电网线损理论计算与分析系统
>张伏生　　李燕雷　　汪　鸿（西安交通大学　西安　710049）


1　引言　　
　　线损率是国家考核供电企业的重要技术经济指标，是电力企业完成国家计划和企业上等级的主要内容之一，同时线损率又是供电企业管理水平的综合反映。因此线损计算及管理对于电力系统来说是意义重大的。
　　本文设计了一个电网线损计算与分析系统，它不但适用于输电网，而且适用于配电网。本系统是集图形、数据为一体的应用平台，实现了自动作图，可视化图形交互方式的数据录入，高效率的网络结构分析，并提供了灵活多样的查询、统计功能。
2　系统基本结构设计
　　作为一个应用程序，尤其是基于网络应用的程序，必须具有良好的稳定性。因此在建立系统模型时，就考虑到运用面向对象的编程思想，根据对系统需求的详细分析，把系统分为几个相互独立的功能模块，分别是图形编辑模块、网络拓扑模块、数据库平台。各模块留有接口，模块之间可以很方便的进行信息交换（InformationExchange）。模块的设计要求：功能完整；易用性；容易移植，易于装配和剪裁；可扩充性；良好的保密性和可维护性。
　　本文采用统一建模语言（UML）来建模，参考文献［3］中的设计方法，我们可以建立线损理论计算与分析系统的模型，它们之间的关系也可以表现出来。
　　如图1所示，这个系统模型包括了图形编辑模块、拓扑分析模块、数据库模块、以及输、配网线损理论计算与分析模块。根据图形编辑系统制作出的接线图；用网络拓扑模块进行网络结构的分析，判断连通性，并进行动态着色；还可以自动进行节点编号，为潮流计算等准备了基本的参数数据。所有的数据都存在数据库中，以便交互使用；根据前面准备好的数据，运用不同的计算方法分别进行理论线损计算及线损分析。3　图形编辑系统
　　如今，电力系统中越来越多的采用了AM／FM／GIS系统，该系统可以提供方便快捷的作图工具，快速有效的制作地图。他还提供了内部的关系数据库、网络数据结构以及专用的函数功能。数据库可用于管理繁多复杂的电力设备及有关信息；网络结构可用于电力系统的网络接线分析以及拓扑关系分析；各种专用的函数可以实现许多统计查询分析功能。
　　但是，目前所开发出的地理信息系统都有许多的弊端，限制了它的广泛应用。尤其是针对电力系统的地理信息系统，更是少之又少，无法满足目前电力系统在各方面的需求。我们针对电力系统的特点，如组件种类繁多、接线复杂、重复性强等等，通过对地理信息系统的二次开发，开发出适合电力系统图形设计的图形编辑系统，设计出在电力系统中各种设备常见的像素。地图分图层设计，不同的实体属于不同的图层，这样不仅方便管理各种设备，还可以实现分图层显示，只显示某一个或某几个图层。
　　该图形编辑系统的主要功能如下：
　　（1）能进行任意漫游，具有辅助导航功能，可实现整个电网一次接线的完整图形显示，漫游自然平滑，实时数据同步显示；
　　（2）任意变焦能保持实时数据与图形和汉字的同步变焦、变焦放大图形和实时数据、像素不出现错位；
　　（3）支持调用静态图像（如设备、现场图片）；
　　（4）图形的生成和编辑力求最简化，并要求智能化。使用户能快捷、方便的完成绘制工作；
　　（5）动态着色功能，根据实际系统的运行状况，自动确定设备的各种状态。并根据用户定义，以不同的颜色显示出不同的运行状态；
　　（6）操作合理性检验，若违反操作规程，则禁止操作，并进行相应的提示；
　　（7）绘制出的电网图和数据库相连，即添加和删除某个设备都在数据库中相应的产生变化；
　　（8）可以在图形上添加标注层，有专门的标注管理器，可方便的增加、删除或更改标注层的属性，如标注的字体、颜色、尺寸等；
　　（9）利用空间测量资料，可测量点和点之间的距离，线路长度以及面状图的面积；
　　（10）制图功能强大，智能化。包含多种制图方法，可以实现各种块操作、自定义图形集，以及通过按格式输入各种设备的参数及必要的结构资料，由系统自动生成接线图等。比如系统中存在各种接线形式接线图的模板，用户可以根据自己的需求选择不同的接线形式，系统就会自动绘制出图形。
　　（11）关于电力设备参数的输入，可以在图形上直接点击电力设备，调出参数输入框进行输入，图中实体与数据库中的记录通过实体编号自动建立关联关系。对于大批量的资料录入，也可通过表格形式直接输入到数据库中去。
4　网络拓扑分析
　　网络拓扑在电力系统中起着至关重要的作用，它为各种高级应用软件提供了基本的网络结构资料。在电力系统中，当电力网络比较大，节电比较多时，电力网络结构的数据量就非常大，节点编号往往也变的复杂繁琐，且容易引入人为错误，比如输入数据错误等。基于图形编辑系统的网络拓扑模块，可以大大提高工作效率，减少不必要的错误。
　　利用基于图形编辑系统的网络拓扑分析计算量小、网络分析速度快，可以自动进行节点编号，无需人工干预。对于开关等状态信息的变化可以自动调用拓扑程序，更新拓扑结果资料，操作达到了可视化、智能化的要求。
　　网络拓扑模块可以实现在网络接线图上进行开关的任意的分、合，线路、变压器等电气设备的投、切操作，可以模拟各种网络运行方式，自动进行网络的带电状态分析、动态网络着色、区域分割等。这对线损查询、统计以及分析中选择、确定降损措施与方法是非常方便的。
5　数据库设计及线损数据管理
　　数据库是配电网管理系统的核心，建立一个开放的、共享的、高效率的数据平台是关键，其质量的好坏直接影响到整个系统的功能，它是系统应用软件的基础。数据库模式有多种，如网络型、层次型、关系型、面向对象型等。采用面向对象的思想与方法来改善关系数据库的设计，可称为面向对象的关系数据库。其特点是：数据库结构清晰、简单、便于实现面向对象编程（OOP）。面向对象的数据库具有独立性、自治性、维护方便。需要变更时程序和数据的重用率高、修改少。数据库模式是否支持应用系统的对象模型可以作为判断其是否为面向对象数据库的基本出发点。因此应用程序对象模型向数据库模式的映射是面向对象数据库的关键。
　　由于配电网系统模型是用关系数据库来描述的，因此采用面向对象技术实现对象模型是由二维表及表间关系来实现的。也就是说，在建立了配电网系统对象模型的基础上采用了关系数据库管理系统，而数据库的设计采用了面向对象的技术。以配电网系统为例，配电设备多，对一个设备来说在不同的应用中需要的信息也不同，有时还需要知道这个设备与其他设备的联系。可以将配电设备信息分为三级类别。第一级为配电设备的基本信息，提供的信息如设备名称、编号、安装地点等；第二级对各类设备再进一步细分，如开关设备可进一步细分为断路器、熔断器、重合器等，在第二级将分别描述他们更具体的信息，以及各类对象之间的相互联系；第三级为该类设备通用的信息，如开关设备有“断开”、“闭合”这两种状态信息，变压器、电容器组可分为“投入”、“切除”等。
　　数据库采用性能优越的基于NT环境的SQLSERVER大型数据库系统，它是一个多用户关系数据库系统，是一个安全的、可扩展的、易管理、高性能的客户机／服务器数据库平台；系统采用ODBC技术，使系统与数据库相互独立，可以很方便的与MIS系统建立连接。系统中采用标准查询语言SQL语句来进行数据操作，SQL语句具有语法简单、执行效率高的优点。
6　线损理论计算
6．1　输电网线损理论计算
　　输电网线损理论计算主要适用于各种复杂电网的线损理论计算，即可用来进行代表日线损理论计算、全月线损估算和全年线损估算，也可用于线损预测。
　　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。故本系统中采用了潮流的方法来进行线损理论计算。计算潮流的方法有很多种，我们选用了传统的P－Q分解法^［1］。P－Q分解法具有收敛性好、速度快等优点。
　　同时，本系统考虑到许多电力系统部门已经有了自己的潮流计算程序，因此提供其他潮流算法的接口。比如，目前应用比较广泛的电力系统计算程序是由华中电管局开发的PSASP（电力系统分析综合程序）。我们提供了该选项，即将潮流计算所需的基本数据按PSASP的输入格式准备，将PSASP的计算结果按本系统的格式存入数据库，以便线损计算程序调用。
6．2　配电网线损理论计算　　与高压输电系统相比，配电系统的特点是：网络结构为辐射状、设备型号多、主馈线有很多支线、接有不同容量的配电变压器、网络结构变化频繁。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，从而给配电网的线损计算带来许多困难。因此对配电网的电能损耗计算通常采用近似简化算法。考虑到目前配电网的这些情况，也为了和其他算法的比较，本系统提供了不同的线损计算方法，供用户选择。
　　配电网线损的计算方法主要有：均方根电流法、最大电流法、平均电流法、等值电阻法等等。在原理上这些方法采用了对计算网络和数据的一些等效、简化。一般假设网络各节点的负荷曲线形状、功率因数均与首端相同，忽略沿线的电压损失对能耗的影响。这些近似的方法导致线损结果的准确性很难把握。但随着配电网的发展，各种运行数据将逐渐齐备，这样使得利用潮流的方法计算各时刻的功率损失成为可能。为此本系统线损计算中也包括了潮流方法。配网潮流[1][2]下一页