Design and Application of Integrated Distribution Network Line Loss Analysis System

YANG FAN,LIU JUN, LU BINGBING

Electric Power Research Institute, SMEPC

Abstract：

Line loss calculation of distribution network is critical to energy saving and comprehensive line loss analysis is an in- depth research for theoretical line loss calculation, which helps to achieve meticulous management of loss management and grid operation. This article describes various methods of line loss calculation and common algorithms. A comprehensive distribution network line loss analysis system is proposed and its feasibility is verified by practical examples.

Index Terms:distribution network, line loss analysis and calculation, integrated system.

1 Introduction

Line loss is inevitable during power transmission, the amount and rate of line loss directly reflecting the planning, designing, operational technology and management level of power supply enterprise, which is a comprehensive evaluation of grid. Shanghai is a metropolis with enormous power supply and line loss management has direct impacts on enterprise profits with 0.01% loss ratio to 120mwh electric energy.

Line loss analysis system is a comprehensive application of advanced energy metering automation system. Theoretical line loss can be carried out with basic parameters like resistance, reactance and operation data distribution network. Reasonable structure and operation of the gird can be valued and hidden problems like inaccurate metering apparatus, bad equipment performance, invalid customer power management, electricity stealing and other aspects of power management can be identified comparing statistics line loss, which enables power supply enterprise to adopt loss reduction measurements to realize optimal operation and management.

Theoretical line loss calculation methods of distribution network are varied and flexible. Urban distribution network line loss calculation is focused on 110kV~0.38kV, which is crucial to operation management. Paper [1] designed a comprehensive distribution network based on Common Information Mode (CIM) acquisition application platform, with standardized, integrated development trend. Paper ^[2] developed distribution network line loss analysis system based on Management Information System (MIS). In addition, in recent years, line loss theoretical research platform based on real-time load measuring is rapidly advancing.

This paper presents a comprehensive line loss analysis system based on measured data to improve current energy metering automation system which only obtains statistical line loss and fails to calculate theoretical line loss.

THEORETICAL LINE LOSS CALCULATION METHOD BASED ON PMS AND IDP

Power flow calculation is adopted theoretical line loss calculation in 35kV and above voltage level, equivalent resistance method for 10kV voltage level and forward/backward substitution method for 0.38kV according to requirements from “Power Grid Energy Loss Calculation Guidelines” (DL / T 686- 1999).

110kV~0.38kV theoretical line loss calculation module is embedded seamlessly in Production Management System (PMS). Basic data (network element, topology, model parameters,

etc.) and operating data (power data, electricity data) are from Shanghai PMS and Integrated Data Platform (IDP) as follow:

Basic Data

Theoretical Line Loss Calculation

Operation Data

Production Management System (PMS)

Integrated Data Platform (IDP)

Network

Element Topology

Model Parameters

Power Data

Electricity Data

Fig. 1 Data required for theoretical line loss calculation

IDP data covers SCADA systems, Energy Management System (EMS), distribution transformer load monitoring system, customer load control systems and power information collection systems to ensure real-time data transmission and calculation accuracy.

1. 110 / 35kV Network Features

Shanghai 110/35kV networks are closed-loop designed and open-loop operated. Parameter data is stable and circuit structures are simple with few branch lines, lines from one substation go directly to another. Lines and transformer parameters are comprehensive and accurate. 110/35kV real- time data can be obtained at the end of line and transformer side, therefore its calculation and results are easy to implement and access.

1. 10 / 0.38kV Network Features

10/0.38kV networks have complex parameter data, and they are enormous in quantity and widely distributed. Various capacities of distribution transformers and parameters of branch lines are drawn along from substation, which brings great difficulties to line loss calculation. Only substation bus has measurement meter, and no other branch point has fixed measurement meter.

10/0.38kV have varied operations. To improve the reliability of power supply, 10/0.38kV lines are segmented and liaised. In general, 10-16 distribution transformers are set as one segment for rural areas and 6-10 for urban areas. Contact is built at the terminus of line in form of hand in hand. Therefore, the operation mode changes from time to time. For 10/0.38kV distribution network, the circuit model parameters will be changed when operation mode changes, which is necessary to save by computer in order to commence theoretical line loss calculation in the end of month according to various corresponding operation modes. Considering two requirements above, it is almost impossible for dispatching personnel to achieve calculation in SCADA or EMS system and workload is heavy, which will result in fatigue staff and system chaos.

1. The Application of Distribution Network GIS

GIS is based on ORACLE information database, combined with ORACLE and MapInfo Spatial Ware sp

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综合配电网线损分析系统的设计与应用

电力研究所，上海电力SMEPC

摘要

配电网线损计算是节能降耗的关键，综合线损分析是对线损计算理论的深入研究，有助于实现线损管理和电网运行的精细化管理。 本文介绍了各种线损计算方法和常用算法，提出了一种配电网线损综合分析系统，并通过实例验证了该系统的可行性。

指标术语：配电网，线损分析计算，集成系统。

1导言

输电过程中线路损耗是不可避免的，线路损耗的大小和速率直接反映了供电企业的规划、设计、运营技术和管理水平，是对电网的综合评价。上海是一个供电量巨大的大都市，线损管理对企业利润有直接的影响，120mwh电能损耗率为0.01%。

线损分析系统是先进的电能计量自动化系统的综合应用。理论线损可以用电阻、电抗和运行数据配电网等基本参数来进行计算。通过比较统计线损，可以发现电网结构和运行的合理性，以及计量器具不准确、设备性能差、用户用电管理失效、窃电等电能管理方面的隐患，使供电企业采取降损措施实现优化经营管理的措施。

配电网理论线损计算方法多样、灵活。城市配电网线损计算主要集中在110kV~0.38kV之间，这对运营管理至关重要。论文[1]设计了一个基于公共信息模式（CIM）采集应用平台的综合配电网，具有标准化、集成化的发展趋势。论文[2]开发了基于管理信息系统（MIS）的配电网线损分析系统。此外，近年来，基于实时负荷测量的线损理论研究平台也在迅速发展。

本文提出了一种基于实测数据的综合线损分析系统，以改进现有的电能计量自动化系统，该系统只获取统计线损，而未能计算理论线损。

2基于PMS和IDP的线损理论计算方法

根据《电网电能损耗计算导则》（DL/T 686-1999）的要求，35kV及以上电压等级采用理论线损计算，10kV电压等级采用等效电阻法，0.38kV采用正向/反向替代法。

110kV~0.38kV理论线损计算模块无缝嵌入生产管理系统（PMS）。基本数据（网络元素、拓扑结构、模型参数等）和运行数据（电能数据、电力数据）来自上海PMS和综合数据平台（IDP），如下所示：

基础 Data

理论线损计算

运行

生产管理系统(PMS)

综合数据平台(IDP)

网络元素 拓扑结构

模型参数

电能数据

电力数据

图1 理论线损计算所需数据

IDP数据涵盖SCADA系统、能量管理系统（EMS）、配电变压器负荷监测系统、用户负荷控制系统和电力信息采集系统，以保证数据的实时传输和计算的准确性。

1. 110/35kV电网特点

上海110/35kV电网采用闭环设计，开环运行。参数数据稳定，电路结构简单，支路少，从一个变电站直接到另一个变电站。线路及变压器参数全面准确。在线路末端和变压器侧端可获得110/35kV的实时数据，其计算和结果易于实现和存取。

1. 10/0.38kV电网特点

10/0.38kV电网参数数据复杂，且它们数量庞大，分布广泛。

变电站引出的配电变压器容量和支路参数多种多样，给线损计算带来很大困难。只有变电站母线有计量表，其他支点无固定计量表。

10/0.38kV有多种运行方式。为提高供电可靠性，对10/0.38kV线路进行分段联络。一般情况下，农村设10-16台配电变压器为一段，城市设6-10台。接触是以手拉手的形式建立在线路的终点。因此，运行模式会不时改变。对于10/0.38kV配电网，当运行方式改变时，电路模型参数会发生变化，需要计算机保存，以便月底根据相应的各种运行方式开始理论线损计算。考虑到以上两个要求，在SCADA或EMS系统中，调度人员几乎不可能实现计算，工作量大，会造成人员疲劳和系统混乱。

1. 配电网地理信息系统GIS的应用

GIS是以ORACLE信息数据库为基础，结合ORACLE和MapInfo空间数据管理系统，实现地理信息与MIS（管理信息系统）的综合信息处理。GIS上的线图由MIS生成，MIS与GIS共享同一个数据库，但界面表现形式不同。配电网地理信息系统将数据库中的数据与图形上的地理线路相结合，使线路维护直观、方便。随着相应功能的开发，当开关段或接触状态发生变化时，操作人员可以改变GIS电路图的开关接触状态，而线路数据模型也随之发生变化。因此，实时调度数据与实际参数，此时运行方式完全相同，这使得开始10/0.38kV理论线损计算成为可能。

3综合线损分析系统的设计

1. 系统框架

线损管理涉及多个业务领域，跨越多个部门和自动化平台，具有不同的数据源和信息筒仓。理论线损计算必须首先建立一个符合IEC相关标准的平台，为线损流线管理提供坚实的基础。

传统的理论线损计算是在选定的显示日绘制网格图，手工录入运行数据，导致时效性差，参考价值低。通过建立一个统一高效的理论线损计算分析系统，实现了对采集的运行数据的自动计算，为实现近实时计算奠定了基础，显著提高了计算结果的质量和效率。

线损综合分析包括电网线损分析、配电网线损分析和110kV~0.38kV电压等级的配电变压器区域线损分析。综合分析系统充分利用现有的各种信息，自动生成线损相关小指标进行分析评估，实现单值或多值自动分析和辅助定制化降损方案。

目前，上海理论线损计算分析系统支持直接从PMS获取网络拓扑信息、设备台帐信息和IDP的运行数据，自动生成和更新线损计算模型，从根本上改变了传统的人工维护方式，降低了人工成本，大大提高了使用计算系统的积极性。

图2 系统框架

在线理论线损计算

线损管理流程图

自动获取基础数据和拓扑结构

自动获取运行数据

自动理论线损计算

自动生成报表图表和分析

企业服务总线

ETL、关系数据库、ODS数据仓库

1. 系统功能

系统包括以下功能：

1）基于网络原理图实现参数数据输入；2）理论线损计算：网络拓扑、状态估计、潮流计算、线损计算；3）方法选择：等效电阻法、均方根电流法、求解弱环问题的改进迭代法；4）低压电网计算：正向和反向替代法、电压损失法；5）理论和统计线损比较：根据电压等级和年份分类列出输电和线路等电网元件；6）提供降损分析：电压调整、电压等级提升，并联无功补偿、并联线数、横截面积增大等；7）计算各电压等级的子线、子站、线损及费率，每月由销售部用电记录按规定格式编制统计线损报告；8） 分析变电站母线不平衡电量、理论线损与统计线损比较、各电网元件功率因数。

1. 理论线损与统计线损比较

利用电网调度自动化系统、生产管理系统和能源数据采集监控系统的基础数据和运行数据，可以进行实时线损计算。通过理论线损计算，得到电线、电缆、变压器的电流和损耗的详细表示，这对于判断电网运行经济性、结构合理性、设备技术水平、元件质量和性能具有重要意义。

自2014年10月起，以“上海线损精细化管理工程”为单位，每月进行110kV、35kV、10kV全范围理论线损计算。截至2016年2月，上海有110/35kV线路2508条，10kV线路13895条。对16403条线路、182437个测点、115856个分布区域的网络拓扑、运行数据和统计线损率进行了全范围计算验证。

4线损理论分析方法综述

1. 均方根电流法

均方根电流法作为一种基本计算方法，其物理原理是：均方根电流流过电力线所产生的损耗与实际负载同时产生的损耗相等。优点：该方法简单，根据负荷电流、有功和无功电能、有功和无功功率、电压、配电变压器额定容量等参数对于一个24小时代表日，可计算出电能损耗，便于计算机编程。缺点：不同的代表日选择会导致不同的结果和错误[3]。

1. 平均电流法

平均电流法又称形状因子法，它利用均方根电流和平均电流之间的等效关系，而均方根电流法也偏离了均方根电流法。平均电流法的物理概念是平均电流流过电力线所产生的损耗等于实际负载同时产生的损耗。优点：在实际应用中，以电作为参数容易获取，精度更高。利用代表日的平均电流和负荷形状因子可以计算能量损失，便于计算机编程。缺点：配电变压器外形系数的确定缺乏实际记录，增加了计算误差。

1. 最大电流法

最大电流法又称损耗因子法，它利用了均方根电流和最大电流之间的等效关系，这也偏离了均方根电流法。最大电流法的物理概念是最大电流通过电力线所产生的损耗与实际负载同时产生的损耗相等。优点：所需数据和信息较少。利用代表日的最大电流和损耗因子可以计算能量损耗，便于计算机编程。缺点：由于不同的负载形状、网络拓扑结构和特性可能导致不同的损耗因子，因此很难确定损耗因子，不适合一般使用。准确度相对较低。

1. 等效电阻法

等效电阻法的理论基础是均方根电流法。物理概念：假设出口处整个电网的虚拟等效电阻，则出口处总电流消耗产生的功率损耗等于电网各部分产生的总损耗。优点：理论完整，避免了均方根电流法在许多方面的缺点。在不采集运行数据的情况下，只要获得等效电阻即可计算出损耗，只有额定容量和分段电阻等配电变压器结构参数是足够的。缺点：计算条件假定影响结果的准确性。假设负荷按配电变压器的额定容量成比例分布，各节点的负荷率、功率因数、负荷形状因数和电压相同，显然不符合接触负荷条件，导致结果相对较小。

1. 智能方法

近年来，一些学者将遗传算法（GA）和人工神经网络（ANN）理论引入到理论线损计算中，虽然计算精度有了显著提高，但考虑到配电网结构多样性的限制，建立学习和训练样本比较复杂，导致计算效率较低通用性和适用性，需要进一步研究[4]。

区间算法为区间值的获取方法提供了详细的分析和论证，指出基于平均电流法的结果是各损耗的区间，这也需要进一步的研究。

模糊识别算法采用模糊理论模型辨识原理对分配支路电流进行校正，使结果尽可能准确，运行状态尽可能接近实际运行状态，提高了线损计算的准确性。但在实际应用中，辨识模型的电流和负荷率时，很难选择隶属函数。

综上所述，上述线损计算方法存在不足，本文采用改进的等效电阻法[5]来克服精度、实现和应用上的问题。

5综合线损分析系统的应用

在综合线损分析系统的基础上，建立了某10kv配电网，并选取10kv线路“梁7”进行论证。网络拓扑结构、基本参数及运行信息如下：

图3 10kV“梁7”线结构

10kV线路“梁7”有五种导线类型，如下所示：

10kV线路“梁7”也有以下五种变压器类型：

系统直接从PMS获取网络拓扑信息、设备台帐信息、从IDP获取运行数据后，自动生成模型并开始计算。结果如下：

与实际损耗率（1.193%）相比，理论损耗率（0.997%）在合理范围内，验证了改进等效电阻法的准确性。

通过对计算结果的分析，发现变压器铁损占总损耗的82%，是10kV“梁7”线的基本损耗分量，说明变压器的利用率普遍低于预期。这一结论有助于为合理配置变压器容量、提高利用率提供实际的降损解决方案。

6总结

本文中综合线损分析系统采用改进的阻抗法，有助于提高线损分析的精度，实现更丰富、更有效的线损降低措施。同时也有助于分析电网运行的经济性、结构合理性、设备技术水平、元件质量和性能。

UPFC在隔离变电站和多回路配电系统中的线损最小化

Mahmoud A. Sayed, Member, IEEE, and Takaharu Takeshita, Member, IEEE

摘要

本文利用统一潮流控制器（UPFC）给出了孤立变电站和同一变电站多回路配电系统的线损最小条件。在每种情况下，都给出了数学模型，并根据配电馈线的线路参数得到了线路损耗最小的条件。由于多回路配电系统由同一变电所供电，通过补偿线路电抗压降之和，可以实现线损最小化。在隔离式变电所回路配电系统中，除了补偿各变电所的电压差外，还可以补偿线路电抗电压降之和，从而实现线损最小化。如果消除了环路系统中的环路电流，就可以实现这两种情况。UPFC采用串联补偿技术，消除了环网配电系统的环网电流，使总线损最小。实验验证了所提出的UPFC控制方案的有效性。

指标术语：FACTS、线损最小化、回路配电系统、串联补偿、统一潮流控制器（UPFC）、电压调节。

导言

温室气体排放被认为是影响我们环境并导致气候变化的最重要问题之一。电能供应被认为是造成全球变暖的主要因素之一，因为它们排放二氧化碳（CO2），这是最丰富的温室气体。因此，对全球变暖问题的关注导致了配电网运行和设计标准的改变。其中最重要的是节能。配电网线损最小化是实现节能最有效的解决方案。另外，线损最小化提高了沿配电馈线的电压分布[1]，[2]。

配电网主要分为放射状和环状两类。径向系统由于具有简单、廉价的保护方案而被广泛应用。而且，它的电压分布可以很容易地控制。然而，由于所涉及的距离长，所用线路的电阻电感比高，以及功率需求的不断增加，径向系统十分薄弱。因此，当这些网络的需求功率增加时，诸如高功率损耗等电能质量问题往往成为重大问题。理想情况下，电气系统的功率损耗不应超过6%。然而，在发达国家，电力损耗超过10%，而在发展中国家，则超过20%[3]。因此，配电系统工程师提出了一种环路系统，以实现线损降低的优点，并提高沿馈线的负荷电压分布。尽管环路

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