基于臺區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策研究

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)、加快升級農(nóng)網(wǎng)的號召，電網(wǎng)企業(yè)需要不斷升級改造低壓配電網(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)是由若干個臺區(qū)組成。臺區(qū)是指一臺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。臺區(qū)之間基本不會相互連接或極少連接。優(yōu)化低壓配電網(wǎng)就是優(yōu)化臺區(qū)，如果臺區(qū)損耗通過優(yōu)化臺區(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)確計算臺區(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)荷損耗時間法，但這些方法均沒有考慮負(fù)荷峰谷波動對配電網(wǎng)損耗的影響[5-8]。為此，本文針對低壓配電網(wǎng)現(xiàn)狀，在均方根電流法的基礎(chǔ)上考慮負(fù)荷峰谷波動的情況，形成了臺區(qū)極限線損計算方法。由于負(fù)荷峰谷波動存在最大和最小兩種極限情況，通過計算極限形狀系數(shù)得到臺區(qū)的最大極限線損和最小極限線損，進(jìn)而得到臺區(qū)真實(shí)線損的取值范圍。通過分析臺區(qū)極限線損與線損率指標(biāo)關(guān)系，找出臺區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)，明確范圍并采取有針對性的措施進(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。臺區(qū)理論線損是在臺變通過低壓配電線路向低壓用戶供電的過程中產(chǎn)生的。臺區(qū)理論線損包括臺區(qū)低壓配電線路理論線損與臺變理論線損。

1.1 臺區(qū)線路理論線損

由文獻(xiàn)[10]可知，臺區(qū)單條低壓線路損耗電量為：

其中，ik為線路負(fù)荷波動的形狀系數(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為時間。

1.2 臺變理論線損

臺變線損包括固定損耗和可變損耗。

由文獻(xiàn)[10]可知，臺變固定損耗電量為：

其中，0P為臺變額定空載損耗，T為時間。

臺變可變損耗為：

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

負(fù)荷波動的形狀系數(shù)k的計算公式為：

2 臺區(qū)極限線損

臺區(qū)極限線損是指臺區(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，負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)取得最大值，其中1T可通過式(5)計算而得。

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

其中，W為線路有功電量，T為計算時間。

負(fù)荷曲線形狀為如圖2所示的波形時，即最大負(fù)荷和最小負(fù)荷以沖擊負(fù)荷出現(xiàn)，其他時間均為平均負(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)即可求得臺區(qū)終端線路極限線損。

對于如圖3中a段、b段、c段，這些臺區(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)最小時的負(fù)荷曲線Fig. 2 Load curve with minimum shape coefficient

圖3 臺區(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)最大時的負(fù)荷曲線如圖4。

根據(jù)公式(4)可計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)可計算非終端線路的極限線損。

至此，臺區(qū)低壓配電線路的極限線損可算得。

2.2 臺變極限線損

通過在臺變處的關(guān)口電表可知臺變的有功電量、無功電量，進(jìn)而可計算得到臺變的平均功率因數(shù)，又可根據(jù)臺變的型號可得臺變的額定電壓、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，臺變可變損耗的大小完全取決于臺變負(fù)荷曲線的形狀系數(shù)。

如圖3，臺變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)可計算出臺變極限形狀系數(shù)，再根據(jù)公式(2)與(3)可算得臺變極限線損。

2.3 臺區(qū)極限線損

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

臺區(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變的極限線損電量疊加得到，臺區(qū)極限線損率由極限線損電量與臺區(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)鍵是找到臺區(qū)極限線損率與臺區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)系。

3.1 臺區(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)行及管理三個方面分析臺區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)。針對三個方面臺區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)，技術(shù)方面的針對性降損措施有：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；③ 提高負(fù)荷功率因數(shù)；④ 優(yōu)化低壓負(fù)荷接入布局，減輕臺變及低壓線路重過載現(xiàn)象等[10-13]。管理方面的針對性降損措施有：① 加強(qiáng)計量管理；② 全面開展線損“四分”管理工作；③加強(qiáng)營銷稽查、普查工作等[14]。

根據(jù)臺區(qū)極限線損計算方法對統(tǒng)計線損率大于線損率指標(biāo)的臺區(qū)進(jìn)行極限線損計算得出臺區(qū)最大極限線損率和最小極限線損率。當(dāng)臺區(qū)最小極限線損率大于線損率指標(biāo)值時，說明臺區(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)臺區(qū)最小極限線損率小于線損率指標(biāo)值，臺區(qū)最大極限線損率大于線損率指標(biāo)值時，說明臺區(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)臺區(qū)最大極限線損率小于線損率指標(biāo)值時，說明臺區(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，同時收取臺區(qū)的統(tǒng)計線損率。

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

第三步：極限線損計算。對線損率大于線損率指標(biāo)的臺區(qū)根據(jù)極限線損計算方法和收取的基礎(chǔ)資料和運(yùn)行資料進(jìn)行極限線損計算，得出臺區(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)計算得到的臺區(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)系判斷臺區(qū)中的薄弱環(huán)節(jié)。

第五步：制定降損措施。針對臺區(qū)在節(jié)能降損中的薄弱環(huán)節(jié)，制定有針對性的節(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)兩個統(tǒng)計線損率大于線損率指標(biāo)值的臺區(qū)（一號臺區(qū)和二號臺區(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

一號臺區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6：

圖6 一號臺區(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、截面和長度如圖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算結(jié)果Tab.3 Calculation result of line load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺變極限形狀系數(shù)及月極限損耗電量計算結(jié)果如表4。

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

臺區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計算結(jié)果如表5。

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

由表5可知，一號臺區(qū)最小極限線損率大于線損率指標(biāo)值，說明一號臺區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)主要是技術(shù)方面，應(yīng)制定臺變技術(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

二號臺區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7：

圖7 二號臺區(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、截面和長度如圖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算結(jié)果Tab.8 Calculation result of line load shape coefficient limit and month loss quantity limit

臺變極限形狀系數(shù)及月極限損耗電量計算結(jié)果如表9。

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

臺區(qū)月極限損耗電量與極限線損率計算結(jié)果如表10。

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

由表10可知，二號臺區(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，說明二號臺區(qū)線損的薄弱環(huán)節(jié)主要是運(yùn)行方面，應(yīng)制定運(yùn)行降損措施計劃，優(yōu)化臺區(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)上提出了臺區(qū)極限線損理論，并結(jié)合臺區(qū)線路理論線損計算和臺變理論線損計算給出了臺區(qū)極限線損的計算方法。

2）針對低壓配電網(wǎng)線損率偏高的問題，本文提出的基于臺區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策就是在計算臺區(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）通過兩個計算案例分析，基于臺區(qū)極限線損的低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策能夠找出臺區(qū)線損薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而選擇合理的臺區(qū)節(jié)能降損措施，從而對低壓配電網(wǎng)的降損規(guī)劃有較為實(shí)用的指導(dǎo)意義。

[1] 吳安官,倪保珊.電力系統(tǒng)線損[M].北京:中國電力出版社,1990：1-350.WU An-guan, NI Bao-shan. Power System Line Loss [M]. Beijing: China Electric Power Press, 1990：1-350.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員.電力網(wǎng)電能損耗計算導(dǎo)則：DL/T686—1999[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2000.People's Republic of China national economic and Trade Commissioner. Guidelines for Power Network Power Loss Calculation: DL/T686—1999[S].Beijing：Standards Press of China, 2000.

[3] 向婷婷.低壓配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.XIANG Ting-ting. Research on the Methods of Low-voltage Distribution Network Planning [D]. Chongqing: Chongqing University, 2012.

[4] 楊文鋒,王彬宇,程卓,等.城市中低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(9):2598-2604.YANG Wen-feng, WANG Bin-yu, CHENG Zhuo, et al. Optimized Decision Approach of Loss Reduction Plan for Medium- Voltage and Low-Voltage Urban Distribution Networks [J]. Power System Technology, 2014, 38(9):2598-2604.

[5] 牛迎水.電力網(wǎng)降損節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與案例分析[M].北京:中國電力出版社,2010.NIU Ying-shui. Application and Case Analysis of Power Network Reduction and Energy Saving Technology [M].Beijing: China Electric Power Press, 2010.

[6] 張利生.電力網(wǎng)電能損耗管理及降損技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008.ZHANG Li-sheng. Power Network Power Loss Management and Loss Reduction Technology [M].Beijing: China Electric Power Press, 2008.

[7] 張祥華.10kV配電網(wǎng)極限線損計算方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.ZHANG Xiang-hua. Calculation Method Research about Ultimate Line Losses of 10 kV Distribution Network [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014.

[8] 張銀,張祥華,伏圣群等.中壓配電網(wǎng)極限線損計算方法研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報,2017,28(2):67-73.ZHANG Yin, ZHANG Xiang-hua, FU Sheng-qun, et al. Study on ultimate line loss calculation method of mid-voltage distribution network [J].Journal of Guangxi University of Science and Technology, 2017, 28 (2):67-73.

[9] 張勇軍,陳超,廖民傳.配電網(wǎng)節(jié)能改造優(yōu)化建模研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(15):60-64.ZHANG Yong-jun, CHEN Chao, LIAO Min-chuan. Research on Optimal Model for Energy Saving Reconstruction of Distribution Networks [J].Power System Protection and Control, 2010, 38 (15):60-64.

[10] 王興華.區(qū)域電網(wǎng)線損預(yù)控指標(biāo)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2016.WANG Xing-hua. Research on Control Index of Regional Power Grid's Line Loss [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2016.

[11] 曾江,王興華.區(qū)域配電網(wǎng)分壓線損率預(yù)控指標(biāo)研究[J]. 電子設(shè)計工程,2017,25(8):101-104.ZENG Jiang, WANG Xing-hua. Research on different voltage line loss rate index of distribution network [J].Electronic Design Engineering,2017, 25 (8):101-104.

[12] 戎榮,陳欣暉,耿紅杰,等.低壓配電網(wǎng)節(jié)能改造對沿線電壓特性和線損率的影響[J].電氣應(yīng)用,2015,34(15): 139-144.RONG Rong, CHEN Xin-hui, GENG Hong-jie, et al. Influence of Low Voltage Distribution Network Energy Saving Transformation on Voltage Characteristics and Line Loss Rate Along The Line [J]. Electrotechnical Application, 2015, 34(15): 139-144.

[13] 郭秀欽,郭大慶,張永新,等. 配電網(wǎng)節(jié)能降損優(yōu)化改造方案的研究[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2014,35(2): 43-49.GUO Xiu-qin, GUO Da-qing, ZHANG Yong-xin, et al. Study on Optimal Energy Conservation and Loss Reduction Modification Scheme for Distribution Network [J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2014, 35 (2): 43-49.

[14] 羅結(jié)青.廣州荔灣區(qū)配電網(wǎng)線損分析及降損措施研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué),2012.LUO Jie-qing. Studies on line loss of distribution network and measures for reducing Line loss in Liwan District of Guangzhou [D].Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

[15] 李德祥,呂馳,陳薇冰,等. 基于多因素分析的配網(wǎng)線損改進(jìn)方法研究[J].新型工業(yè)化,2016,6(10):20-28.LI De-xiang, LV Chi, CHEN Wei-bing, et al. Study on Improved Loss Calculation Method for Distribution Network Based on Multiple Factor Analysis [J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10):20-28.

[16] HU Q Z, ZHANG X G, HUANG X C. Interest Distribution Model Based on the Line Loss Management in Distribution Network [J]. Advanced Materials Research, 2013, （774-776）:1951-1956.

[17] 徐強(qiáng),商學(xué)斌,匡衛(wèi)洪. 配網(wǎng)典型臺區(qū)線損率標(biāo)桿值研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015(1):33-35.XU Qiang, SHANG Xue-bin, KUANG Wei-hong. Study on Line Loss Rate of Typical Distribution Network in the Distribution Network [J].China High Technology Enterprises, 2015 (1):33-35.

[18] CHEN B X, TAN J C. Theoretical Line Loss Calculation in 10kV Power Distribution Network Based on an Improved Alternative Method[J].Applied Mechanics and Materials, 2013, （241-244）:687-692.