配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)研究

于光華，史立勤

（1.黑河學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，黑龍江 黑河 164300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

伴隨著科技水平的不斷提高，各行各業(yè)逐步邁向工業(yè)自動化。電力部門在科技時代與時俱進，不斷完善體系建設(shè)，引進先進設(shè)備調(diào)整和改造整個電網(wǎng)體系，已經(jīng)在自動化進程上有了顯著變化。雖然配電網(wǎng)自動化進程與國外相比還有一定差距，但是通過增加高壓變電站、優(yōu)化和改造薄弱電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、針對事故高發(fā)區(qū)域進行設(shè)備替換和新技術(shù)應(yīng)用，大大促進和加速了全網(wǎng)提升的步伐。

配電網(wǎng)絡(luò)損耗問題一直都是電力系統(tǒng)的硬傷和弊病。國內(nèi)10 kV和10 kV以下的電網(wǎng)數(shù)量眾多，且損耗率極高。根據(jù)權(quán)威統(tǒng)計，此類損耗預(yù)計占電力系統(tǒng)損耗的60%～70%。根據(jù)2009年國家電網(wǎng)統(tǒng)計，全國年度總發(fā)電量為3.5 367×1013k·Wh。不難看出，假若損耗下降1%，將節(jié)約電量3.50×1011k·Wh?？梢?，損耗無疑增加了成本加劇，造成了資源浪費。為了更好地促進和推動全面小康社會的發(fā)展，提出行之有效的方案，降低損耗，減少浪費，加速國民經(jīng)濟騰飛，是電力系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。

針對以上問題，本文主要對配電網(wǎng)節(jié)能研究及實踐現(xiàn)狀進行了闡述。首先分析造成配電網(wǎng)能量損失的原因，通過定性和定量方法分析影響配電網(wǎng)能量損失的因素；其次，分析國內(nèi)外在配電網(wǎng)節(jié)能方面采取的措施和實踐情況，進而針對以上所述提出配電網(wǎng)節(jié)能的未來發(fā)展趨勢。最后，對配電網(wǎng)節(jié)能工作進行總結(jié)。

1 配電網(wǎng)節(jié)能研究現(xiàn)狀及實踐情況

1.1 配電網(wǎng)損失產(chǎn)生的原因及影響因素

基礎(chǔ)設(shè)備產(chǎn)生的功率損耗是電網(wǎng)傳送耗能的第一環(huán)節(jié)。作為電網(wǎng)的終端體系，配電網(wǎng)具備線路復(fù)雜、分布廣泛和設(shè)備眾多等特點。根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)原理，能量損失首先會發(fā)生在使用的傳輸線路材質(zhì)、轉(zhuǎn)換開關(guān)質(zhì)量以及基礎(chǔ)變壓器等設(shè)備中；其次，單位時間內(nèi)通過做工形式的差異，產(chǎn)生二次能量損失；最后，電力系統(tǒng)固有阻抗引發(fā)電能輸送過程中的功耗。能量損失的多少由線損率表示，即電力系統(tǒng)中損耗的電能與電力系統(tǒng)供應(yīng)的電能百分比：

其中，AG為電力系統(tǒng)提供的電能，AS為電力系統(tǒng)中損耗的電能。

根據(jù)線損產(chǎn)生原因的不同性質(zhì)，管理因素和技術(shù)因素成為造成整體配電傳輸網(wǎng)絡(luò)損耗的主因。供電網(wǎng)絡(luò)中，各類元器件、節(jié)點設(shè)備產(chǎn)生的損耗總量，稱為理論線損量，又稱為技術(shù)類線路損耗量。作為技術(shù)線損的電量損失，可以通過技術(shù)措施得以降低，且可以通過理論計算得出；管理因素則屬于電力企業(yè)的規(guī)劃設(shè)計、投放實施、安全策略以及部署問題導(dǎo)致的損耗。

1.1.1 線損產(chǎn)生技術(shù)的原因

根據(jù)線損產(chǎn)生的機理與位置，配電網(wǎng)線損產(chǎn)生的技術(shù)原因可概括如下[1]：

（1）缺乏合理性布局設(shè)計的配電站。第一，從分布結(jié)構(gòu)合理性上分析，變電站與負荷中心距離跨度太大，超出理論供電距離，特別是110 kV/10 kV變電站的規(guī)劃布局最明顯。理論數(shù)據(jù)要求，如表1所示。第二，不符合實際需求的增建和擴容導(dǎo)致了能耗損失，如過小的用電需求配置了過大的變壓器，或者冗余過大，或者線路布放缺乏合理性。

表1 理論數(shù)據(jù)要求

（2）傳輸導(dǎo)線選取缺乏合理性。根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)理論可知，線路耗能與線路阻值成正比時正向疊加，然而未經(jīng)過合理計算而采用了不合規(guī)格導(dǎo)線線徑，造成了線路阻值明顯增大。

（3）供電/用電設(shè)備損耗過大。環(huán)保節(jié)能設(shè)備的普遍應(yīng)用和更新?lián)Q代逐漸解決了用電設(shè)備的耗能，然而整體用電設(shè)備耗能微不足道，占10%～20%；耗能大戶的供電設(shè)備產(chǎn)生耗能的原因集中體現(xiàn)于供電企業(yè)的自動化水平、落后的變壓設(shè)備等，此類耗能占70%～80%。

（4）供電電壓不合理。當(dāng)電流通過阻抗為R+jX的導(dǎo)體（如線路、變壓器）時，產(chǎn)生的功率損耗值為：

式中，ΔP為變壓器或線路的有功功率；ΔQ為變壓器或線路的無功功率；R為變壓器或線路的電阻；X為變壓器或線路的電抗。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)確定后，R、X的數(shù)值保持不變。分析式（2）可得，當(dāng)電網(wǎng)輸送相同的P、Q時，功率損耗與運行電壓的平方成反比。因而，對于輸送同樣功率的配電網(wǎng)，如果運行電壓偏低，則電能損耗相應(yīng)增大[2]。

（5）功率因數(shù)范圍表明，當(dāng)無用功功率產(chǎn)生于配電網(wǎng)系統(tǒng)傳輸中時，傳輸保持相對恒定做功；cosΦ趨于-∞時，功率的損耗同線路運載電壓成反比關(guān)系。因此，我國通常采用高壓傳送，及避免運行電壓過低而導(dǎo)致?lián)p耗電能增大[2]。

根據(jù)線損的表達式[3]：

可知，電網(wǎng)的電能損耗與功率因數(shù)的平方成反比，即功率因數(shù)越大，損耗越大。

（6）三相負荷不平衡。在線路三相參數(shù)對稱的前提下，根據(jù)理論數(shù)據(jù)，正負阻抗相等，即：

公式表明，當(dāng)且僅當(dāng)R1、X1同為正序電阻和電抗的情況下，Z2=Z1；如果阻抗特例為0，則：

式中，Z0包括三倍的等效接地阻抗。如果電網(wǎng)為非接地系統(tǒng)，則Z0為無窮大；如果電網(wǎng)為直接接地系統(tǒng)，則Z0為零。這時，kR≥4，kX與kR相比較小，兩者與輸電線的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。

如果電網(wǎng)三相電源為對稱正弦，在完全平衡負荷下，則只有正序電流流過。此時，電網(wǎng)功率損失為：

故，有功功率損耗為：

以平衡時額定正序電流為基準(zhǔn)，當(dāng)負荷不平衡存在負序及零序電流時，其功率損失為：

式中，ε0、ε2為三相負載零序和負序不平衡系數(shù)。

可知，負荷不平衡時，輸電線消耗的有功功率為：

可見，負荷不平衡時，輸電線消耗的有功功率與電流平方、不平衡系數(shù)平方成正比。

（7）負荷曲線失衡。用電量恒定的條件下，負荷曲線呈折線上下波動，造成峰值和峰谷絕對值大幅變化，帶來了大額損耗。然而，盲目的更換大功率、大容量的變壓器，看似解決了問題，實則導(dǎo)致了更大的冗余損耗，直接造成設(shè)備投入成本加大等多種經(jīng)濟損失。

1.1.2 管理原因產(chǎn)生的線損

因管理問題導(dǎo)致產(chǎn)生的能源浪費、市場運營虧損以及發(fā)生安全生產(chǎn)事故，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）缺乏行之有效的質(zhì)量管理體系和風(fēng)險控制體系。故障跟蹤體系和售電反饋數(shù)據(jù)沒有有效的分析方法，導(dǎo)致無法或者不能及時發(fā)現(xiàn)當(dāng)下存在的問題，導(dǎo)致負荷持續(xù)化存在或者冗余長期存在。特別是針對于部分電量的漏記、漏抄和錯抄現(xiàn)象，應(yīng)逐步采用自動化模式記錄來替代人工模式。

（2）設(shè)備陳舊，導(dǎo)致整體電網(wǎng)的能源無謂的損失損耗。例如，質(zhì)量不過關(guān)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，如線路、開關(guān)和大小變壓器；“內(nèi)傷”引發(fā)“外傷”，如薄弱的基礎(chǔ)設(shè)施、大跨度的供電半徑等，導(dǎo)致了迂回損耗、衰減嚴重等問題。

（3）電力系統(tǒng)內(nèi)部員工職業(yè)素養(yǎng)和理論知識不足，缺乏理論實踐結(jié)合能力，不能發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際工作中遇到的問題?？冃w系陳舊，責(zé)任分工界定不清，不能良好地督促和管理基層員工嚴格執(zhí)行企業(yè)內(nèi)部制度，如日常抄表、線路檢修不及時等問題。

（4）缺乏用電普法宣傳。部分單位或個人存在偷電行為、私自改造供電線路、量度表連接以及計量計算設(shè)備篡改等，直接影響供電企業(yè)的整體布局，增大了供電部門的傳輸負荷[4-5]。

1.2 配電網(wǎng)的節(jié)能措施

1.2.1 配電網(wǎng)節(jié)能的技術(shù)措施

（1）加快配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與技術(shù)改造，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。針對配電網(wǎng)中電容器的安裝位置與安裝容量問題，很多學(xué)者和專家進行了研究，退火算法[6]、蟻群優(yōu)化算法[7]等許多智能算法得到了應(yīng)用。其中，Attia A. El-Fergany利用人工蟻群算法計算了徑向分布網(wǎng)絡(luò)中電容器的安裝容量和安裝位置。實驗結(jié)果證明，利用該方法配置的電容器可以實現(xiàn)電網(wǎng)節(jié)能最大化，并提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性。同時，與啟發(fā)式搜索方法相比，該方法具有很好的收斂性，可行性高。此外，該方法不需要像遺傳算法、PSO和其他算法調(diào)整控制參數(shù)，使用將更加方便[8]。

（2）控制母線電壓在額定值允許的偏離范圍內(nèi)，同時采用逆調(diào)壓方法調(diào)節(jié)母線電壓。逆調(diào)壓方法是指，高峰負荷農(nóng)忙夏季等時應(yīng)適當(dāng)提高電壓使其接近合格范圍上限值運行，低谷負荷農(nóng)閑節(jié)假日等時應(yīng)適當(dāng)降低電壓使其接近合格范圍下限值運行。

（3）降低線網(wǎng)導(dǎo)線截面損耗，對應(yīng)不同環(huán)境選擇相匹配的導(dǎo)線截面。應(yīng)通過實際理論計算，選擇經(jīng)濟適用的導(dǎo)線截面。

（4）更換陳舊的電力設(shè)備。當(dāng)今國內(nèi)外眾多學(xué)者專家針對電力設(shè)備損耗問題開展了大量研究，就變壓器來說，采用了大量新專利和新技術(shù)。針對電網(wǎng)中變壓器的特點，當(dāng)前已有的技術(shù)革新包括使用高密度晶體合金、降低環(huán)境噪聲、通過優(yōu)質(zhì)線圈減少損耗以及使用動態(tài)負荷補償技術(shù)等。

2004年，陜西地方電力（集團）公司采用了一種新型饋線自動調(diào)壓器，如圖1所示。該調(diào)壓器可以在20%的范圍內(nèi)對輸入電壓進行自動調(diào)節(jié)。饋線自動調(diào)壓器由主回路和調(diào)壓控制器組成。主回路由兩部分組成，即三相自耦式變壓器和三相有載調(diào)壓分接開關(guān)[9]。

圖1 自耦式變壓器三相結(jié)構(gòu)原理圖

2007年，陜西省綏德電力局針對單相變壓器的特點，對梅花新村小區(qū)進行改造，運行結(jié)果良好。改造后經(jīng)計算，10 kV地區(qū)綜合線損率從7.13%降低到3.28%。表2是梅花新村改造前后線損分析的比較[10]。

表2 改造前后線損分析比較表 /（kW·h/月）

2009年，華北電力大學(xué)提出了一種動態(tài)無功負序不平衡補償拓撲結(jié)構(gòu)。它利用雙向晶閘管控制電抗器、電容器，配合12脈動技術(shù)實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)三相平衡。多組低壓TCR無功單元模塊并聯(lián)后，通過Y/Y結(jié)構(gòu)變壓器接入系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損耗比采用6脈動接線形式減少了33%[11]。

2007年，湖南大學(xué)針對當(dāng)前無功補償存在的問題，設(shè)計了一種基于負荷實測的無功優(yōu)化系統(tǒng)，如圖2所示。它在對系統(tǒng)進行總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了3種無功補償控制模式，并采用就地和遠端2種控制方式相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了無功補償控制策略的優(yōu)化，同時給出了系統(tǒng)的節(jié)能效益分析算法，通過實例證明了系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果。項目測試情況如下所述[12]。

圖2 系統(tǒng)總體框架

該變電站通過2臺主變壓器配合3條線路，配備了5臺功率補償器，分別使用10 kV電網(wǎng)傳輸線路（總裝機容量可達：11 973 kV，回路需要配備200臺左右的無功率補償設(shè)備）和10 kV農(nóng)業(yè)電網(wǎng)（總裝機容量可達：29 500 kV，回路需要配備100臺左右功率補償器）。實際產(chǎn)能理論數(shù)據(jù)，如表3所示。

2010年，華南理工大學(xué)電力學(xué)院張勇軍提出了一種導(dǎo)線更換和中低壓無功配置協(xié)同優(yōu)化的配電網(wǎng)節(jié)能改造優(yōu)化模型。該模型以年總支出費用最小為目標(biāo)，以導(dǎo)線更換線徑、各種無功補償組數(shù)和容量為控制變量，滿足各種運行約束和安裝維護約束，并采用分組整數(shù)編碼的災(zāi)變遺傳算法進行求解。最后，以某地區(qū)實際配電線路改造為例，分別計算三種方案的效益：（1）僅按經(jīng)濟電流密度進行導(dǎo)線更換；（2）僅進行中低壓無功補償；（3）將導(dǎo)線更換與中低壓無功配置協(xié)同優(yōu)化。不同改造方案的改造效益，如表4所示。

結(jié)果表明，方案三提出的模型降損效益明顯，降損空間得到了充分挖掘，比改造前降低損耗50%以上。它的技術(shù)經(jīng)濟性最好，具有更好的降損效益和應(yīng)用價值[12]。

2011年，張勇軍又提出了配電網(wǎng)節(jié)能潛力定量評估的總體思路和具體實施方案。他從抽樣微觀分析和全網(wǎng)宏觀統(tǒng)計兩方面入手，借助專用軟件PSAS，對所選線路分別計算9項優(yōu)化措施的節(jié)能潛力，然后經(jīng)匹配整合來評估每條線路的綜合節(jié)能潛力。此外，在對抽樣線路進行節(jié)能潛力分級和全網(wǎng)特征類比處理后，通過比例加權(quán)得到全網(wǎng)節(jié)能潛力指標(biāo)。當(dāng)前，該模型已經(jīng)成功應(yīng)用于廣東多地配電網(wǎng)的節(jié)能分析中[13-14]。

表3 效益計算結(jié)果

表4 不同改造方案的改造效益對比表

另外，為了降低配電網(wǎng)損耗和提高電網(wǎng)運行電壓，Mehdi Assadian教授將保證收斂的粒子群優(yōu)化算法（GCPSO）、粒子群優(yōu)化算法（PSO）以及灰色理論相結(jié)合進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。結(jié)果證明，該方法有很好的可行性，并利用遺傳算法與灰色理論相互結(jié)合的方法對結(jié)果進行了驗證[15]。

（3）加強需求側(cè)管理，科學(xué)引導(dǎo)消費，提高系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。需求側(cè)節(jié)能管理是需求側(cè)即電力用戶管理（DSM）的重要組成部分，引導(dǎo)電力用戶改變用電方式，優(yōu)化資源配置，提高用電效率。

（4）加強素質(zhì)教育宣傳。社會范圍內(nèi)普及宣傳節(jié)約用電的宣傳活動，強化整體國民的節(jié)約用電意識；通過對電力企業(yè)員工管理員的日常培訓(xùn)，提升其理論素質(zhì)和管理素質(zhì)；建立并完善分級化的電力能源管理機構(gòu)，協(xié)助發(fā)現(xiàn)隱患，并督導(dǎo)解決問題。

（5）對電網(wǎng)線路進行摸牌普查，努力做好新舊替換，按時進行運維檢測，降低線路問題帶來的損耗。

2 配電網(wǎng)節(jié)能的未來發(fā)展趨勢

隨著配電網(wǎng)自動化水平的提高，配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)必將快速發(fā)展，以實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

未來的配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）先進的無功補償技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)在配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)中的成熟應(yīng)用，通過無功補償來降低降低配電網(wǎng)的能量損失必將取得很好的經(jīng)濟效益。

（2）實踐表明，當(dāng)今國際新型非晶合金變壓器與普通的硅鋼片變壓器的顯著差異在于空載損耗，二者差異高達80%。在用電高峰期間，還可產(chǎn)生連續(xù)疊加被乘效益。因此，大力推廣新型變壓器必將改善大額能量損失，明顯提供經(jīng)濟效益。

（3）配電網(wǎng)節(jié)能的進一步智能化。在智能配電網(wǎng)的建設(shè)過程中，電網(wǎng)節(jié)能是衡量智能電網(wǎng)優(yōu)越性的重要指標(biāo)。另外，風(fēng)能、太陽能等清潔能源的接入、電動汽車的快速發(fā)展等，使得配電網(wǎng)的節(jié)能途徑和節(jié)能要求發(fā)生了很大變化。因此，智能配電網(wǎng)的節(jié)能工作將更具重要性。

3 結(jié) 論

能源問題屬于世界范圍的大問題，關(guān)系著國家的強盛興衰。當(dāng)今科技飛速發(fā)展，能源逐漸萎縮，能否有效控制和減少能源損耗，是我國經(jīng)濟發(fā)展和騰飛的命脈，是我國屹立于世界強國的關(guān)鍵。通過加強對電網(wǎng)線損的管理，合理化布局結(jié)構(gòu)，理論計算供需方，更新?lián)Q代設(shè)備，必將改善我國電網(wǎng)損耗問題。

節(jié)能減耗是減少資源浪費，提高產(chǎn)能，也是供電企業(yè)為全面建成小康社會，為企業(yè)和居民提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、加速經(jīng)濟發(fā)展、保障社會秩序和生產(chǎn)的重點工作。因此，要堅持以科學(xué)作為源動力，以新思想新理念不斷推陳出新，發(fā)揚工匠精神，為中華民族的偉大復(fù)興而努力。

[1] 李婷婷.10kV配電網(wǎng)節(jié)能降損研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010：5.

[2] 葛江北.基于LCC的配電網(wǎng)綜合節(jié)能優(yōu)化決策[D].北京：華北電力大學(xué)，2011：3.

[3] 羅林歡.探討新形勢下10kV配電網(wǎng)節(jié)能降耗措施[J].經(jīng)營管理者，2014，（1）：391.

[4] 陳友建.電網(wǎng)調(diào)度降損節(jié)能的技術(shù)措施[J].江蘇電機工程，2005，（7）：30-32.

[5] 李啟浪.配電網(wǎng)的節(jié)能途徑[J].大眾用電，2008，（2）：18.

[6] 馬金明.10kV配電網(wǎng)降損節(jié)能和改善電壓質(zhì)量的途徑[J].農(nóng)村電氣化，2004，（6）：13-14.

[7] 梁 翀.關(guān)于配電網(wǎng)降損節(jié)能問題的思考[J].工程技術(shù)，2011，（1）：70.

[8] Chiang H D，Wang J C，Cockings O，et al.Optimal Capacitor Placements in Distribution Systems：Part 1：a New Formulation and the Overall Problem[J].IEEE Trans Power Deliv，1990，5（2）：634-642.

[9] Chang C F.Reconfiguration and Capacitor Placement for Loss Reduction of Distribution Systems by Ant Colony Search Algorithm[J].IEEE Trans Power Syst，2008，23（4）：1747-1755.

[10] Annaluru R，Das S，Pahwa A.Multi-level Ant Colony Algorithm for Optimal Placement of Capacitors in Distribution Systems[J].Congress on Evol Comput，CEC 2004，（2）：932-937.

[11] 張紅旗，李風(fēng)鶴.配電網(wǎng)采用單相配電技術(shù)的節(jié)能效果分析[J].技術(shù)交流與應(yīng)用，2009，（2）：53-55.

[12] 趙吳鵬，尹忠東.基于低壓配電網(wǎng)無功負序不平衡現(xiàn)象的節(jié)能降損解決方案[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，（7）：15-19.

[13] 張曉虎，羅隆福.基于負荷實測的配電網(wǎng)無功優(yōu)化及其降損節(jié)能效益分析[J].電網(wǎng)技術(shù)術(shù)，2012，（5）：226-231.

[14] 張勇軍，陳 超.配電網(wǎng)節(jié)能改造優(yōu)化建模研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，（8）：60-64.

[15] 張勇軍，石 輝.配電網(wǎng)節(jié)能潛力評估系統(tǒng)開發(fā)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，（6）：51-55.