（电力系统及其自动化专业论文）基于数据仓库的电力网线损统计与分析.pdf

声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 基于数据仓库的电力网线损统 计与分析 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 鱼 x a1 日期 : 2 0 0 1 、 1 . 了 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文:同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 生 险 导师签名 t v a 日期 :l o o k . 1 . 万日期: 0 7 . t , i 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1本课题研究的目的和意义 电能是现代人类社会生存和发展的重要物质基础之一，人们在生产和生活过程 中，几乎无一例外的贯穿着对电能的利用。电能通过输电、变电和配电的各个环节 供给用户，在电能的输送和分配过程中，电力网络都要产生一定数量的电能损耗， 简称线损。电力网电能损失率 ( 线损率)是电力企业的一项重要的综合性技术经济 指标，它反映了电力网的规划设计、生产技术和运营管理水平。降低线损是电力部 门在节约能源方面的重要任务。准确简便的线损计算和分析方法有利于拟定出合理 的降低线损的措施并考察措施的实际效果，也便于制订适当的线损考核指标和规 划， 从而对线损管理工作起指导和促进的作用i l l 。目 前我国的线损率与世界上发达 国家相比还比较高，各省、市电力公司及所辖单位的线损管理水平参差不齐，节能 潜力还比较大。随着电力体制改革的推进，电网运行是否经济，供用电管理技术手 段是否科学等， 这些都涉及到电网企业的运营成本和全社会的整体经济效益。 因此， 控制线损、降低线损，用科学管理方法把不合理的电能损耗降低到最小，使线损率 达到先进水平是电网企业现代化管理的核心内容之一，也是电网企业的生存和发展 的必要条件。 近年来，电力企业与众多的其它企业一样，随着市场竞争的加剧和对更高层次 信息需求量的加大，客观地促进了电力企业信息化建设的步伐。但随着信息化建设 的进一步深入，如何有效地利用在电力网线损管理过程中产生的大量数据和信息， 从大量已有数据中快速查询所需信息，对线损计算结果进行多角度汇总，简化数据 分析处理逻辑，得到高效的管理信息就成了工作人员面临的重要问题。这种问题的 解决既要求联机服务，又涉及大量用于决策的数据，而传统的数据库系统对于这种 需求的满足己 经显出不足。数据仓库技术的产生及其不断的成熟，为人们解决类似 的问题提供了有力的方法。数据仓库是一种管理技术，是一种解决方案，它将分布 在企业网络中不同站点的原始数据，主要是用于事务处理的传统数据库中的数据， 进 行清理、 抽取、转换，并 集成到一起，为 决策者提供各种类型的、 有效的 数据分 析，起到决策支持的作用。正是有鉴于此，将数据仓库技术应用于线损统计分析中 就成了现实而必要的。 1 . 2国内外研究现状 关于电力网线损的研究，目前国外研究的重点多在线损分析和降损措施方面 华北电力大学硕士学位论文 如以线损为目 标的配电网网络重构、无功优化、补偿电 容投放位置的确定等问 题， 其中 涉及到的线损计算问 题大都转化为功率损耗问 题，以潮流的方法来求解。专门 研究传统意义上的线损计算方面的文章并不多， 近年来提出的一些新方法主要有模 糊理论逼近法2 1 、负荷统计学方面的聚类法等 3 1 .国内电力网线损理论计算按管理 应分为省地级和县区级两部分。省地级电力部门线损计算较正规，有比较完善的制 度和软件方面的保证;县级电力部门则基本上没有专门的线损计算软件， 有的仍以 手算为主。 我国电力网线损理论计算常用计算机程序大体可分为两类: 对3 5 k v 以上 的高 压电 网， 大多以 典型日 潮流计算为 主， 有牛 顿法、 p - q 分解法等; 对于3 5 k v 以 下的配电网，由于大量的配电变压器2 4 小时实际负荷不易测得，大多采用简化方法 处理， 如等值电阻法， 形状系数法等。 这些方法假设条件很多， 计算结果不够准确. 因此， 在3 5 k v 以下的配电网线损计算的研究十分活跃， 近年来出现了许多新方法。 文献 4 , 5 用人工神经网络 ( a n n ) 来计算线损， 通过测录设备得到大量学习样 本， 然后应用a n n 来拟合特征参数与线损之间的复杂关系;文献 6 一 8 1 提出了 适用 于自 动化装置的配电网线损计算方法，结合配电网自 动化系统的实际提出了分段计 算线路线损的方法，不仅提高了线损计算精度，而且可按形成的分段统计出分段内 的支路损耗、配电损耗及管理损耗，便于配电网线路线损的分析与管理。但该方法 对自 动化量测的要求比较苛刻，而国内的配电网现状是自动化量测与无自动化量测 并存: 文献 9 , 1 0 利用潮流计算的方法来计算配电网线损，该方法的关键是如何 处理负荷。而对于低压配电网的理论计算目 前研究较少，能自如地应用到实际计算 中的软件则更少。由于低压配电网比l o k v ( 6 k v)配电网更加复杂，一般都采用近 似的简化计算 ( 估算)方法，如等值电阻法、电压损失法、台变 ( 区)损失率法 1 1 1 等. 文献 1 2 , 1 3 阐述了 用 “ 竹节法” 进行低压配电网线损计算。 “ 竹节法” 是根 据统计规律得出来的，用 “ 竹节法”进行低压配电网线损理论计算，所需要采集的 线路参数和运行参数相对较少，而计算结果的准确度符合工程计算的要求。 对于线损计算的统计分析，目 前的分析管理系统大多都提供了内部的关系数据 库来管理繁多的复杂的电力设备及有关信息。而且在这种既需要处理海量属性数据 又需要处理空间数据的需求下，传统的基于关系数据库的计算机管理系统已经难以 满足处理的要求。数据仓库技术的出现为我们解决上述情况提供了一种很好的选 择。数据仓库技术是近几年来出现并迅速发展的一种技术，它可以充分利用数据库 中已 存储信息，帮助决策者进行决策。但数据仓库是一种体系结构不是一种产品， 必须自 己 构 造 1 4 1 a 2 0 世 纪 8 0 年代中 期， w i l l i a m .h .i n m o n 提出 了 数 据 仓 库的 概 念 1 5 1 , 随后该技术便得到了广泛的应用。它首先被用于金融、电信、保险等主要传统数据 处理密集型行业，随后对在电力系统中应用数据仓库技术也有了一定的研究 1 6 1 。国 外许多大的数据仓库在1 9 9 6 - 1 9 9 7 年建立。文献 1 7 介绍了数据仓库的技术特点，并 华北电力大学硕士学位论文 研究了如何利用数据仓库技术制定电信服务的价格策略。近年由于以数据仓库为基 础的商业智能系统强大的功能在实际应用中能带来高利润的回报，数据仓库在越来 越多的领域得以应用。国内电力行业开始将数据仓库技术应用在业内的许多领域。 文献 1 8 一 2 2 分别介绍了 数据库技术在电 力调度系统、变电站设备状态检修、 营业 用电、故障分析、变压器故障预测中的应用。弥补了传统数据库系统在决策分析应 用等方面的不足。本文将数据仓库技术引入到线损统计与分析中将是一种有益的尝 试。 1 . 3本文的主要工作 阐述电力网线损理论计算原理， 针对电力系统配电网的特点提出一种新的线损 理论计算方法，并分别针对输电网、l o k v ( 6 k v)配电网、低压配电网编制线损计 算程序;根据线损计算所需原始数据和计算结果数据建立线损统计分析数据仓库， 并在此数据仓库基础上进行了o l a p尝试和报表系统的开发。具体可分为以下几个 内容。 1 )分别针对输电网、配电网、低压配电网介绍各自 适用的线损理论计算方法， 并提出一种用基于粒子群优化算法的神经网络计算配电网线损的方法。 2 )创建线损分析数据仓库 将分别存储在不同数据库中的原始数据、计算数据通过数据转换服务 ( d a t a t r a n s f o r m a t i o n s e r v i c e ，简称d t s )汇集到建立的数据仓库中。 3 )联机分析处理 通过预先规划的多维分析来利用线损分析数据仓库， 将数据仓库中的信息转化 为决策支持分析所需要的 “ 信息” ，并存储在s q l s e r v e r 联机分析处理服务的多维 数据集 ( c u b e )中。 4 )编写电力网的线损计算程序，和数据仓库的前端展示工具以及基于数据仓 库的报表系统。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电力网线损计算原理和方法 2 . 1线损的概念和分类 2 . 1 . 1线损的定义 在输配电过程中，电能的传送和电磁能量的转换都是通过电流来实现的，电流 通过导线时要产生损耗. 此外，运行在网络中有大量的输配电变压器、电容器、开 关、 仪表等设备， 这些设备本身也要消耗一定能量。因此， 工程上把给定时间段内， 电网中所有元件产生的电能损耗称为线损电量，简称线损。 2 . 1 .2线损率的定义 供电量是指发电厂、供电地区或电力网向用户供出的电量，其中包括输送和分 配电能过程中的线损电量。售电量是指电力企业卖给用户的电量和电力企业供给本 企业非电力生产用的电量。线损电量占供电量的百分比称为线路损耗率，简称线损 率，其计算式为: 线损率=( 供电量一 售电量) / 供电量* 1 0 0 % 2 . 1 . 3线损的分类 线损按其特点可分为三大类: 1 )可变损耗 所谓可变损耗是指与电网中的负荷电流有关且随其大小而变化的损耗。 其中包 括导线中的损耗、变压器绕组中的铜损、电流表和电能表电流线圈中的损耗等。 2 )固定损耗 所谓固定损耗是指与电网中的负荷电流无关且不随其大小而变化的一种损耗. 其中包括变压器的铁损、电容器的介质损耗、电压表和电能表电压线圈中的损耗、 电晕损耗等。 3 )不明损耗 所谓不明损耗是指实际线损和理论线损之差的一种损耗。这种损耗变化不定、 数量不明，难以用仪表和计算方法确定，只能由月末的电量统计确定，其中包括用 户违章用电和窃电的损失、漏电损失、抄表以及电费核收中差错所造成的损失、计 量表计量误差所形成的损失等。 前两部分损耗电量习惯称为 “ 技术线损电量” ，它可以通过理论计算得出，所 华北电力大学硕士学位论文 以又称为理论线损电量 ( 相应的线损率称为理论线损率) ，它可以通过技术措施予 以降低。第三部分损耗是由于管理上的原因造成的，这部分习惯称为 “ 管理线损电 量” ，它应该而且可以采取必要的组织措施和管理措施予以避免或减少。本文主要 研究理论线损部分。 2 .2理论线损计算的作用和要求 理论线损计算是根据实际负荷或电量， 按着电网的正常运行方式， 计算电力网 中 各元件的有功功率、无功功率损失和一定时间内的电能损失 2 3 1 、理论线损计算的要求 ( 1 )计算理论线损率，将其与实际线损率作对比，确定实际线损率与理论线 损率的差值，如此可知不明损耗的大小，并以此来衡量企业的管理水平以 及用电量 统计的是否合理。 ( 2 )计算电网的最佳线损率，将其与理论线损率作对比，以确定电网结构、 布局的合理行，运行的经济性，并借此来确定电网的降损潜力。 ( 3 )确定可变损耗、固定损耗、不明损耗占总损耗的比重，以确定降损技术 的主攻方向。 2 、理论线损计算的作用 ( 1 )理论线损计算是制定年、季、月线损指标的依据。 ( 2 )理论线损计算可为电网规划、改造以及电容补偿、网络调压、经济运行 提供技术信息，以便在制定上述策略时有可靠的科学依据. 2 .3 3 5 k v及以上电网 ( 输电网)理论线损计算 1 、线路功率损耗计算 当电力线路末端有一个集中负荷时，则线路中的功率损耗为 一 ， ， 一 _ _ _ s、 2 _ _ _ ，p 2 十 口 ， _ a p= 3 r r x 1 4 ， = 3 1 一 共 - i r x 1 4 - 二 二 - 一 二 兰 r 又 , 1 3 u) u 同理 ( 2 - 1 ) 。 一 _( s 丫 二 x 1。 一p 2 + q 2_ _ , x x 1。 一 l j 3 u) u ( 2 - 2 ) qx 式中，s为线路中通过的视在功率 为线路中通过的无功功率，mv a r ; ，m v a . p为线路中通过的有功功率， u为线电压，k v ; r为线路每相的电阻 mw; q; 为线路每相的电抗， 应用式 ( 2 - 1 ) , q。 式 ( 2 - 2 )时注意 华北电力大学硕士学位论文 必须采用线路同一点上的功率及电压. 若所取功率是线路末端功率， 则所用电 压必须是线路末端的电压;若所用的功率为线路始端功率，则所用电压必须是线路 始端电压。 2 、变压器功率损耗计算 变压器功率损耗分为两部分， 与负荷无关的损耗称为空载损耗，随负荷变化的 损耗称为负载损耗。 空 载 损 耗指 变压 器 铁心 损 耗， 它 与 变 压 器的 容 量 和电 压有 关， 空 载 损 耗 用崛 表 示，计算式如下: a = 峨 + ， 10 0ap o + j 100 s ( 2 - 3 ) 变压器空载损耗与加在变压器上的电压和变压器工作的分接头电压有关， 当运 行电压太低，且与变压器工作的分接头电压相差较大时，应对空载损耗修正，即 嵘 城z,go- a 0(u l = (ap a+ joqo)de剧 ( 2 - 4 ) 式中，叽 为变压器空 载有功损耗， k w; a q 0 为变压器空载无功损 耗， k v a r ; u 为 加在变 压器上的 运行电 压， k v ;矶为 变压器分接头电 压， k v . 负载损耗又称短路损耗，指变压器绕组中的损耗，它与负荷有关，当变压器通 过负荷时， 有功功率损耗等于绕组中的铜损， 无功功率损耗等于绕组中的漏抗损耗。 1 )双绕组变压器功率损耗 双绕组变压器功率损耗按下式计算 衅 = 叽 p 2 千 + - 万 2- r r ( 2 - 5 ) . _i %_p z + 0 2 ， _ 叩* =d+一x r 一 1 0 0 ”u ( 2 - 6 ) 式中，a p o 为 变压器空 载有功功率， m w; 1 0 0/ 0 为 变压器的空载电 流百分值。 三绕组变压器功率损耗 三绕组变压器功率损耗按下式计算 衅= a p or r ; 几 2 十 认z _只 z + 认2 +.份，于 二， 人 ， ， +一 u z 一u 3 r r 3 ( 2 - 7 ) q * _ 望: ; 薄全 q i二 x - 译兰 e ll _x ,. 一 1 0 0 矶“矶 . p 3 z + q 3 2 2宁 一一了，子 - u 3 . 价 ，( 2 - 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 )根据变压器的铭牌求功率损耗 以双绕组变压器为例 二= 二十 二 三 丫 一 1 s, . i 、，了 ( 2 - 9 ) 一i _ u ,. % s s ) , os *=一百。十一i i 一1 0 0 1 0 0 气 今) ( 2 - 1 0 ) 式中，s 为通过变压器的实际容量， m v a ;匀为变压器的 额定容量， m v a . 上述负载损耗是根据变压器端电压在任意负荷时等于额定电压导出的。 4 )几台参数相等的变压器并列运行时功率损耗 有n 台 参数 相等的 变压 器并 列运 行， 总 的 负 荷s 二 p + j q ， 这时 总 的 损 耗为 、 = napo二 二 奇 )zs i ( 2 - 1 1 ) 。 = 0n 100 s n + n 叽 % s , 1 0 0 三丫 l sn ) ( 2 - 1 2 ) 3 、并联电容器、调相机、串联电容器以及限流电抗器的损耗计算 1 ) 并联电容器损耗 电容器的损失与电缆的介质损失一样， 可根据制造厂提供的电容器绝缘介质损 失角正切t g v 来计算.一般可取tg a = 0 . 0 0 4 .因此， a a = q x tg v x 2 4 并联电容器的日损失电量为 ( 2 - 1 3 ) 式中，q c为 代表日电 力网中 投入 运行的 并 联电 容 器总 容量， k v a r . 调相机损耗 调相机消耗的有功功率与它所发的无功功率有关，一般可根据制造厂提供的数 据和代表日调相机的无功电度表读数来计算调相机损耗用电量。调相机在代表日的 平均无功负荷为 。_ a q vro一下了 ， ( 2 - 1 4 ) 式中 式中 ，布为 调 相 机在 代 表日 所 发 的 无 功电 量， k v a r .h . 调相机在代表日所耗用的电量为 “二 q ,- x 竺% x 2 4 一 态 、 o p 0l oa x - 一 ?1 0 0 y 1 0 0 ( 2 - 1 5 ) ，o p % 为 对 应 于 调 相 机 平 均 无 功负 荷q tp 的 有 功 功 率 消 耗 百 分 数 3 ) 串联电容器损耗 华北电力大学硕士学位论文 串联电容器所消耗的电量也是由 介质损失引 起的。电容器的介质损失与它两端 的电 压有关，而两端电压又与通过它的电 流有关。如果已知通过串联电容器的均方 根电流，则串联电容器组的日 损失电量为 a a = 3 7 ,; 共x tg a x 1 0 3 x 2 4 一 m l ( 2 - 1 6 ) 式 中 ， i y 为 代 表日 通 过 串 联 电 容 器 组 的 均 方 根 电 流 ， a ; c 为 每 相 串 联 电 容 器 组 的 电容 ( u f ) 。若每项的串联电容器组有n 组并联，每组有m个电容器单元串联组成 时 ， c = 二其 中 q 是 每 个 电 容 器 单 元 的 标 称 电 容 ; tg o 为 串 联 电 容 器 的 介 质 损 失 角 正 切 值 m 求出各组串联电容器的损失电量以后， 把它们总加起来，就得到全部串联电容 器的总损失电量。 4 ) 限流电抗器损耗 限流电抗器一般都装在变电所的变压器、母线、送电线路或高压配电线路的回 路内，代表日 通过电抗器的电流都有直接或间接的实测纪录。因此，一台限流电抗 器的日损失电量可按下式决定: ， 一 3 f it r 丫 x 4 p x 2 4 x 1。 一 l i a ) ( 2 - 1 7 ) 式中 ， 勺为 通 过电 抗 器 的 均 方 根电 流， a ;几 为 电 抗 器的 额 定电 流， a ; a 气为 电 抗器一相在7 5 摄氏度时的损耗功率，w, 输电网由于表计安装充足，各种测量设备也十分多，因此各种数据丰富，采集 方便。故本文中采用了潮流的方法来进行输电网线损理论计算.潮流计算是根据给 定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态 运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽 点电压、平衡点的电压和相位角，网络的功率损耗是待求的运行状态参量之一。计 算潮流的方法有很多种， 我们选用了传统的p - q分解法。 p - q分解法具有收敛性好、 速度快等优点。 2 .4 l o k v ( 6 k v )配电网理论线损计算 与输电网相比， i o k v配电网的网络结构有着明显的差异， 配电网的网络成辐射 状，在正常运行时是开环的，只有在倒换负荷或发生故障时才有可能出现短时的环 网运行情况。配电网的另一个特点是配电线路的总长度较输电线路要长，且分支较 多， 配电网的线路比 输电网细，导致配电 网的r i x较大，无法满足p , q解祸条件 g;-b;， 所以 在输电网中常用的快速解藕算法 ( f d l f ) 在配电网中则难以收敛。 现 华北电力大学硕士学位论文 有配电网的特点和数据采集方式决定了其线损理论计算只能采用近似和简化的方 法.传统方法为了适应当时的手工计算条件，采用了过于简化的计算模型和处理方 法，以尽量简化计算过程。随着计算机及其应用技术的发展，以及供电企业对线损 管理要求的不断提高，计算方法的精确性和输出结果的丰富性逐渐成为人们对线损 计算方法的迫切要求。 目 前，配电网线损的理论计算方法主要分为两类:一是依据网络主要损耗元件 的物理特性建立的各种等值模型算法;二是根据馈线数据建立的各种统计模型和神 经网络模型等。本文针对这两类算法分别设计了计算程序，第一类算法采用的是均 方根电流法。第二类算法中采用粒子群优化算法来训练神经网络，再通过训练后的 神经网络来拟合配电线路线损和线路特征参数 ( 线路有功电量、无功电量、配变总 容量、线路总长等)之间的复杂关系。第二类方法在下一章中重点介绍，这里只介 绍均方根电流法的基本原理。 设电力网元件电阻为r ， 通过该元件的电流为i ， 当电流通过该件时产生的三相 有功功率损耗为 a p = 3 1 r x 1 0 - ( 2 - 1 8 ) 则该元件在 2 4 小时内的电能损耗为 a a = 3 i i2 r d , x 1 0 - ( 2 - 1 9 ) 由于i 是随机变量，一般不能准确地获得，上述积分式解不出来，如果把计算 期内时段划分的足够小，则可以完全达到等效。一般电流值是通过代表日 2 4小时 正点负荷实测得到的，设每小时内电流值不变，则全日 2 4小时元件电阻中的电能 损失为 a a = 3 衍十 玲 + :吸 卜 = 3 x 2 4 弓 *( 2 - 2 0 ) “= 3 弓、 r x t( 2 - 2 1 ) 式中，r 为元件的电阻 电流，ao 均 方 根电 流i d 由 。 : t 为 运 行时 间， 对于 代表日t = 2 4 , h ; 与为 均 方 根 2 4小时电流求得 r z i .ff = v ,.t .1 ( a) ( 2 - 2 2 ) 式中，1 , 为各正点时通过元件的负荷电流，a o 华北电力大学硕士学位论文 当 负 荷曲 线以 三 相 有 功 功 率 、 无 功 功 率 表 示时i ff 可由 下 式 计 算 ， ， 二 111 (p + q ) 刀1 3 xt u ( a)( 2 - 2 3 ) 式中，君 为正点时通过元件的 三相有功 功 率， k w;9为正点时通过元件的 三相无 功功率， k v a r ;认为线电 压平均值， k v o 2 .5低压电网 ( 0 .4 k v 及以下)理论线损计算 低压配电网一般由低压线路、接户线、电能表等组成。它具有以下两个主要特 点:一是供电方式和结构比较复杂，有三相三线制、三相四线制、单相三线制和单 相两线制等多种供电方式;二是用户多而分散，用电负荷变化较大，并且计量表不 齐全， 缺乏比较完整的运行记录及资料。 而且， 一般仅在变电站馈线出口装有表计， 各分支线以及多数元件的数据无法获取，从而给低压配电网的线损计算带来许多困 难。因此，要想十分精确地计算农村低压配电网的线损，具有一定困难。 在原能源部颁布的 电力网电能损耗计算导则中，对于低压电网理论线损计 算仅提供了电压损失法。这种方法从理论上说是可行的，但是在实际工作中很难操 作，线损计算所需资料很难收集，且准确度较低。另外，还可采用台区电量损失法 和等值电阻法计算。台区电量损失法计算所需采集数据的工作量较大，且只能测算 一个供电所的线损理论计算结果，不能具体到每个台区;参照原来 l o k v系统的等 值电阻法进行低压配电网线损理论计算，计算所需的资料参数较多，工作量大，很 难对所有低压台区进行线损理论计算。本文采用了一种用微机进行低压配电网线损 理论计算的数学模型“ 竹节法” ( 2 4 “ 竹节法”是根据统计规律得出 来的，用 “ 竹节法”进行低压配电网线损理论计算，所需采集的线路参数和运行参数相对较 少，而计算结果的准确度符合工程计算的要求。实践也证明，它是简单、实用的低 压配电网线损理论计算方法。 2 . 5 . 1低压电网理论线损的构成 低压电网的线损由线路损耗、 用户电 度表损耗和二级漏电 保护器损耗三大部分 构成，另外还有台区的电度总表、漏电保护器、交流接触器、电流互感器、电容器 等搞耗。电 度表有单相表和三相表， 又分为电 磁式和电子式。电 磁式电度表损耗较 大， 一般负荷下，单相表月损电量为1 k w h ， 三相表为3 k wh :电子式电度表损耗较 小，单相表月损电量为0 a k wh ，三相表为0 . 8 k wh e漏电保护器损耗与漏电保护器 的型号有关，一般月损量0 . 5 k wh o 华北电力大学硕士学位论文 2 . 5 .2 “ 竹节法”的基本原理 由于经济发展的不平衡， 全国各地乡村的户月均用电量相差很大，因此造成了 低压线损率不同.但就某一个村来说，虽然每户的用电量各不相同，但是由 于经济 条 件相差不是很大，每户用电量也相差不大， 接近全台区的户均用电量，变化规律 符合正态分布，每个下户线的月平均电量也相差不大。因此，计算下户线的损失时 可用下户线的平均电量来计算。下户线的长度也可用平均长度来计算。 这样计算出 一个下户线的损耗后，乘以 下户线个数就可得到该台区所有下户线的损耗， 这样计 算得到的数值虽然与每个下户线单独计算然后再相加得到的数值有差距，但不是很 大。根据统计规律，下户线个数越多， 计算结果越准确。同样可以用统计的概念来 计算支线和主线的损耗。由 于下户线在支线上的 分布和支线在主线上的分布像竹节 一样， 主线和支线上的电流逐渐变小， 为了形象， 将该方法叫做 “ 竹节法” 。 计算时 电 流采用平均电流法，主干线及支线电流采用 “ 竹节式” 递减， 下户线电流采用平 均功率计算2 4 1“ 竹节法” 计算的几个假设: ( 1 ) 每个电 气节点的电压相等。 ( 2 ) 支线在主干线上均匀分布。 ( 3 ) 每种型号的支线长度相等，负荷相同 ( 大小、功率因 数、负荷形状系数 相同) ，下户线个数相同，下户线在支线上均匀分布. ( 4 ) 每个下户线的长度和负荷相同。 2 .5 .3 “ 竹节法”计算公式 利用 “ 竹节法”计算低压配电网线损理论计算公式如下: ( 1 ) 主线单相线损功率计算: p , = k ,k z k 3 ( 1 2 + 2 2 + . . + n 2 ) 1 2 r , l n 3 二 戈 k 2 k 3 (n + 1 ) (2 n + 1) 1 2 r ,/ 6 n 2 式中 ，k , 为 负 荷形 状系 数;k 2 为 损失 系 数， 与 线 路老 化程 度、 ( 2 - 2 4) 三相不平衡率等因 数 有 关:凡为不 平衡系 数;n 为 支 路个 数;i 为 线 路 ( 主线 ) 首端 相电 流;凡 为 主线 电阻。 ( 2 ) 支线单相线损功率计算: 每个支线的每相线损功率与主线的计算方法相同， 所有支线的单相线损功率: p 2 = k ,k 2 凡(m + n ) (2 m + n ) i 2 r 2 / 6 m 2 n 2 式 中， m 为下 户线 个数:r 2 为 支路电 阻 . ( 3 ) 下户线损失功率计算: 君 = k k 2k 3 1 2r . / ( 2 - 2 5) ( 2 - 2 6) 华北电力大学硕士学位论文 式 中， r , 为 下户 线电阻 。 根据统计规律及现在低压电网的特点和工程计算的精度要求， 这种方法是可行 的。本数学模型同时便于采用微机进行编程计算。为了进行低压理论线损计算，需 要线路的负荷性质、线路类型、月用电时间、月有功电量、月无功电量 ( 或有功功 率、无功功率)、平均相电压、负荷形状系数，主线各种型号、 长度， 支线各种型 号、个数、总长度，下户线的各种型号、个数、总长度及最大负荷小时数。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 基干p s o优化神经网络的配电网线损计算方法 目前，配电网线损的理论计算方法主要分为两类:一是依据网络主要损耗元件 的物理特性建立的各种等值模型算法;二是根据馈线数据建立的各种统计模型和神 经网络模型等。其中等值模型算法应用较为广泛，这些方法在一定程度上满足了现 场的需要，且这类线损理论计算的方法已 经发展的比较完善。根据馈线数据建立的 各种统计模型和神经网络模型的方法也有了较多的研究， 如回归分析法12 5 1 、 基于分 群算法和人工神经网络的 配电网线损计算方法2 6 1 遗传算法与b p 算法相结合来计算 配电网 线损的方法14 7 . 5 1 等等。 本文提出了 一 种用基于粒子群优化的神经网络来计算 配电网线损的算法。该方法使用p s o来优化b p 神经网络的权值和阐值，然后用优 化过的 b p模型来拟合影响线损的特征参数与线损之间的复杂关系。用粒子群优化 算法优化神经网络的连接权值和阐值，其训练神经网络的精度高于 b p算法和 b p 与g a结合算法，且该算法更易编程实现. 3 . 1基于神经网络的配电网线损计算 b p 模型理论上可映射任意复杂的非线性关系， 而一定时段内 配电线路线损与很 多特征参数有关，如配电线路的有功供电量、无功供电量、配电变压器的容量、配 电线路长度、配电变压器的台数、配电线路总截段数等。因而 b p模型适于模拟线 损与特征参数间的非线性关系，而且由于其是面向数据的，因而对任何配电网都适 合. b p模型是一种多层前馈网络，如图3 - 1 所示。本文网络采用三层结构，多个节 隐含层 图3 - 1 b p 模型网 点的输入层， 单个节点的输 出层， 一个隐含层。 输入为 影响配电线路线损的特征 参数， 本文研究了前四个特 征参数与线损的关系， 因而 输入层有四个节点( 配电线 路的有功供电量、 无功供电 量、配电变压器的容量、 配 电线路长度) 。输出层只有 一个节点即线损的计算值。 隐含层神经元个数的确定 要用逐步检验的方法。 神经 华北电力大学硕士学位论文 元节点函数常取s型函数: f ( x ) = 1 / ( 1 + e x p ( 一+ 0 ) ( 3 - 1 ) 式中，x 为节点输入，夕 为闽值。 用 b p型神经网络进行配电网线损计算主要分两步，第一步为训练阶段，第二 步为使用阶段。具体步骤我们在下一节中具体介绍。 3 .2基于p s o优化神经网络的配电网线损计算 3 .2 . 1粒子群优化算法 粒子 群优化算法源自 对鸟 群捕食行为的 研究， 最初由k e n n e d y 和e b e r h a r t 提出 ， 是一种通用的启发式搜索技术。一群鸟在区域中随机搜索食物，所有鸟都知道自己 当前位置距离食物多远，那么搜索的最简单有效的策略就是搜寻目前离食物最近的 鸟的周围区域。 p s o算法利用这种模型得到启示并应用于解决优化问题。 p s o算法 中，每个优化问题的解都是粒子在搜索空间中的位置，所有的粒子都有一个被优化 的目 标函数所决定的适应值，粒子还有一个速度值决定它们飞翔的方向和距离，然 后粒子群就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。 粒子群优化算法采用速度一位置搜索模型。每个粒子代表解空间的一个候选 解， 解的 优劣程度由 适应函数决定。 速度吟 = (v， 。 ， 从 2 ， ， 、 ) 决定 粒子在搜索空间 单位 迭代次数的位移，适应函数根据优化目 标定义。 p s o算法首先在给定的解空间中随 机初始化粒子群， 待优化问题的变量数决定了解空间的维数， 其中第i 个粒子在n 维 解空间 的 位置 表示为x = ( x -1 , x , - - - , x . ) . 每一 次迭代， 粒子 通过动态跟踪两个极值来 更新其速度和位置。第一个极值是粒子从初始到当前迭代次数搜索产生的最优解， 即 个 体极值a = ( a n l p ,r - + p m ) 。 第二 个极值是 全部 粒子迭待到当 前的最 优解， 即 全 局 极 值g = ( i = 1 , 2 , 3 , - 二 ， s , s 为种群规模;w 为 惯性 权重;r a n d u 是均匀分布在 ( 0 , 1 ) 区间的 随 机数:c , , c 2 为加速因 子， 一 般 取 c , 一 c 2 = 2 2 7 1 . 粒子在解空间内不断跟踪个体极值与全局极值进行搜索，直到达到规定的迭代 次数或满足规定的误差标准为止。粒子在每一维飞行的速度不能超过算法设定的最 大 速 度 v -， 即 当 式( 3 - 2 ) 的 !v d j 、时 ， 取 , , i = v -。 设 置 较 大 的 v -可 以 保 证 粒 华北电力大学硕士学位论文 子种群的 全局搜索能力， v -较小则粒子 种群的 局部搜索能 力加强. v -通常 设定为 每维动态变化范围的1 0 % -2 0 % e 确定权重的一般做法将， 初始为0 .9 并使其随迭代次数的增加线性递减至0 .4 , 但是p s o实际搜索过程是非线性且高度复杂的， 使用惯性权重线性搜索策略往往不 能反映实际优化搜索。鉴于此本文使用了 一 种随 机惯性权 ( r i w ) 策略【2 8 1 。 这种随 ，机惯性权策略意在改变线性搜索策略的单一的调节模式，使之较好地适应复 杂的实 际 环境。为此，先定义最优适应值变化率k ， 如式( 3 - 4 ) 所示。 k = f ( 上a t - 1 0 ) f ( t ) ( 3 - 4 ) 其中f ( t ) 为 种群在第t 代时的最优适应 值;at - 1 0 ) 为种群 在第( t - 1 0 ) 代时的最 优适应值。 由式( 3 - 4 ) 可见，k 表示在进化 1 0 代内最优适应值的相对变化率。 惯性权重w 将按式 ( 3 - 5 )取随机值，且其数学期望值将随k 而变。 w = 气+ r / 2 .0 w = 气+ r / 2 .0 k ? 0 . 0 5 k 0 . 0 5 ( 3 - 5 ) 其中r 为 均匀 分 布于 0 , 1 之间的 随 机 数， 当k ? 0 .0 5 时， 期望 值e ( w ) = a , + 0 .2 5 ; 当k a , a a a , 分别 是 最优适 应 值 变 化率k 取不 同范围时所对应的最小权重值。 该选择策略有两个特点:其一，随机地选取w 值，由式 ( 3 - 2 )可见， 这将使粒 子历史速度对当前速度的影响为随机的;其二，的数学期望值将随最优适应值的 变化率自 适应地调整，从而可以更灵活地调节全局搜索与局部搜索能力。另外，惯 性权重取值的随机性，在一定程度上与遗传算法的变异算子较为相似，这将有助于 保持种群的多样性。 3 . 2 . 2 p s o训练b p 型神经网络 b p网络训练时， 对确定的输入样本向 量而言其实际输出可以认为是以 权重和阐 值为自 变量的函数.设定该函数为b p 网络的“ 黑箱函数”f，则a = f ( w , b ) o a 为 实际输出向量，b 为阐值所构成的向量，w 为权重矩阵集， 第i 个输入样本有相应的 实 际 输 出 马 ， 其 第.1 个 分 量 为马 ; 对 每 个 确 定 的 输 入 样 本向 量 有 相 应 的 期 望 输 出 r, , 其 第.1 个 分 量 为 ty 从 而 最 小 均 方 差m s e 为 : 万艺川 胡艺1-1 m s e = 止 s n ( a 一 t,; ) 2 ( 3 - 6 ) 其中， n为输出向量的维度， s n为样本总数， m s e是权重和闭值为自 变量的函 数。 华北电力大学硕士学位论文 设计p s o与b p 神经网络结合的学习算法，首先必须建立合理的粒子模型并确 初始化每个粒子 ( 神经网络的权 值和阐值) ， 确 定随机位置和速度 评价每个粒子的搜索位置 ( 适应度m s e ) 改变每个粒子的 搜索 位置 ( 修改神经网络得权值和阖值) 误差达到最初设定值 或达到最大代数 结束 图3 - 2粒子群优化算法优化神经网络流程图 定适应函数和搜索空间。 从上一 部分分析可知， 神经网络学习过 程主要是权重和阐值的更新过 程， p s o搜索过程主要是其在不 同维度上的速度和位置的改变。 因而神经网络学习算法中的权 重和阐值应与粒子的位置相对 应， 先依次按行扫描神经网络的 权重矩阵，后扫描所有偏置量。 从而得到n维向量， 每个向量x 对应一个 p s o 中的一个粒子， p s o 中的适应函数可定义为 ms e 。这样，神经网络的学习过 程实质是粒子在 n 维空间中搜 索最佳位置。图3 - 2 为粒子群优 化算法优化神经网络流程图。 设粒子群个数为3 0 , 随机产生 - 1 , 1 1 区间的 初始权值和阐值作为粒子的初始位 置，取样本中输出值和神经网络训练的实际输出值的误差平方和 ms e作为粒子的 适应度来评价每个粒子的搜索位置， 用式 ( 3 - 2 ) 、式 ( 3 - 3 )改变每个粒子的搜索位 置，当误差达到最初设定值或达到最大的迭代次数时，循环停止。 由上一节可知本文采用三层 b p模型神经网络，有 4个输入端和 1 个输出端， 分别与4 个特征参数和配电线路线损相对应。根据经验规则，网络中权重总数应等 于或小于样本容量， 所得数学模型才比较稳定。本文对样本进行分群处理，隐含层 结点数为 5 ，所以网络结构为4 - 5 - 1 ，共 2 5 个权值和 6个闽值。即粒子群算法中每 个粒子的搜索空间为3 1 维。 3 .2 .3 p s o优化b p 神经网络计算线损的步骤 1 、配电网内的线路分类 如果对配电网内的所有配电线路都安装负荷测试仪以获得准确线损值，将需要 大量的资金，这是不现实的。因此，有必要对配电网内的配电线路进行分类， 将结 构相似、运行状况相似的配电线路作为一类，然后在每种类型的线路中任选一条线 路进行实测工作。将这些有实测线损值的线路作为样本，应用p s o优化的a n n就 可以建立一个线损计算的模型。 华北电力大学硕士学位论文 本文根据数理统计中的模糊聚类分析法提出一种对配电网内的线路进行分类 的方法， 模糊c均值聚类 ( f c m) ，即众所周知的模糊i s o d a t a ，是用隶属度确定 每个数据点属于某个聚类的程度的一种聚类算法。 假定已对n条配电线路收集和统计了n 个影响线损的特征参数 ( a n n的自 变 量) ， 则 得到n 个 原 始自 变量向 量a f c m把n 个向 量戈( i = 1 , 2 , . . . , n) 分 为c 个 模 糊组， 并求每组的聚类中心， 使得非相似性指标的价值函数达到最小。 f c m用模糊 划分，用每个给定数据点值在 ( 0 , 1 )间的隶属度来确定其属于各个组的程度。与 引入模糊划分相适应，隶属矩阵u允许有取值在 ( 0 . 1 )间的元素。不过， 加上归 一化规定，一个数据集的隶属度的和总等于 1 : 艺: 。 - 1 . v j = i ， 一 ， 。 i - i 那么，f c m 的价值函数 ( 或 目标函数)就是: ( 3 - 7 ) j ( u , c l , . ., c ) = 艺j , = y y u m d 2y ( 3 - 8 ) i - i j 这 里u y 介 于( 。 ， i ) 间 ; c , 为 模 糊 组1 的 聚 类中 心 ， d , = 4 i c , 一 戈n 为 第i 个 聚 类中 心与第1 个数据点间的欧几里德距离; 且m e ( 1 , 间是一个加权指数. 构造如下新的目标函数，可求得使 ( 3 - 8 )式达到最小值的必要条件: j (u ,c l,.二 ，cc ， 凡 ，“ ，凡 ) 一 j (u ,c l. c c ) + e-i = l l u y 叮 + d y l -+ j ( 、 一 1) a l ( y- u y - 1 ) ( 3 - 9 ) i - i j j - 1 -i 这 里凡， .1 = 1 , . ., n ， 是( 3 - 7 ) 式 的 。 个 约 束 式 的 拉 格 朗日 乘 子。 对 所 有 输 入 参 量求导，使式 ( 3 - 8 )达到最小的必要条件为: 艺心 x， 乌 = ic l - j s y- . 11 j 司 ( 3 - 1 0 ) 1 c 3 - 1 1 ) 凡-心 护矛十电、 c艺均 由上述两个必要条件， 模糊c均值聚类算法是一个简单的迭代过程。 在批处理 华北电力大学硕士学位论文 方 式运行时， f c m用下列步骤确定 聚类中 心砚和隶属矩阵u: 步骤1 : 用值在 ( 0 , 1 )间的随机数初始化隶属矩阵u， 使其满足式 ( 3 - 7 )中 的约束条件。 步 骤2 : 用式( 3 - 1 0 ) 计算。 个聚 类中 心c，i = 1 ,2 , . ， 。 。 步骤3 :根据式 ( 3 - 8 )计算价值函数。如果它小于某个确定的阀值，或它相对 上次价值函数值的改变量小于某个阀值，则算法停止。 步骤4 :用 ( 3 - 1 1 )计算新的u矩阵。返回步骤2 1 。对于m，它是一个控制算法的柔性 的参数，如果m过大，则聚类效果会很次，而如果m过小则算法会接近 h c m聚类 算法。 算法的输出是c 个聚类中心点向量和c n的一个模糊划分