基于大数据的智能断路器线损及失准计量器具监控技术.pdf

中国新技术新产品2023 NO.9（上）-1-高 新 技 术随着智能电网、数字电网快速发展，国家电网公司、南方电网公司推广应用具有数字化、互动化以及自动化功能的智能电能计量设备，积极响应运行稳定、技术先进、管理精益且服务优质的台区建设，实现台区“变-支-箱-表”四级状态全息物联、数据全量采集以及异常全时处置功能，以提高低压台区精益化管理水平。基于低压台区智能全感知技术的发展，台区的“变-支-箱-表”四级状态实现在用设备在线运行可靠性、台区线损精益管理等问题日益凸显，采用“变压器侧安装智能集中器、分支箱、表箱安装分离式导轨表”的架构，采用各层级数据交互、智能感知以及边缘计算等功能来提高电网服务水平，既满足了智能断路器在低压配电网络中的发展要求1，又可以给电网公司提供实时数据，实现电网公司的分布式线损分析、档案管理、失准计量器具监控和各断路器健康监测功能，为电网安全、高效和节能运行提供数据基础，同时也为电网公司对后续的负荷管理、调节提供一种技术基础2。1 低压台区线损及失准计量器具监测分析模型目前，多方面原因导致低压配用电网中存在线损，包括但不限于线路损耗过高、变电主设备损耗过高、配网损耗以及计量误差过大。低压配电台区的主要线损为线路损耗和电表误差，该文暂不考虑其他损耗（例如变压器、管理损耗等）。1.1 低压台区计量点拓朴结构低压配用电台区的主要配电设备方案如图 1 所示，分为4 层3，即主站层、一级配电层、二级/中间配电层以及用电层，统一采集营配数据并上送至计量自动化系统和配网自动化系统，可以精准定位各种用电异常，提高供电服务水平和用户服务满意度4。因为各计量点的计量设备均配有冻结功能，所以可以在各计量点配置日冻结、小时冻结或分钟冻结等功能，主站配置采集任务，通过复控终端或集中器采集各计量节点电能、电压、电流以及功能等相关数据，计算各节点间线损及各计量点的电能测量误差，并根据计算结果采取下一步措施，对负荷管理、调节进行实时控制。1.2 线损在线监测与国际发达国际相比，目前国内采用的线损计算方法未将输配电负荷水平、对时误差及计量装置误差等影响因素列入参考范围，导致理论线损与实测线损相差较大，该文考虑了对时误差、计量装置误差对线损的影响，建立线损在线监测数学模型，通过算例分析表明，该方法得出的结果更接近实际线损率。基于大数据的智能断路器线损及失准计量器具监控技术李倩1吴珏珺2石金保3张日取3黄春香3（1.广东电网有限责任公司计量中心，广东 广州 510062；2.贤沃科技股份有限公司，浙江 杭州 323000；3.华立科技股份有限公司，浙江 杭州 311122）摘 要：随着电网公司实施建设中国特色国际领先的能源互联网企业的战略，台区设备运行在线监测、台区线损精益管理等问题日益凸显。当前，采用“变压器侧安装智能集中器、分支箱、表箱安装分离式导轨表”的拓朴架构，即“变-支-箱-表”四级状态，可以通过采集每日用电量进行大数据边缘计算，充分挖掘智能计量设备数据的价值。同时，基于分布式矩阵函数可以对智能电表的计量可靠性进行监控，也可以对台区线损进行实时在线监测，实现低压台区计量智能全感知，既满足了智能断路器在低压配电网络中的发展技术要求，又为电网安全、高效和节能运行提供数据基础，从而提高低压台区精益化管理水平，为电网公司对后续的负荷管理、调节提供一种技术支持。关键词：线损模型；边缘计算；断路器健康监测中图分类号：O212文献标志码：A图 1 配电设备层级本地监控平台台区变压器复控终端 智能电表塑壳式断路器塑壳式断路器塑壳式断路器智能电表框架式断路器框架式断路器载波/485/Ethemet.载波/485/Ethemet.Ethemet/485.主站层一级配 电层用电层二级/中间配电层4G(5G)/Ethemet.计量自动化采集系统、新型负荷管理系统中国新技术新产品2023 NO.9（上）-2-高 新 技 术1.2.1 线损在线监测原理利用各电能表所测量数据、台区总用电量数据以及相关线损数据来验证台区用户理想用电模型与实际情况的偏差情况，从而保证模型的准确性。一般台区用电数学模型如图 2 所示，模型数学关系如公式（1）所示。y iijjj?1?（1）式中：y（i）为供电量；1?jj为电能表计量误差总和；j（i）为电能表计量误差总和及线路线损。台区用电量始终保持平衡（供电量=用电量总和+电能表计量误差总和+线路线损），如公式（2）所示。y iiy ijjjnp?0111（2）式中：j（i）为第 j 块表第 i 个用电日数据采集量；j为第 j个用户的电能表实际运行误差；p+1为台区线损；0为其他固定损耗。1.2.2 线损及电表误差在线监测数学模型1.2.2.1 计量点误差智能断路器（电表）误差与温度、湿度以及气压等因素有统计学意义，可以用平均误差替代，假设智能断路器（电表）在运行期间误差趋向于固定值 e，那么台区的一级配电层总表误差记为 e11，二级/中间配电层的智能断路器（电表）计量误差记为 e2i，用电层的智能断路器（电表）误差记为 e3j，即每个计量点的实际用电量为（1+eij）E（eij为第 i 层第 j 计量点误差；E 为每次计量点的用电量），即各计量点的之间用电模型如公式（3）所示。E=第二次电量-第一次电量（3）1.2.2.2 线损线损与温度、湿度、电流以及电压等因素有统计学意义，可以用平均线损替代，假设智能断路器（电表）在运行期间各段平均线损 s，那么台区线损记为 s，各分路线损根据实际记为 s11、s21，分别表示配电层到二级/中间配电层第一条分路线损、中间配电层到二级/用电层第一条分路线损。1.3 台区用电方程根据第 1.2.1 节的数学模型建立台区用电量方程，如公式（4）所示。E201(1+e21)+E202(1+e22)+E20n(1+e2n)=E101(1+e11)（4）式中：E201为二级/中间配电层第一个计量点第一天的用电量；e21为二级/中间配电层第一个计量点的误差；E20n为二级/中间配电层第 n 个计量点第一天的用电量；e2n为二级/中间配电层第 n 个计量点的误差；E101为一级配电层的用电量；e21为一级配电层的计量误差。每天用电方程变形分别如公式（5）公式（7）所示。E201e21+E212e22+E21ne2n-E111e11=E111-(E211+E212+E21n)（5）E221e21+E222e22+E22ne2n-E121e11=E121-(E221+E222+E22n)（6）.E2n1e21+E2n2e22+E2nne2n-E1n1e11=E1n1-(E2n1+E2n2+E2nn)（7）式中：Eijk为第 i 层第 j 计量点的第 k 天用电量。将 Eijk写成矩阵方式，如公式（8）所示。?EEEEeeeennnnnnnn211212 122122?EEeen111111111（8）式中：E211为二级/中间配电层第一个计量点第一天的用电量；e21为二级/中间配电层第一个计量点的误差；E21n为二级/中间配电层第 n 个计量点第一天的用电量；e2n为二级/中间配电层第 n 个计量点的误差；E111为一级配电层的用电量；e11为一级配电层计量的误差。由于矩阵方程有 mn 个未知数，因此根据多元方程组定义，建立 mn+1 个方程组即可求解这些未知数。在实际运行中，有些用户用电数量比较小或者不用电，现场环境复杂，因此取 2mn 次的数据就可以解出未知数。1.4 线损方程线损计算与计量误差相似，智能断路器（电表）计量误差定义见第 2.2.1 节，设各计量点线损分别为（S11，S12，.，S1n）、（S21，S22，.，S2m）和（S31，S32，.，S3k）（S11为一级配电层到二级配电层第一条支路的线损；S12为一级配电层到二级配电层第二条支路的线损；S1n为一级配电层到二级配电层第 n 条支路的线损；S21为二级配电层到用电层第一条支路的注：（n）为第n户的用电量；y（i）为供电量。图 2 台区用电模型示意图（1）（2）（n）y（i）总表中国新技术新产品2023 NO.9（上）-3-高 新 技 术表 1 某试点小区 25 栋楼连续 1 d7 d 用电量一览表25栋楼用电量数据抄读（单位：kWh）单元号表号天数/d初始电量1234567一A19.2111.0013.7314.1616.1017.4519.7322.94A28.8610.3311.4112.5514.2615.6616.9718.84A327 385.9927 387.2527 388.3727 389.4527 391.1627 393.1827 394.2927 395.44A40.071.312.884.235.336.788.6411.40A5850.03851.12852.55854.16856.08858.22862.75865.16A61 738.251 740.311 741.571 743.231 745.601 749.191 756.221 760.27A75.137.289.1210.9812.5514.5416.1617.60A8641.02642.85644.25645.85647.56651.40656.03658.80A91.382.593.864.936.3410.1016.1217.72D10.0014.0532.6844.4859.9281.46111.85133.11二B10.020.871.312.592.823.224.746.07B23.284.187.428.298.959.4012.5714.02B3344.18346.50349.61350.22350.49351.57353.17354.61B410.2512.8614.0915.2616.1418.1120.5721.98B52.384.085.026.027.559.5110.4811.92B675.4477.1378.4779.0381.6083.5285.1086.52B72 001.132 003.132 005.222 006.952 008.352 009.222 010.962 012.99B8638.17639.20641.29643.28645.68646.53647.35649.41B90.032.884.235.026.186.647.359.31D20.0014.7519.7910.0011.109.9614.5714.54三C110.2511.2813.5815.2717.0218.4419.7122.26C2971.53972.83973.20976.33978.13981.83983.06985.58C34.585.966.458.1410.2312.4613.6816.19C44 344.984 346.384 347.554 348.604 351.484 352.444 353.674 355.22C51 508.781 509.191 509.801 510.311 511.041 511.571 511.911 512.34C67.8410.0811.7712.9015.8117.3617.4419.87C72.084.256.388.1311.4711.5611.6711.78C83.154.035.167.5210.3310.4010.5610.59C90.032.274.436.288.408.528.668.81D30.0013.0735.8551.0171.4482.1187.89100.17断路器D40.0019.0737.7049.5064.9486.48116.87138.13D50.0014.7919.8310.0411.1410.0014.6114.58D60.0013.0535.8350.9971.4282.0987.87100.15线损；S22为二级配电层到用电层第二条支路的线损；S2m为二级配电层到用电层第 m 条支路的线损；S31为用电层到第一家用户支路的线损；S32为用电层到用第二家用户支路的线损；S3k为用电层到第 k 家用户支路的线损）。根据公式（8）建立整个台区用电方程，如公式（9）所示。?EEEEeeeennnnnnnn211212 121111?SSSEEeennn11120101111?（9）将公式（9）变换为矩阵，如公式（10）所示。?EEEEeeeennnnnnnn211212 121111?SEEeeijiji n j mn110101111,?（10）式中：E211为二级/中间配电层第一个计量点第一天的用电量；e21为二级/中间配电层第一个计量点的误差；E21n为二级/中间配电层第 n 个计量点第一天用电量；e2n为二级/中间配电层第 n 个计量点的误差；E111为一级配电层的用电量；e11为一级配电层的计量误差；Sij为第 i 层的第 j 条支路；m、n 分别为 i、j 的取值极限。由第 1.3 节、第 1.4 节可知，将各计量节点之间的线损及各计量节点的测量误差的物理问题转换为数学问题，即在数学领域求多元一次方程组的解，根据数学中的矩阵知识很容易求得各未知数的解，从而得到各计量节点之间的线损及各计量节点的测量误差。2 实例计算以国家电网公司某试点小区的某台区实际用电为例，该台区共 4 栋楼（12 个单元，163 户），台区总表 1 台，智能断路器合计 19 台，以 25 栋楼为参考对象，该栋楼共 3 个单元，每单元 4 层，每层 2 户，每单元有 1 台照明表，合计 27台表，共计智能断路器 4 台，涉及 3 条支路，连续 15 d 抄收用电量。配置主站的采集任务，通过集中器采集每天的各计量节点的用电量，数据见表 1 和表 2，该数据为各计量点的日冻结正向有功总电能。将表 1 和表 2 数据代入公式（10），得出各计量点（智能电表、智能断路器）的计量误差以及各段线损，见表 3。由表 3 可知，各计量点的误差数据均在正常范围内，国家标准要求为 1%，但是第三单元到 D3断路器之间的线损较大，一般线损率不超过 5.0%，可能存在接线未接紧或存在用电异常情况，供电单位须采取相应措施降低该段线损。中国新技术新产品2023 NO.9（上）-4-高 新 技 术3 结语通过建立台区用电模型和各用户的用电矩阵方程可以实现以下功能：1）采集低压台区各用电户的用电量，计算智能断路器的计量误差和台区分层分级线路损耗，对智能电表的计量准确度进行监控，准确定位线损异常点。2）监控台区线损“变-支-箱-表”四级线损。3）自动感知线损异常，对表箱窃电行为进行精确定位，充分挖掘智能电能表数据价值。4）精确管理台区线损，提高服务水平。参考文献1 王群，刘进军，王兆安.非正弦周期电流的频域和时域分解方法 J.电力系统自动化，2000，24（1）：21-25.2 黄俐萍，朱铮，李蕊.高级计量在线监测技术研究 J.华东电力，2010（4）：552-556.3 耿建坡，张丽伟，赵洋.电子式电能表失压差错电量分析与计算 J.电测与仪表，2008，45（3）：5-8.4HIDALGO R A M，FERBANDEZ J G，RIVERA R R.A window algorithm to improve simple FFT measurementsJ.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51（1）：31-36.表 3 智能电能表、智能断路器的误差以及各段线损某单元楼电智能表、智能断路器及线损（单位：%）单元号表号一A1A2A3A4A5A6A7A8A9D1线损0.003 0-0.005 0-0.014 00.003 0-0.005 6-0.004 80.005 80.001 30.005 8-0.002 80.365 0二B1B2B3B4B5B6B7B8B9D20.0260.0030.0460.0230.0170.0130.0590.022-0.045-0.0800.258三C1C2C3C4C5C6C7C8C9D3-0.047-0.002-0.033-0.027-0.055-0.036-0.045-0.027-0.0330.0050.893断路器D4D5D6-0.0230.003-0.013表2 某试点小区25栋楼连续8 d15 d用电量一览表单元号表号天数/d初始电量89101112131415一A19.2123.9530.3039.9856.7868.5470.2883.44100.02A28.8620.5336.5140.9644.9655.0558.3363.8770.25A327 385.9927 396.9427 405.1827 408.4327 411.3227 418.9727 424.4927 430.1527 433.79A40.0717.2822.1325.4227.3628.5532.5335.7840.22A5850.03871.30872.03873.45877.54800.23885.37888.20890.16A61 738.251 767.731 772.031 773.881 778.041 785.931 790.251 793.021 798.45A75.1320.1621.0522.4323.5825.1826.4928.0030.23A8641.02662.33664.20665.39667.28669.98670.52675.43677.05A91.3821.7622.0522.9323.8528.4732.4533.0233.18D10.00166.92210.42237.81275.65245.84355.65395.85438.29二B10.027.338.259.4510.0211.8712.9413.0515.39B23.2816.6017.8319.5821.3822.4423.6824.9630.22B3344.18357.16358.48359.46367.25369.84370.55376.23380.29B410.2524.5426.4527.5829.6430.2232.2333.5636.85B52.3814.4716.2317.5218.1319.2220.3021.3525.86B675.4489.0290.4792.5495.5697.85100.25103.16105.25B72 001.132 014.792 018.452 023.352 025.662 027.522 030.452 033.562 035.84B8638.17651.52655.25661.23667.84671.02675.84679.58676.03B90.039.2210.0210.8511.2313.2513.3613.8914.87D20.0017.8216.7820.1325.1516.5216.3719.7421.26三C110.2524.9126.7330.8535.4738.2840.1348.8652.47C2971.53988.23990.03993.33995.55998.461003.251006.231007.42C34.5818.8420.6323.2328.0736.1639.2541.1843.05C44 344.984 357.834 359.404 360.854 361.284 363.894 365.474 367.864 370.29C51 508.781 513.091 513.551 513.871 514.531 516.251 517.031 518.221 519.86C67.8424.1126.6129.0131.9634.0636.4538.9442.03C72.0811.8112.0612.5612.7912.9913.8914.8615.93C83.1510.6211.4512.4713.8615.0216.3517.4918.06C90.038.859.5610.2611.8213.4315.0317.1319.28D30.00115.82127.55143.96162.86186.07204.38228.30245.92断路器D40.00171.94215.44242.83280.67250.86360.67400.87443.31D50.0017.8616.8220.1725.1916.5616.4119.7821.30D60.00115.80127.53143.94162.84186.05204.36228.28245.90