

對(duì)于聚類得到的每一個(gè)小類計(jì)算變電站可開(kāi)放容量?？砷_(kāi)放容量Sk的計(jì)算：Sk=αSn-max(Sh,γSzj)-Sd-γSz。式中，Sk為本變壓器可開(kāi)放容量；α為重載率管控閾值；Sn為本變壓器額定容量；Sh為本變壓器正常運(yùn)行方式下該聚類類別的近一年最高負(fù)荷；γ為等效負(fù)荷系數(shù)，建議參考值為Sh/Sn；Szj為本變壓器當(dāng)前接入用戶總?cè)萘?；Sd為本變壓器最高負(fù)荷時(shí)刻新能源等效出力； Sz為在途報(bào)裝容量。

3.2.2 線路實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析

對(duì)電網(wǎng)線路實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量進(jìn)行分析主要分為四個(gè)步驟：

計(jì)算該10kV出線每一天尖、峰、平、谷時(shí)段最大電流；計(jì)算每一天外部數(shù)據(jù)：當(dāng)天最高氣溫、當(dāng)天最低氣溫、當(dāng)天濕度、當(dāng)天降水量、當(dāng)天風(fēng)速、當(dāng)天風(fēng)向、當(dāng)天最大濕度、當(dāng)天最低濕度、當(dāng)天是否節(jié)假日、當(dāng)天星期幾；使用聚類方法對(duì)10kV出線內(nèi)外部特征做聚類，將近1年的10kV出線特征數(shù)據(jù)聚類為若干類。

對(duì)于聚類得到的每一個(gè)小類，計(jì)算配電線路的可開(kāi)放容量?？砷_(kāi)放容量Sk的計(jì)算：Sk=式中，Sk為本線路可開(kāi)放容量，UB為本線路基準(zhǔn)線電壓，Ik為本線路可開(kāi)放電流，γ為等效負(fù)荷系數(shù)，Sz為在途報(bào)裝容量；本線路可開(kāi)放電流Ik的計(jì)算公式為：Ik=α×Immax(Ih,γIzj)-Id。式中，Ik為本線路可開(kāi)放電流，α為重載率管控閾值，Ih為本線路正常運(yùn)行方式下該聚類類別的歷史最高負(fù)荷電流，γ為等效負(fù)荷系數(shù)，Izj為本線路當(dāng)前接入用戶容量換算電流值，Id為本線路最大負(fù)荷時(shí)刻新能源發(fā)電等效電流。

3.2.3 配電變壓器實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析

配電變壓器實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量的計(jì)算過(guò)程主要包含以下步驟：

計(jì)算該配電變壓器近1年每一天尖、峰、平、谷時(shí)段最大負(fù)荷；計(jì)算近1年每一天外部數(shù)據(jù)：當(dāng)天最高氣溫、當(dāng)天最低氣溫、當(dāng)天濕度、當(dāng)天降水量、當(dāng)天風(fēng)速、當(dāng)天風(fēng)向、當(dāng)天最大濕度、當(dāng)天最低濕度、當(dāng)天是否節(jié)假日、當(dāng)天星期幾；拼接上述內(nèi)外部數(shù)據(jù)，使用聚類方法對(duì)該公變內(nèi)外部特征做聚類，將近1年的公變特征數(shù)據(jù)聚類為若干類。

對(duì)于聚類得到的每一個(gè)小類，計(jì)算公變的可開(kāi)放容量。可開(kāi)放容量Sk的計(jì)算：Sk=αSnmax(Sh,γSzj)-Sd+Sx-γSz。式中，Sk為本變壓器可開(kāi)放容量；α為重載率管控閾值；Sn為本變壓器額定容量；Sh為本變壓器正常運(yùn)行方式下該聚類類別近一年內(nèi)最高負(fù)荷；γ為等效負(fù)荷系數(shù)；Szj為本變壓器當(dāng)前接入用戶容量；Sd為本變壓器歷史最高負(fù)荷日新能源發(fā)電等效出力；Sx為本變壓器歷史最高負(fù)荷日已申請(qǐng)銷戶用戶負(fù)荷；Sz為在途報(bào)裝容量。

3.3 電網(wǎng)運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)分析

基于實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析對(duì)電網(wǎng)柔性供電能力進(jìn)行挖掘，整合調(diào)度生產(chǎn)、營(yíng)銷等各個(gè)專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以有效幫助電網(wǎng)開(kāi)展運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)分析、設(shè)備負(fù)載情況分析，輔助電網(wǎng)做出更加精準(zhǔn)有效的負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整決策。

一是通過(guò)研發(fā)臺(tái)區(qū)運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)分析功能，按時(shí)間段、設(shè)備匯總各時(shí)間段、各個(gè)設(shè)備發(fā)生的故障次數(shù)，深入分析設(shè)備故障、設(shè)備負(fù)載情況，快速定位運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)；二是針對(duì)主變/線路/配變各個(gè)時(shí)段的最大負(fù)載率或平均最大負(fù)載率等負(fù)載情況，進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ确治觯贸鲐?fù)荷運(yùn)行情況，精準(zhǔn)定位負(fù)載水平較高設(shè)備，實(shí)施負(fù)荷轉(zhuǎn)移，提升電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移措施的精確性；三是選取典型線路、配變?cè)O(shè)備，結(jié)合設(shè)備可開(kāi)放容量分析計(jì)算結(jié)果及當(dāng)前臺(tái)區(qū)負(fù)荷運(yùn)行情況，研究負(fù)荷遷移的試點(diǎn)方案，對(duì)轉(zhuǎn)移前后的臺(tái)區(qū)供電能力情況進(jìn)行試測(cè)算，形成負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整輔助決策指導(dǎo)建議。

綜上，開(kāi)展基于實(shí)時(shí)可開(kāi)放容量分析的電網(wǎng)元件柔性供電能力挖掘方法研究，能夠提升配電網(wǎng)進(jìn)行供電能力計(jì)算的精確性與及時(shí)性，客觀反映電網(wǎng)供電瓶頸和聯(lián)絡(luò)薄弱點(diǎn)，為電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和負(fù)荷接入提供指導(dǎo)，全方位提升供電能力計(jì)算應(yīng)用水平，支撐相關(guān)業(yè)務(wù)的多元化數(shù)據(jù)需求，充分挖掘和發(fā)揮電網(wǎng)的供電潛力。本研究主要選取了供電網(wǎng)絡(luò)中其中一類變電站進(jìn)行供電能力分析，未來(lái)可針對(duì)性的開(kāi)展每一類變電站、線路、變壓器的可開(kāi)放容量，綜合展示各類設(shè)備的運(yùn)行狀況和相關(guān)業(yè)務(wù)信息。