王煜晗，范瑞祥，董泰青，姜 飛，王文彬

(1．三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北省宜昌市443002;2． 國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌市330096;3． 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市410082)

0 引 言

進(jìn)一步推動(dòng)電力節(jié)能減排已成為電網(wǎng)高效運(yùn)行的重點(diǎn)工作，以電網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘節(jié)能關(guān)鍵信息，進(jìn)行電網(wǎng)節(jié)能潛力分析是確保該項(xiàng)工作有效開展的前提［1-4］。國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)表明電網(wǎng)綜合線損率中大約50%是由中、低壓配電網(wǎng)運(yùn)行引起的［5］。此外，配電網(wǎng)絡(luò)往往具有輸電線路長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，配電網(wǎng)絡(luò)損耗的精細(xì)化分析及節(jié)能潛力分析具有緊迫性和艱難性［6］。

一方面，配電網(wǎng)節(jié)能潛力分析更多的是針對(duì)某項(xiàng)具體措施的節(jié)電量計(jì)算［7］。例如文獻(xiàn)［8］結(jié)合東莞長(zhǎng)安鎮(zhèn)配電網(wǎng)基本情況，分別給出了更換導(dǎo)線和中低壓無功補(bǔ)償、減少10 kV 饋線的供電半徑、更換高能耗配電變壓器、提高負(fù)載率等措施的節(jié)電量;文獻(xiàn)［9］對(duì)線損的分壓、分元件構(gòu)成情況及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了介紹。另一方面，各種潮流計(jì)算方法［10-12］、智能預(yù)測(cè)技術(shù)［13-14］為節(jié)能潛力分析提供了數(shù)學(xué)理論支持，其中隨機(jī)優(yōu)化、模糊優(yōu)化、灰色規(guī)劃、盲數(shù)規(guī)劃等不確定計(jì)算模型在模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況方面取得了較大進(jìn)展。文獻(xiàn)［15］提出了將集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于配網(wǎng)線損分析中。文獻(xiàn)［16］提出了灰色關(guān)聯(lián)度和灰色預(yù)測(cè)模型(grey model，GM)相結(jié)合的線損預(yù)測(cè)方法，可為節(jié)能潛力計(jì)算提供有效途徑。

然而，在配電網(wǎng)節(jié)能潛力分析中，潮流計(jì)算方法主要適用于電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)完整收集的情況;智能預(yù)測(cè)技術(shù)雖能夠彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)難以獲取的缺點(diǎn)，但對(duì)于各個(gè)節(jié)能措施單項(xiàng)及綜合效果的預(yù)測(cè)缺乏靈活性。而實(shí)際節(jié)能改造中很有可能出現(xiàn)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)收集不全的情況，因此，正確處理實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)收集不全面、全面2 種情況下的配電網(wǎng)節(jié)能潛力分析十分必要。

本文基于實(shí)際電網(wǎng)采集信息構(gòu)建電網(wǎng)節(jié)能數(shù)據(jù)采集模型，通過分析獲取數(shù)據(jù)的信息建立兩層指標(biāo)模型，即潮流節(jié)能指標(biāo)模型和關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型;其次，提出采用前推回代潮流計(jì)算法和灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)法相結(jié)合的混合算法，并給出模型求解算法;最后，采用江西省電力公司某配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 兩層節(jié)能指標(biāo)建立

1.1 節(jié)能數(shù)據(jù)采集

本文對(duì)配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，結(jié)合節(jié)能潛力分析的數(shù)據(jù)要求，按照電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備節(jié)能數(shù)據(jù)、電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)4 類完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集工作，具體節(jié)能數(shù)據(jù)采用分類采集的方式，如圖1 所示。

圖1 節(jié)能數(shù)據(jù)分類采集情況Fig.1 Classified collection of energy-conservation data

1.2 節(jié)能指標(biāo)模型構(gòu)成

根據(jù)圖1 所示分類情況采集數(shù)據(jù)，但限于配電網(wǎng)實(shí)際管理及其他原因的限制，所需配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集過程中可能存在數(shù)據(jù)全面、不全面2 種情況。因此，基于獲取的有限數(shù)據(jù)建立兩層節(jié)能指標(biāo)模型，如圖2 所示。一層為基于潮流計(jì)算的節(jié)能指標(biāo)模型，其應(yīng)用對(duì)象是典型配電線路的潮流計(jì)算，可通過潮流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的理論計(jì)算得到節(jié)能指標(biāo)與線損率之間的聯(lián)系。其包含3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別為電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、設(shè)備靜態(tài)指標(biāo)、電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)。另一層為基于關(guān)聯(lián)度計(jì)算的節(jié)能指標(biāo)模型，其應(yīng)用對(duì)象是潮流數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確檢測(cè)或無法采集的配電網(wǎng)絡(luò)，可通過靜態(tài)數(shù)據(jù)建立節(jié)能指標(biāo)和線損率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)改造后的線損預(yù)測(cè)，從而提出節(jié)能降損策略。其包含4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷能力、設(shè)備水平、運(yùn)行管理。

圖2 分層節(jié)能指標(biāo)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of layered index model for energy conservation

需要說明的是，兩層節(jié)能指標(biāo)模型還包含若干三級(jí)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)均有詳細(xì)定義和具體計(jì)算方法，已有廣泛認(rèn)知，在此不贅述。

1.3 節(jié)能潛力分析構(gòu)架

結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行情況，在兩層節(jié)能指標(biāo)模型基礎(chǔ)上形成配電網(wǎng)節(jié)能潛力分析構(gòu)架，如圖3 所示。

圖3 節(jié)能潛力分析架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of energy saving potential analysis

首先，在電網(wǎng)節(jié)能數(shù)據(jù)分類梳理情況下，建立潮流數(shù)據(jù)和電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系，完善配電網(wǎng)節(jié)能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫。其次，根據(jù)兩層指標(biāo)模型進(jìn)行能效分析，完成改造前的線損計(jì)算，找出節(jié)能工作的薄弱環(huán)節(jié)并得出優(yōu)化指標(biāo)。最后，結(jié)合各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)手段，采用綜合算法求解優(yōu)化指標(biāo)模型，得到分項(xiàng)改造優(yōu)化后線損值和節(jié)能潛力值，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)節(jié)能潛力分析，并為配電網(wǎng)節(jié)能組合方案制定提供指導(dǎo)。

2 指標(biāo)模型求解

由于節(jié)能指標(biāo)分為兩層，因此提出采用前推回代潮流計(jì)算及灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的求解算法，下面對(duì)兩層指標(biāo)求解算法分別闡述。

2.1 前推回代潮流計(jì)算方法

傳統(tǒng)配電網(wǎng)呈輻射狀，正常運(yùn)行時(shí)是開環(huán)的，只有在倒換負(fù)荷或發(fā)生故障時(shí)才可能出現(xiàn)短時(shí)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行或多電源運(yùn)行的情況。針對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和潛力模型，本文采用前推回代潮流計(jì)算方法完成對(duì)數(shù)據(jù)收集全面的線路進(jìn)行潛力分析。其具有簡(jiǎn)單、易于編程、計(jì)算速度快、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)。前推回代潮流計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 前推回代潮流計(jì)算流程圖Fig.4 Flow process chart of forward and backward substitution flow calculation

具體步驟如下。

步驟1:輸入原始數(shù)據(jù)。讀入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，即饋線端電壓V0，各支路電阻Ri、電抗Xi，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷有功功率和無功功率PLi、QLi(i=1，2，…，n)。

步驟2:設(shè)定層次分類后賦值。設(shè)置迭代次數(shù)k=0，選取迭代精度ε，令所有的支路損耗為0，即

步驟3:前推計(jì)算。通過式(1)、(2)計(jì)算第k次迭代時(shí)各節(jié)點(diǎn)流過的有功功率和無功功率。

步驟4:回代計(jì)算。通過式(4)、(5)計(jì)算第k +1次迭代時(shí)各支路的損耗

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法

節(jié)能數(shù)據(jù)收集過程中，難免會(huì)出現(xiàn)收集不全面的情況，而灰色關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)求解算法具有要求潮流負(fù)荷數(shù)據(jù)少、不考慮分布規(guī)律、運(yùn)算方便等特點(diǎn)，具體步驟如下:

(1)建立原始數(shù)據(jù)矩陣。

將節(jié)能因變量即線損率x0j作為第1 行，各個(gè)節(jié)能指標(biāo)數(shù)據(jù)作為自變量xij分列在下面(1 ≤i≤m，1≤j≤m)，組成原始數(shù)據(jù)矩陣。由此分析線損率與節(jié)能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)情況。

(2)歸一化指標(biāo)。

對(duì)于正相關(guān)指標(biāo):

對(duì)于負(fù)相關(guān)指標(biāo):

式中ci取該指標(biāo)的目標(biāo)優(yōu)化值。

(3)參數(shù)計(jì)算。

差序列:

最大差:

最小差:

(4)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算。

其中第i個(gè)節(jié)能指標(biāo)的第j 項(xiàng)灰色關(guān)聯(lián)度γij為:

式中ρ ∈［0，1］為分辨系數(shù)，一般取ρ =0.5。不考慮因素間權(quán)重差異，相應(yīng)的等權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度為

(5)GM(1，n)預(yù)測(cè)。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度排序情況，選取n －1個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)指標(biāo)和線損率結(jié)合形成預(yù)測(cè)序列，采用經(jīng)典GM(1，n)預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)化值時(shí)的線損預(yù)測(cè)。

3 節(jié)能潛力分析流程

為了便于節(jié)能分析工作的開展，在上述潛力分析方法的基礎(chǔ)上，制定了節(jié)能分析流程，增加了工作的系統(tǒng)性、可操作性。節(jié)能分析流程如圖5 所示。

圖5 節(jié)能工作分析流程圖Fig.5 Flow process chart of energy-conservation analysis

(1)建立電網(wǎng)節(jié)能數(shù)據(jù)庫，包括電能質(zhì)量、設(shè)備節(jié)能、電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)。

(2)檢查待評(píng)估電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼俺绷鲾?shù)據(jù)，將待評(píng)估電網(wǎng)分為2 類，第1 類為潮流數(shù)據(jù)完善的典型線路單元，第2 類為潮流數(shù)據(jù)不完善或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局域配網(wǎng)單元。

(3)根據(jù)步驟2 的分類情況為第1 類電網(wǎng)創(chuàng)建潮流節(jié)能指標(biāo)模型，轉(zhuǎn)至步驟4;為第2 類電網(wǎng)建立關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型，轉(zhuǎn)至步驟5。

(4)針對(duì)潮流節(jié)能指標(biāo)模型，根據(jù)改造前的潮流分布情況，在節(jié)能薄弱環(huán)節(jié)優(yōu)化潮流節(jié)能指標(biāo)的數(shù)值，即線路、變壓器、無功補(bǔ)償設(shè)備參數(shù)和母線電壓等，重復(fù)利用前推回代潮流計(jì)算方法得出該單項(xiàng)節(jié)能潛力值，轉(zhuǎn)至步驟6。

(5)針對(duì)關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)度指標(biāo)創(chuàng)建數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，依據(jù)目標(biāo)優(yōu)化值優(yōu)化關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)的數(shù)值，即線徑合格率、線路長(zhǎng)度合格率、絕緣化率等，利用預(yù)測(cè)模型求得該單項(xiàng)節(jié)能潛力值，轉(zhuǎn)至步驟6。

單項(xiàng)節(jié)能潛力值的計(jì)算方法按式(15)進(jìn)行確定:

式中:β 表示該節(jié)能改造方案下的節(jié)能潛力值;α 表示該改造方案下的線損率;α0表示節(jié)能改造前的原始線損率;△P 表示該改造方案下的有功功率損耗值;△P0表示節(jié)能改造前原始有功功率損耗。

(6)結(jié)合單項(xiàng)節(jié)能潛力，對(duì)比節(jié)能方案，制定節(jié)能改造建議。

4 算例分析

江西省某供電公司進(jìn)行某配電網(wǎng)節(jié)能改造工程，依據(jù)圖1 所示采集了節(jié)能工作所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩層分類處理。對(duì)于2 種處理方式，采用典型實(shí)例計(jì)算以證明方法的可行性。

4.1 某典型配電線路節(jié)能潛力分析

從某典型線路采集到的節(jié)能數(shù)據(jù)包含:各線路型號(hào)、線路長(zhǎng)度、線路節(jié)點(diǎn)、線路的電阻和電抗值，各配變的型號(hào)、容量、空載損耗、負(fù)載損耗、空載電流，線路的潮流情況包含總供電有功功率、總供電無功功率、總有功功率損耗、總無功功率損耗、線路平均電壓、線路損耗、配變總銅損、配變總鐵損、功率因數(shù)，線損率、平均負(fù)載率等。

本配電線路的節(jié)能潛力計(jì)算結(jié)果如表1 所示?？梢?，采用以減小供電半徑為目的的節(jié)能改造方式節(jié)能潛力最大，為22.96%，其次是進(jìn)行無功補(bǔ)償，其節(jié)能潛力為17.9%，同時(shí)更換線路和更換變壓器也有一定的節(jié)能潛力。

4.2 局域配網(wǎng)節(jié)能潛力分析

由于某典型局域配網(wǎng)采集到的節(jié)能數(shù)據(jù)只包含各線路和配電變壓器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，分析得知該待評(píng)估電網(wǎng)為潮流數(shù)據(jù)不完善的電網(wǎng)單元。完成判斷后，建立關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型，如表2 所示。

表1 潮流計(jì)算節(jié)能潛力預(yù)測(cè)結(jié)果Table 1 Energy saving potential prediction result based on flow calculation

表2 關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型表Table 2 Model sheet of saving index based on relational prediction

經(jīng)過關(guān)聯(lián)度計(jì)算，各節(jié)能指標(biāo)(x1～x9)與綜合線損率(x0)之間的灰色關(guān)聯(lián)度為(0.599，0.635，0.875，0.861，0.583，0.776，0.885，0.680，0.676)，選出強(qiáng)關(guān)聯(lián)度的節(jié)能指標(biāo)為絕緣化率、電纜化率、平均功率因數(shù)、線路平均負(fù)載率。

以綜合線損率和強(qiáng)關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)建立數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，對(duì)比歷史線損數(shù)據(jù)，平均預(yù)測(cè)誤差為4.32%，精度滿足工程要求。在此預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃或者工程目標(biāo)數(shù)據(jù)，分別預(yù)設(shè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)度的節(jié)能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)化值的電網(wǎng)線損率，對(duì)比線損值和預(yù)測(cè)值，可得到該節(jié)能指標(biāo)優(yōu)化下的節(jié)能潛力，如表3 所示。

由本局域配電網(wǎng)的節(jié)能潛力評(píng)估結(jié)果可知，采用以提高平均功率為目的的節(jié)能改造方式節(jié)能潛力最大，為2.94%，其次是提高絕緣化率，其節(jié)能潛力為1.84%，同時(shí)提高電纜化率也有一定的節(jié)能潛力。

本算例通過精細(xì)化的潮流計(jì)算和具體的節(jié)能改造方案提高了節(jié)能潛力計(jì)算的精度;通過關(guān)聯(lián)度預(yù)測(cè)提高了節(jié)能潛力計(jì)算的速度，即算例4.1 中要進(jìn)行6次潮流計(jì)算，而算例4.2 只需進(jìn)行2次預(yù)測(cè)，滿足了不同節(jié)能指標(biāo)下的分析效果。綜上，在選定配電網(wǎng)節(jié)能改造時(shí)，依據(jù)模型分別進(jìn)行節(jié)能潛力計(jì)算，制定出數(shù)據(jù)收集不同完整度下的節(jié)能改造方案，依此可完成上級(jí)單位制定的電網(wǎng)節(jié)能工作。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算節(jié)能潛力預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Energy saving potential prediction resultbased on gray relational prediction

5 結(jié) 論

本文提出的配電網(wǎng)兩層節(jié)能指標(biāo)模型，一定程度上能夠解決在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集不全面情況下的節(jié)能潛力分析問題?？赏ㄟ^對(duì)某線路完整潮流數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)用前推回代潮流計(jì)算方法進(jìn)行線損計(jì)算，進(jìn)而求取節(jié)能潛力值;可通過梳理往年靜態(tài)數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)度和數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型對(duì)線損進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析節(jié)能潛力。結(jié)合兩者各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基層電網(wǎng)公司節(jié)能潛力的計(jì)算，可為節(jié)能改造工作提供決策參考。

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