羅世剛, 梁琛, 李亞昕, 張振, 徐瑞

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司, 蘭州 730000; 2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院, 蘭州 730000; 3.國網(wǎng)平?jīng)龉╇姽? 平?jīng)?744000)

為了降低生態(tài)環(huán)境污染、提高能源利用率,中國正努力建設(shè)以低碳高效為主的智能電網(wǎng),這已經(jīng)成為當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的主要目標(biāo)和方向[1]。電力運(yùn)行所消耗的能量占據(jù)了中國能源消耗總量的一大部分,同時,電能傳輸也造成了大量的能源浪費(fèi),致使中國低碳高效的智能電網(wǎng)發(fā)展任務(wù)變得艱巨[2-3]。目前,中國配電網(wǎng)存在老化嚴(yán)重、整體架構(gòu)薄弱等問題,這也在無形之中增加了電網(wǎng)損耗。發(fā)電、輸電過程損耗與配電過程損耗之比為1.5∶3.5,其中,低壓配電網(wǎng)損耗占了總損耗的絕大部分。因此,針對低壓配電網(wǎng)進(jìn)行損耗計算與降損具有重要的意義。

學(xué)者們對此也提出了多種降損方案。黃明欣等[4]提出考慮平衡三相負(fù)荷的低壓配電網(wǎng)降損方案,主要闡述了目前三相負(fù)荷技術(shù)的基本理論,并從多角度比較了各種對比技術(shù)的利弊;然后利用 MATLAB軟件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,并進(jìn)行了模擬計算,對三相負(fù)荷均衡下配電系統(tǒng)的功率損失的作用進(jìn)行了研究,并針對廣東某地區(qū)三相不均衡情況,提出了一種新的變流器切換技術(shù)。通過對典型的配電網(wǎng)臺區(qū)進(jìn)行改造,三相不平衡率從40%降低到15%。黃煒等[5]提出中低壓配電網(wǎng)差異化節(jié)能降損對策研究,利用 Matpower軟件建立了配網(wǎng)的潮流計算模型,并將其綜合運(yùn)用于調(diào)節(jié)母線電壓、中低壓無功補(bǔ)償、改變導(dǎo)線型號/線徑、更換高能耗配電變壓器等方面的技術(shù)中,同時進(jìn)行優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)評價。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的節(jié)能效果,可以減少輸電系統(tǒng)的技術(shù)線損,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。陳伯建等[6]提出了基于高斯混合模型的配電網(wǎng)損耗計算方法,采用期望最大化算法,進(jìn)行損耗數(shù)據(jù)正常日和異常日的高斯混合模型參數(shù)的計算,并利用損耗數(shù)據(jù)的分布極值,簡化迭代算法的計算過程,從而提高算法精度。

雖然上述方法對于配電網(wǎng)降損都有一定的幫助作用,但對于在低壓配電網(wǎng)降損過程中,改善配電線路負(fù)荷不平衡的情況并不理想。為此,提出一種基于工廠信息(plant information,PI)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的低壓配電網(wǎng)降損輔助決策方法。該方法借助PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫超強(qiáng)的數(shù)據(jù)整合能力,將電網(wǎng)中復(fù)雜的數(shù)據(jù)優(yōu)化后整合在一起,避免出現(xiàn)信息孤島的現(xiàn)象。對于為決策者提供更加全面的決策,提高降損效果具有重要的意義。

1 基于PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫的低壓配電網(wǎng)損耗計算

PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫是整合實(shí)時數(shù)據(jù),并進(jìn)行集中化管理的平臺[6]。相較于普通數(shù)據(jù)庫來說,PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫因其存儲效率高、數(shù)據(jù)壓縮比率大等優(yōu)點(diǎn),對于時序數(shù)據(jù)管理具有非常明顯的優(yōu)勢。

PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫在電網(wǎng)企業(yè)中,可以保證數(shù)據(jù)具有唯一性,以便于在不同的系統(tǒng)中應(yīng)用。PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲功能,數(shù)據(jù)時效最長可達(dá)數(shù)十年,這是其他類型數(shù)據(jù)庫所不具備的功能。因此,將PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到電網(wǎng)企業(yè)中,可實(shí)現(xiàn)對各類信息數(shù)據(jù)的集成和處理,在上層管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)控制信息系統(tǒng)之間建立了連接的橋梁,發(fā)揮了不可替代的作用。

1.1 變電站內(nèi)外模型構(gòu)建

低壓配電網(wǎng)損耗主要受導(dǎo)線電阻和溫度的影響較大,其中,溫度是最大的影響因素。導(dǎo)線材料的不同,使得處于固定溫度環(huán)境下的單位長度電阻也有所不同,因此,需結(jié)合實(shí)際情況對溫度變化與導(dǎo)線電阻之間的關(guān)系進(jìn)行分析。導(dǎo)線單位長度電阻β的計算公式為

(1)

式(1)中:S為低壓配電網(wǎng)導(dǎo)線的額定橫截面積;L為導(dǎo)線長度;r1為在20 ℃的環(huán)境下,導(dǎo)線固定電阻率指標(biāo), Ω/km。

導(dǎo)線材料的不同會使固定電阻率指標(biāo)也有所不同[7]。r1的計算公式為

r1=r20[1+α(f-20)]

(2)

式(2)中:r20為在20 ℃的環(huán)境下,導(dǎo)線電阻數(shù)據(jù)指標(biāo);f為低壓配電網(wǎng)實(shí)際環(huán)境溫度;α為導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)。

1.2 低壓配電網(wǎng)損耗計算模型

1.2.1 相線線損計算

通過PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫了解某一單電源樹干式低壓配電網(wǎng)中共有n名用戶,m段線路,所有用戶之間的日負(fù)荷曲線相似度較高。在環(huán)網(wǎng)供電和雙電源供電中,節(jié)點(diǎn)電壓對潮流分布產(chǎn)生較大的影響,不能僅通過分析電量確定電流分布情況,還需要考慮相線線損。

首先,對PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫中所有用戶在計算期內(nèi)的各相有功、無功電量進(jìn)行信息采集;其次,在計算期內(nèi)選定一個代表日,并采集當(dāng)天臺變出口整點(diǎn)各相電流和功率因數(shù);然后,采集m段線路各相和中性線基頻電阻值。完成上述操作后,可得如下內(nèi)容。

(1)對用戶相線有功、無功電量的電流分布系數(shù)進(jìn)行計算,計算公式為

(3)

式(3)中:Hka為對用戶相線有功、無功電量的電流分布系數(shù);Aap為a相有功電量總和;Aaq為a相無功電量總和;Akap為在第k段線路中流經(jīng)a相的有功電量總和;Akaq為在第k段線路中流經(jīng)a相的無功電量總和。

關(guān)于b相、c相的有功和無功電量和計算公式與式(3)相同,只需將下標(biāo)a換成b或c。

(2)對用戶相線線損進(jìn)行計算,計算公式為

(4)

式(4)中:ΔAka為用戶相線線損;Ita為日當(dāng)天的a相整點(diǎn)電流值;Rka為第k段線路的a相電阻值;T為計算期內(nèi)的總天數(shù)。

在式(4)基礎(chǔ)上可得到a相的總線損,其表達(dá)式為

(5)

式(5)中:ΔAa為a相的總線損。

關(guān)于b相、c相的總線損計算公式與式(4)、式(5)相同,只需將下標(biāo)a換成b或c。

1.2.2 中性線負(fù)荷不平衡線損計算

中性線有功電量和無功電量的不平衡電流分布情況如圖1所示?？梢钥闯?各相電壓的相角大多為對稱分布,為此可認(rèn)為各相電流的有功、無功分量相角也呈對稱分布。中性線有功電量和無功電量的不平衡電流分布系數(shù)的計算公式為

Ua為a相電壓;Ub為b相電壓;Uc為c相電壓;Iap為a相有功電流;Ibp為b相有功電流;Icp為c相有功電流;Iaq為a相無功電流;Ibq為b相無功電流;Icq為c相無功電流圖1 中性線有功、無功電量不平衡電流分量Fig.1 Unbalanced current component of active and reactive power in neutral line

(6)

式(6)中:AΔkp、AΔkq分別為在第k段線路有功和無功電量總和;Ap、Aq分別為有功和無功電量總和。

(7)

AkcpAkbp-AkapAkcp)1/2

(8)

式中:Abp表示b相有功電量總和;Acp表示c相有功電量總和;Akbp表示在第k段線路中流經(jīng)b相的有功電量總和;Akcp表示在第k段線路中流經(jīng)c相的有功電量總和。

將式(5)和式(6)中的下標(biāo)p換成q,即可得到Aq和AΔkq的值。

中性線線損的計算公式為

(9)

推理得到中性線總的線損ΔAn計算公式為

(10)

低壓配電網(wǎng)總線損可表示為

ΔA=ΔAa+ΔAb+ΔAc+ΔAn

(11)

式(11)中:ΔAb、ΔAc分別為b相、c相的總線損。

經(jīng)過上述計算,對低壓配電網(wǎng)降損進(jìn)行模糊調(diào)制,得到低壓配電網(wǎng)損耗計算輸出結(jié)果,構(gòu)建PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫下低壓配電網(wǎng)損耗計算模型。

2 低壓配電網(wǎng)降損輔助決策方法

基于對低壓配電網(wǎng)損耗影響因素和低壓配電網(wǎng)損耗計算模型的分析,提出以下3種用于降損的輔助決策方法,用于全方位實(shí)現(xiàn)降低電網(wǎng)損耗的目的。

2.1 增加低耗能變壓器占比

在低壓配電網(wǎng)運(yùn)行過程中,應(yīng)當(dāng)考慮整體能源的消耗情況,結(jié)合低壓配電網(wǎng)損耗計算模型,再根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)調(diào)整變壓器數(shù)量和狀態(tài),增加低耗能變壓器在配電網(wǎng)中的占比,達(dá)到降低電能損耗的目的[8]。變壓器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗值為

(12)

式(12)中:L0為變壓器為空載狀態(tài)時產(chǎn)生的損耗;DN為變壓器的額定容量;λ為變壓器功率因數(shù);Lk為變壓器發(fā)生短路故障時產(chǎn)生的損耗;L為載荷。

結(jié)合低壓配電網(wǎng)損耗計算模型,將低壓配電網(wǎng)中的變壓器全部更換為低耗能變壓器后,降低的損耗值ΔZ1可表示為

(13)

式(13)中:L01、L02分別為更換低耗能變壓器前、后變壓器為空載狀態(tài)時產(chǎn)生的損耗值;Lk1、Lk2分別為更換低耗能變壓器前、后變壓器發(fā)生短路故障時產(chǎn)生的損耗值;j為變壓器損耗系數(shù)。

在實(shí)際計算過程中,應(yīng)考慮變壓器的基本使用情況,再結(jié)合公式進(jìn)行損耗值的計算,導(dǎo)線材料的不同也會導(dǎo)致?lián)p耗值結(jié)果的不同。因此,在低壓配電網(wǎng)損耗計算模型內(nèi),應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線材料進(jìn)行有針對性的計算,精準(zhǔn)的計算結(jié)果有利于降損輔助決策方法的實(shí)施。

隨著低耗能變壓器占比的不斷提高,配電網(wǎng)整體能耗量減少,以此達(dá)到節(jié)能降損的目的。同時,配電網(wǎng)工作人員應(yīng)結(jié)合低耗能變壓器的型號、參數(shù)指標(biāo)和成本進(jìn)行綜合性分析[9],在提高變壓器使用效率的同時提高使用壽命,避免因變壓器硬件設(shè)備問題而出現(xiàn)線路短路、異常的情況,影響最終的降損效果。

2.2 增加導(dǎo)線截面積

如果低壓配電網(wǎng)負(fù)載率依舊處于居高不下的狀態(tài),這時需要對配電線路運(yùn)行參數(shù)展開相應(yīng)的分析,得到線路長度、材質(zhì)以及線路分布情況和區(qū)域環(huán)境等信息。

在實(shí)際計算過程中,應(yīng)通過線損理論計算控制數(shù)據(jù)指標(biāo)精準(zhǔn)度,再結(jié)合環(huán)境、成本等影響因素,精準(zhǔn)判斷配電線路導(dǎo)線材質(zhì)、型號,對導(dǎo)線進(jìn)行更換,增加導(dǎo)線的截面積,以此達(dá)到降低損耗的目的[10]。

增加配電線路導(dǎo)線截面積,降低的損耗值ΔZ2計算公式為

ΔZ2=3I2(L1-L2)j

(14)

式(14)中:L1、L2分別為增加配線線路導(dǎo)線截面積前、后的電阻值;I為增加配線線路導(dǎo)線電流。

在增加導(dǎo)線截面積時,應(yīng)將配電網(wǎng)負(fù)荷變化情況、經(jīng)濟(jì)成本支出狀態(tài)、負(fù)荷需求增加狀態(tài)等因素綜合考慮在內(nèi)[11]。隨著低壓配電網(wǎng)降損措施的實(shí)施,對配電線路絕緣率提出了更高的要求,但由于部分線路運(yùn)行年限較長,絕緣率無法達(dá)到理想狀態(tài)[12]。因此,還需制定合理的改造計劃,使應(yīng)用降損措施之后的效果更接近于預(yù)期效果。

2.3 優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式

優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行方式,在考慮區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和電力資源的分配情況后,制定一份合理的優(yōu)化方案,選擇合適的運(yùn)行方式。總的來說,優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式主要從以下兩方面展開。

(1)將低壓配電網(wǎng)中現(xiàn)有的變壓器運(yùn)行方式更改為雙電源配電變壓器,以此達(dá)到優(yōu)化整體運(yùn)行效果的目的。這是由于更改雙電源配電變壓器后,可以更好地滿足配電網(wǎng)運(yùn)行需求,在提高配電網(wǎng)整體運(yùn)行效率的同時擴(kuò)大配電系統(tǒng)的供電容量[13]。

(2)對現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)中的線路進(jìn)行調(diào)整,使其可以滿足更高的用電負(fù)荷。調(diào)整配電網(wǎng)線路負(fù)荷,需要在合理分配用電負(fù)荷的基礎(chǔ)上實(shí)施。在調(diào)整線路負(fù)荷時,應(yīng)確定線路T接位置是否存在被占用的情況[14],如果沒有則根據(jù)線路的開放容量進(jìn)行合理分配[15]。通過對線路負(fù)荷、用電負(fù)荷分配以及電網(wǎng)運(yùn)行壓力水平的合理分配和調(diào)節(jié)后,達(dá)到降低電網(wǎng)能耗的目的。當(dāng)?shù)蛪号潆娋W(wǎng)線路負(fù)荷出現(xiàn)過高或過低的情況時,首先需要計算線損數(shù)據(jù),然后更改電源線路方式,適當(dāng)?shù)胤稚⒒蛟黾与娐坟?fù)荷,達(dá)到降損的目的。

3 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際應(yīng)用中是否同樣合理有效,對其展開試驗(yàn)測試。試驗(yàn)是在某市樹干式低壓配電網(wǎng)中進(jìn)行,各線路參數(shù)如圖2所示。

BVL-2*25表示2根鋁截面為25 mm2的聚氯乙烯單芯鋁線;JKLY-4*50表示4根截面為50 mm2的聚乙烯絕緣架空電纜;Zi(i=1,2,…,10)表示對應(yīng)的10名用戶圖2 某市樹干式低壓配電網(wǎng)線路參數(shù)圖Fig.2 Line parameter diagram of trunk low-voltage distribution network in a city

JKLY-50型配電線路的電阻率為0.661 Ω/km,BVL-25型配電線路的電阻率為1.2 Ω/km。由圖2可知,該市低壓配電網(wǎng)中共有10名用戶、16段配電線路。已知三相用戶Z10在計算期內(nèi)代表的a、b、c相不平衡電流分別為7、6、7 A,功率因數(shù)均為0.94。低壓配電網(wǎng)中所有用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 低壓配電網(wǎng)中用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)Table 1 User load data in low voltage distribution network

將本文方法應(yīng)用到該市樹干式低壓配電網(wǎng)中,對比降損前后a、b、c三相相線電流分布系數(shù)以及中性線電流不平衡分布系數(shù)的變化情況,結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

Ha0、Hb0、Hc0分別為應(yīng)用本文方法前低壓配電網(wǎng)各段線路中a、b、c三相電流分布系數(shù);Ha、Hb、Hc分別為應(yīng)用本文方法后低壓配電網(wǎng)各段線路中a、b、c三相電流分布系數(shù)圖3 a、b、c三相電流分布系數(shù)變化情況Fig.3 Changes of current distribution coefficient of three phases a, b and c

Hn0、Hn分別表示應(yīng)用本文方法前、后低壓配電網(wǎng)的中性線電流不平衡系數(shù)圖4 中性線不平衡電流分布系數(shù)變化情況Fig.4 Changes of unbalanced current distribution coefficient of neutral line

從圖3中可以看出,應(yīng)用本文方法進(jìn)行降損后,各相電流在某些線路段發(fā)生了明顯改變,電流分布更為合理。從圖4中可以看出,在4段配電網(wǎng)線路的中性線不平衡電流減少幅度較大,第11段和第14段的配電網(wǎng)中性線不平衡電流減少幅度較小,整體沒有出現(xiàn)配電網(wǎng)中性線不平衡電流增加的現(xiàn)象。由此可以得出結(jié)論,利用本文方法對低壓配電網(wǎng)進(jìn)行降損后,可以有效改善配電網(wǎng)線路負(fù)荷不平衡的情況,從而減少中心線線損。

接下來對應(yīng)用本文方法前后,該市低壓配電網(wǎng)三相各路線損以及中性線線損進(jìn)行對比,具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 降損前后低壓配電網(wǎng)線損情況Fig.5 Line loss of low-voltage distribution network before and after loss reduction

通過觀察圖5可以很明顯地看出,利用本文方法進(jìn)行降損后,三相相線和中性線線損均出現(xiàn)了下降趨勢,從而驗(yàn)證本文輔助決策方法是合理且有效的。

結(jié)合降損前后低壓配電網(wǎng)線損情況的變化,計算低壓配電網(wǎng)總線損率為

(15)

式(15)中:r為預(yù)估差值;β1為預(yù)設(shè)電壓;β2為實(shí)測電壓;ΔA為低壓配電網(wǎng)總線損。

通過上述計算,可以得出實(shí)際最終的低壓配電網(wǎng)總線損率,將其設(shè)定在低壓配電網(wǎng)損耗計算模型中,營造穩(wěn)定的測試環(huán)境。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性,采用文獻(xiàn)[4]中的基于MATLAB軟件構(gòu)建降損模型方法和文獻(xiàn)[5]中基于Matpower軟件構(gòu)建降損模型方法,與本文方法進(jìn)行總線損率對比分析,測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法總線損率測試結(jié)果對比Table 2 Comparison of bus loss rate test results of different methods

由表2測試結(jié)果可知,本文方法的總線損率相對于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法更低,各相的線損均在2%以內(nèi),表明在實(shí)際應(yīng)用過程中,本文方法對于低壓配電網(wǎng)的降損效果顯著,利于低壓配電網(wǎng)的降損輔助決策。

4 結(jié)論

隨著低碳環(huán)保、節(jié)能降損等相關(guān)政策的提出,減損、降損已經(jīng)成為當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)工作的重中之重。在PI實(shí)時數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,針對低壓配電網(wǎng)提出了降損輔助決策方法,并將其應(yīng)用在某市樹干式低壓配電網(wǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,可知本文方法有效改善配電線路負(fù)荷不平衡的情況,并且降低了三相相線和中性線線損,而且本文方法的總線損率相對較低,各相線損均控制在2%以內(nèi),對低壓配電網(wǎng)降損輔助決策效果較好。但由于本文提出的降損方法未考慮在各種極端天氣環(huán)境下的降損情況,在接下來的研究工作中將繼續(xù)以此為重點(diǎn),進(jìn)行更深入的探究。