并聯(lián)無功補償項目節(jié)約電量驗證方法及其不確定度評定

徐先勇，方璐，劉定國，徐湘滬

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；

2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；

3.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

并聯(lián)無功補償項目節(jié)約電量驗證方法及其不確定度評定

徐先勇1，方璐2，劉定國3，徐湘滬1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；

2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；

3.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

針對供配電系統(tǒng)中安裝的并聯(lián)無功補償裝置節(jié)約電力電量驗證方法匱乏這一問題，提出了兩種并聯(lián)無功補償裝置投運后節(jié)約電力電量的驗證方法:無功經(jīng)濟當(dāng)量計算節(jié)約電力電量驗證法和功率因數(shù)計算節(jié)約電力電量驗證法。當(dāng)并聯(lián)無功補償裝置投運前后功率因數(shù)不宜測量時，可采用無功經(jīng)濟當(dāng)量計算法對其節(jié)約的電力電量進(jìn)行驗證；當(dāng)并聯(lián)無功補償裝置投運前后功率因數(shù)可以測量時，可采用功率因數(shù)計算法對其節(jié)約的電力電量進(jìn)行驗證。本文還依據(jù)實例對采用功率因數(shù)計算并聯(lián)無功補償裝置節(jié)約電力電量的驗證方法進(jìn)行了不確定度評定，評定結(jié)果表明所提出驗證方法的準(zhǔn)確度和置信水平合理、可靠。

并聯(lián)無功補償；節(jié)約電量；驗證方法；不確定度評定

節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項極為緊迫的任務(wù)〔1〕。伴隨著越來越突出的供需矛盾和越來越大的環(huán)境壓力，我國已把節(jié)能環(huán)保制定成為一個重要的國策。電能的節(jié)約也備受社會各行業(yè)的關(guān)注，其中國家發(fā)改委印發(fā)的電力需求側(cè)管理辦法的通知強調(diào)要提高電能利用效率，促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置，保障用電秩序。

對于用戶，節(jié)電量是關(guān)注的重點，因為它直接關(guān)系到用戶的經(jīng)濟利益。對于電力企業(yè)，節(jié)約電量可以降低電網(wǎng)的損耗，提高電能的輸送能力，減少經(jīng)濟損失〔2－4〕。電網(wǎng)常用的節(jié)約電量手段有更換/改造變壓器、加裝無功補償裝置、變壓器經(jīng)濟運行和更換高效電機等方法〔5－11〕。目前，國內(nèi)外尚未建立起關(guān)于節(jié)能量測量和計算的完善標(biāo)準(zhǔn)體系，僅有少數(shù)涉及節(jié)能量測量與驗證的技術(shù)通則，例如國際能效測評組織編寫的 “國際能效測量和驗證規(guī)程”和我國的 “節(jié)能量測量與驗證技術(shù)通則”。這些技術(shù)通則介紹了關(guān)于節(jié)能量測量與驗證的一般方法學(xué)，并不是針對具體節(jié)能項目節(jié)能量測量的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可操作性〔12〕。國際能效測量和驗證規(guī)程也只是籠統(tǒng)的提到了不確定度評定。

針對供配電系統(tǒng)中安裝的并聯(lián)無功補償裝置，在補償裝置正常和穩(wěn)定運行條件下，因其連接系統(tǒng)中無功功率減少致使有功損耗降低所節(jié)約的電力電量缺少驗證方法這一問題〔13〕。

1 并聯(lián)無功補償項目節(jié)約電量測量方案

并聯(lián)無功補償裝置投運后，補償點到上一級無功電源點間所有串接元件上流過的無功潮流均將減少。為了提高測量和驗證操作的經(jīng)濟性，在假定上級無功電源點已完全補償時 (即功率因數(shù)接近1)，項目的測量邊界為補償點 (包括并聯(lián)無功補償裝置)至上一級無功電源點間的電力網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。圖1中框圖所示即為并聯(lián)無功補償項目的測量邊界，測量點主要布置在變壓器T1的出口以及并聯(lián)補償裝置的接入點。圖中BUS1、BUS2為母線，T1，T2為變壓器，C1，C2為并聯(lián)無功補償裝置的電容，RL為測量邊界內(nèi)線路的等值電阻，XL為測量邊界內(nèi)線路的等值電阻電抗。

在圖1中的測量點1布置電能計量裝置測量并聯(lián)無功補償裝置發(fā)出的無功功率和補償點的功率因數(shù)。在變壓器T1的低壓側(cè)安裝測量裝置測量運行電壓和無功功率。測量點測量儀器的準(zhǔn)確度會影響到節(jié)約電量的不確定度評定結(jié)果。

圖1 并聯(lián)無功補償項目測量示意圖

2 并聯(lián)無功補償項目節(jié)約電量驗證方法

圖1中所示框圖范圍內(nèi)的測量邊界內(nèi)的等效電路圖如圖2所示。圖中RT為測量邊界內(nèi)變壓器的等值電阻，XT為測量邊界內(nèi)變壓器的等值電抗。P為線路的等值有功負(fù)荷，Q為線路的等值無功負(fù)荷，Qr為并聯(lián)無功補償裝置投運后補償?shù)臒o功功率。

圖2 測量邊界內(nèi)的等效電路

依據(jù)電路定律，可以得出項目基期任一時刻的電力損耗ΔPb為:

或者為:

式中 UN為線路運行電壓；cosφ為并聯(lián)無功補償裝置投運前無功補償點的功率因數(shù)。并聯(lián)無功補償裝置投運后，項目報告期任一時刻的電力損耗ΔPr為:

或者為:

式中 P′為統(tǒng)計報告期線路的有功負(fù)荷；Q′為統(tǒng)計報告期線路的無功負(fù)荷；cosφ′為統(tǒng)計報告期無功補償點的功率因數(shù)；U′N為統(tǒng)計報告期線路運行電壓。將基期電力網(wǎng)絡(luò)的運行工況調(diào)整至統(tǒng)計報告期的運行工況，則式 (1)和式 (2)修正為校準(zhǔn)基準(zhǔn)電力損耗ΔPa為:

將式 (3)減去式 (5)則得到并聯(lián)無功補償裝置投運后節(jié)約的電力ΔΔP( )為:

或者為:

式中 K為無功補償裝置損耗率；C為測量邊界內(nèi)電力網(wǎng)絡(luò)的無功經(jīng)濟當(dāng)量。式 (7)中的C為式(8)所示:

式 (8)中R＝RL＋RT?；蛘邔⑹?(4)減去式 (6)則得到并聯(lián)無功補償裝置投運后節(jié)約的電力Δ ΔP( )為:

并聯(lián)無功補償裝置投運后節(jié)約的電量為:

式中 Δ(ΔEi)并聯(lián)無功補償裝置運行在第i種工況下節(jié)約的電量；Δ(ΔPi)并聯(lián)無功補償裝置運行在第i種工況下節(jié)約的電力；Ti并聯(lián)無功補償裝置運行在第i種工況下的運行時間。將式 (7)代入式 (10):

式中 EQi為并聯(lián)無功補償裝置運行在第i種工況時段累計發(fā)出的無功電量，Ci為在第i種工況時測量邊界內(nèi)電力網(wǎng)絡(luò)的無功經(jīng)濟當(dāng)量。

3 并聯(lián)無功補償項目節(jié)約電量驗證方法的不確定度評定〔13〕

3.1 測量不確定度來源

補償前的功率因數(shù)cosφ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；補償后的功率因數(shù)cosφ′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2；無功補償裝置補償容量Qr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3；無功補償裝置的投入時間T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4；統(tǒng)計報告期線路的有功負(fù)荷P′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

1)cosφ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

補償前最大有功負(fù)荷時的功率因數(shù)cosφ測量裝置有3臺0.5級電流互感器，3個測量精度為0.5級電壓通道、測量精度為0.5級電流通道，無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器本身的功率因數(shù)計算精度為1級。

①無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器本身的功率因數(shù)計算精度的允許誤差為±1%，按均勻分布，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

以交流0.4 kV，50 Hz低壓配電系統(tǒng)的并聯(lián)無功補償為例。如圖1所示，項目中單臺并聯(lián)無功補償裝置安裝在臺區(qū)變壓器的出線側(cè)。項目測量裝置含電流互感器、無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器，其中電流互感器為0.5級、共3臺；無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器的電壓測量精度為0.5級、電流測量精度為0.5級，均為3個通道；無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器的有功功率、無功功率、功率因數(shù)測量精度為1級；無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器的時鐘計時誤差2 s/天。該示例以2015年實測數(shù)據(jù)為來源，不考慮A類不確定度評定。

本項目UN＝10 kV，R＝0.73Ω，K＝0.000 8，為常量，其它參數(shù)通過測量獲得。式 (10)可以簡化為式 (12)，其中T為無功補償裝置的投入時間。

②單個電壓測量通道允許誤差為±0.5%，按均勻分布，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

③單個電流測量通道允許誤差為±0.5%，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3個電壓測量通道產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3個電流測量通道產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

④單個電流互感器允許誤差為±0.5%，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3個電流互感器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

⑤補償前最大有功負(fù)荷時的功率因數(shù)cosφ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

uB11、uB12、uB13、uB14的靈敏系數(shù)均為1，uB11、uB12、uB13、uB14相互獨立，cosφ的實測平均值為0.956 3，故補償前最大有功負(fù)荷時的功率因數(shù)cosφ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為:

2)cosφ′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

按照本節(jié)1)相同的算法，cosφ′的實測平均值為0.997 3，補償后最大有功負(fù)荷時的功率因數(shù)cosφ′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為: 3)Qr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

按照本節(jié)1)相同的算法，Qr的實測平均值為120 kvar，無功補償裝置補償容量Qr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3為:

4)無功補償裝置的投入時間T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

無功優(yōu)化及協(xié)調(diào)控制器的時鐘計時誤差2 s/d，故允許誤差為2.314 8×10－5，按均勻分布，T的實測值為2.45 h，故無功補償裝置的投入時間T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為:

5)統(tǒng)計報告期P′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5

按照本節(jié)1)相同的算法，P′的實測平均值為518.825 kW，預(yù)期最大有功功率P′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5為:

6)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定uc

①該項目節(jié)約電量的估計值:

②靈敏系數(shù)

③合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

7)擴展不確定度U

取k＝2，當(dāng)項目節(jié)約電量最佳估計值為4.2×102kWh時:

4 結(jié)論

1)針對供配電系統(tǒng)中安裝的并聯(lián)無功補償節(jié)約電力電量驗證方法匱乏這一問題，提出了兩種并聯(lián)無功補償裝置投運后節(jié)約電力電量的驗證方法:無功經(jīng)濟當(dāng)量計算節(jié)約電力電量驗證法和功率因數(shù)計算節(jié)約電力電量驗證法。可結(jié)合實際場合與測量條件，采用不同的方法進(jìn)行并聯(lián)無功補償裝置節(jié)約電力電量的驗證〔13〕。

2)依據(jù)實例的實測數(shù)據(jù)對采用功率因數(shù)計算節(jié)約電力電量的驗證方法進(jìn)行了不確定度評定，評定結(jié)果表明所提出驗證方法的準(zhǔn)確度和置信水平合理、可靠。

3)本文所提出的驗證方法及其不確定度評定可操作性強，可以為變壓器經(jīng)濟運行、線路升壓改造等節(jié)電項目的節(jié)電量驗證及不確定度評定提供借鑒。

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〔13〕徐先勇，徐湘滬，朱光明.一種并聯(lián)無功補償裝置節(jié)電量測量不確定度評定方法:201611042561.3〔P〕.[2016-11-24].

Verification Methods of Energy Savings for Parallel Reactive Power Compensation Project and Its Uncertainty Evaluation

XU Xianyong1，F(xiàn)ANG Lu2，LIU Dingguo3，XU Xianghu1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China)

In order to solve the problem oflack of verification method of energy savings for parallelreactive power compensation device installed in power supply and distribution system，two verification methods of energy savings for parallel reactive power compensation are proposed in this paper:the reactive power economic equivalent calculation method and the power factor calculation method for energy saving verification.When the power factor of parallel reactive power compensation devices is not easy to be measured before and after operation，the reactive power economic equivalent calculation method can be used for the verification of energy saving.When the power factor of parallel reactive power compensation devices is easy to be measured before and after operation，the power factor calculation method can be used for the verification of energy saving.Based on the testexamples，the uncertainty evaluation of power factor calculation verification method for parallelreactive power compensation is carried out in this paper.The evaluation results illustrate that the accuracy and confidence level of the proposed method are reasonable and reliable.

parallel reactive power compensation；energy savings；verification methods；uncertainty evaluation

TM714.3

:A

:1008-0198(2017)02-0024-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.006

2016-08-09

專利項目:中國專利 (201611042561.3)

徐先勇(1981)，博士，主要從事電測技術(shù)、微網(wǎng)電能質(zhì)量、特高

壓試驗電源、電力電子技術(shù)及其控制的研究。