CN103138397A - 一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，包括由配电网设备运行工况实时采集终端实时采集数据和通过电网快速通信网络上传至配网调控主站的数据传输，主站根据收集实时监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算；配电网安全约束条件应包括配电网运行全景工况，配电线路转供能力；根据计算结果对配网运行方式进行实时控制；进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算包括：（1）网络拓朴；（2）状态估计；（3）潮流计算；（4）负荷预测；（5）负荷转供。本发明突破过负荷保护定值的限值，实现配电网动态增容，提高配电网负荷率，提升了配电网运行经济性。本发明适用于配电网动态增容。

Description

一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法

 技术领域    

 本发明涉及一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，属电力信息自动化技术领域。

背景技术    

一个省内大部分城市供电以居民用电为主，城市配电网峰谷差较大，为满足高峰期居民用电负荷的需要毕竟进行大规模电力基础设施建设，电网负荷率低，影响了电网运行的经济性。长期以来，配电线路载流量设计是在选定的气象条件（如环境温度40℃，风速0.5m/s，太阳辐射功率1000W/m²）和导线最高允许温度（70～90℃）下计算的线路载流量，这是线路的静态载流量，也称为静态热定额，它可在极端条件下保证导线强度和线路安全，但过于保守。变电站10kV馈线配置的过负荷保护的保护定值基于此数值计算过负荷保护定值进行配电网运行调度控制，降低了设备的利用率，影响了电网运行的经济性。应用物联网技术和高速通信方式直接采集电气设备实时运行状态量，根据监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算，根据计算结果实时判断配电网主设备实际运行工况，突破过负荷保护定值的限值，实现配电网动态增容，提高配电网负荷率，在不影响配电网运行可靠性基础上提升配电网运行经济性。

发明内容    

本发明的目的在于提供一种应用物联网技术和高速通信网络进行配电网设备运行状态实时监测，将采集到的实时监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算，根据计算结果进行配电运行调度控制，实现配电网动态增容的方法。

实现本发明的技术方案是，利用配电网设备运行工况采集终端实现对配电网主设备运行工况的实时监测，并将实时监测数据通过电力通信网传输至配电网调控主站，配电网调控主站根据主设备监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算，再根据计算结果对配电网运行调度控制方式进行控制。

本发明方法如下：

1、数据采集：由配电网设备运行工况实时采集终端实时采集配电线路的运行工况，采集到的信息主要是配电线路的实时温度，重点是接头等最容易发热的关键部位，同时也应包括电压、电流等电气量，作为配网调控主站在线计算的辅助参数。

2、数据传输：将配电网设备运行工况实时采集终端采集到的实时数据通过电网快速通信网络上传至配网调控主站。

3、主站在线计算：主站根据收集实时监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算。配电网安全约束条件应包括配电网运行全景工况，配电线路转供能力等，根据计算结果对配网运行方式进行实时控制。进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算包括：

（1）网络拓朴：根据实时数据库中的元件模型、连接关系以及开关的实时状态，确定配电网中各种设备的连接关系和带电状态。

（2）状态估计：应用估计算法来检测与剔除坏数据，提高数据精度，保持数据的一致性，实现配电网不良量测数据的辨识，并通过负荷估计及其他相容性分析方法进行一定的数据修复和补充。状态估计从不完整的DSCAFA数据和母线负荷预测数据，来获得完整的实时网络状态。

（3）潮流计算：潮流计算根据配电网络指定运行状态下的拓扑结构、变电站母线电压（即馈线出口电压）、负荷类设备的运行功率等数据，计算整个配电网络的节点电压，以及支路电流、功率分布。可采用牛顿-拉夫逊潮流计算方法、支路类配电网潮流计算方法进行潮流计算。

（4）负荷预测：针对6-20kV母线、区域配电网进行负荷预测，在对系统历史负荷数据、气象因素、节假日，以及特殊事件等信息分析的基础上，依据配网负荷变化规律，建立预测模型，选择适合策略预测未来系统负荷变化。

（5）负荷转供：当配网线路发生过负荷情况时，主站根据实际采集的状态量（线路潮流、线路温度、配变运行状态等）进行线路供电能力判断，当线路确实发生过负荷时，或者设定停电检修区间时，可能导致除事故区间或检修区间以外的区间停电，需要对这些区间进行负荷转移，使因此而导致的负荷损失最小及用户停电时间最少，此时需要使用负荷转移功能。负荷转供根据目标设备分析其影响负荷，并将受影响负荷安全转至新电源点，提出包括转供路径、转供容量在内的负荷转供操作方案。

4、配网运行方式进行实时控制：依据转供策略分析的结果，采用自动或人工介入的方式对负荷进行转移，实现消除越陷、减少停电时间等目标，形成的闭环控制。

本发明的有益效果是，本发明应用物联网技术和高速通信方式直接采集电气设备实时运行状态量，并根据监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算，再根据计算结果实时判断配电网主设备实际运行工况，突破过负荷保护定值的限值，实现配电网动态增容，提高配电网负荷率，在不影响配电网运行可靠性基础上提升配电网运行经济性。

本发明适用于配电网动态增容，特别适用于实施配电自动化区域配电网动态增容。

附图说明    

    图1为本发明配电网动态增容方式实现结构图。

具体实施方式   

下面对本发明作进一步详细说明。

1、数据采集

配电网设备运行工况实时采集终端实时采集配电线路的运行工况，采集到的信息主要是配电线路的实时温度，重点是接头等最容易发热的关键部位，同时也应包括电压电流等电气量，作为配网调控主站在线计算的辅助参数。除了配电线路外，配电网设备运行工况实时采集终端还应对配电网其他主设备，如配电变压器运行工况进行采集，运行工况主要是配变实时负荷，实时油温、油色谱及实时局放等。终端应满足以下要求：

1）         终端应采用模块化、可扩展、低功耗的产品，具有高可靠性和适应性；

2）         结构形式应满足现场安装的规范性和安全性要求；

3）         终端电源采用系统供电和蓄电池（或者超级电容）相结合的供电模式；

4）         终端应具有明显的装置运行、通讯、遥信等状态指示；

5）         终端与外部装置接线宜采用航空插头形式。

2、数据传输

配电网设备运行工况实时采集终端采集到的实时数据通过电网快速通信网络上传至配网调控主站。数据通信规约应遵循DL/T 634.5101-2002、DL/T634.5104-2002协议。

3、主站在线计算

主站收集实时监测进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算。配电网安全约束条件应包括配电网运行全景工况，配电线路转供能力等，根据计算结果对配网运行方式进行实时控制。主站在线计算速度必须满足一定要求，确保配网实时控制需要。

进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算包括：

1）网络拓扑

网络拓扑根据实时数据库中的元件模型、连接关系以及开关的实时状态，确定配电网中各种设备的连接关系和带电状态，还可用来检测网络是否出现闭环现象，并根据其运行状态进行动态着色，将结果以醒目的颜色显示在系统联络图和接线图上。根据电网连接关系和设备的运行状态进行动态分析，分析结果可以应用于配电监控、安全约束等，也可针对复杂的配电网络模型形成状态估计、潮流计算使用的计算模型。

2）状态估计

状态估计利用实时量测的冗余性，应用估计算法来检测与剔除坏数据，提高数据精度，保持数据的一致性，实现配电网不良量测数据的辨识，并通过负荷估计及其他相容性分析方法进行一定的数据修复和补充。

状态估计从不完整的DSCAFA数据和母线负荷预测数据，来获得完整的实时网络状态。它是网络分析类推之源。状态估计分两大部分：一是主配网的估计，有实时量测量，属一般状态估计模型；二是沿馈线的潮流分量，无实时量测量，即在已知馈线始端功率和电压（估计值）的条件下，利用母线负荷预测模型，将其分配到各负荷点用于测量计算。

3）潮流计算

潮流计算根据配电网络指定运行状态下的拓扑结构、变电站母线电压（即馈线出口电压）、负荷类设备的运行功率等数据，计算整个配电网络的节点电压，以及支路电流、功率分布。

对于配电自动化覆盖区域由于实时数据采集较全，可进行精确潮流计算；对于自动化尚未覆盖或未完全覆盖区域，可利用用电信息采集、负荷管理系统的准实时数据，利用状态估计尽量补全数据，进行潮流估算。目前广泛应用的潮流计算方法主要有牛顿-拉夫逊潮流计算方法、支路类配电网潮流计算方法等。

4）负荷预测

配电网负荷预测主要针对6-20kV母线、区域配电网进行负荷预测，在对系统历史负荷数据、气象因素、节假日，以及特殊事件等信息分析的基础上，挖掘配网负荷变化规律，建立预测模型，选择适合策略预测未来系统负荷变化。由于配电网实际测量量太少，所以负荷预报对配电网运行有重要意义。

负荷预报软件根据周期分为超短期负荷预报和短期负荷预报。超短期负荷预报一般用于预测未来1-2小时系统负荷，短期负荷预报一般用来预测未来1天-1周（节假日可以提前更多时间进行）的系统负荷。

 5）线路实时过载能力计算及负荷转供

算法的核心是结合线路潮流、线路负荷预测、线路温度及配变运行状态进行线路实时过载能力计算。

线路实时过载能力计算以IEEE 738-2006标准中导线温度和载流量计算方法中动态热稳定方程为基础:

         (1)

       (2)

式中  I----导线电流，A；

---导线温度，℃；

---温度

时导线每千米的交流电阻，Ω/km；

----对流热损失，W/m；

----辐射热损失，W/m；

----太阳热增量（其计算公式中太阳辐射根据线路所在地理位置的经纬度确定，而不需要实际测量值），W/m；

---导线的总热容量，J/m℃。

为实现此算法的实用化，还应计及电网安全约束条件，我们对上述算法进行以下修正。

1）对

值的修正

如果线路测温点是离散点，则每条线路的导线温度

取所有实时温度测量值中的最大值，即：

                ,                      (3)

……

为每条线路所有监测点所测得的实时温度；

如果线路采用光纤测温技术等测全导线温度，则导线温度应该去全线温度的最大值，即：

=

,                          (4)

2） 计及线路主变的运行极限

为保证电网安全，计算应加入线路所带主变在线监测值作为约束条件，分别是顶层油温和油色谱监测数值，分别为：

                      

℃                （5）

……

为线路所装配电变压器实时顶层油温。

油色谱监测值中气体含量应满足以下条件：

                   总烃≤150μL/L；               （6）

                     乙炔≤5μL/L；                （7）

                      氢气≤150μL/L；             （8）

油色谱监测值中产气率（mL/d）应满足以下条件：

配变采用开放式油枕时：

           总烃≤6 mL/d；            （9）

乙炔≤0.1 mL/d；            （10）

氢气≤5 mL/d；              （11）

一氧化碳≤50 mL/d；             （12）

二氧化碳≤100 mL/d.             （13）

配变采用隔膜式式油枕时：

           总烃≤12 mL/d；           （14）

乙炔≤0.2 mL/d；            （15）

氢气≤10 mL/d；             （16）

一氧化碳≤100 mL/d；            （17）

二氧化碳≤200 mL/d.             （18）

当配网线路发生过负荷情况时，主站根据实际采集的状态量（线路潮流、线路温度、配变运行状态等）进行线路供电能力判断，当线路确实发生过负荷时，或者设定停电检修区间时，可能导致除事故区间或检修区间以外的区间停电，需要对这些区间进行负荷转移，使因此而导致的负荷损失最小及用户停电时间最少，此时需要使用负荷转移功能。负荷转供根据目标设备分析其影响负荷，并将受影响负荷安全转至新电源点，提出包括转供路径、转供容量在内的负荷转供操作方案。

负荷转供主要包括：

负荷信息统计；

目标设备设置，包括检修设备、越限设备或停电设备； 

负荷信息统计，分析目标设备影响到的负荷及负荷设备基本信息。 

转供策略分析；

在进行转供电操作前，转供路径搜索，采用拓扑分析的方法，搜索得到所有合理的负荷转供路径，系统可以提供优化过的多种转供电策略供操作人员选择。提供的转供电策略必须能避免转供电导致其他线路的过负荷，在具备多个可选转供电源的情况下，能根据各个电源点的负载能力选择优化转供电策略。每个转供电策略都要进行相应校验。

制定的转供策略可以对应于开关的操作，可以产生开关操作顺序指示，并能在开关操作的每一步，对操作进行快速潮流安全性校验，结合拓扑分析和潮流计算的结果，对转供负荷容量以及转供路径的可转供容量进行分析。

在拟定转供路径时，需要预测负荷转移后短时间内设备、配电线、主变是否会发生过负荷，进而对转供路径进行优化调整。

负荷转移功能根据电网的实时拓扑关系，检索相连的线路，作为预备转供源。并对预备转供源的状态进行合格性检查，包括：

检查该线路是否发生故障；

检查该线路是否过负荷；

检查是否有该线路的操作权限；

检查该线路是否发生环网；

转供策略模拟；

根据负荷专供分析的结果，各种方案可在图形上预演；

支持模拟条件下的方案生成及展示； 

模拟运行方式设置； 

转乙方案报告； 

转供过程展示； 

转供策略执行。

4、配网运行方式进行实时控制

依据转供策略分析的结果，采用自动或人工介入的方式对负荷进行转移，实现消除越陷、减少停电时间等目标，形成闭环控制。

系统自动计算转移的形态，确定哪个停电区间由哪个合格的转供源供电，并使停电范围最小。在分析转供路径的过程中，优先考虑自动开关，其次是手动开关；对于自动开关，又详细考察自动开关当前的挂牌状态，如操作禁止、故障挂牌、检修挂牌、接地挂牌、告警挂牌等，从中优先选用可控的自动开关，其次是有告警挂牌的自动开关，对于挂有故障、检修、接地、操作禁止牌的自动开关是不选用的。

如果某一开关比较陈旧，无法保证遥控成功率，不参与自动负荷转移时，可以给该开关挂告警牌；系统会尽可能避免使用该开关。如果以遥控方式执行负荷转移操作票的过程中，出现开关拒动时，自动负荷转移自动停止；此时用户给该开关挂上故障牌，人工点击“自动编制”按钮，系统能根据当前开关情况，自动编辑出另一套负荷转移方案。

开关操作的校验，不光应该支持正向部分各步骤的校验，也应该支持对开关操作反向部分各步骤的校验。

Claims (5)

1.一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，包括由配电网设备运行工况实时采集终端实时采集数据和通过电网快速通信网络上传至配网调控主站的数据传输，其特征在于，主站根据收集实时监测数据进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算；配电网安全约束条件应包括配电网运行全景工况，配电线路转供能力；根据计算结果对配网运行方式进行实时控制；进行计及配电网安全约束的电力设备热稳定限值在线分析计算包括：

（1）网络拓朴：根据实时数据库中的元件模型、连接关系以及开关的实时状态，确定配电网中各种设备的连接关系和带电状态；

（2）状态估计：应用估计算法来检测与剔除坏数据，提高数据精度，保持数据的一致性，实现配电网不良量测数据的辨识，并通过负荷估计及其他相容性分析方法进行一定的数据修复和补充；状态估计从不完整的DSCAFA数据和母线负荷预测数据，来获得完整的实时网络状态；

（3）潮流计算：潮流计算根据配电网络指定运行状态下的拓扑结构、变电站母线电压（即馈线出口电压）、负荷类设备的运行功率等数据，计算整个配电网络的节点电压，以及支路电流、功率分布；

（4）负荷预测：针对6-20kV母线、区域配电网进行负荷预测，在对系统历史负荷数据、气象因素、节假日，以及特殊事件等信息分析的基础上，挖掘配网负荷变化规律，建立预测模型，选择适合策略预测未来系统负荷变化；

（5）负荷转供：当配网线路发生过负荷情况时，主站根据实际采集的状态量进行线路供电能力判断，计算结合线路潮流、线路负荷预测、线路温度及配变运行状态进行线路实时过载能力计算；

线路实时过载能力计算以IEEE 738-2006标准中导线温度和载流量计算方法中动态热稳定方程为基础并对其中参数进行修正，加入计及电网安全的约束条件；

动态热稳定方程为：

 ；        (1)

  ；     (2)

式中，I为导线电流；

为导线温度；

为温度

时导线每千米的交流电阻；

为对流热损失；

为辐射热损失；

为太阳热增量；

为导线的总热容量；

导线温度修正值：

；                      (3)

=

,                            (4)

……

为每条线路所有监测点所测得的实时温度；

线路配变顶层油温约束：

℃                     （5）

线路配变油气体含量应满足以下约束：

     总烃≤150μL/L；                 （6）

     乙炔≤5μL/L；                   （7）

氢气≤150μL/L；                 （8）

油色谱监测值中产气率（mL/d）应满足以下约束：

配变采用开放式油枕时：

总烃≤6 mL/d；                （9）

乙炔≤0.1 mL/d；              （10）

氢气≤5 mL/d；                （11）

一氧化碳≤50 mL/d；           （12）

二氧化碳≤100 mL/d.           （13）

配变采用隔膜式式油枕时：

 总烃≤12 mL/d；              （14）

乙炔≤0.2mL/d；               （15）

氢气≤10 mL/d；               （16）

一氧化碳≤100 mL/d；          （17）

二氧化碳≤200 mL/d.           （18）

当线路确实发生过负荷时，或者设定停电检修区间时，可能导致除事故区间或检修区间以外的区间停电，需要对这些区间进行负荷转移，使因此而导致的负荷损失最小及用户停电时间最少，此时需要使用负荷转移功能；负荷转供根据目标设备分析其影响负荷，并将受影响负荷安全转至新电源点，提出包括转供路径、转供容量在内的负荷转供操作方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，其特征在于，所述根据计算结果对配网运行方式进行实时控制，是依据转供策略分析的结果，采用自动或人工介入的方式对负荷进行转移，实现消除越陷、减少停电时间等目标，形成的闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，其特征在于，以IEEE 738-2006标准中导线温度和载流量计算方法中动态热稳定方程为基础，根据物联网实测数据对动态热稳定方程进行修正并作为电网安全约束条件，修正后得出的导线温度和载流量作为配电系统运行调度和控制依据。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，其特征在于，所述负荷转供中主站根据实际采集的状态量包括线路潮流、线路温度、配变运行状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的配网线路动态增容方法，其特征在于，所述状态估计分两大部分：一是主配网的估计，有实时量测量，属一般状态估计模型；二是沿馈线的潮流分量，无实时量测量，即在已知馈线始端功率和电压的条件下，利用母线负荷预测模型，将其分配到各负荷点用于测量计算。

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