基于gis和区间ftu的配电网网损计算方法.doc

基于基于 GIS 和区间和区间 FTU 的配电网网损计算方法的配电网网损计算方法1 引言作为配电自动化系统的高级分析功能之一的配电网网损计算，在配电网络规划和提高配电系统运行经济性等方面起着重要作用近年来，地理信息系统（GIS）已逐渐成为配电自动化系统中不可缺少的一部分，许多成熟的商用 GIS 平台不断涌现[1]网损计算中的拓扑分析是 GIS 平台成熟、可靠的基本功能之一充分而合理地利用拓扑分析功能将会大大提高系统的开发速度及运行可靠性，可以使其具有相当的可扩展性配电自动化实现的前提之一就是大量装设监控终端[2-5]当具有这些条件后，配电网网损计算及拓扑分析就可以从过去的以馈线为单位转变成以区间为单位来进行[6]，既提高了计算精度，又能加强对馈线区间内各类网损（如线路损耗、配变损耗以及管理损耗）的分析和管理能力但是，由于资金等方面的原因，很多配电系统只装设了馈线终端单元（FTU），而大量的配变终端单元（TTU）往往欠缺；而且监控终端的量测数据也有缺失因此，有必要改进原有的网损计算方法，使其具备解决这些问题的能力本文所述的配电网网损计算方法，就是基于上述成熟的实际条件以及所面临的问题而提出的，并且充分考虑了配电系统的现有技术和能力。

2 区间拓扑分析2.1 配电网馈线区间数学模型区间拓扑分析是本文方法的基础专用的数学模型又是拓扑分析的前提采用图的邻接矩阵表示法[7]描述配电网馈线区间的拓扑结构将区间内部的各个节点作为图的顶点，节点间的线段作为图的弧，以线路上潮流的方向作为弧的方向[8,9]；区间的首端节点（即区间潮流的流入节点）的固定编号为 0，其余节点编号无顺序要求在此基础上，就可以建立配电网馈线区间数学模型1）馈线区间的无向图描述模型把一个区间内的线段作为无向边，并采用 N 行 N 列的网基结构矩阵 A 加以描述N 为区间内的节点数A 矩阵元素定义规则如下：若节点 i 与 j 之间存段，则元素 Ai,j=1，否则 Ai,j=0A 描述了配电网馈线区间内部的潜在连接方式不论在 GIS 图上还是在数据库里，配电网中的每个设备（如开关、配变和线段等）都对应着一个唯一的标识符，即设备（ID）所以，为不失一般性和通用性，为了使矩阵 A 能够包含更多的信息，可将 2 个节点之间的线段 ID 作为 A 中的非 0元素值，即节点 i 与 j 之间如果存段，则元素 Ai,j 为该线段 ID，否则 Ai,j为 0图 1 为一典型的配电网馈线区间模型。

图中除首端节点外，其余节点可任意编号按照上述建立网基结构矩阵的方法，可建立区间的矩阵 A 显然，对于一实际的配电网馈线区间，其生成的矩阵 A 将是一稀疏矩阵，这样，就可以利用成熟的稀疏矩阵技术[10]对 A 做进一步处理，以提高算法的解算效率2）馈线区间的有向图描述模型由于网基结构矩阵 A 只描述区间内节点之间的无向关系，无法表明区间当前的运行方式，所以还需要建立区间内节点的有向描述模型把线段上潮流的方向作为节点间线段的方向沿着该方向，则称潮流的流出点是流入点的父节点反之，则称流入点是流出点的子节点由于配电网的结构是辐射状树型结构，所以1 个节点可能会有多个子节点，但仅有 1 个父节点这样，利用树的双亲表示法，可建立 N´1 的区间有向描述矩阵其规则为：如果节点 i 的父节点是 j，则由于区间首端节点在本区间内无父节点，则令其对应的元素值为-1显而易见，区间的有向描述矩阵 A-表明了区间当前的实际运行方式与网基结构矩阵 A 一样，有向描述矩阵中只包含结构信息，因此还应当有设备信息才能满足实际计算的要求这样，将 N´1 的矩阵扩展为 N´3 的矩阵'其元素涵义：存放父节点号，存放节点设备类型，存放节点设备 ID。

对于图 1 所示区间，可建立如下的区间有向描述矩阵'式中 SW 和 SWi 分别为开关类型和开关 ID 值；T 和 Ti 分别为变压器和变压器 ID 值；P 和 Pi 分别为其它类型和其 ID 值2.2 网损计算中专用数据结构的定义上述 2 个矩阵是为了获得拓扑分析的结果而建立的，其中存放的是拓扑数据要利用这些结果继续进行网损计算，还需要定义计算专用的数据结构，即节点属性数据结构节点属性数据结构中，主要包括节点注入电流、节点配变容量、配变短路及空载损耗功率、节点馈入支路电阻等节点属性数据其中大部分成员数据来自于数据库中的配变、开关和线段属性2.3 与 GIS 平台拓扑分析模块的结合商用 GIS 平台具有成熟的拓扑分析功能，通过空间数据库引擎（SDE）能够方便地实现空间数据与专题属性数据的统一管理利用节点拓扑和弧段拓扑可以很容易地得到诸如连通性、邻接性等拓扑对象间的空间关系同时，此类 GIS 平台通常会提供丰富的接口函数和强大的二次开发能力，以便用户能更灵活地使用其内部各模块，使用户专注于数据结构与功能的构造，而不必关心其内部实现方式这样可以大大加快软件的开发速度并提高其运行可靠性在明确本文第 2.1 和2.2 节所建立的数学模型及数据结构的前提下，对 GIS 平台拓扑分析功能的调用过程，也就是利用该功能构造前述区间网基结构矩阵和有向描述矩阵的过程，需要用到 GIS 平台提供的拓扑分析编程接口。

对 1 个区间的拓扑分析完成后，网损计算模块会利用构造好的矩阵，在该区间内进行一系列的运算，继而得到区间网损，最终累加得到馈线以及整个配电网的网损这样，在拓扑分析模块和网损计算模块各自独立的基础上，实现了二者在功能上的紧密结合2.4 对区间末梢开关 RTU 欠测的处理在 GIS 的拓扑分析模块中，1 条馈线上的各个区间是以各自的首端开关（首端系指区间潮流的流入端）作为标识和分隔点的，即本区间首端开关就是上 1 个区间的末梢开关由于在以区间为单位的网损计算中，需要用到开关处 RTU 的量测电流，但如果由于故障等原因无法提供该量测电流时，则认为此 RTU 处于“欠测”状态当本区间某一末梢开关欠测时，就要把该开关当作区间内“其它类型节点”加以处理，即在有向节点数组中将该开关对应的节点类型设定为“其它类型节点”，同时对以该开关为首端的区间继续进行搜索，这样就将本区间范围扩大到了以该“欠测”开关为首端的下 1 个相邻区间内3 区间网损计算方法3.1 方法的提出配电网是一庞杂的系统它具有数量巨大的节点、分支线和各种设备，而且很多设备不具备量测运行参数的条件，因此，要精确计算配电网的理论网损有相当大的难度。

在通常满足实际工程计算精度的前提下，一般采用平均电流法和等值电阻法进行计算具体可参见文[11]不同计算方法对数据的要求是不一样的平均电流法对各监控终端上传的实测数据具有较强的依赖性，如果装设不完全，则应用该方法就不再有效，这时可以采用等值电阻法然而，文[11]所述的等值电阻法其精度又较差，无法满足日益增长的网损分析和管理需求针对目前很多配电网只装设馈线 FTU，而缺乏大量的配变终端单元（TTU）的实际情况，本文提出了一种基于 GIS 拓扑分析和区间 FTU 的网损计算方法3.2 方法的描述Iim(i=0、3)为开关节点 RTU 日平均量测电流，Ii(i=1、2)为负荷支路电流，I1-2 为节点间支路电流，SiL(i=1、2)为负荷容量若要计算该区间网损，就必须得到图中所有电流值，但由于没有装设配变终端单元（TTU），因此 I1 与 I2 没有量测值，必须通过计算才能得到在配电线路电压降落不大的情况下，可以认为各支路电流的分布与支路负荷容量成正比因此可利用“线性网络的叠加原理”，从开关 0 的量测电流 I0m 中减去 I3m，然后根据 S1L 和 S2L 的大小按比例进行分配即从开关 3 逆着线路潮流方向回溯而上，将 I3m 重新加回到所有经过的支路电流中，可得 Imin、Imax 和 Iav 分别为区间首端日最小电流、日最大电流和日平均电流。

式中 It 为区间首端 FTU 日整点实测电流这样，就可以利用文[11]的公式，将区间的线路损耗、配变铜损和配变铁损求出，从而得到整个区间的日网损将 1 条馈线所有区间的日网损累加，即得该馈线的日网损上述求解过程中，在按负荷容量分流时，由于缺少 TTU，所以可以用配变容量代替实际负荷容量，这在二者相差不大的情况下是可行的应用上述方法的前提是，首先要得到区间拓扑分析的结果，即利用前述 GIS 拓扑分析功能完成对 2 个矩阵的构造此外，在计算过程中不必考虑开关的欠测问题，因为在拓扑分析过程中已经完成了对欠测开关的判断和处理，计算时只需将欠测开关作为非开关节点处理即可从这一点也可以看出拓扑分析模块与网损计算模块的相对独立性实际上，欠测的一种极端情况就是整条馈线只有出口处 FCB 上的 RTU 有量测值，其余开关均无量测值这时得到的馈线网损计算精度等同于文[11]中提出的等值电阻法的精度，其他非极端情况下的计算精度均要高于该方法的精度如果 TTU 装设完全，则计算精度将会得到进一步提高3.3 区间网损计算流程4 结束语本文针对很多配电系统只装设馈线 FTU，而欠缺配变终端单元（TTU）的情况，提出了一种基于 GIS 和区间 FTU 的网损计算方法。

该方法将常规的基于馈线的网损计算改进为按区间进行计算的网损算法，克服了 TTU 装设不完全的问题，提高了计算精度和速度，以及对各类网损的分析管理能力此外，该方法中用到的区间拓扑分析是基于 GIS 的，使拓扑分析和网损计算在代码级上进行了分离，各自具有相对的独立性，使程序结构更清晰，并具有对不完整量测数据的处理能力和一定的通用性该方法已成功地应用于山东省济宁市配电自动化实际测试表明该方法是可行的。