基于優(yōu)先級排序的配電線路改造措施分析

葛江北，黃偉，魏志蓮，盧苗

（1.華北電力大學(xué)輸配電研究所，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

電能是各行各業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種二次能源，電能的輸送、分配和控制既簡便又經(jīng)濟(jì)，因此得到了廣泛應(yīng)用。配電網(wǎng)中電能通過配電線路進(jìn)行傳輸，配電線路是配電網(wǎng)的主要組成部分。電力網(wǎng)在輸送和分配電能的過程中，由于設(shè)備存在著阻抗，電流流過時，就會產(chǎn)生一定數(shù)量的有功功率損耗[1]，而配電線路的損耗尤重。相關(guān)資料表明，配電線路的損耗可達(dá)配電網(wǎng)損耗的50%以上。因此，配電線路改造是電力公司的重要工作。但是電力公司進(jìn)行線路改造時，往往偏重某一方面，如注重線路材料的選擇以達(dá)到降損目的[2]，而較少從整體角度對線路改造進(jìn)行規(guī)劃。雖然投入了大量資金，效果卻并不顯著。針對這個問題，本文提出了優(yōu)先級順序的概念，從線路指標(biāo)角度和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，對線路改造方式進(jìn)行判定，并對相關(guān)改造方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較，從而確定配電線路改造措施的優(yōu)先級順序。

1 配電線路改造措施分類

配電線路改造措施多種多樣，具體改造形式依據(jù)實(shí)際情況不同而不同。總體來講，分為8類。

1）配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。不同的導(dǎo)線按照其型號不同和線路的最大負(fù)荷利用小時數(shù)，即可得到線路的經(jīng)濟(jì)電流密度，據(jù)此可得到導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)電流。導(dǎo)線按照經(jīng)濟(jì)電流運(yùn)行，即為配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2）更換配電線路。此處配電線路更換是指線路同線徑更換。實(shí)際工作中，由于運(yùn)行時間過長，設(shè)備老化等，可能會威脅到線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，此時，可對線路進(jìn)行同容量更換，以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定的要求。

3）配電線路切改。配電線路切改往往由于線路過長，線路負(fù)荷過重，短時間內(nèi)無法對線路進(jìn)行改造，附近又存在可以利用的電源點(diǎn)，此時，在線路和新電源點(diǎn)之間新建一段線路，并加裝開關(guān)，將線路一部分負(fù)荷倒向新的電源點(diǎn)，稱之為線路切改。線路切改通過負(fù)荷分流，以達(dá)到降低線路負(fù)載率和損耗的目的。

4）無功補(bǔ)償。配電線路的功率因數(shù)和其下所掛的配電變壓器息息相關(guān)，因此，無功補(bǔ)償包括線路無功補(bǔ)償和配電變壓器無功補(bǔ)償[3-4]。實(shí)際工作中無功補(bǔ)償一般是配電變壓器無功補(bǔ)償，線路無功補(bǔ)償應(yīng)用較少，且一般是試點(diǎn)工程。線路無功補(bǔ)償可與配電變壓器無功補(bǔ)償相結(jié)合，以達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化。

5）更換粗徑導(dǎo)線。當(dāng)線路負(fù)荷過重，線路電流偏大，負(fù)載率不滿足要求時，威脅電網(wǎng)地安全穩(wěn)定運(yùn)行，可將線路更換為粗徑導(dǎo)線，同時亦可降低線損。

6）新建配電線路。新建配電線路，可能是由于對某負(fù)荷進(jìn)行雙電源改造，或某線路負(fù)荷過重，新建配電線路分擔(dān)部分負(fù)荷。

7）使用線路調(diào)壓器。線路調(diào)壓器往往用于過長線路。尤其是農(nóng)網(wǎng)中某些線路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了線路的供電半徑，此時無法保證線路的末端電壓，可使用線路調(diào)壓器。目前，該措施已在西安等地實(shí)施，但尚未推廣。

8）主變調(diào)壓。主變調(diào)壓即通過調(diào)節(jié)主變分接頭進(jìn)行線路首端電壓的調(diào)整，其主要用于線路電壓偏差過大的情況。

2 考核指標(biāo)分析

欲改造配電線路，需將配電線路挑選出來。此時，應(yīng)從線路運(yùn)行的實(shí)際狀況出發(fā)，進(jìn)行改造措施的判定。反映線路運(yùn)行狀況的主要是一些指標(biāo)，如負(fù)載率、功率因素等。因此，將首先從指標(biāo)角度進(jìn)行考核，確定不同情況下所應(yīng)選擇的改造方案。

配電線路的考核指標(biāo)主要包括負(fù)載率、功率因數(shù)、電壓偏差、供電半徑、運(yùn)行年限等。

1）負(fù)載率。負(fù)載率計算如式（1）所示：

式中，茁為線路負(fù)載率；I為線路首端實(shí)際電流；Ie為線路最大容許載流量。

配電線路的負(fù)載率過高，會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，重載線路應(yīng)強(qiáng)制對其進(jìn)行改造。此時應(yīng)結(jié)合線路的功率因數(shù)進(jìn)行判定，確定重載原因，如果線路的功率因素不滿足要求，應(yīng)首先進(jìn)行無功補(bǔ)償。

2）功率因數(shù)。功率因數(shù)計算如式（2）所示：

式中，cos準(zhǔn)為功率因數(shù)；P為線路有功負(fù)荷；Q為線路無功負(fù)荷。

功率因數(shù)是供用電系統(tǒng)的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，反映了線路傳輸有功功率的同時所需的無功功率。從功率因數(shù)角度考慮，主要是對功率因數(shù)不滿足要求的配電線路進(jìn)行無功補(bǔ)償。

需要說明的是，功率因數(shù)不滿足要求可能并不會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但其可能出現(xiàn)在重載的配電線路中，因此對重載線路應(yīng)同時考慮功率因數(shù)問題。

3）電壓偏差。電壓偏差是線路考核的重要指標(biāo)，依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的依7%。線路電壓偏差過大，會影響低壓用戶的電能質(zhì)量，降低設(shè)備的使用壽命。電壓偏差引起的原因較多，可能是由于線路過長，供電半徑過大；也可能由于線路負(fù)荷過重或是線路無功補(bǔ)償不足；或是線路首端即變電站出線母線電壓偏低，此時需進(jìn)行主變調(diào)分接頭。

4）供電半徑。線路供電半徑過長，會引起電壓降低、損耗增大等問題，依據(jù)相關(guān)規(guī)程，不同負(fù)荷密度下，10 kV配電線路供電半徑如表1所示[5]。

表1 線路供電半徑

供電半徑過長的線路往往采用線路切改改造方案。

5）運(yùn)行年限。運(yùn)行年限反映線路的老舊程度，運(yùn)行年限過長會引起絕緣老化、損耗增加等問題。運(yùn)行年限過長的線路可對其進(jìn)行改造，問題不嚴(yán)重時線路也可繼續(xù)運(yùn)行。因此，運(yùn)行年限過長的線路，若其他指標(biāo)不滿足要求，應(yīng)優(yōu)先依據(jù)其他指標(biāo)確定改造方式；如其他指標(biāo)均滿足要求又要求對其進(jìn)行改造時，往往采用線路更換的改造方式。

從各指標(biāo)的分析可以看出，不同的指標(biāo)反映了線路不同的運(yùn)行狀況，通過以上的分析，從指標(biāo)角度可進(jìn)行線路改造方式的判定，如圖1所示。

圖1 改造方式判定圖

3 經(jīng)濟(jì)性比較

通過指標(biāo)分析，將不同情況下可能的改造措施給出?？梢钥闯觯瑘D1進(jìn)行框圖6的判定時，有多個改造方式可供選擇。這里將從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，對改造方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定性分析，從而實(shí)現(xiàn)改造方式的優(yōu)選。

根據(jù)圖1，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較的主要是配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、線路切改、新建線路和更換粗徑導(dǎo)線。

1）配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要通過倒負(fù)荷使線路在其經(jīng)濟(jì)電流附近區(qū)域運(yùn)行，以達(dá)到降損節(jié)能的目的。從經(jīng)濟(jì)性角度來講，其投資較小，基本為0，以A1表示其投資，則A1抑0，效益卻相對顯著；而對于線路切改、新建線路和更換粗徑導(dǎo)線，其投資皆相對較大。因此，配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，應(yīng)優(yōu)先采用配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2）線路切改。線路切改投資往往為一臺分?jǐn)嚅_關(guān)或新建一小段線路，相對于新建線路和更換粗徑導(dǎo)線要小很多。同時，線路切改仍存在一定的降損效益。因此，線路切改經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于新建線路和更換粗徑導(dǎo)線，應(yīng)優(yōu)先采用此改造方案。但需要說明的是，具體到圖1中框圖6的判定邏輯，此時的線路切改并不是由于供電半徑過長，純粹是由于負(fù)荷過重，通過線路切改進(jìn)行分負(fù)荷，這種情況下線路切改的投資雖然較少，但周圍必須有適當(dāng)?shù)碾娫袋c(diǎn)。

3）新建線路和更換粗徑導(dǎo)線的比較。對新建線路和更換粗徑導(dǎo)線，分別設(shè)其投資為A2和A3，效益為△A2和△A3。

同樣重載情況下，新建線路只需承擔(dān)原重載線路部分負(fù)荷，而更換粗徑導(dǎo)線則要把原線路所有負(fù)荷帶起來。因此，更換粗徑導(dǎo)線選用線路規(guī)格稍高，單就線路材料的投資，更換粗徑導(dǎo)線的投資較高。

但更換粗徑導(dǎo)線可能并不需要進(jìn)行架桿建設(shè)，而只需在原線路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改造即可；新建線路則需要架設(shè)桿塔等，桿塔建設(shè)等使新建線路的投資較高?？傮w來講，2種改造方式投資的大小需依據(jù)不同的情況確定，A2和A3無法定性區(qū)分其大小。

對于新建線路，其降損效益計算如式（3）所示：

式中，△A2為新建線路降損效益；△P1為新建線路之前原線路損耗；△P1'為新建線路之后原線路損耗；△P2為新建線路的損耗；△P01為新建線路之前原線路空載損耗；△Pki為新建線路之前原線路負(fù)載損耗；茁1為新建線路之前原線路負(fù)載率；△P01'為新建線路之后原線路空載損耗；△P'ki為新建線路之后原線路負(fù)載損耗；茁1'為新建線路之后原線路負(fù)載率；△P02為新建線路空載損耗；△Pk2為新建線路負(fù)載損耗；茁2為新建線路負(fù)載率。

新建線路之前和新建線路之后原線路的空載損耗不變，即△P01=△P01'，則式（3）可化為式（4）：

更換粗徑導(dǎo)線的降損效益如式（5）所示：

式中，△A3為更換粗徑導(dǎo)線降損效益；△P3為原線路損耗；△P3'為更換線路損耗；△P03為原線路空載損耗；△Pk3為原線路負(fù)載損耗；茁3為原線路負(fù)載率；△P03'為更換導(dǎo)線空載損耗；△P'k3為更換導(dǎo)線負(fù)載損耗；茁3'為更換導(dǎo)線負(fù)載率。

對新建線路和更換粗徑導(dǎo)線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，設(shè)線路使用年限為n年，進(jìn)行式（6）的判定：

若滿足式（6），表明運(yùn)行年限n年之內(nèi)，新建線路相對于更換粗徑導(dǎo)線多出的投資不能通過其n年內(nèi)多出的效益進(jìn)行回收，即更換粗徑導(dǎo)線相對更為經(jīng)濟(jì)；反之，不滿足該式，表明新建線路更為經(jīng)濟(jì)。則，圖1中判定至框圖6時，進(jìn)行配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、線路切改、新建線路和更換粗徑導(dǎo)線的選擇時，對其經(jīng)濟(jì)性的判定如圖2所示。

圖2 經(jīng)濟(jì)性比較判定圖

通過圖1和圖2，從指標(biāo)角度和經(jīng)濟(jì)性角度完成了線路改造措施的優(yōu)先級排序，從而實(shí)現(xiàn)線路改造措施的優(yōu)選。

4 實(shí)際例子

以某地2008年配電線路改造方案為例，該地某110 kV變電站正陽街路2007年冬季最大負(fù)荷已超過460 A，導(dǎo)線的型號為JKLYJ-185，線路已嚴(yán)重過載。

其改造方案為線路切改，在正陽街某桿加裝分段開關(guān)1臺，將其以東的負(fù)荷約80 A倒入七里莊路，切改后正陽街路預(yù)計最大負(fù)荷為380 A，七里莊路預(yù)計負(fù)荷為370 A，二者均可滿足要求。

該改造方案通過切改消除了線路重載的安全隱患問題，可以看出，該方案只考核了線路負(fù)載率指標(biāo)，對功率因數(shù)和供電半徑等其他指標(biāo)并沒有進(jìn)行考核，因此，建議對此改造方案改進(jìn)如下。

1）進(jìn)行線路功率因數(shù)的計算，以判定線路功率因數(shù)是否滿足要求，如功率因數(shù)不滿足要求，應(yīng)首先進(jìn)行無功補(bǔ)償。

2）在線路功率因數(shù)滿足要求的情況下，應(yīng)對線路的供電半徑進(jìn)行判定，如線路的供電半徑過長，可進(jìn)行線路切改。

3）如線路功率因數(shù)和供電半徑均滿足要求，應(yīng)依據(jù)圖2的改造方式進(jìn)行判定。應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如不能進(jìn)行配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，附近又有合適的電源點(diǎn)（實(shí)際改造方案已進(jìn)行切改），則線路可進(jìn)行切改。

5 結(jié)語

1）線路指標(biāo)反映了線路運(yùn)行的實(shí)際狀況，應(yīng)優(yōu)先按照線路指標(biāo)進(jìn)行改造措施的選擇。

2）存在不同的改造措施時，可通過線路的經(jīng)濟(jì)性比較以判定采用何種改造方式更為經(jīng)濟(jì)。

3）重載線路應(yīng)結(jié)合線路功率因數(shù)進(jìn)行判定，以確定線路重載的原因，從而確定具體改造方式。

4）線路改造的諸多改造方式中，配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)，線路只要可以進(jìn)行配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，均推薦采用此措施。

5）線路切改一般用于重載和供電半徑過長的情況。重載情況下，由于線路切改的經(jīng)濟(jì)性較好，因此，在不能進(jìn)行配電線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的情況下，推薦優(yōu)先進(jìn)行線路切改。

綜上所述，配電線路改造應(yīng)依據(jù)實(shí)際指標(biāo)的差異和各改造措施的經(jīng)濟(jì)性，在不同的情況下采用不同的改造措施。電力公司進(jìn)行配電線路改造工作時，應(yīng)綜合統(tǒng)籌考慮，依據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)線路改造措施的優(yōu)選，從而改進(jìn)實(shí)際工作，實(shí)現(xiàn)資金的合理利用。

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