張 磊

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

節(jié)能減排是我國(guó)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措之一，落實(shí)節(jié)能減排工作部署的關(guān)鍵在于加強(qiáng)配電網(wǎng)的線損管理。配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式復(fù)雜，在電能輸送與分配過程中，無(wú)法避免出現(xiàn)電能損耗問題。因此，如何降低配電網(wǎng)電能損耗一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題，湯紅衛(wèi)等人綜合考慮配電網(wǎng)電能損失費(fèi)用，設(shè)計(jì)一個(gè)配電網(wǎng)降損方案優(yōu)選模型[1]；徐常等人在電能替代背景下，根據(jù)變壓器中負(fù)荷與電能損耗之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種配電網(wǎng)變壓器降損方法[2]。當(dāng)下，我國(guó)眾多學(xué)者在降低配電網(wǎng)電能損耗方面均取得了可喜的成績(jī)，然而隨著電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)機(jī)制的轉(zhuǎn)軌，傳統(tǒng)降損方法與手段的缺陷逐漸暴露，嚴(yán)重阻礙了配電網(wǎng)降損管理工作的順利進(jìn)行。為使配電網(wǎng)降損技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益密切聯(lián)系，亟需制定一種簡(jiǎn)便且有效的降損方案。

1 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)，主要為實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)：一是對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行全面且精細(xì)化的管理，通過此系統(tǒng)完善傳統(tǒng)電能損耗計(jì)算方法，為配電網(wǎng)電能損耗的動(dòng)態(tài)考核提供理論依據(jù)；二是對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行全面分析，綜合考慮電能損耗的各項(xiàng)影響因素，進(jìn)而高效降低電能損耗，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行[3,4]。因此，在本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中，設(shè)置了數(shù)據(jù)后臺(tái)、電能損耗計(jì)算模塊以及綜合降損模塊等主要功能模塊，這些功能模塊均圍繞著配電網(wǎng)降損進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用通信接口完成各子模塊之間的數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)降損輔助決策。由于配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)使用單位是各省級(jí)、市級(jí)以及縣級(jí)的供電企業(yè)，本文在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選用網(wǎng)絡(luò)版結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各級(jí)供電公司的資源共享，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)層內(nèi)部署數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，結(jié)合配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況，選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，此數(shù)據(jù)庫(kù)在海量數(shù)據(jù)處理與訪問方面的性能表現(xiàn)良好，而且可以定期備份配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)并管理，保障數(shù)據(jù)安全；系統(tǒng)中間層部署Web服務(wù)器，主要存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行程序文件資源，是數(shù)據(jù)層與用戶層的銜接，當(dāng)中間層接收到用戶層的請(qǐng)求指令，對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行訪問與調(diào)用，同時(shí)將用戶層所需資源返回；用戶層由多個(gè)工作站構(gòu)成，主要為各級(jí)供電公司提供用戶界面，然后供電公司通過此界面進(jìn)行系統(tǒng)功能的訪問，出于安全性的考慮，用戶層不可以直接訪問底層數(shù)據(jù)庫(kù)，需要通過中間層實(shí)現(xiàn)。

2 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)后臺(tái)功能

數(shù)據(jù)后臺(tái)是所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，此功能可以為系統(tǒng)內(nèi)其他功能提供所需的各類數(shù)據(jù)[5]。目前，我國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)較為成熟，逐步實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的自動(dòng)化管理，然而數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)所獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳輸過程中受各類因素的干擾，導(dǎo)致存在大量零數(shù)據(jù)和短時(shí)間尖峰數(shù)據(jù)等，嚴(yán)重影響電能損耗計(jì)算以及降損功能的精度，因此本文在配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心功能中添加節(jié)點(diǎn)選擇算法，來增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。關(guān)于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，包含等距與不等距2種節(jié)點(diǎn)，為了保證選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以更好地呈現(xiàn)出原始數(shù)據(jù)曲線的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)曲線的斜率引導(dǎo)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，這樣可以保證選擇的數(shù)據(jù)變化較大的節(jié)點(diǎn)也可以較好地呈現(xiàn)出原始數(shù)據(jù)曲線。在利用曲線斜率選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)最大的困難就是如何獲取精準(zhǔn)的計(jì)算斜率，通過相應(yīng)的插值多項(xiàng)式來獲取斜率為

式中：Cn(k)表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)k的插值多項(xiàng)式；n表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量；zn表示插值多項(xiàng)式階數(shù)。將區(qū)段(ki,kj)內(nèi)的曲線斜率作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇的依據(jù)，那么配電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)允許的最大斜率為

將式（2）所獲得斜率作為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)，按節(jié)點(diǎn)順序進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，直至遍歷一遍配電網(wǎng)。該方法可以利用原始數(shù)據(jù)斜率變化來對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)稀疏的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平衡，保證數(shù)據(jù)后臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2.2 潮流計(jì)算功能

潮流計(jì)算功能是配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)運(yùn)行中最基本的計(jì)算模塊，利用潮流計(jì)算可以獲得配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)電壓，進(jìn)一步求得電能損耗值，作為降損輔助決策的數(shù)據(jù)支持[6]。配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的潮流計(jì)算主要包含離線和在線2種計(jì)算方式，一般情況下，離線潮流計(jì)算可以用于規(guī)劃配電網(wǎng)的運(yùn)行方式等，而在線潮流計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)在配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中添加的潮流計(jì)算，主要分2個(gè)步驟，一是構(gòu)建潮流計(jì)算數(shù)學(xué)模型，二是利用牛頓-拉夫遜法對(duì)模型進(jìn)行求解，從而獲得所需的電能損耗值。由于在實(shí)際的配電網(wǎng)中，一般在節(jié)點(diǎn)注入的不是電流數(shù)據(jù)，而是節(jié)點(diǎn)功率，因此，通過節(jié)點(diǎn)功率構(gòu)建潮流計(jì)算方程為

式中：qa、pa分別表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)a的有功功率與無(wú)功功率參數(shù)；ua、ub分別表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b的電壓參數(shù)；Dab表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b的導(dǎo)納矩陣。由式（3）可知，系統(tǒng)中引入的潮流計(jì)算屬于非線性方程式，而牛頓-拉夫遜法是求解非線性方程最有效的辦法，此方法可以將非線性的潮流計(jì)算方程式，轉(zhuǎn)換為線性方程式，進(jìn)而求解出精準(zhǔn)的電能損耗值。那么利用牛頓-拉夫遜法求解配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中潮流計(jì)算方程的步驟如下：首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Dab獲得各節(jié)點(diǎn)電壓的初始數(shù)據(jù)，將迭代次數(shù)設(shè)為0；其次利用電壓初始數(shù)據(jù)將潮流計(jì)算方程中不平衡的有功功率與無(wú)功功率進(jìn)行修正；再次對(duì)修正后的方程組進(jìn)行求解，從而獲得配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的修正數(shù)據(jù)；最后對(duì)修正的各節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行收斂性判斷，如果沒有收斂則再次進(jìn)行迭代，如果收斂成功，則計(jì)算出電能損耗數(shù)據(jù)。

2.3 考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的降損決策功能

降損輔助決策功能是系統(tǒng)關(guān)鍵功能，由于新能源并網(wǎng)的隨機(jī)性以及不可控性，導(dǎo)致配電網(wǎng)電能損耗嚴(yán)重，一般情況下，可以通過調(diào)峰進(jìn)行降損，然而單一的調(diào)峰方法無(wú)法滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計(jì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的配電網(wǎng)調(diào)峰策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降損輔助決策[7]。首先綜合考慮配電網(wǎng)供電的波動(dòng)性和隨機(jī)性，利用模糊C均值聚類法獲得配電網(wǎng)出力特性；其次對(duì)配電網(wǎng)調(diào)峰容量等特性進(jìn)行刻畫，從而得到最佳調(diào)峰能力；最后以配電網(wǎng)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為策略，實(shí)現(xiàn)降損輔助決策的最優(yōu)匹配。與單一調(diào)峰方法不同的是，源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)調(diào)峰方式綜合考慮了配電網(wǎng)各側(cè)資源的深度互動(dòng)能力，可以和配電網(wǎng)滲透率匹配出最佳平衡峰谷差的策略，以此實(shí)現(xiàn)降損。關(guān)于構(gòu)建配電網(wǎng)調(diào)峰資源耦合的數(shù)學(xué)模型，將配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)抽象為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，然后將電能損耗的各影響因素作為源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)樞紐的輸入，如調(diào)峰需求等，同時(shí)將配電網(wǎng)調(diào)峰資源類型作為源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)樞紐的輸出，那么源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)樞紐的輸入與輸出關(guān)系為

式中：T為配電網(wǎng)的調(diào)峰需求；H為調(diào)峰策略的耦合矩陣；Z=(Z1,Z2,Z3)為配電網(wǎng)調(diào)峰資源類型集合；μ1、μ2、μ3分別為各調(diào)峰資源類型的參與度系數(shù)值；分別表示各調(diào)峰資源類型容量的最小值與最大值；為第S臺(tái)調(diào)峰機(jī)組的資源容量參數(shù)；δ為用戶滿意度參數(shù)；PS、PS,max分別為配電網(wǎng)調(diào)度區(qū)間內(nèi)的負(fù)荷調(diào)峰功率以及功率最大值；Y為用戶滿意度的閾值，一般根據(jù)配電網(wǎng)用戶實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定。利用式（4）進(jìn)行配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)下的最優(yōu)調(diào)峰策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)降損輔助決策功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某380 V低壓臺(tái)區(qū)為算例，該臺(tái)區(qū)的配變?nèi)萘繛?00 kVA，適用于降損輔助決策系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。所選臺(tái)區(qū)為典型的三相四線制供電方式，配置2臺(tái)SCB13型號(hào)變壓器，電能表安裝在變壓器的低壓一側(cè)，因此本次系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)不考慮變壓器的損耗情況，獲取該臺(tái)區(qū)的典型日負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 低壓臺(tái)區(qū)典型日負(fù)荷曲線圖

由圖2可以看出，只有00:00～06:00時(shí)，所選臺(tái)區(qū)運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)，其他時(shí)間臺(tái)區(qū)負(fù)荷的實(shí)際負(fù)荷值均小于設(shè)計(jì)值，說明所選臺(tái)區(qū)存在嚴(yán)重電能損耗情況。利用本文所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)對(duì)該臺(tái)區(qū)的電能損耗進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行降損處理，同時(shí)采用傳統(tǒng)的基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降損方法與基于負(fù)荷實(shí)測(cè)的降損方法，分別對(duì)所選臺(tái)區(qū)進(jìn)行降損處理，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 典型日臺(tái)區(qū)電能損耗及降損結(jié)果

從表1結(jié)果可以看出，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降損方法可以降低電能損失率2.48個(gè)百分點(diǎn)，日降損為14 kW·h；基于負(fù)荷實(shí)測(cè)的降損方法可以降低電能損失率3.73個(gè)百分點(diǎn)，日降損為21 kW·h；本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以降低電能損失率4.97個(gè)百分點(diǎn)，日降損為28 kW·h，較傳統(tǒng)方法提升2.49、1.24個(gè)百分點(diǎn)。由此可以說明，本文所設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)具有更明顯的降損效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能良好，可以提升配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)社會(huì)用電量的大幅增加，電力企業(yè)逐漸加大對(duì)配電網(wǎng)節(jié)能降損的關(guān)注度。基于此，本文設(shè)計(jì)一個(gè)考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)。為了保證此系統(tǒng)具備一定實(shí)用性，在系統(tǒng)中添加了配電網(wǎng)電能損耗計(jì)算與降損功能模塊，并通過系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了此系統(tǒng)在配電網(wǎng)降損方面表現(xiàn)良好，有助于提升配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。在配電網(wǎng)電能損耗計(jì)算的研究過程中，發(fā)現(xiàn)電能損耗計(jì)算量較大，導(dǎo)致降損輔助決策系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間偏長(zhǎng)，今后需要進(jìn)一步完善此系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高效節(jié)能降損的目標(biāo)，為配電網(wǎng)的電能損耗管理提供技術(shù)支持。