配电网无功补偿节能计算方法优化研究

陈冰斌，赵健

（1.国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建福州350009；2.天津大学，天津 300072）

随着国民经济的快速发展，我国对能源的需求也在不断增长，目前已成为世界上第二大能源消耗国，如何实现节能与现有能源高效利用成为当务之急。建设节能电网对国民经济持续健康发展具有重要意义[1-3]。

我国电网的损耗相对较大，且主要集中在配电网上，对于电网企业而言，实现配电环节的节能减排，其效益将会十分明显。在预期这些效益中，掌握配电网新型节能设备与技术的应用情况，将为电力企业取得巨大的经济效益[4-5]；掌握新型节能设备与技术的节能测量方法，可以大幅提高使用新型节能设备与技术的节能效果[6-10]。文献[11]提出了配电网节能潜力定量评估的总体思路和具体实施方案，从抽样微观分析和全网宏观统计2方面入手，评估每条线路综合节能潜力，但没有涉及电网损耗的实测。文献[12]提出了有效能量和无效能量的概念，建立了以能效和耗能比为主要指标的新型节能评估体系，并阐述了其重要意义，却没有涉及节能效果的计算方法[13-16]。

本文将针对实施无功补偿前后的配电网节能效果，通过节能计算的关键技术，提出配电网节能的优化计算方法，解决目前电网损耗计算方法不一致、节能效果准确量化等问题，进而有力支撑电网公司节能服务体系建设，为国家节能减排工作提供技术支持，有助于为国家带来经济效益和社会效益。

1 配电网无功补偿节能量化基本理论

配电网设备主要由电力线路和变压器构成，配电网损耗主要体现在线路和变压器上，而配电网不同节能技术的实施会使配电网状态产生变化，如无功补偿会改变网络无功功率Q、合理调整电网运行电压会改变网络运行电压U。因此，不同的节能技术会影响配电网运行的不同参量（如P、Q、U等），进而导致电力线路功率损耗ΔPL和变压器功率损耗ΔPT产生变化，减小配电网网络损耗[17-21]。

配电网无功补偿主要分为3种方式，分别是变电站集中补偿、配变低压集中补偿和线路无功补偿，如图1所示。

图1 配电网无功补偿方式Fig.1 Reactive power compensation mode in the distribution network

本文以变电站集中无功补偿为例进行分析，变电站集中补偿装置一般连接在变电站10 kV母线上，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，但在配电网中通常采用Mvar级容量的并联电容器[22-23]。若补偿的无功功率为QC，变压器原有功负荷为PT，无功负荷为QT，则采用无功补偿的变压器总损耗量变为

变压器损耗的变化可表示为

因此，变电站的无功补偿可以降低中压配电网的网络损耗。

但是，在对配电网施加无功补偿节能技术后，配电网的运行状态随之也会发生相应的变化，如果不能将施加无功补偿节能技术前后的配电网状态划归一致，而直接对比前后的能耗量，进而得出相应的节能量是不具备可比性的，因此，在量化配电网无功补偿节能量时，需要对前后2次的配电网基准进行相应的转化[24-26]。配电网节能量的核证示意图如图2所示，在进行节能技术前后节能量的对比时，先将2次配电网状态归化至同一基准，再将对应折算的损耗值进行比较，才能得到施加节能技术后的真实节能量[27-29]。

图2 电网节能技术实施前后节能量计算示意图Fig.2 Schematic diagram of energy conservation technology in power grid before and after implementation of energy saving technology

2 配电网节能的优化算法

2.1 配电网节能优化步骤

以下是配电网节能的主要优化步骤：

1）分析配电网无功补偿节能技术对配电网节能量的影响。

2）确定配电网无功补偿技术节能量的测量参数，包括电量损耗、功率损耗的测量以及配电网有功和无功功率的测量。

3）确定测量参数后选取合适的测量点，进行相关参数的测量。

4）将节能技术应用前后的配电网运行状态和测量数据进行归一化处理后，比较得出准确节能量。

配电网节能优化步骤如图3所示。

图3 配电网节能的优化步骤Fig.3 The optimization step of distribution network energy saving

2.2 配电网节能的测量方法

针对变电站集中补偿，应量测变电站集中补偿装置所在10 kV网络的损耗，即对该级网络进行电量损耗量测和电力损耗量测。

1）电量损耗量测方法。由于配电网的网架结构比较复杂，主要为辐射网状性，若要对配电网的网络损耗进行量测，在该支路首端的变压器侧和所有下级配变侧均需装设电能表进行测量，如图4所示。

图4 配电网电量损耗测量示意图Fig.4 A schematic diagram of the measurement of power loss in a distribution network

设量测点为n个，选取某一时间段，量测变压器出口侧①处电量Q1和所有分支线路出口②处总电量值Q2，计算得出配电网网络损耗为Q1-Q2。

2）电力损耗量测方法。根据现有量测装置的特点，对于每个量测点，最理想的量测精度为每隔一段时间采集一次电网状态数据，包括有功功率P、无功功率Q和网络电压U。

2.3 配电网节能的优化算法

本文主要利用配电网等值电阻法和形状系数的电量损耗折算法对配电网的节能量计算方法进行优化分析[13-14]，其过程如下：

1）选取未采用无功补偿技术前的典型量测日，通过量测得到配电网的损耗ΔA前，进而选取采用无功补偿技术后的量测日，通过量测得到配电网的损耗ΔA后，同时根据分析中的损耗测量方法，在配电网线路首段量测点中，每隔15 min记录一次配电网的有功功率Pi、无功功率Qi和线路电压Ui的数据（i=0,1,2,…,95）。

2）从配电网运行状态数据库中调取过去1 a中与采用无功补偿技术后配电网运行状态相近但未采用无功补偿技术时的3个典型量测日的数据记录，得到该量测日全天有功电量Aa、全天无功电量Ar、同步骤1）中每隔15 min的96组有功功率P、无功功率Q和配电网网络电压U的集合。从而，可得到3组形状系数的区间值

3）利用配电网等值电阻法求取所选配电线路的等值电阻RLeq和变压器的等值电阻RTeq。

4）通过步骤2）中第j个配电网数据记录（j= 1,2,3），分析计算得出配电网的有功功率损耗为

式中：U平为配电网记录数据中96个网络电压U的算术平均值；P0为变压器的空载损耗。

5）通过步骤2）中的3组配电网运行状态数据记录，再根据步骤（4）得到相应的配电网有功功率损耗区间值为

6）根据步骤1）中采用无功补偿技术后通过电能表测量得到的96组网络有功功率Pi、无功功率Qi和网络电压Ui的数据（i=0,1,2,…,95），计算后得出96组配电网的有功功率损耗值：

计算出每个ΔP后i的上限值和下限值分别为

9）将应用无功补偿节能技术后测得的电网损耗ΔA后与计算得出的配电网电量损耗折算区间值进行比较，得出最终的节能量。

3 实例分析

以某市一条10 kV线路为研究对象，通过分析计算，该配电线路等值电阻RLeq=9.05 Ω，配变等值电阻RTeq=4.92 Ω。采用无功补偿节能技术前后的典型量测日线路首段电量分别为16 500 kW·h和18 480 kW·h；该线路所有配变的电量和分别为16 010 kW·h和18 105 kW·h。则采用无功补偿节能技术前后的典型量测日网络损耗分别为ΔA前=490 kW·h，ΔA后=375 kW·h。

选取施加无功补偿节能技术前后典型量测日的线路首端量测点的负荷状态进行采集，如表1所示，施加无功补偿节能技术前后的有功功率如图5所示。

表1 线路首端典型量测日的负荷采集Tab.1 Load collection on the head of the line on a typical measurement day for head of line

图5 无功补偿前后的有功功率Fig.5 Active power before and after the reactive power compensation

由采用无功补偿节能技术后典型量测日采集的数据可求得96组配电网网络损耗值，如表2所示。

本文选取未采用无功补偿节能技术时配电网线路首端量测点的历史数据记录进行分析计算，其中1 d的配电网数据记录如表3所示。

表2 采用无功补偿技术后配电网的网络损耗瞬时值Tab.2 Distribution network loss instantaneous value after using reactive power compensation technology

表3 线路首端量测点历史负荷采集Tab.3 Historical load data acquisition of the measurement point on the head of the line

结合测量数据，利用形状系数可得到配电网网络功率损耗区间值，如表4所示。

表4 历史3 d形状系数区间值及网络功率损耗区间值Tab.4 Shape coefficient interval value for a history of three days and network power loss interval value

通过该优化计算方法，计算得到配电网线路的电量损耗折算区间值为[677，692]kW·h。

将配电网电量损耗折算区间值与无功补偿后的量测日网络损耗375 kW·h进行比较：由于配电网电量损耗折算区间值的下限值677 kW·h大于无功补偿后的量测日网络损耗322 kW·h，可验证本优化算法的正确性和有效性，从而得到该10 kV网络在测量日采用无功补偿后的真实节能量区间值为[302，317]kW·h。

4 结语

本文针对施加节能技术前后的配电网损耗值的量化，利用配电网的等值电阻法和形状系数的求取，提出配电网节能的优化计算方法，通过将2次配电网状态归化至同一基准，再将对应折算的损耗值进行比较，得到施加节能技术后的真实节能量，解决了采用节能技术前后的网络损耗值不能直接比较的问题，为电网企业解决节能减排量化分析难题工作提供了一种技术方法。

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