基于負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)研究

伏蕾， 楊斌

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司固原供電公司， 寧夏， 固原 756000)

0 引言

目前，我國(guó)配電網(wǎng)規(guī)模巨大，居民、工業(yè)的用電負(fù)荷量與日俱增，與此同時(shí)電能損耗也非常大。電力能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，當(dāng)過(guò)度發(fā)展經(jīng)濟(jì)時(shí)會(huì)引起電力能源浪費(fèi)，因此需尋求兩者之間的平衡方法[1]。電力能源損耗是在配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)設(shè)備、線路、零件可估計(jì)電能消耗和不明原因的損耗，受各種不定因素影響，導(dǎo)致配電網(wǎng)用戶線損最難預(yù)測(cè)，而配電公司整體考核的核心指標(biāo)為線損[2]。此時(shí)配電網(wǎng)企業(yè)需要尋找適合自身發(fā)展的節(jié)能減排措施，快速對(duì)配電網(wǎng)用戶月線損實(shí)施計(jì)算和預(yù)測(cè)，為企業(yè)制定降損策略提供理論支持[3-4]。因此對(duì)配電網(wǎng)用戶線損分析與預(yù)測(cè)非常重要，同時(shí)對(duì)提高配電網(wǎng)企業(yè)管理水平有著深遠(yuǎn)的意義。

文獻(xiàn)[5]提出了一種計(jì)及峰谷分時(shí)的配電線路同期月線損預(yù)測(cè)方法。該方法首先采用X12-ARIMA方法對(duì)臺(tái)區(qū)和高壓用戶的月尖峰平谷售電量分別進(jìn)行預(yù)測(cè)；然后采用非線性最小二乘法建立臺(tái)區(qū)歷史月售電量與歷史月線損的關(guān)聯(lián)模型對(duì)臺(tái)區(qū)線損進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而得到臺(tái)區(qū)關(guān)口供電量；最后根據(jù)高壓用戶月售電量預(yù)測(cè)結(jié)果和臺(tái)區(qū)關(guān)口供電量通過(guò)前推回代方法得到主線路線損,將臺(tái)區(qū)線損與主線路線損相加得到配電線路同期月線損預(yù)測(cè)值。文獻(xiàn)[6]針對(duì)電力市場(chǎng)采用位置邊際定價(jià)原則進(jìn)行市場(chǎng)清算、進(jìn)行多重結(jié)算并發(fā)行金融轉(zhuǎn)讓權(quán)的情況，對(duì)DCOPF模型進(jìn)行了細(xì)化。分段線性損失預(yù)測(cè)模型比傳統(tǒng)的純線性損失模型具有典型的優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)有的帶靜態(tài)參數(shù)的分段線性損耗模型不同，該研究提出的靜態(tài)曲線擬合技術(shù)通過(guò)基于線負(fù)荷水平的二元分類的加權(quán)誤差最小化來(lái)評(píng)估損耗參數(shù)。給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)程序來(lái)求解所提出的曲線擬合優(yōu)化問(wèn)題。評(píng)估和比較了適用于特定市場(chǎng)框架的不同線性和分段線性損耗模型的潮流精度。但是，以上的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)方法忽略了對(duì)月負(fù)荷曲線的計(jì)算，導(dǎo)致月線損值預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

據(jù)以上資料表明線損受負(fù)荷曲線影響較大，而在配電網(wǎng)中包括多種用戶類型，其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷曲線不同。在配電網(wǎng)分析中，包括Zbus法、前推回代法、回路法等方法。Zbus法處理分支、環(huán)網(wǎng)的能力強(qiáng)，具有較高收斂速度，而前推回代法運(yùn)算速度快，且便捷。為此從實(shí)際負(fù)荷曲線獲取數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將2種方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，生成潮流計(jì)算方法，提高配電網(wǎng)用戶月線損值計(jì)算速度，因此研究基于負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)方法，提高預(yù)測(cè)效率。

1 基于負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)研究

利用用電信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)拓?fù)湫畔⒑途€路參數(shù)等運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，并以采集配電網(wǎng)各種信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際負(fù)荷曲線生成方法分解配變?cè)掠秒娏?，并求解配變的?shí)際月負(fù)荷有功無(wú)功功率曲線，采用潮流計(jì)算方法，計(jì)算出配電網(wǎng)用戶的月線損值。由此可得月負(fù)荷曲線下的配電網(wǎng)用戶月線損值計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 月負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值計(jì)算流程

1.1 實(shí)際供應(yīng)電量的負(fù)荷曲線生成

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)[7-8]，需求解配電網(wǎng)的實(shí)際月負(fù)荷曲線，其具體流程如下。

Step 1 求解配變的月負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)化曲線

若第j類負(fù)荷的月負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)化曲線和配變x下第y類負(fù)荷所占總負(fù)荷比例為已知條件，配變x的月負(fù)荷標(biāo)幺曲線，用式(1)描述：

(1)

式中，負(fù)荷y曲線中t時(shí)刻以平均負(fù)荷為基準(zhǔn)標(biāo)幺值用Oyt描述，負(fù)荷類型數(shù)用l描述，比例系數(shù)用Kxy描述，配變x月負(fù)荷曲線中以平均負(fù)荷為基準(zhǔn)標(biāo)幺值用Oxt描述。

Step 2 求解配變的實(shí)際月負(fù)荷有功功率曲線

有功功率曲線求解如式(2)：

(2)

其中，采集點(diǎn)數(shù)用c描述，配變x的t時(shí)刻有功功率用Pxt描述，配變i的月用電量用Ax描述。

Step 3 求解配變的實(shí)際月負(fù)荷無(wú)功功率曲線

為獲取該無(wú)功功率通過(guò)配變典型功率因數(shù)和實(shí)際月負(fù)荷有功功率曲線獲取，其求解如式(3)：

Qxt=Pxt×tan(arccosφxt)

(3)

其中，配變x的t時(shí)刻的無(wú)功功率用Qxt描述，典型功率因數(shù)用φxt描述。

1.2 基于潮流計(jì)算的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)

潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為生成的實(shí)際負(fù)荷曲線，潮流計(jì)算融合了前推回代法和Zbus計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)。前推回代法主要求解輻射型配電網(wǎng)；而Zbus計(jì)算法主要求解環(huán)形配電網(wǎng)。潮流計(jì)算將配電網(wǎng)看作一個(gè)整體，為維持網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平衡，需修正邊界節(jié)點(diǎn)信息[9-11]。

先對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓實(shí)施初始化，利于前推計(jì)算輻射型結(jié)構(gòu)體的功率，根據(jù)式(4)求出修正邊界點(diǎn)負(fù)荷注入電流，

(4)

按照前推計(jì)算修正電流，通過(guò)Zbus計(jì)算法對(duì)環(huán)形結(jié)構(gòu)體實(shí)施求解得出信息修正邊界節(jié)點(diǎn)2的功率，再采用前推計(jì)算求解輻射型配電網(wǎng)。當(dāng)輻射型配電網(wǎng)求解時(shí)，若存在環(huán)網(wǎng)，需在求解后繼續(xù)采用前推計(jì)算方法求解環(huán)網(wǎng)的潮流，最后求解連接根節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)功率，在得到環(huán)網(wǎng)功率后通過(guò)迭代運(yùn)算修正配電網(wǎng)信息，直到求解出最優(yōu)值[12-13]。潮流計(jì)算算法具體過(guò)程，見(jiàn)圖2。

圖2 潮流計(jì)算算法具體過(guò)程

1.2.1 基于前推回代法輻射型狀構(gòu)體潮流計(jì)算

前推回代法是潮流計(jì)算的經(jīng)典算法，主要適用于輻射型結(jié)構(gòu)體的潮流計(jì)算[14]，該算法流程如下。

(1) 假設(shè)配電網(wǎng)線路中節(jié)點(diǎn)初始電壓用Ug=10kV描述，其中g(shù)=1,2,3,…。

(2) 依據(jù)支線級(jí)別求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率和損耗，如式(5)、式(6)：

(5)

Pi=Pj+Plossij

Qi=Qj+Qlossij

(6)

其中，節(jié)點(diǎn)j有功、無(wú)功功率分別用Pj、Qj描述，支線電阻用zij描述，連接上下支線的節(jié)點(diǎn)號(hào)用i描述，支線有功功率損耗用Plossij描述，節(jié)點(diǎn)i有功、無(wú)功功率分別用Pi、Qi描述，支線阻抗用hij描述，支線無(wú)功功率損耗用Qlossij描述，支線特征節(jié)點(diǎn)號(hào)用j描述。

(3) ΔP表示線路開(kāi)始端功率修正量，當(dāng)|ΔP|>ε(ε=10-5)時(shí)，需修正該功率后再進(jìn)行下一環(huán)節(jié)。

(4) 為求解節(jié)點(diǎn)電壓，按照支線級(jí)別求出，具體如式(7)：

(7)

其中，i節(jié)點(diǎn)電壓用Ui描述，j節(jié)點(diǎn)電壓用Uj描述。

(5) 節(jié)點(diǎn)電壓幅值的修正量的求解ΔUi(n+1)，如式(8)：

ΔUi(n+1)=|Ui(n+1)-Ui(n)|

(8)

其中，迭代次數(shù)用n描述。

(6) 修正量的最大值Umax，如式(9)：

Umax=max(ΔUi(n+1))

(9)

(7) 判斷修正量的最大值是否滿足收斂要求。

當(dāng)收斂值θ滿足Umax<θ時(shí)，可求出電壓值，當(dāng)不滿足要求時(shí)，需從第(2)步開(kāi)始運(yùn)行至第(7)步，直至滿足要求為止。

(8) 節(jié)點(diǎn)功率角按照該點(diǎn)電壓可求出，具體如式(10)：

(10)

1.2.2 基于Zbus計(jì)算法的環(huán)型結(jié)構(gòu)體潮流計(jì)算

通過(guò)Zbus計(jì)算法求解環(huán)網(wǎng)潮流，將相同電流值生成電壓與根節(jié)點(diǎn)生成電壓相加得出母線電壓。因輻射型配電網(wǎng)內(nèi)信息對(duì)根節(jié)點(diǎn)電壓無(wú)影響，可獨(dú)立求解；求解同電流值生成電壓需按照輻射型配電網(wǎng)信息實(shí)施修正后求解[15]。

受源節(jié)點(diǎn)電壓求解，如式(11)：

(11)

在導(dǎo)進(jìn)相同電流時(shí)生成節(jié)點(diǎn)電壓，如式(12)：

(12)

節(jié)點(diǎn)電壓通過(guò)疊加原理求出，節(jié)點(diǎn)電壓如式(13)：

(13)

在求解環(huán)網(wǎng)潮流時(shí)，假如環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)內(nèi)無(wú)源節(jié)點(diǎn)，通過(guò)式(12)可求解導(dǎo)進(jìn)相同電流時(shí)生成節(jié)點(diǎn)電壓；假如環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)內(nèi)存在源節(jié)點(diǎn)，需通過(guò)式(11)～式(13)求解節(jié)點(diǎn)電壓。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文方法的效果，實(shí)驗(yàn)選取某地區(qū)供電公司10 kV·A線路2014～2017年數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，該線路包括60個(gè)配電網(wǎng)用戶、20個(gè)節(jié)點(diǎn)。線路電路圖如圖3所示。采用本文方法對(duì)2018年6～9月配電網(wǎng)用戶月線損實(shí)施預(yù)測(cè)，同時(shí)和實(shí)際值作比較。

圖3 線路電路圖

為驗(yàn)證本文方法的性能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出本文方法的誤差迭代圖，見(jiàn)圖4。

圖4 本文方法的誤差迭代圖

分析圖4可知，本文方法在計(jì)算過(guò)程中誤差絕對(duì)百分比逐漸呈下降趨勢(shì)，采用本文方法收斂速度快，在第150次迭代時(shí)就可迅速完成收斂，說(shuō)明本文方法的性能良好。

采用本文方法預(yù)測(cè)出線路各節(jié)點(diǎn)的有功功率、無(wú)功功率及電壓，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

利用1.1節(jié)獲取實(shí)際供應(yīng)電量的負(fù)荷曲線，并通過(guò)式(3)對(duì)該曲線進(jìn)行求解，得出以上實(shí)測(cè)供應(yīng)電量的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1。通過(guò)式(11)計(jì)算受源節(jié)點(diǎn)電壓，求取平均值，利用式(3)計(jì)算有功功率，利用式(6)計(jì)算無(wú)功功率，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。分析表1可知，實(shí)測(cè)出各節(jié)點(diǎn)平均電壓、有功功率、無(wú)功功率分別為9.79 kV、0.74 MW、0.71 Mvar；本文方法預(yù)測(cè)出各節(jié)點(diǎn)平均電壓、有功功率、無(wú)功功率分別為10.76 kV、0.86 MW、 0.82 Mvar，因此采用本文方法預(yù)測(cè)各節(jié)點(diǎn)的有功功率、無(wú)功功率及電壓與實(shí)測(cè)值非常相近，誤差較小。說(shuō)明本文方法預(yù)測(cè)效率高，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)線路中各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，為線路同期月線損的預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

表1 本文方法與實(shí)測(cè)值的各節(jié)點(diǎn)計(jì)算對(duì)比結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性，從20個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選出3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)18，采用本文方法得出節(jié)點(diǎn)6月的標(biāo)準(zhǔn)化曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 負(fù)荷曲線

通過(guò)分析圖5得出，3個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷曲線，雖然節(jié)點(diǎn)7在6月10日、6月14日出現(xiàn)較大峰值，相對(duì)誤差百分?jǐn)?shù)的極大值和極小值分別為5.0%、4.2%，但該節(jié)點(diǎn)負(fù)荷平均誤差在-3%～+3%之間，而其他2個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均誤差百分?jǐn)?shù)均在該區(qū)間內(nèi)，由此說(shuō)明本文方法的標(biāo)準(zhǔn)化曲線生成準(zhǔn)確性較高。

采用本文方法得出線路同期月線損預(yù)測(cè)值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配電線路同期月線損預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2可知，配電網(wǎng)用戶月線損率與售電量成正比，當(dāng)售電量升高，月線損率也隨著升高，和實(shí)際相吻合，證明本文方法的月線損值預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高。

對(duì)比本文方法6～9月的總月線損值預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)比情況如表3所示。

表3 對(duì)比結(jié)果

由表3可知，本文方法預(yù)測(cè)出的月線損值與實(shí)際統(tǒng)計(jì)值偏差較小，平均偏差低至3.215%，說(shuō)明本文方法有效性較高。

3 總結(jié)

由于配電數(shù)據(jù)采集信息缺失、無(wú)法準(zhǔn)確獲取負(fù)荷曲線，使得配電網(wǎng)用戶月線損預(yù)測(cè)效率低。因此，本文研究基于負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)方法，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，提高配電網(wǎng)用戶的管理水平，為降低配電網(wǎng)用戶的損耗提供理論依據(jù)。本文通過(guò)月負(fù)荷分類曲線和負(fù)荷月用電量的實(shí)際負(fù)荷曲線求出配電網(wǎng)用戶的有功與無(wú)功功率曲線，并利用潮流計(jì)算方法計(jì)算出配電網(wǎng)用戶月線損預(yù)測(cè)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可有效地預(yù)測(cè)配電網(wǎng)用戶月線損值，并與實(shí)測(cè)值非常貼近，說(shuō)明本文方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高，在本文方法的基礎(chǔ)上可減少線損的損失，為配電網(wǎng)的正常運(yùn)行提供技術(shù)支持。

但是，本文提出基于負(fù)荷曲線的配電網(wǎng)用戶月線損值預(yù)測(cè)方法，需要在實(shí)踐中逐漸完善，運(yùn)用更加先進(jìn)的技術(shù)手段，提高本文方法預(yù)測(cè)精度，考慮到因配電網(wǎng)中線損還會(huì)受變壓器空載因素影響，下一步將該因素作為研究重點(diǎn)，繼續(xù)深入研究該課題。