CN110940872A - 通过hplc采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法 - Google Patents

Abstract

通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，属供电领域。其在住宅楼低压配电系统中，通过HPLC系统采集每一用户受电点处的相电压、相电流、电量，以及楼层采集器处的相电压、相电流、电量；并采集配变0.4kV出线处的电压、电流、电量数据；通过所采集的数据，进行用户相位辨识及同层用户间串接关系识别；对用户的楼层线参数进行识别；通过上述分析，进而实现台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析。其能够可信地进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析，为实现低压配电系统技术线损和管理线损分离、掌握线损的主要发生环节提供有效技术支撑。可广泛用于供电系统的运行管理领域。

Description

通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析 的方法

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种用于对住宅楼低压配电系统的结构和参数进行测量或分析的方法。

背景技术

在电力网传输分配过程中产生的有功功率损失和电能损失统称为线路损失。

线损的种类通常可分为统计线损，理论线损，管理线损，经济线损和定额线损等5类。

低压配电网是线损高发环节，我国电网低压配电网线损电量占整个电力网损耗的比例已达40％左右。

然而，在目前的线损精细化管理平台下，只能通过供售电量比对得到低压台区线损统计值。各个楼宇内部的低压接线方式不明确，楼内配电系统接线方式难以获取，在电力营销管理管理系统中只有小区低压配网接线图，无法进行线损精细化管理，因此对低压配电系统的结构和参数进行分析具有理论和现实意义。

目前，电力线高速载波(high-speed power line carrier，HPLC)用电信息采集技术日趋成熟。通过HPLC和智能电表，可及时上报停电时间，回传低压用户计量点每5min的电压、电流和电量，对低压用户实施台区识别和相位识别。这些功能为掌握低压配网拓扑结构、进而准确分析低压台区线损、开展低压台区线损治理提供了新的条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法。其能识别包括用户相位、串接关系和楼层线参数在内的楼内配电系统的结构，具有良好的准确性，对推进低压配网线损精细化管理、促进低压台区降损节能具有现实意义。

本发明的技术方案是：提供一种通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，包括，其特征是：

1)在住宅楼低压配电系统中，通过HPLC系统采集每一用户受电点处的相电压、相电流、电量，以及楼层采集器处的相电压、相电流、电量；并采集配变0.4kV出线处的电压、电流、电量数据；

2)通过所采集的数据，进行用户相位辨识及同层用户间串接关系识别；

3)对用户的楼层线参数进行识别；

4)通过上述分析，进而实现台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析。

具体的，所述的用户相位辨识及同层用户间串接关系识别包括：

第一步：计算第f层所有用户相电压与楼层采集器各相电压的相关系数；

第二步：对每一属于第f层的用户，找出电压相关系数最大的那相作为其所属相；

第三步：根据上一步结果，将同属于第f层s相(s∈{A,B,C})的用户按其与采集器采集的同相电压相关系数

由大到小排序，相关系数较大的离采集器最近，由此确定同层同相用户间的串接关系；

第四步：对所有楼层f重复步骤1～3，即可确定各相接线方式，包括各用户所属相位和用户间串接关系。

具体的，所述对用户的楼层线参数进行识别包括：楼层采集器间线段的长度；楼层采集器间线段的阻抗。

进一步的，所述的楼层线参数识别的流程如下：

第一步：获取各时段楼层线上输送的电流值。某一段楼层线上输送的电流等于其下游所有用户该段时间内送电电流之和；

第二步：搜集楼层采集器处采集的各时段各相电压，并求取电压损失；

第三步：对两个楼层间的楼层线，构建如下最小化问题，通过求解该问题拟合出门洞内各楼层间楼层线的阻抗

具体的，所述的方法为台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析提供了可能，进而丰富了分析低压台区技术降损途径的手段。

更进一步的，所述的低压台区技术降损途径具体包括：

(1)三相不平衡的门洞的定位；

(2)负荷不平衡的线路定位；

(3)供电半径是否符合规范的判定；

(4)线型合理性分析。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1、本发明技术方案的实施。可利用量测数据实现对低压配网接线方式和线路参数的分析，进而为台区技术损耗计算提供基础。

2、本发明技术方案基于台区结构和参数层析结果，可实现低压台区中逐线、逐相技术线损分析，以及技术线损和管理线损的分离，找到低压台区线损高发环节，从而更有效地治理线损，快速降低低压台区线损。

3、对基于用户侧电压、电流、功率、功率因数(有功与U、I乘积之比)的时间序列分析，构建基于电气量时间序列水平迁移判定的窃电可疑用户搜索新方法，提高反窃电的时效性，同时还能估测窃电类型。

4、基于线路长度、逐线逐相线损分析结果，可进一步对低压供电半径、门洞三相负荷平衡度等配网建设和运行指标进行分析，将原先仅适用于中、高压配网的降损手段推广应用到低压配网，促进低压配网降损节能。

附图说明

图1是住宅楼典型接线方式示意图；

图2是实施例小区的小区层电气接线示意图；

图3是实施例小区层线路参数分析结果示意图；

图4是实施例小区层计算线损与实测线损比对结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

在以往集抄环境下，通过供售电量比对只能获得低压台区线损统计值，无法细分出其中的技术线损和管理线损，更无法对技术线损的发生环节进行细分。

HPLC采集环境下可运用本发明技术方案所述的方法，层析出低压配网拓扑结果和线路参数，这为根据负荷数据计算技术线损提供了可能；通过从线损统计值中扣除技术线损计算值，可进一步获知台区管理线损；此外，在进行技术线损分析时还可明确逐线逐相损耗，为低压台区线损精细化管理提供依据。

1、住宅楼典型低压配电系统结构和HPLC采集数据

1.1、住宅楼典型的低压配电系统结构：

住宅楼低压配电系统结构包括了自单元低压配电间/单元配电箱至用户电表的环节。对单元式高层住宅，通常在单元地下室设置小型低压配电间，分单元双电源供电，配电间内安放数台低压配电及计量柜，以放射式、树干式或分区树干式向各楼层馈电。对多层住宅或别墅，通常在楼前适当位置设置落地式风雨箱或在单元首层入口处设置落地式进线箱作为中间配电点，以放射式向各栋楼或各层楼供电。每单元通常均提供三相电源，以利于三相负荷平衡。

单元配电大体有两种形式：第一种，单元配电箱内设单元总开关、分支开关及各分户计量电表，由单元配电箱到各户配电箱用放射式布线；第二种，单元配电箱内设单元总开关，由单元配电箱到楼层配电箱采用树干式布线，在层配电箱内设有该层住户用计量表及配电开关，由层配电箱到各住户采用放射式配电。随着居民用电规模的增大，目前后一种接线方式更为普遍，故本技术方案后续对此种接线方式开展研究，其典型接线方式如图1。

1.2、HPLC采集系统架构和采集数据：

对于用电信息采集系统，HPLC通信网络一般会形成以CCO为中心、以PCO(智能电表/Ⅰ型采集器通信单元、宽带载波Ⅱ型采集器)为中继代理，连接所有STA(智能电表/Ⅰ型采集器通信单元、宽带载波Ⅱ型采集器)多级关联的树形网络。

在住宅楼低压配电系统中，HPLC采集每一用户受电点处的相电压、相电流、电量，以及楼层采集器处的相电压、相电流、电量，其中楼层电量是该层各相用户受电量的加总，此外HPLC还能够采集配变0.4kV出线处的电压、电流、电量数据。

2、楼内低压配电系统结构分析方法：

用户多数居民用户采用单相供电，楼内配电网络结构分析包括分相低压配电线路接线方式识别和各相配电线路参数识别两方面的问题。

楼内分相接线方式识别的核心问题是确定各用户所属相位。

本发明的技术方案提出的相位识别方法是一种基于用户侧电压、电流、电量测量信号的数据分析方法，其结果可作为物理方法识别结果的补充；同时，该方法又不局限于物理识别方法，因为目前发送电力线载波信号的物理识别方法只给出各用户的相位，而不确定用户间接线的前后顺序关系，而本技术方案提出的方法在给出相位识别结果的同时还能确定同相用户间的串接关系。

2.1、相位识别方法：

在每一层中，同相用户属于串接关系，下游用户负载变化会导致其本身以及所有同相上、下游用户电压的同向变化。因此，同层同相用户电压波动的相关性明显高于非同相用户，而且两个计量点电气距离越近，其电压相关性越大。根据上述原理，记门洞内第f层采集器采集的t时刻s相电压为

记同时刻该层中第i个用户计量装置量得的相电压为U_f,i(t)，则用户相位辨识及同层用户间串接关系识别的流程为：

第一步：计算第f层所有用户相电压与楼层采集器各相电压的相关系数，记第f层第i个用户与该层采集器采得的s相电压的相关系数为γ_f,s-i。

第二步：对每一属于第f层的用户，找出电压相关系数最大的那相作为其所属相，即取第f层第i个用户的相位

s_f,i＝argmax{γ_f,s-i；s∈{A,B,C}}

第三步：根据上一步结果，将同属于第f层s相(s∈{A,B,C})的用户按其与采集器采集的同相电压相关系数

由大到小排序，相关系数较大的离采集器最近，由此确定同层同相用户间的串接关系。

第四步：对所有楼层f重复步骤1～3，即可确定各相接线方式(包括各用户所属相位和用户间串接关系)。

以下记第f层s相(s∈{A,B,C})的用户集为Ω_f,s。

2.2、楼层线参数识别方法：

鉴于同层用户计量装置放置于同一表箱中，距离很近，忽略这部分线路的距离和损耗。故而，楼层线参数识别的内容包括：

①楼层采集器间线段的长度；

②楼层采集器间线段的阻抗。

鉴于同层用户计量装置放置于同一表箱中，距离很近，忽略这部分线路的距离和损耗。故而，楼层线参数识别的内容包括：①楼层采集器间线段的长度；②楼层采集器间线段的阻抗。

设门洞内有F层，其中第f至第f+1层的楼层线长度记为

(f＝1,…,f-1)，对应的电阻为

电抗为

记时段t采集的第f层采集器处的s相(s∈{A,B,C})电压为

记时段t第f至第f+1层的s相(s∈{A,B,C})楼层线上输送的电量为

则楼层线参数识别的流程如下：

第一步：获取各时段楼层线上输送的电流值。某一段楼层线上输送的电流等于其下游所有用户该段时间内送电电流之和，即

上式中，

为第k层采集器量得的t时刻s相电流，它等于该时刻该层该相所有用户受电电流之和。

第二步：搜集楼层采集器处采集的各时段各相电压，并求取电压损失。其中第f至第f+1层s相楼层线上的电压损失：

根据上式中的第二个等式，理论上用一个时刻的电压、电流值就能求出楼层线的阻抗。但鉴于电压、电流计量值可能存在误差，故而采用下一步的拟合方法得到楼层线的阻抗。

第三步：对两个楼层间的楼层线，构建如下最小化问题，通过求解该问题拟合出门洞内各楼层间楼层线的阻抗

传统采集环境下，可对低压台区分析出三相不平衡度，但不知如何入手来平衡三相负荷；同时，由于无法获知各条线路上的电流和损耗，也缺乏其他可以分析台区技术降损措施的方法。

HPLC采集环境为台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析提供了可能，进而丰富了分析低压台区技术降损途径的手段，具体包括：

(4)三相不平衡的门洞的定位：可对每一门洞的三相不平衡度实施评估，定位需要实施三相不平衡治理的门洞。对这些门洞，可通过用户相位调整，优化三相负荷平衡度。

(5)负荷不平衡的线路定位：从小区配变引出的线路之间应尽可能做到负载率均衡，避免部分线路重载而另一部分线路轻载。为此，可对台变出线负载率实施负载率平衡度评估，找出线间负荷不平衡的台区。对于建成的台区，线间负荷割接难度较高，但评估结果可作为工程质量的评估依据和作为后续类似小区布线工程的参考。

(6)供电半径是否符合规范的判定：《某市电网若干技术原则的规定》中对低压供电半径有≤150m的规定，但传统采集环境下并无法对低压供电半径做实测分析。根据前述的小区配网层析结果，已获得小区层和楼内层线段长度，从而可对小区最大供电半径做计算分析，进而判断是否满足技术原则的规定。供电半径不合理主要由小区变电站定址不合理和布线不合理所致，对已建成的小区，缩短供电半径不大可行，但评估结果同样可作为工程质量的评估依据和作为后续类似小区布线工程的参考。

(7)线型合理性分析：考察小区配电线路和楼内配电线路中是否有常年重载、轻载线路，若更换其他线型有助于降损，则说明该台区存在线型不合理问题。

A、门洞相间负荷不平衡度分析：

门洞相间负荷不平衡度可用门洞口三相电流不平衡度来衡量，对第k个门洞口，三相电流不平衡度计算公式为：

式中的

与

分别是t时刻第k个门洞口三相中最大、最小的相电流，即

其中

与

为t时刻第k个门洞内第

相各用户的电流之和。

电力系统的相关规程规定，干线及主要支线三相负荷不平衡度不得超过20％，由于门洞三相平衡直接影响干线及各支线的三相平衡，因此将此判定标准推广至门洞，若门洞三相电流不平衡度大于20％，判定为不合理，即将三相负荷平衡作为相应门洞、相应台区的一相需考虑的技术降损措施。

若定义

相电流不平衡度

其中：I_φ为各相电流，φ＝{A,B,C}；I_av为三相平均电流。则考虑三相负荷不平衡情况下的功率损耗计算公式为

低压电网中中性线横截面与相线路相同，即有R₀＝R，故而上式可以化简为

从上式可见，三相负荷平衡时β_A＝β_B＝β_C＝0，此时线路损耗ΔP最小，为

三相负荷不平衡度增大时线路损耗会增加，不平衡度越大则线路损耗越大。同时可得三相负荷不平衡情况下的线损修正系数

利用上式可以评估矫正三相负荷不平衡问题后各门洞、进而台区线损的下降值。

B、线间负荷不平衡度分析：

配变出线的负荷应尽可能平衡，避免有些线路重载、有些线路轻载。不过，考虑到小区门洞布置，线路间负荷平衡只能在邻近布线间考虑。为此，定义小区配网线间负荷不平衡度为小区配电系统中邻线间在一定时段内最大、最小功率百分比偏差的最大值，即

式中：Θ为小区内邻近线路集；

与

分别是第σ组邻近线路t时刻在变压器出口处的传输功率的最大值和最小值。其中，变压器出线传输功率可在已知门洞第一层采集器处供电量的情况下，通过末端功率加上线路损耗的方法逐级倒推得到。

由于线间负荷平衡度与用户在小区中的分布情况，以及各门洞内用户用电习惯有关，故而线间负荷平衡度只能在低压台区线损不合理原因分析时用作参考，难以进一步通过线路间负荷割接实现线间负荷平衡。

C、供电半径合理性分析：

供电半径通常指变电站到其供电的最远负荷点之间的直线距离，但低压供电半径一般指电源点到其供电的最远负荷之间的线路长度、而非空间距离。

根据第二章求取的小区层线段长度，可对小区最大供电半径做计算分析。为此需要先计算出小区配变至各门洞的线路长度(以下称为一条通路)，其最大值便是小区最大供电半径。根据前述计算的小区层各线段的线长，构建配电线路线长向量L^XQ，即

式中，l_i表示以第i个节点作为尾节点的线段线长，其中l₁＝0。根据前述构建的下游节点标识矩阵Γ，可进一步计算出各节点供电半径向量

如下：

在节点供电半径向量中，

代表第i个节点距离配变出口的线路总长，当i为门洞节点时

即为一条通路的长度。

接着计算各门洞内楼层线线长之和。记门洞楼层线最大长度向量为：

式中

代表第i个节点所对应门洞的楼层线最大长度，若第i个节点不对应门洞，则

否则按如下公式计算：

式中

为第i个节点所对应门洞的f层至f+1层楼层线线长。

最后求取小区最大供电半径，即：

根据技术原则，低压供电半径应不超过150m，故判断

是否超过150m，若超过，则说明该小区线长不合理。

低压供电半径不合理本质上反映配变选址不合理。

D、线路选型的合理性分析：

首先逐线逐相计算楼层线的全年负载率，对于s相楼层线在f层与f+1层之间线段的全年负载率，计算公式如下

式中，设全年共有D天，每天共有T个时间段的数据，

为第f至第f+1层楼层线的安全载流量，

为第d天t时段第f至第f+1层的s相(s∈{A,B,C})楼层线上输送的电流。

第二步逐线逐相计算小区层配电线路的全年负载率，对于s相配电线路第i个线段的全年负载率，计算公式如下

式中，

为配电线路第i个线段的安全载流量，

为第i个线段s相(s∈{A,B,C})上输送的电流。

由于辐射型、非典型接线负载率超过80％为重载，逐线逐相判断楼内层楼层线与小区层配电线路的全年负载率是否高于80％，若有高于80％的线段则代表此线段的线路选型不合理。

一般而言，导线的横截面与其载流量成正比，而导线横截面又与其电阻成反比。因此，若有线路被判定为重载，将其替换为载流量更高的线路可以降低线损。设原线路载流量为

一段时间内的线损为E^old，更换后线路载流量为

则在电流不变的情况下，更换线路的降损潜力可近似计算为

实施例：

小区选为工农三村，该小区由工农三村二号变供电，包括一号配变、二号配变两台变压器。

2018年6月4日14:45～22:42期间，某公司对该小区实施了HPLC系统测试，每一计量点以5min为间隔的数据点有96个。该小区为地埋电缆与架空线混合结构，小区包括多层建筑11栋(6层)，高层建筑1栋(18层)以及平房一间。

采用本发明所述方法对工农三村二号站_一号配变台区下10个门洞实施相位识别和楼层线阻抗值分析。以其中20号门洞为例，相位识别结果如表1所示，楼层线阻抗分析结果如表2所示。

在分析时，将96个时段的数据拆分为两组，64组数据用于楼层线阻抗拟合分析，剩下32组数据用于准确性检验。

表1 20号门洞相位识别结果

表2一号配变台区楼层线阻抗分析结果

进一步的，以工农三村二号站_一号配变台区为例，实施了小区层线路参数层析的试点分析。

该台区小区层线路的电气接线图如图2所示。图中三角形对应门洞编号，图中对各节点和线路进行了编号。可见该台区小区层共有16个节点、15条线段。

为检验分析结果的准确性，在采用本技术方案所述的方法实施小区层线路参数分析时，从96个数据点中选用64个时段的数据用于线路参数分析，留32个时段的数据用于结果准确性检验。小区层各线段参数分析结果如图3中所示。

检验准确性的方法是对用于检验的32个时段，根据这些时段的门洞负荷数据及小区层拓扑结果、线路参数分析结果计算小区层线损，将线损计算结果与相应时段实际线损比对(如图4中所示)。经统计后发现，线损计算值相对于实际值的绝对百分比误差平均仅为0.01％。这说明小区层线路参数分析结果准确。

进一步的，根据获得的小区层、楼内层接线方式和线路参数，实施试点台区逐线逐相技术线损计算，进而从实测线损中减去技术线损而获得管理线损。

以工农三村二号站_一号配变台区为例，对各门洞楼层线在测试阶段逐时段的线损实施逐时、逐线、逐相计算，对逐线、逐相在测试阶段的线损加总；从而得到小区层中各线段上发生的逐线、逐相损耗(对测试时段加总后的)。进而，将测试时段该台区线损统计值加总，并从统计值中扣除计算所得的门洞技术损耗和小区技术损耗，最终得到了台区在测试阶段的管理损耗。

本发明的技术方案，可将HPLC用电信息采集技术应用于低压线损治理，其优点主要包括：

(1)可利用量测数据实现对低压配网接线方式和线路参数的分析，进而为台区技术损耗计算提供基础。

(2)基于台区结构和参数层析结果，可实现低压台区中逐线、逐相技术线损分析，以及技术线损和管理线损的分离，找到低压台区线损高发环节，从而更有效地治理线损，快速降低低压台区线损。

(3)对基于用户侧电压、电流、功率、功率因数(有功与U、I乘积之比)的时间序列分析，构建基于电气量时间序列水平迁移判定的窃电可疑用户搜索新方法，提高反窃电的时效性，同时还能估测窃电类型。

(4)基于线路长度、逐线逐相线损分析结果，可进一步对低压供电半径、门洞三相负荷平衡度等配网建设和运行指标进行测算分析，将原先仅适用于中、高压配网的降损手段推广应用到低压配网，促进低压配网降损节能。

进一步的，本发明的技术方案，能够较为可信地进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析，为实现低压配电系统技术线损和管理线损分离、掌握线损的主要发生环节提供有效技术支撑。

本发明可广泛用于供电系统的运行管理领域。

Claims (6)

1.一种通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，包括，其特征是：

1)在住宅楼低压配电系统中，通过HPLC系统采集每一用户受电点处的相电压、相电流、电量，以及楼层采集器处的相电压、相电流、电量；并采集配变0.4kV出线处的电压、电流、电量数据；

2)通过所采集的数据，进行用户相位辨识及同层用户间串接关系识别；

3)对用户的楼层线参数进行识别；

4)通过上述分析，进而实现台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析。

2.按照权利要求1所述的通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，其特征是所述的用户相位辨识及同层用户间串接关系识别包括：

第一步：计算第f层所有用户相电压与楼层采集器各相电压的相关系数；

第二步：对每一属于第f层的用户，找出电压相关系数最大的那相作为其所属相；

第三步：根据上一步结果，将同属于第f层s相(s∈{A,B,C})的用户按其与采集器采集的同相电压相关系数

由大到小排序，相关系数较大的离采集器最近，由此确定同层同相用户间的串接关系；

第四步：对所有楼层f重复步骤1～3，即可确定各相接线方式，包括各用户所属相位和用户间串接关系。

3.按照权利要求1所述的通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，其特征是所述对用户的楼层线参数进行识别包括：楼层采集器间线段的长度；楼层采集器间线段的阻抗。

4.按照权利要求1所述的通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，其特征是所述的楼层线参数识别的流程如下：

第一步：获取各时段楼层线上输送的电流值。某一段楼层线上输送的电流等于其下游所有用户该段时间内送电电流之和；

第二步：搜集楼层采集器处采集的各时段各相电压，并求取电压损失；

第三步：对两个楼层间的楼层线，构建如下最小化问题，通过求解该问题拟合出门洞内各楼层间楼层线的阻抗

5.按照权利要求1所述的通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，其特征是所述的方法为台区内线路参数层析和逐线逐相线损分析提供了可能，进而丰富了分析低压台区技术降损途径的手段。

6.按照权利要求5所述的通过HPLC采集数据进行住宅楼低压配电系统结构和参数分析的方法，其特征是所述的低压台区技术降损途径具体包括：

(1)三相不平衡的门洞的定位；

(2)负荷不平衡的线路定位；

(3)供电半径是否符合规范的判定；

(4)线型合理性分析。.

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