陳冰斌，趙健

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建福州350009；2.天津大學(xué)，天津 300072）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求也在不斷增長(zhǎng)，目前已成為世界上第二大能源消耗國(guó)，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能與現(xiàn)有能源高效利用成為當(dāng)務(wù)之急。建設(shè)節(jié)能電網(wǎng)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義[1-3]。

我國(guó)電網(wǎng)的損耗相對(duì)較大，且主要集中在配電網(wǎng)上，對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)配電環(huán)節(jié)的節(jié)能減排，其效益將會(huì)十分明顯。在預(yù)期這些效益中，掌握配電網(wǎng)新型節(jié)能設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用情況，將為電力企業(yè)取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益[4-5]；掌握新型節(jié)能設(shè)備與技術(shù)的節(jié)能測(cè)量方法，可以大幅提高使用新型節(jié)能設(shè)備與技術(shù)的節(jié)能效果[6-10]。文獻(xiàn)[11]提出了配電網(wǎng)節(jié)能潛力定量評(píng)估的總體思路和具體實(shí)施方案，從抽樣微觀分析和全網(wǎng)宏觀統(tǒng)計(jì)2方面入手，評(píng)估每條線路綜合節(jié)能潛力，但沒(méi)有涉及電網(wǎng)損耗的實(shí)測(cè)。文獻(xiàn)[12]提出了有效能量和無(wú)效能量的概念，建立了以能效和耗能比為主要指標(biāo)的新型節(jié)能評(píng)估體系，并闡述了其重要意義，卻沒(méi)有涉及節(jié)能效果的計(jì)算方法[13-16]。

本文將針對(duì)實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償前后的配電網(wǎng)節(jié)能效果，通過(guò)節(jié)能計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，提出配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化計(jì)算方法，解決目前電網(wǎng)損耗計(jì)算方法不一致、節(jié)能效果準(zhǔn)確量化等問(wèn)題，進(jìn)而有力支撐電網(wǎng)公司節(jié)能服務(wù)體系建設(shè)，為國(guó)家節(jié)能減排工作提供技術(shù)支持，有助于為國(guó)家?guī)?lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能量化基本理論

配電網(wǎng)設(shè)備主要由電力線路和變壓器構(gòu)成，配電網(wǎng)損耗主要體現(xiàn)在線路和變壓器上，而配電網(wǎng)不同節(jié)能技術(shù)的實(shí)施會(huì)使配電網(wǎng)狀態(tài)產(chǎn)生變化，如無(wú)功補(bǔ)償會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)無(wú)功功率Q、合理調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行電壓會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行電壓U。因此，不同的節(jié)能技術(shù)會(huì)影響配電網(wǎng)運(yùn)行的不同參量（如P、Q、U等），進(jìn)而導(dǎo)致電力線路功率損耗ΔPL和變壓器功率損耗ΔPT產(chǎn)生變化，減小配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗[17-21]。

配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償主要分為3種方式，分別是變電站集中補(bǔ)償、配變低壓集中補(bǔ)償和線路無(wú)功補(bǔ)償，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式Fig.1 Reactive power compensation mode in the distribution network

本文以變電站集中無(wú)功補(bǔ)償為例進(jìn)行分析，變電站集中補(bǔ)償裝置一般連接在變電站10 kV母線上，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，但在配電網(wǎng)中通常采用Mvar級(jí)容量的并聯(lián)電容器[22-23]。若補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為QC，變壓器原有功負(fù)荷為PT，無(wú)功負(fù)荷為QT，則采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖儔浩骺倱p耗量變?yōu)?/p>

變壓器損耗的變化可表示為

因此，變電站的無(wú)功補(bǔ)償可以降低中壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。

但是，在對(duì)配電網(wǎng)施加無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)后，配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)隨之也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如果不能將施加無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)前后的配電網(wǎng)狀態(tài)劃歸一致，而直接對(duì)比前后的能耗量，進(jìn)而得出相應(yīng)的節(jié)能量是不具備可比性的，因此，在量化配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能量時(shí)，需要對(duì)前后2次的配電網(wǎng)基準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化[24-26]。配電網(wǎng)節(jié)能量的核證示意圖如圖2所示，在進(jìn)行節(jié)能技術(shù)前后節(jié)能量的對(duì)比時(shí)，先將2次配電網(wǎng)狀態(tài)歸化至同一基準(zhǔn)，再將對(duì)應(yīng)折算的損耗值進(jìn)行比較，才能得到施加節(jié)能技術(shù)后的真實(shí)節(jié)能量[27-29]。

圖2 電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)實(shí)施前后節(jié)能量計(jì)算示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy conservation technology in power grid before and after implementation of energy saving technology

2 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化算法

2.1 配電網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化步驟

以下是配電網(wǎng)節(jié)能的主要優(yōu)化步驟：

1）分析配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)節(jié)能量的影響。

2）確定配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)節(jié)能量的測(cè)量參數(shù)，包括電量損耗、功率損耗的測(cè)量以及配電網(wǎng)有功和無(wú)功功率的測(cè)量。

3）確定測(cè)量參數(shù)后選取合適的測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。

4）將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后的配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，比較得出準(zhǔn)確節(jié)能量。

配電網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化步驟如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化步驟Fig.3 The optimization step of distribution network energy saving

2.2 配電網(wǎng)節(jié)能的測(cè)量方法

針對(duì)變電站集中補(bǔ)償，應(yīng)量測(cè)變電站集中補(bǔ)償裝置所在10 kV網(wǎng)絡(luò)的損耗，即對(duì)該級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電量損耗量測(cè)和電力損耗量測(cè)。

1）電量損耗量測(cè)方法。由于配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要為輻射網(wǎng)狀性，若要對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)行量測(cè)，在該支路首端的變壓器側(cè)和所有下級(jí)配變側(cè)均需裝設(shè)電能表進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)電量損耗測(cè)量示意圖Fig.4 A schematic diagram of the measurement of power loss in a distribution network

設(shè)量測(cè)點(diǎn)為n個(gè)，選取某一時(shí)間段，量測(cè)變壓器出口側(cè)①處電量Q1和所有分支線路出口②處總電量值Q2，計(jì)算得出配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗為Q1-Q2。

2）電力損耗量測(cè)方法。根據(jù)現(xiàn)有量測(cè)裝置的特點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)量測(cè)點(diǎn)，最理想的量測(cè)精度為每隔一段時(shí)間采集一次電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括有功功率P、無(wú)功功率Q和網(wǎng)絡(luò)電壓U。

2.3 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化算法

本文主要利用配電網(wǎng)等值電阻法和形狀系數(shù)的電量損耗折算法對(duì)配電網(wǎng)的節(jié)能量計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化分析[13-14]，其過(guò)程如下：

1）選取未采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)前的典型量測(cè)日，通過(guò)量測(cè)得到配電網(wǎng)的損耗ΔA前，進(jìn)而選取采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后的量測(cè)日，通過(guò)量測(cè)得到配電網(wǎng)的損耗ΔA后，同時(shí)根據(jù)分析中的損耗測(cè)量方法，在配電網(wǎng)線路首段量測(cè)點(diǎn)中，每隔15 min記錄一次配電網(wǎng)的有功功率Pi、無(wú)功功率Qi和線路電壓Ui的數(shù)據(jù)（i=0,1,2,…,95）。

2）從配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取過(guò)去1 a中與采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相近但未采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)時(shí)的3個(gè)典型量測(cè)日的數(shù)據(jù)記錄，得到該量測(cè)日全天有功電量Aa、全天無(wú)功電量Ar、同步驟1）中每隔15 min的96組有功功率P、無(wú)功功率Q和配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)電壓U的集合。從而，可得到3組形狀系數(shù)的區(qū)間值

3）利用配電網(wǎng)等值電阻法求取所選配電線路的等值電阻RLeq和變壓器的等值電阻RTeq。

4）通過(guò)步驟2）中第j個(gè)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄（j= 1,2,3），分析計(jì)算得出配電網(wǎng)的有功功率損耗為

式中：U平為配電網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)中96個(gè)網(wǎng)絡(luò)電壓U的算術(shù)平均值；P0為變壓器的空載損耗。

5）通過(guò)步驟2）中的3組配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄，再根據(jù)步驟（4）得到相應(yīng)的配電網(wǎng)有功功率損耗區(qū)間值為

6）根據(jù)步驟1）中采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后通過(guò)電能表測(cè)量得到的96組網(wǎng)絡(luò)有功功率Pi、無(wú)功功率Qi和網(wǎng)絡(luò)電壓Ui的數(shù)據(jù)（i=0,1,2,…,95），計(jì)算后得出96組配電網(wǎng)的有功功率損耗值：

計(jì)算出每個(gè)ΔP后i的上限值和下限值分別為

9）將應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)后測(cè)得的電網(wǎng)損耗ΔA后與計(jì)算得出的配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值進(jìn)行比較，得出最終的節(jié)能量。

3 實(shí)例分析

以某市一條10 kV線路為研究對(duì)象，通過(guò)分析計(jì)算，該配電線路等值電阻RLeq=9.05 Ω，配變等值電阻RTeq=4.92 Ω。采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)前后的典型量測(cè)日線路首段電量分別為16 500 kW·h和18 480 kW·h；該線路所有配變的電量和分別為16 010 kW·h和18 105 kW·h。則采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)前后的典型量測(cè)日網(wǎng)絡(luò)損耗分別為ΔA前=490 kW·h，ΔA后=375 kW·h。

選取施加無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)前后典型量測(cè)日的線路首端量測(cè)點(diǎn)的負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行采集，如表1所示，施加無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)前后的有功功率如圖5所示。

表1 線路首端典型量測(cè)日的負(fù)荷采集Tab.1 Load collection on the head of the line on a typical measurement day for head of line

圖5 無(wú)功補(bǔ)償前后的有功功率Fig.5 Active power before and after the reactive power compensation

由采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)后典型量測(cè)日采集的數(shù)據(jù)可求得96組配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗值，如表2所示。

本文選取未采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)時(shí)配電網(wǎng)線路首端量測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析計(jì)算，其中1 d的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表2 采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗瞬時(shí)值Tab.2 Distribution network loss instantaneous value after using reactive power compensation technology

表3 線路首端量測(cè)點(diǎn)歷史負(fù)荷采集Tab.3 Historical load data acquisition of the measurement point on the head of the line

結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)，利用形狀系數(shù)可得到配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功率損耗區(qū)間值，如表4所示。

表4 歷史3 d形狀系數(shù)區(qū)間值及網(wǎng)絡(luò)功率損耗區(qū)間值Tab.4 Shape coefficient interval value for a history of three days and network power loss interval value

通過(guò)該優(yōu)化計(jì)算方法，計(jì)算得到配電網(wǎng)線路的電量損耗折算區(qū)間值為[677，692]kW·h。

將配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值與無(wú)功補(bǔ)償后的量測(cè)日網(wǎng)絡(luò)損耗375 kW·h進(jìn)行比較：由于配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值的下限值677 kW·h大于無(wú)功補(bǔ)償后的量測(cè)日網(wǎng)絡(luò)損耗322 kW·h，可驗(yàn)證本優(yōu)化算法的正確性和有效性，從而得到該10 kV網(wǎng)絡(luò)在測(cè)量日采用無(wú)功補(bǔ)償后的真實(shí)節(jié)能量區(qū)間值為[302，317]kW·h。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)施加節(jié)能技術(shù)前后的配電網(wǎng)損耗值的量化，利用配電網(wǎng)的等值電阻法和形狀系數(shù)的求取，提出配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化計(jì)算方法，通過(guò)將2次配電網(wǎng)狀態(tài)歸化至同一基準(zhǔn)，再將對(duì)應(yīng)折算的損耗值進(jìn)行比較，得到施加節(jié)能技術(shù)后的真實(shí)節(jié)能量，解決了采用節(jié)能技術(shù)前后的網(wǎng)絡(luò)損耗值不能直接比較的問(wèn)題，為電網(wǎng)企業(yè)解決節(jié)能減排量化分析難題工作提供了一種技術(shù)方法。

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