蔣金良 劉瀚林 張勇軍

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院∥廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

我國(guó)“十一五”規(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的任務(wù)和目標(biāo)［1-2］．目前，節(jié)能降耗已作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程在各電網(wǎng)公司全面啟動(dòng)，大力推進(jìn)該項(xiàng)工程、建設(shè)節(jié)能型電網(wǎng)已成為各電網(wǎng)公司的重要任務(wù)，同時(shí)更是深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)綠色和諧電網(wǎng)的重要組成部分．制定“十二五”節(jié)能規(guī)劃是近年各供電企業(yè)的一項(xiàng)重要工作，而這項(xiàng)工作的依據(jù)在于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀的節(jié)能潛力進(jìn)行科學(xué)、定量的評(píng)估．

對(duì)于一地區(qū)電網(wǎng)，其主網(wǎng)(220 kV和110 kV電網(wǎng))部分損耗通常占到總損耗的1/4以上．因此，十分有必要對(duì)地區(qū)主網(wǎng)損耗產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并深化其節(jié)能降耗的潛力評(píng)估，進(jìn)而通過(guò)各種技術(shù)措施［3-10］有效降低主網(wǎng)損耗．

文中總結(jié)了地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能降耗的具體手段，并提出節(jié)能潛力評(píng)估方法，進(jìn)而進(jìn)行了相應(yīng)的主網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃制訂，以期為其它地區(qū)的主網(wǎng)節(jié)能研究和工程應(yīng)用提供參考．

1 提高地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能性的可行手段

地區(qū)主網(wǎng)的有功損耗是多種因素綜合作用的結(jié)果，而其產(chǎn)生的根源主要在于電流流經(jīng)輸電線路、主變壓器與并聯(lián)電容器所產(chǎn)生的功率損耗之和ΔP，提高地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能性的數(shù)學(xué)描述為

式中:ILi、RLi分別為第i條輸電線路的電流與電阻;Pj、Ptj分別為第j臺(tái)主變的空載損耗和各側(cè)負(fù)載損耗;βtj為第 j臺(tái)主變壓器各側(cè)的負(fù)載系數(shù);QCk、tanαk分別為第k臺(tái)并聯(lián)電容器的額定容量和介質(zhì)損耗角;n、m、g分別為網(wǎng)絡(luò)中輸電線路、主變壓器和并聯(lián)電容器的狀態(tài)向量集，n=(1，2，…，n)T，m=(1，2，…，m)T，g=(1，2，…，g)T;T 為變壓器類(lèi)型變量，當(dāng)為雙繞組變壓器時(shí)T=1，三繞組變壓器時(shí)T=3．

式(1)的約束為潮流約束和限值約束，即

式中，Pi、Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的注入有功和無(wú)功功率，Vi、Vj分別為節(jié)點(diǎn) i、j的電壓，Gij、Bij、θij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納、相角差，Pi，min、Pi，max、Qi，min、Qi，max、Vi，min、Vi，max分別為節(jié)點(diǎn)有功功率、無(wú)功功率、電壓的上下限．

由式(1)可知，可通過(guò)重載線路導(dǎo)線優(yōu)化更換來(lái)降低線路電阻，通過(guò)負(fù)荷分布優(yōu)化、電廠優(yōu)化調(diào)度和無(wú)功優(yōu)化配置來(lái)調(diào)控線路電流以達(dá)到最節(jié)能狀態(tài)，通過(guò)主變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行來(lái)有效降低變壓器上的損耗．將這些措施進(jìn)行優(yōu)化組合，從而全面降低地區(qū)主網(wǎng)的有功損耗．

1．1 重載線路導(dǎo)線優(yōu)化更換

輸電線路的電能損耗與線路電阻成正比．增大導(dǎo)線截面積和縮短線路長(zhǎng)度可減少線路電阻．在電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和改造中，合理選擇輸電線路的導(dǎo)線截面和路徑，使變電站位置盡量位于負(fù)荷中心以縮短供電半徑，選用低電阻率材料的導(dǎo)線等都有利于線路損耗的降低［3-4］．由于珠三角地區(qū)負(fù)荷持續(xù)高速增長(zhǎng)，部分線路負(fù)荷較重，不利于電網(wǎng)的節(jié)能和安全運(yùn)行．為此，結(jié)合重載線路替換成大導(dǎo)線前后的潮流對(duì)比，考慮以重載線路更換后的降損效益與更換投資的比為目標(biāo)，優(yōu)化選擇線路進(jìn)行節(jié)能改造，指導(dǎo)節(jié)能規(guī)劃的制訂，其數(shù)學(xué)模型為在式(1)－(6)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充約束條件:

式中:DT為更換輸電線路的價(jià)格矩陣;λi為進(jìn)行節(jié)能更換的輸電線路;n'為進(jìn)行節(jié)能更換后的輸電線路狀態(tài)向量集;為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù);ρ為銷(xiāo)售電價(jià);δ為節(jié)能更換的線路選擇標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)．

1．2 主變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

選擇空載損耗較低的節(jié)能型變壓器和合理調(diào)整變壓器的負(fù)載率，可降低變壓器損耗;當(dāng)變壓器空載損耗和負(fù)載損耗相等時(shí)變壓器最為節(jié)能．因此，可結(jié)合主變壓器的負(fù)載率水平來(lái)指導(dǎo)多臺(tái)主變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、變壓器的更新和變電站的擴(kuò)容，以降低電網(wǎng)損耗［3，5］．

文中通過(guò)潮流計(jì)算和主變負(fù)載率分析得出:

(1)對(duì)于負(fù)載率輕的多臺(tái)主變，側(cè)重于評(píng)估減少運(yùn)行主變臺(tái)數(shù)帶來(lái)的降損空間;

(2)對(duì)于負(fù)載率高的變電站則評(píng)估其增加一臺(tái)主變帶來(lái)的降損空間;

(3)對(duì)于運(yùn)行年限在15年以上的主變，則評(píng)估其更換為節(jié)能型主變帶來(lái)的降損空間．

然后進(jìn)行改造經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估，以確定將節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性最佳的方案列入節(jié)能規(guī)劃．

1．3 負(fù)荷分布優(yōu)化

負(fù)荷在空間上的分布如果跟各支路的輸電能力相匹配時(shí)，全網(wǎng)的有功損耗就會(huì)處在一個(gè)較為理想的水平，即通過(guò)負(fù)荷分布優(yōu)化來(lái)合理調(diào)整公式(1)中ILi(i∈n)的大小及分布，使得全網(wǎng)的損耗最低．文中針對(duì)有多回路供電的110kV變電站，通過(guò)靈活選擇供電回路和多臺(tái)主變壓器間的聯(lián)絡(luò)方式，來(lái)調(diào)整與之連接的220kV變電站的負(fù)荷，以達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷分布、降低損耗的目的．

例如，對(duì)于雙回路供電(回路A、回路B)、兩臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行的110 kV變電站，負(fù)荷通常有3種分布形式:

1)110kV雙母線分列運(yùn)行，兩供電回路分別供一臺(tái)主變的負(fù)荷;

2)110kV雙母線并列運(yùn)行，供電回路A帶所有負(fù)荷，回路B熱備用(帶備自投);

3)110kV雙母線并列運(yùn)行，供電回路B帶所有負(fù)荷，回路A熱備用(帶備自投)．

假設(shè)主網(wǎng)中有h個(gè)雙回路供電的110 kV變電站，則對(duì)應(yīng)有3h個(gè)總體負(fù)荷分布狀態(tài)r，組成負(fù)荷分布狀態(tài)集R．從而負(fù)荷分布優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為在式(1)－(6)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充這一約束條件，即

通過(guò)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷分布優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解，便可得出電網(wǎng)在各種典型方式下變電站最優(yōu)的負(fù)荷分配方式和最佳運(yùn)行方式，與原定運(yùn)行方式比較即可評(píng)估改善負(fù)荷空間分布的降損潛力．

1．4 地區(qū)電廠的優(yōu)化調(diào)度

由式(1)可知，進(jìn)行電廠優(yōu)化調(diào)度可使ILi(i∈n)達(dá)到更節(jié)能的分布狀態(tài)．根據(jù)電廠機(jī)組容量和該電廠接入供電區(qū)域的負(fù)荷大小綜合確定新建電廠上網(wǎng)電壓等級(jí)、合理安排上網(wǎng)電廠的功率出力、做好分區(qū)功率平衡等，都可以降低地區(qū)主網(wǎng)的功率損耗［6-7］．文中重點(diǎn)進(jìn)行了電廠出力與網(wǎng)損量的變化關(guān)系分析和電廠上網(wǎng)電壓等級(jí)與網(wǎng)損量的變化關(guān)系分析．

電廠出力與網(wǎng)損量的變化關(guān)系分析，主要指在其它參數(shù)不變的情況下，各電廠出力對(duì)主網(wǎng)網(wǎng)損量影響大小的數(shù)值分析，旨在計(jì)算地區(qū)發(fā)電廠功率調(diào)度的節(jié)能潛力．此時(shí)，線路電流ILi(i∈n)為電廠出力在對(duì)應(yīng)法則f下的一個(gè)映射，從而電廠優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)為在式(2)－(6)的約束下實(shí)現(xiàn):

式中，PP為可調(diào)配電廠的集合，PGh、QGh為各可調(diào)配電廠的有功、無(wú)功出力．

電廠上網(wǎng)電壓等級(jí)與網(wǎng)損量的變化關(guān)系分析，主要指在其它參數(shù)不變的情況下，改變電廠的上網(wǎng)電壓等級(jí)(110 kV上網(wǎng)、220 kV上網(wǎng)或500 kV上網(wǎng))，通過(guò)上述3種方式下的潮流計(jì)算，判斷最節(jié)能上網(wǎng)電壓等級(jí)，以指導(dǎo)未來(lái)地區(qū)電廠的上網(wǎng)電壓等級(jí)決策．

1．5 無(wú)功優(yōu)化配置

充分和合理的無(wú)功電源配置是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)無(wú)功潮流合理分布的前提條件［8-9］．通過(guò)電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃來(lái)確定系統(tǒng)的最佳補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)及相應(yīng)容量，避免無(wú)功電源建設(shè)的盲目性，是保證電網(wǎng)安全性、經(jīng)濟(jì)性和供電質(zhì)量的一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)工作．近年來(lái)由于電壓無(wú)功補(bǔ)償工作到位，電網(wǎng)的功率因數(shù)明顯提高，再按典型設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)劃變電站無(wú)功補(bǔ)償往往造成很大的浪費(fèi)．

文中采用了面向電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷需求的無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃模型與災(zāi)變遺傳算法來(lái)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化配置計(jì)算［10］，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化前后的網(wǎng)損分析來(lái)評(píng)估無(wú)功優(yōu)化配置的節(jié)能潛力，以及與典型設(shè)計(jì)下無(wú)功配置的節(jié)約量進(jìn)行對(duì)比，使得無(wú)功規(guī)劃服務(wù)于節(jié)能規(guī)劃．

1．6 其它方面

提高地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能性的其它手段主要涉及到變電站選址優(yōu)化、完善管理模式等方面，因受客觀因素限制太多，文中弱化了這些方面的節(jié)能潛力評(píng)估．

2 地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能潛力評(píng)估與節(jié)能規(guī)劃制訂

2．1 節(jié)能潛力評(píng)估

式中:ΔP(n'，m'，g')為實(shí)施節(jié)能手段后的主網(wǎng)有功損耗．根據(jù)前面分析，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面來(lái)全面評(píng)估主網(wǎng)的節(jié)能降耗潛力:

(1)重載線路導(dǎo)線優(yōu)化更換的節(jié)能潛力;

(2)主變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的節(jié)能潛力;

(3)負(fù)荷分布優(yōu)化節(jié)能潛力;

(4)電廠優(yōu)化調(diào)度的節(jié)能潛力;

(5)主網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置的節(jié)能潛力．

以地區(qū)主網(wǎng)的最新網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用筆者所在課題組開(kāi)發(fā)的潮流計(jì)算與無(wú)功優(yōu)

文中將地區(qū)主網(wǎng)的節(jié)能潛力定義為化計(jì)算軟件RPOS來(lái)進(jìn)行以上各個(gè)方面的節(jié)能潛力計(jì)算與評(píng)估．RPOS可對(duì)電網(wǎng)各個(gè)組成部分建模，進(jìn)行主網(wǎng)的潮流計(jì)算，并采用災(zāi)變遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化配置與規(guī)劃，以及無(wú)功優(yōu)化調(diào)度［11-13］，其操作界面如圖1所示．

圖1 RPOS操作主界面Fig．1 Main calculation interface of RPOS

2．2 節(jié)能規(guī)劃制訂

文中立足地區(qū)主網(wǎng)現(xiàn)狀，以節(jié)能潛力評(píng)估和經(jīng)濟(jì)合理性評(píng)估為依據(jù)，根據(jù)“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃中典型水平年的負(fù)荷分布和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行潮流計(jì)算、網(wǎng)損分析和優(yōu)化計(jì)算，針對(duì)節(jié)能評(píng)估的薄弱環(huán)節(jié)，制定節(jié)能降損的規(guī)劃方案．具體來(lái)說(shuō)，在滿(mǎn)足供電可靠性的前提下，協(xié)調(diào)主網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整、導(dǎo)線截面優(yōu)化選型、無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置和運(yùn)行方式優(yōu)化等，以期達(dá)到降低地區(qū)主網(wǎng)“十二五”期間的損耗水平的目標(biāo)．

3 應(yīng)用示例

以某市主網(wǎng)作為算例來(lái)進(jìn)行節(jié)能潛力的評(píng)估和節(jié)能規(guī)劃的制訂．該市2008年底220 kV及以上電網(wǎng)示意圖如圖2所示，采用該年的典型運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算．

圖2 主網(wǎng)架示意圖Fig．2 Schematic diagram of main networks

3．1 典型重載線路的節(jié)能潛力

輸電線路上的損耗是該市主網(wǎng)損耗的主要部分，占60%左右．對(duì)因重載造成線路損耗較大的線路進(jìn)行節(jié)能改造，導(dǎo)線更換的降損效果比較顯著，同時(shí)可降低總發(fā)電有功和無(wú)功，增大了系統(tǒng)的備用容量，有利于電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定運(yùn)行．另外，無(wú)功損耗的減少意味著容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的節(jié)約，這也是非常積極的貢獻(xiàn)．

3．2 主變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的節(jié)能潛力

根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，該市主網(wǎng)的多個(gè)220 kV變電站主變負(fù)載率都較低，且各個(gè)變電站都為雙主變并列運(yùn)行，這造成了變電站資源利用的不合理，同時(shí)也增加了變壓器損耗．因此，對(duì)于此類(lèi)變電站，可采用單主變運(yùn)行、另一主變備用的運(yùn)行方式．

3．3 負(fù)荷分布優(yōu)化的節(jié)能潛力

該市各110kV變電站實(shí)行分片區(qū)運(yùn)行，其中有19個(gè)110kV變電站為由不同220 kV變電站實(shí)行雙回路供電(或單回路供電，另一回路備用)的運(yùn)行方式．

無(wú)需增加設(shè)備投資，通過(guò)對(duì)變電站接線方式調(diào)整前后的潮流計(jì)算，可得到其最優(yōu)運(yùn)行方式．

3．4 地區(qū)電廠優(yōu)化調(diào)度的節(jié)能潛力

通過(guò)對(duì)該市各220 kV和110 kV電廠的出力與網(wǎng)損量變化關(guān)系的計(jì)算結(jié)果可知，在負(fù)荷高峰期間，增大該市各電廠的有功和無(wú)功出力，會(huì)明顯降低該市主網(wǎng)有功損耗和無(wú)功損耗．因而，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可增大各電廠的功率出力，以降低主網(wǎng)的功率損耗．

3．5 無(wú)功優(yōu)化配置的節(jié)能潛力

利用RPOS對(duì)典型運(yùn)行方式下的無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，無(wú)功優(yōu)化配置后，可顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平和質(zhì)量．

3．6 主網(wǎng)節(jié)能措施的效益和評(píng)價(jià)

上述節(jié)能措施實(shí)施前后的指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1．

表1 各種節(jié)能措施實(shí)施前后指標(biāo)對(duì)比Table 1 Indices comparison due to energy saving measure

各種針對(duì)主網(wǎng)的節(jié)能措施的投資和效果不同，綜合評(píng)價(jià)節(jié)能措施及其節(jié)能效果，并以效益/成本比進(jìn)行降序排列，結(jié)果見(jiàn)表2．表中的*號(hào)代表評(píng)價(jià)等級(jí)，從＊＊＊＊＊到*指的是從“非常好”向“非常差”逐級(jí)遞減．

表2 各種節(jié)能措施的效果和評(píng)價(jià)Table 2 Benefit evaluation of energy-saving measure

主網(wǎng)的節(jié)能改造是一項(xiàng)多階段的長(zhǎng)期工程，因此經(jīng)濟(jì)性是在規(guī)劃過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，特別是在資金不足的情況下，建議優(yōu)先采用節(jié)能潛力評(píng)估中效益/成本比高的改造項(xiàng)目，即按表2的順序依次實(shí)施節(jié)能改造．

3．7 主網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃制訂

根據(jù)文中的節(jié)能評(píng)估潛力及其成本效益分析，結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃的基本方案、負(fù)荷增長(zhǎng)及分布情況，可以制訂地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃，作為電網(wǎng)規(guī)劃的補(bǔ)充和完善組成部分．節(jié)能規(guī)劃主要內(nèi)容包括:

(1)規(guī)劃目標(biāo)和思路

通過(guò)節(jié)能潛力評(píng)估提出地區(qū)主網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃的指導(dǎo)思想，制訂規(guī)劃原則，確定節(jié)能規(guī)劃的總體目標(biāo)和基本思路．

(2)電源節(jié)能規(guī)劃

從電源退役計(jì)劃、新增電源、與區(qū)外送受電、電源優(yōu)化調(diào)度和分布式發(fā)電規(guī)劃等5個(gè)方面，制訂具體的節(jié)能規(guī)劃方案．

(3)電網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃

對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃情況進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)在220kV及以上電網(wǎng)最優(yōu)網(wǎng)架、110kV電網(wǎng)導(dǎo)線和主變壓器優(yōu)化更換、運(yùn)行方式優(yōu)化及規(guī)劃、無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置與規(guī)劃等4個(gè)方面，給出詳細(xì)的逐年節(jié)能改造規(guī)劃方案和運(yùn)行方式．

(4)總體效果評(píng)估

通過(guò)電網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃的實(shí)施，定量評(píng)估節(jié)能規(guī)劃的總體效果．

4 結(jié)語(yǔ)

為提高地區(qū)主網(wǎng)的節(jié)能性，提出了一系列降低主網(wǎng)損耗的有效手段，通過(guò)系統(tǒng)化、定量化的主網(wǎng)節(jié)能潛力評(píng)估方法，在規(guī)劃、運(yùn)行和改造等多個(gè)層次深入挖掘地區(qū)主網(wǎng)的節(jié)能潛力，并制訂相應(yīng)的節(jié)能規(guī)劃來(lái)指導(dǎo)電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃，以提供更加科學(xué)的依據(jù)．通過(guò)對(duì)某市實(shí)際電網(wǎng)的詳細(xì)計(jì)算，可知該市主網(wǎng)約有25%的降耗潛力．

另外，由于各種措施的節(jié)能效果存在相互促進(jìn)或抵消效應(yīng)，因此多種措施同時(shí)實(shí)施的效果并不一定等于各項(xiàng)單獨(dú)效果之和．文中的節(jié)能潛力評(píng)估都是針對(duì)單項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，各種節(jié)能措施共同作用的疊加性將是今后的研究重點(diǎn)．

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