王興華

（廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

配電網(wǎng)按照電壓等級(jí)劃分，可以分為高壓配電網(wǎng)（35~110 kV）、中壓配電網(wǎng)（6~10 kV、20 kV）和低壓配電網(wǎng)（220~380 V）[1-3]。由于配電網(wǎng)存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、電網(wǎng)老化等問題，配電網(wǎng)損耗在電網(wǎng)損耗中占有較大比例，發(fā)輸電環(huán)節(jié)與配電環(huán)節(jié)的損耗之比達(dá)到 1.5:3.5，其中低壓配電網(wǎng)的損耗占到配電損耗的80%左右[4-6]。為響應(yīng)著重優(yōu)化主網(wǎng)、持續(xù)做強(qiáng)配網(wǎng)、加快升級(jí)農(nóng)網(wǎng)的號(hào)召，電網(wǎng)企業(yè)需要不斷升級(jí)改造低壓配電網(wǎng)以降低低壓配電網(wǎng)損耗。

在輸電網(wǎng)中，同一電壓等級(jí)的所有設(shè)備通過線路均連接在同一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之中，而低壓配電網(wǎng)并不像輸電網(wǎng)，低壓配電網(wǎng)是由若干個(gè)臺(tái)區(qū)組成。臺(tái)區(qū)是指一臺(tái)配電變壓器通過低壓配電線路所供電的低壓用戶的范圍或區(qū)域。臺(tái)區(qū)之間基本不會(huì)相互連接或極少連接。優(yōu)化低壓配電網(wǎng)就是優(yōu)化臺(tái)區(qū)，如果臺(tái)區(qū)損耗通過優(yōu)化臺(tái)區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得以降低，那么低壓配電網(wǎng)的損耗也會(huì)隨之降低[5-6]。

由于低壓配電網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支線多、負(fù)荷特性多變、資料不完備等原因，欲準(zhǔn)確計(jì)算臺(tái)區(qū)乃至低壓配電網(wǎng)的損耗幾乎不可能?，F(xiàn)在比較常見的求取配電網(wǎng)損耗的方法有均方根電流法、負(fù)荷損失因數(shù)法、最大負(fù)荷損耗時(shí)間法，但這些方法均沒有考慮負(fù)荷峰谷波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)損耗的影響[5-8]。為此，本文針對(duì)低壓配電網(wǎng)現(xiàn)狀，在均方根電流法的基礎(chǔ)上考慮負(fù)荷峰谷波動(dòng)的情況，形成了臺(tái)區(qū)極限線損計(jì)算方法。由于負(fù)荷峰谷波動(dòng)存在最大和最小兩種極限情況，通過計(jì)算極限形狀系數(shù)得到臺(tái)區(qū)的最大極限線損和最小極限線損，進(jìn)而得到臺(tái)區(qū)真實(shí)線損的取值范圍。通過分析臺(tái)區(qū)極限線損與線損率指標(biāo)關(guān)系，找出臺(tái)區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)，明確范圍并采取有針對(duì)性的措施進(jìn)行降損規(guī)劃，從而達(dá)到降損節(jié)能、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 臺(tái)區(qū)理論線損

理論線損是在輸送和分配電能過程中無法避免的損耗，是由電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)和電網(wǎng)負(fù)荷情況決定的。臺(tái)區(qū)理論線損是在臺(tái)變通過低壓配電線路向低壓用戶供電的過程中產(chǎn)生的。臺(tái)區(qū)理論線損包括臺(tái)區(qū)低壓配電線路理論線損與臺(tái)變理論線損。

1.1 臺(tái)區(qū)線路理論線損

由文獻(xiàn)[10]可知，臺(tái)區(qū)單條低壓線路損耗電量為：

其中，ik為線路負(fù)荷波動(dòng)的形狀系數(shù)，0iR 為線路電阻標(biāo)稱值，iA為線路有功電量，cosφavi為線路平均功率因數(shù)，iU為線路平均電壓，T為時(shí)間。

1.2 臺(tái)變理論線損

臺(tái)變線損包括固定損耗和可變損耗。

由文獻(xiàn)[10]可知，臺(tái)變固定損耗電量為：

其中，0P為臺(tái)變額定空載損耗，T為時(shí)間。

臺(tái)變可變損耗為：

其中，kP為臺(tái)變額定負(fù)載損耗，k為臺(tái)變負(fù)荷波動(dòng)的形狀系數(shù)，A為臺(tái)變有功電量，NI為臺(tái)變額定電流，cos?av為臺(tái)變平均功率因數(shù)，U為臺(tái)變平均電壓，T為時(shí)間。

負(fù)荷波動(dòng)的形狀系數(shù)k的計(jì)算公式為：

2 臺(tái)區(qū)極限線損

臺(tái)區(qū)極限線損是指臺(tái)區(qū)理論線損的極限值。

2.1 低壓配電線路極限線損

通過低壓用戶的用戶表可得終端線路（與低壓用戶直接連接的線路）的有功電量、無功電量、最大負(fù)荷、最小負(fù)荷，進(jìn)而線路的平均功率因數(shù)可以確定，又可根據(jù)線路型號(hào)查到線路標(biāo)稱電阻。由公式(1)可知，在線路電阻、有功電量、平均功率因數(shù)及電壓確定的情況下，線路損耗的大小完全取決于線路負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)。

文獻(xiàn)[7]證明了在有功電量、最大負(fù)荷、最小負(fù)荷確定的前提下，負(fù)荷曲線形狀為如圖1所示的矩形波時(shí)，負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)取得最大值，其中1T可通過式(5)計(jì)算而得。

圖1 形狀系數(shù)最大時(shí)的負(fù)荷曲線Fig.1 Load curve with maximum shape coefficient

其中，W為線路有功電量，T為計(jì)算時(shí)間。

負(fù)荷曲線形狀為如圖2所示的波形時(shí)，即最大負(fù)荷和最小負(fù)荷以沖擊負(fù)荷出現(xiàn)，其他時(shí)間均為平均負(fù)荷avp，負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)取得最小值1。

在極限負(fù)荷曲線已知的情況下，根據(jù)公式(3)可以求出最大極限形狀系數(shù)和最小極限形狀系數(shù)，再根據(jù)公式(4)即可求得臺(tái)區(qū)終端線路極限線損。

對(duì)于如圖3中a段、b段、c段，這些臺(tái)區(qū)中的非終端線路的負(fù)荷曲線取得最大形狀系數(shù)是在其后所連接線路的負(fù)荷同時(shí)率為100%的情況下取得，而負(fù)荷曲線取得的最小形狀系數(shù)是1。

圖2 形狀系數(shù)最小時(shí)的負(fù)荷曲線Fig. 2 Load curve with minimum shape coefficient

圖3 臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Abridged general view of substation area structure

那么非終端線路的形狀系數(shù)最大時(shí)的負(fù)荷曲線如圖4。

根據(jù)公式(4)可計(jì)算出非終端線路極限負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)，再通過公式(1)可計(jì)算非終端線路的極限線損。

至此，臺(tái)區(qū)低壓配電線路的極限線損可算得。

2.2 臺(tái)變極限線損

通過在臺(tái)變處的關(guān)口電表可知臺(tái)變的有功電量、無功電量，進(jìn)而可計(jì)算得到臺(tái)變的平均功率因數(shù)，又可根據(jù)臺(tái)變的型號(hào)可得臺(tái)變的額定電壓、額定電流和額定負(fù)載損耗。由公式(3)可知，在臺(tái)變有功電量、額定電壓、額定電流及額定負(fù)載損耗確定的情況下，臺(tái)變可變損耗的大小完全取決于臺(tái)變負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)。

如圖3，臺(tái)變T的極限負(fù)荷曲線與a段線路的極限負(fù)荷曲線相同。根據(jù)公式(4)可計(jì)算出臺(tái)變極限形狀系數(shù)，再根據(jù)公式(2)與(3)可算得臺(tái)變極限線損。

2.3 臺(tái)區(qū)極限線損

臺(tái)區(qū)極限線損由臺(tái)變極限線損和臺(tái)區(qū)線路極限線損構(gòu)成。臺(tái)區(qū)極限線損由極限線損電量和極限線損率表示。

臺(tái)區(qū)極限線損電量由每條低壓配電線路的極限線損電量和臺(tái)變的極限線損電量疊加得到，臺(tái)區(qū)極限線損率由極限線損電量與臺(tái)區(qū)有功電量求商得到。

圖4 非終端線路形狀系數(shù)最大時(shí)的負(fù)荷曲線Fig. 4 Load curve with maximum shape coefficient of nonterminal line

3 低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策

低壓配電網(wǎng)節(jié)能降損措施眾多，且不同降損措施產(chǎn)生的效果也不同。因此，如何選擇最合理的節(jié)能降損措施以達(dá)到利用最少的投資達(dá)到最大的效果，是低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策的重點(diǎn)。

基于臺(tái)區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策的關(guān)鍵是找到臺(tái)區(qū)極限線損率與臺(tái)區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)系。

3.1 臺(tái)區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)及降損決策分析

本文主要從技術(shù)、運(yùn)行及管理三個(gè)方面分析臺(tái)區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)三個(gè)方面臺(tái)區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)，技術(shù)方面的針對(duì)性降損措施有：① 采用低損耗配電變壓器替換高耗能變壓器；② 增加低壓配電網(wǎng)電源布點(diǎn)，增加供電容量，減小供電半徑；③ 優(yōu)化低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)布局，改造諸如迂回線路、配變偏離負(fù)荷中心等不合理的接線方式；④ 合理配置低壓配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，包括布點(diǎn)、容量，使無功就地平衡，減少線路中傳輸?shù)臒o功功率等。運(yùn)行方面的針對(duì)性降損措施有：① 優(yōu)化低壓用戶接入系統(tǒng)方案，使用戶均勻接入三相；② 進(jìn)行必要的需求側(cè)管理，使低壓用戶用電避開高峰，達(dá)到削峰填谷的效果，降低負(fù)荷波動(dòng)；③ 提高負(fù)荷功率因數(shù)；④ 優(yōu)化低壓負(fù)荷接入布局，減輕臺(tái)變及低壓線路重過載現(xiàn)象等[10-13]。管理方面的針對(duì)性降損措施有：① 加強(qiáng)計(jì)量管理；② 全面開展線損“四分”管理工作；③加強(qiáng)營(yíng)銷稽查、普查工作等[14]。

根據(jù)臺(tái)區(qū)極限線損計(jì)算方法對(duì)統(tǒng)計(jì)線損率大于線損率指標(biāo)的臺(tái)區(qū)進(jìn)行極限線損計(jì)算得出臺(tái)區(qū)最大極限線損率和最小極限線損率。當(dāng)臺(tái)區(qū)最小極限線損率大于線損率指標(biāo)值時(shí)，說明臺(tái)區(qū)線損的主要薄弱環(huán)節(jié)在技術(shù)方面，應(yīng)著重推進(jìn)技術(shù)方面的降損措施。當(dāng)臺(tái)區(qū)最小極限線損率小于線損率指標(biāo)值，臺(tái)區(qū)最大極限線損率大于線損率指標(biāo)值時(shí)，說明臺(tái)區(qū)線損的主要薄弱環(huán)節(jié)在運(yùn)行方面，應(yīng)著重推進(jìn)運(yùn)行方面的降損措施。當(dāng)臺(tái)區(qū)最大極限線損率小于線損率指標(biāo)值時(shí)，說明臺(tái)區(qū)線損的主要薄弱環(huán)節(jié)在管理方面，應(yīng)著重推進(jìn)管理方面的降損措施。

3.2 低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策步驟

低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃是低壓配電網(wǎng)節(jié)能降損的前提，降損規(guī)劃具體步驟如下：

第一步：收集資料。收集低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的基礎(chǔ)資料和運(yùn)行資料，包括低壓線路的有功電量、電壓、功率因數(shù)、負(fù)荷曲線等，臺(tái)變的有功電量、電壓、電流、額定空載損耗、額定負(fù)載損耗以及負(fù)荷曲線等，同時(shí)收取臺(tái)區(qū)的統(tǒng)計(jì)線損率。

第二步：現(xiàn)狀分析。根據(jù)收取到的資料，分析各臺(tái)區(qū)的線損率情況，對(duì)統(tǒng)計(jì)線損率大于線損率指標(biāo)的臺(tái)區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

第三步：極限線損計(jì)算。對(duì)線損率大于線損率指標(biāo)的臺(tái)區(qū)根據(jù)極限線損計(jì)算方法和收取的基礎(chǔ)資料和運(yùn)行資料進(jìn)行極限線損計(jì)算，得出臺(tái)區(qū)最大極限線損率和最小極限線損率。

第四步：判斷薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)計(jì)算得到的臺(tái)區(qū)最大極限線損率和最小極限線損率與線損率指標(biāo)的關(guān)系判斷臺(tái)區(qū)中的薄弱環(huán)節(jié)。

第五步：制定降損措施。針對(duì)臺(tái)區(qū)在節(jié)能降損中的薄弱環(huán)節(jié)，制定有針對(duì)性的節(jié)能降損措施。

低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策具體流程圖如圖5。

圖5 低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策流程圖Fig. 5 Flow chart of loss reduction planning decision-making of low-voltage distribution network

4 降損規(guī)劃決策應(yīng)用案例

選取某地區(qū)低壓配電網(wǎng)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)線損率大于線損率指標(biāo)值的臺(tái)區(qū)（一號(hào)臺(tái)區(qū)和二號(hào)臺(tái)區(qū)）應(yīng)用降損規(guī)劃決策，該地區(qū)低壓配電網(wǎng)線損率指標(biāo)為10%。

4.1 案例一

一號(hào)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6：

圖6 一號(hào)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 6 Network topology of No.1 substation area

各元件的參數(shù)如下：

(1) 變壓器S9-200

該型號(hào)變壓器的參數(shù)為：短路損耗 Δ Pk=2.5kW、空載損耗 Δ P0=0.5kW、容量為 SN=200kVA。

(2) 線路參數(shù)

各線路型號(hào)、截面和長(zhǎng)度如圖6，參數(shù)如表1。

表1 線路參數(shù)表Tab.1 Line parameter table

(3) 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷

各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況如表2。

表2 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況表Tab.2 Node load condition table

各段線路的極限形狀系數(shù)和極限損耗電量計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 線路極限形狀系數(shù)和月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation result of line load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺(tái)變極限形狀系數(shù)及月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 臺(tái)變極限形狀系數(shù)和月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation result of transformer load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺(tái)區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 臺(tái)區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation result of substation area load shape coefficient limit and month loss quantity limit

由表5可知，一號(hào)臺(tái)區(qū)最小極限線損率大于線損率指標(biāo)值，說明一號(hào)臺(tái)區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)主要是技術(shù)方面，應(yīng)制定臺(tái)變技術(shù)改造項(xiàng)目和低壓線路技術(shù)改造項(xiàng)目，推行技術(shù)降損措施。

4.2 案例二

二號(hào)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7：

圖7 二號(hào)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Network topology of No.2 substation area

各元件的參數(shù)如下：

(1) 變壓器S9-160

該型號(hào)變壓器的參數(shù)為：短路損耗 Δ Pk=2.2kW、空載損耗 Δ P0=0.4kW、容量為 SN=160kVA。

(2) 線路參數(shù)

各線路型號(hào)、截面和長(zhǎng)度如圖6，參數(shù)如表6。

表6 支路參數(shù)表Tab.6 Line parameter table

(3) 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷

各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況如表7。

表7 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況表Tab.7 Node load condition table

各段線路的極限形狀系數(shù)和極限損耗電量計(jì)算結(jié)果如表8。

表8 線路極限形狀系數(shù)和月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation result of line load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺(tái)變極限形狀系數(shù)及月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果如表9。

表9 臺(tái)變極限形狀系數(shù)和月極限損耗電量計(jì)算結(jié)果Tab.9 Calculation result of transformer load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺(tái)區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計(jì)算結(jié)果如表10。

表10 臺(tái)區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計(jì)算結(jié)果Tab.10 Calculation result of substation area load shape coefficient limit and month loss quantity limit

由表10可知，二號(hào)臺(tái)區(qū)最小極限線損率小于線損率指標(biāo)值，最大極限線損率大于線損率指標(biāo)值，說明二號(hào)臺(tái)區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)主要是運(yùn)行方面，應(yīng)制定運(yùn)行降損措施計(jì)劃，優(yōu)化臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)，推行技術(shù)降損措施。

5 結(jié)論

1）本文在低壓配電網(wǎng)極限線損的基礎(chǔ)上提出了臺(tái)區(qū)極限線損理論，并結(jié)合臺(tái)區(qū)線路理論線損計(jì)算和臺(tái)變理論線損計(jì)算給出了臺(tái)區(qū)極限線損的計(jì)算方法。

2）針對(duì)低壓配電網(wǎng)線損率偏高的問題，本文提出的基于臺(tái)區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策就是在計(jì)算臺(tái)區(qū)極限線損的基礎(chǔ)上解決如何選擇最合理的節(jié)能降損措施的問題，從而達(dá)到降損節(jié)能、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3）通過兩個(gè)計(jì)算案例分析，基于臺(tái)區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策能夠找出臺(tái)區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而選擇合理的臺(tái)區(qū)節(jié)能降損措施，從而對(duì)低壓配電網(wǎng)的降損規(guī)劃有較為實(shí)用的指導(dǎo)意義。

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