降壓節能技術研究綜述

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(1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；3.國網四川節能服務有限公司，四川 成都 610021)

降壓節能技術研究綜述

戴詩朦1，孫鳴1，劉俊勇2，羊靜3

(1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；3.國網四川節能服務有限公司，四川 成都 610021)

降壓節能(conservation voltage reduction, CVR)是一種歐美電力機構普遍使用的通過降低配電系統電壓水平來降低峰荷時期負荷需求并實現能源節約的技術。近年來，國內許多地區的電網都存在峰荷時期供電容量不足的問題，導致部分用戶斷電，造成較大的經濟損失。如果單純的通過擴大發電機組裝機容量來解決問題，投入較高，并且在用電低谷時會出現發電機效率低下的問題，而降壓節能技術能夠經濟有效地解決該問題。首先對CVR技術的發展歷程進行簡單回顧；隨后介紹CVR技術相關的定義及其主要實現方法；然后對該技術的效益量化評估方式進行總結與對比，并對分布式電源與CVR技術的相互關系進行分析與討論；最后結合國內配電網實際情況對CVR技術在中國的實際運用進行探討。

降壓節能；配電網；峰荷需求；能源節約；分布式電源

0 引 言

隨著人類經濟社會的發展、人口的迅速增長，主要的兩種燃料資源——石油和天然氣正快速被消耗，能源節約這一主題逐漸受到世界范圍的重視。降壓節能(conservation voltage reduction, CVR)技術的提出不僅是可以用來解決短期供電不足問題的臨時性措施，也可是用來節約能源的長期性措施。

降壓節能技術是一種通過將用電電壓降低到標準電壓范圍下半區從而實現降低峰荷與能源節約的技術。1973年美國電力公司選擇不同負荷組成的配電饋線對CVR技術進行了現場試驗與分析。試驗為期1年，每隔15 min采集一次數據，采用CVR裝置運行1天、停止1天的操作模式(因為連續兩天的天氣情況與環境因素變化較小，能夠盡量減小這些因素對于CVR效果的影響)，每天的降壓時間控制在4 h。試驗結果發現CVR在降低峰荷方面具有明顯作用，持續4 h電壓降低5%可以降低4%的供電需求，而降低能量損耗方面的效果則相對不那么明顯。由于當時能源充足，節能意識弱，考慮投入成本與效益比，人們對于通過更長時間降壓來獲取更明顯的節能效果頗有爭議，因此CVR技術并沒有被充分地接受與使用[1]。

面對大多數人心中依舊存在的對CVR作用的懷疑，南加州愛迪生電力公司[2]、美國東北電力公司[3]、邦納維爾電力局[4]以及卑詩水電公司[5]等電力機構先后進行了相應的CVR測試試驗，試驗多將CVR的控制時間在之前的基礎上進行延長，發現每降低1%的電壓能夠降低0.3%～1%的負荷需求。KP Schneider等學者2010年通過GridLAB-D仿真系統對24種饋線進行CVR裝置接入前后的負荷需求以及能源消耗數據對比發現：如果美國所有的饋線都接入CVR裝置，則年能源消耗量可以減少3.04%[6]。此外愛爾蘭[7]以及澳大利亞[8]等國家也分別對CVR接入本國電力系統的效益進行了試驗評估，試驗結果均對CVR的相應效果予以了肯定。

下面首先對CVR技術的相關基本概念進行簡短的描述，隨后總結CVR技術的效益評估方法，然后對CVR技術與分布式電源之間的關系進行討論，最后結合國內配電網的實際情況對CVR技術在國內的應用進行探討。

1 CVR技術相關概念

1.1 CVR技術的相關定義

降壓節能技術通過調壓措施將用戶用電電壓降到標準電壓的下半區(即0.95 p.u.～1.0 p.u.)，從而在保證不對用電設備造成傷害的同時，降低系統總功率需求實現能源的節約，充分地提高了用戶供電的可靠性并且也促進了電網整體的能源節約。CVR技術的效益通常通過CVR因子(conservation voltage reduction factor,fCVR)來表示，是減少的功率需求(能量損耗)百分比ΔP%與降低的電壓百分比ΔU%的比值，具體的算式如式(1)所示：

(1)

CVR的效益主要由負荷的組成決定，系統的總功率需求主要由負荷需求和線路損耗兩部分組成，Pload=UI，Plines=I2Rlines。當負荷為恒阻抗負荷(白熾燈)時，電壓降低，電流也降低，負荷損耗和線路損耗均降低，最終使總功率需求降低。但當負荷為諸如電腦、電視機等恒功率負荷時，電壓下降意味著電流上升，負荷損耗不變而線損增加，這樣系統總功率需求增加。而對于電熱水器和電冰箱這一類帶有溫控回路的負荷，其損耗保持恒定。此外還有節能燈一類的恒電流負荷，電壓下降使負荷損耗減少，而線損保持不變，故總體功率需求下降。Ellens.W等學者在經過詳細實驗對比后發現，恒功率負荷增加的損耗相對恒阻抗負荷減少的只是很小的一部分，只要恒功率負荷消耗的能量不大于恒阻抗負荷的50倍，那么系統在降低電壓之后總體上的功率需求是減少的[8]。

1.2 CVR技術的實現方法

CVR的實現可以通過多種渠道，傳統且使用最普遍的方式是通過變電站調壓變壓器(on-load tap-changers，OLTC)或者饋線調壓器進行直接降壓處理，操作簡單、成本低廉。但這種調節方式存在一定的缺陷，如果饋線較長，線路上的電壓損耗較大，則會導致線路末端的電壓水平較低，使得電壓可以下調的范圍十分受限。對于電壓降較大的線路，為了保證饋線末端能夠擁有足夠的降壓裕度，可以在配電饋線的適當位置安裝無功補償裝置，對線路的電壓無功條件進行改善。文獻[10-12]均在饋線沿線壓降較大的節點安裝并聯電容器組或者可投切電容器組，以支撐該類節點的電壓并進行功率因數的矯正，縮小饋線沿線電壓最大與最小值差，保證扁平的饋線電壓以及功率因數分布特性，為CVR的實現提供良好的電壓無功條件。圖1所示為接入并聯電容器組前后的線路電壓分布情況。

圖1 線路電壓分布對比圖

上述方法均建立在變電站帶有OLTC或者線路裝有饋線調壓器的情況之下。當系統沒有該類裝置時，單使用電容器組亦可以達到調節電壓的目的，只是電壓調節范圍相對較小[13]。除了在變電站或者饋線沿線調壓之外，也可以在用戶側安裝調壓裝置直接進行調壓；但由于需由用戶自行安裝設備，且并不會減少線路損耗，所以這種方法并不常使用。

隨著配電系統的結構日益復雜，其數據信息動態多變，以上提到的傳統控制方法難以隨信息變化而保持動態控制，因此提出了更加先進的閉環控制方法，其主要是通過能夠實現CVR的集中式VVC來實現[14]。集中式的VVC是指地調中心通過數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition, SCADA)獲得各地不同設備測量得到的關鍵位置電力數據，通過分析與計算直接對變電站的OLTC、線路的饋線調節器、電容器組等發出控制指令以實現全網最優化的控制方式。文獻[15-16]提到的AdaptiVolTM系統(電壓自適應系統)則是較早提出的能夠充分實現CVR的VVC閉環控制系統。閉環控制方式雖然能夠彌補傳統控制方式存在的諸多缺點，但其控制方式較為復雜，投資成本也相對較高。

2 CVR的效益評估

通常來說CVR的效益評估方法總體上分為三大類：回歸法、合成法以及對比法。

2.1回歸法

回歸法通常是通過建立負荷與其諸多影響因子的線性模型，如定義負荷模型：

L=α0+α1T+α2ΔV+ε

(2)

式中：α0表示基本負荷分量，為恒定值；α1為負荷對溫度的敏感系數；α2為負荷對電壓的敏感系數(load-to-voltage dependence, LTV)；ε為誤差；T為溫度；ΔV為變電站電壓的變化值。從該模型的各項系數可以看出負荷對于對應影響因子的靈敏度，其中LTV反映負荷對于電壓變化的靈敏程度。在電壓降低值固定的情況下，負荷下降越多則能量損耗減少越多，因此，多元線性回歸法的本質就是通過確定LTV來得到fCVR。前面提到的美國電力公司[1]以及卑詩水電公司[5]進行的現場實驗均通過這種方法來進行CVR技術的效益評估。除了溫度、電壓之外，測量時間等也可被納入影響因子中，當然最終只有電壓變化的敏感系數用于fCVR的計算[17]。這里所提到的回歸法均建立的是線性回歸模型，其精確度決定于負荷模型建立的準確度，而實際上負荷與許多影響因子的關系是非線性的。隨著人工神經網絡、支持向量回歸法等非線性回歸方法的提出，使得模擬負荷與影響因子的非線性關系成為可能。Zhaoyu Wang等學者提出通過一種多階段支持向量回歸法來建立負荷模型，計算出CVR試驗周期中未進行降壓處理的對照組的負荷水平，該方法不依賴于假設負荷與影響因子的任何線性關系，現場試驗驗證該方法有效且結果精確度高[18]。目前將非線性回歸方法用于CVR效益評估的研究還較少，有待更深入更全面的探尋。

2.2合成法

合成法通過將各類負荷與電壓的關系進行合成來計算CVR的效益。通常有兩種實現合成的方法：按負荷組成合成和按用戶類別合成[19]。在按負荷組成合成時，主要電氣負荷的能量損耗模型通過實驗室測試定義為一個電壓的函數，而每一種電氣負荷所占總負荷的百分比則通過調查統計獲得。整個電路的總能量損耗可以通過式(3)計算：

(3)

式中：Ei(V)為第i種電氣負荷在電壓V時的能量損耗；Si為第i種電氣負荷所占總負荷的比例。對電壓進行降壓處理，通過處理前后的能量損耗計算出fCVR。按照用戶類別合成法中，用戶可以分為住宅用戶、商業用戶以及工業用戶3類，不同的用戶類別其電氣負荷組成百分比各有不同。通過美國各電力公司對不同用戶類別的的測量統計，可以發現降壓后，住宅用戶和商業用戶可以減少更多的能量損耗，因為這兩類用戶對于電壓變化具有更高的靈敏度。由此，線路的fCVR可以通過3種用戶類別的fCVR進行線性合成：

fCVR=R%fCVR-R+C%fCVR-C+L%fCVR-L

(4)

式中：R%、C%、L%分別為負荷中住宅用戶、商業用戶以及工業用戶的百分比；fCVR-R、fCVR-C、fCVR-L分別為住宅用戶、商業用戶以及工業用戶的CVR因子。合成法的基礎假設是所有的電氣負荷均按照其出廠前的實驗測量數據工作，而現實中其實很難采集到具體每一種電氣負荷的LTV以及電力系統中各類負荷所占比例的準確信息。

2.3對比法

對比法主要是通過實驗組與對照組的對比，獲得CVR操作前后的負荷需求以及功率損耗，而后根據實驗數據計算出fCVR。早期的多數現場試驗均采用這種方法，這種方法最大的問題是變量控制精確度有限，難以避免負荷波動、環境變化等其他因素對fCVR計算準確度的影響。有許多研究采用多次測量取平均數據的方法雖能在一定程度上減少誤差，但是卻無法獲取特定時間的fCVR，使得fCVR不具有時效性。

隨著科技的發展，仿真軟件功能的日益強大為對比法提供了進步的空間。通過仿真軟件可以得到測試周期內未進行CVR技術處理之前的能量損耗，而通過測量裝置可以得到進行降壓處理后的能量損耗，通過兩種方法得到的能量損耗差值則可計算得到fCVR。該方法所得結果的精確度決定于仿真模型中負荷模型的精確度。Zhaoyu Wang等對計算fCVR所需的時變負荷模型建立方法進行了深入的研究，首先提出了一種基于最小二乘法的指數負荷模型，該方法不需要建立對比試驗組或者假設負荷與影響因子的線性關系，充分反應了fCVR的不確定性[20]，不過該方法使用的最小二乘法在應對參數突變、觀測噪音等常見實際測量問題時魯棒性較差。隨后又提出一種基于無損卡爾曼濾波法的負荷模型方法。該方法通過無損卡爾曼濾波法對系統狀態的概率密度函數進行逼近以確定指數時變負荷模型的負荷參數，計算精度高，且能夠充分應對測量過程中的觀測噪聲等[21]。前面提到的兩種方法均采用指數型負荷模型，該模型不能反應負荷組成結構的變化，于是在前面所述方法的基礎上又提出一種魯棒時變負荷建模方法。該方法用ZIP靜態模型取代指數靜態模型，通過負荷種類比例的變化來反映負荷組成的變化；通過可變遺忘因子來改善遞歸最小二乘法的魯棒性，準確地建立了時變負荷模型，且該模型能夠充分應對測量過程中的突然波動干擾[22]。

3 分布式電源與CVR

光伏、風能這一類分布式電源(distributed generator, DG)的接入能夠大幅提升電網的清潔度，并從一定程度上減少配電網的容量需求負擔，但由于它們的輸出功率與天氣情況有關，具有隨機性與不穩定性[23]。因此，DG的接入不僅會造成電壓的陡升使饋線沿線的電壓分布變化得更頻繁，同時產生大量的逆潮流，導致系統中的電容器組動作次數增加，對該類設備的可靠運行造成了不利影響。此外，DG出力的不確定性使得系統結構變化更加頻繁，加大了CVR效益評估的難度[24]。

另一方面，大量研究發現： DG與CVR技術的良好配合能夠進一步促進能源的節約。Singh等學者通過IEEE 13節點測試饋線針對分布式光伏電源接入配電網后對CVR的影響進行了分析，發現在安裝CVR裝置的情況下，DG接入滲透率較低時對電壓的提升作用并不明顯，并且在一定范圍內，隨著DG滲透率的增加，系統的能量損耗呈下降趨勢[25]。Rahimi等以ZIP負荷模型為基礎，將光伏出力看作光輻射度的線性函數，發現分布式光伏電源的接入等效降低了恒功率負荷在總負荷中所占的比重，從而促進了能量損耗的減少，提高了系統的效益[26]。D. A. Quijano等考慮DG在輸出有功功率的同時也產生無功輸出，通過多層次的仿真對比發現DG的無功注入能夠有效地改善系統的電壓分布情況。此外，在DG滲透率低于 80%時對于系統的總有功需求沒有明顯影響，而當滲透率高于80%時則會明顯導致有功需求的增加。因此當DG滲透率不超過80%時，可以通過DG的無功注入在不增加系統有功需求的同時對電壓質量進行改善，為CVR的實現提供良好的電壓分布條件[27]。Bokhari等提出根據節點的不同負荷需求接入不同類型的DG：負荷需求較大節點接入同步電機類DG，負荷需求較小的節點接入逆變器類DG來實現降壓節能所需的饋線沿線扁平電壓分布[28]。Zhaoyu Wang等考慮DG出力的不確定性將DG最優位置的確定看作一個隨機最優化問題，提出一種樣本均值近似算法，通過多次遞歸計算候選方案和最優方案差距的置信區間，多情景仿真證明該方法能夠實現DG的優化配置，促進CVR的節能降損效益[29]。

此外，為適應DG接入后系統表現出的諸多變化，CVR的實現方法需要進行一定的調整。上面提到的傳統實現方法通常使用OLTC、饋線調壓器以及電容器組等設備來實現，而這些設備均有一定的反應延遲時間，在包含DG的配電系統中，電路結構的變化更加頻繁與迅速，這就意味著需要投入更加快速的控制設備。高級量測體系(advanced metering infrastructure, AMI)由每個節點或設備上的新型傳感器與具有獨立操作系統的處理器相聯結，通過高速寬帶光纖通信將測得的信息進行雙向傳輸，形成分布式的統計平臺，能夠快速完成分析判斷和協調控制等工作[30]。Chunxue Zhang等提出基于AMI數據的原對偶內點建模法，該方法比起遺傳算法等常用算法在優化電容器組運行規律以及節能等方面具有明顯的優點[31]。北卡羅納州電力公司、卑詩水電公司等電力機構通過試驗發現AMI能夠促進配電系統的優化運行，實現更為精確的電壓優化，使CVR的能源節約率較之前提高近40%[32-33]。此外，逆變器可以實現連續快速的動態無功供給且運行成本低廉，目前已經有學者通過控制逆變器的無功輸出來實現電壓的調節[34-36]。南加州愛迪生電力公司在最新的試驗中還提出一種基于AMI和光伏逆變器的雙閉環電壓控制方法，該方法能夠快速精確地實現CVR[37]。未來，如何結合新興的電力電子設備，在DG與CVR的良好配合下，實現快速、動態的CVR操作，進一步促進能源節約是值得深入研究的問題。

4 關于CVR技術在國內運用的探討

國內電網電壓無功控制的主要目標大多依舊停留在保持電壓等級以及功率因數這一層面，因而相對于國內CVR技術應用的空白，動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer, DVR)等解決電壓突變問題的設備已充分投入到配電網使用。

DVR是一種串聯型電能質量控制裝置，當電網電壓發生電壓暫降時，DVR向電路注入一個幅值、相角可控的串聯補償電壓，以保證負荷電壓恒定。常見的DVR結構如圖2，控制單元控制電壓型逆變器產生串聯補償電壓，經串聯變壓器注入線路中[39]。DVR能夠解決由于電壓質量不合格所引發的諸多問題，有效地保證了電能質量，不過由于需要儲能裝置以及串聯變壓器等設備，使其投入成本較高。從長遠來看，清潔節能的電力系統是必然的發展方向，而CVR技術與DVR技術相比能夠在保證電壓水平的基礎上降低峰荷與能量損耗，且設備組成簡單，性價比較高。

圖2 DVR的基本結構

此外，近年來，夏季的高溫峰荷時期，國內許多地區的電網都存在供電容量不足的問題，造成部分用戶斷電。如果單純地通過擴大發電機組裝機容量來解決問題，投入較高，并且在用電低谷時會出現發電機效率低下的問題。在此背景下，降壓節能技術操作簡便，易于實現，能夠經濟有效地解決峰荷時期供電容量不足問題。

目前國內多數地區依舊以水電以及火電為主要供電來源，分布式新能源滲透率低，這使得CVR的實現較為容易。考慮到所提到的CVR效益主要與負荷組成有關，可以將CVR技術在恒阻抗負荷以及恒電流阻抗使用比例較大的用戶住宅區以及商業區投入使用，在解決短期供電容量不足問題的同時實現長期的能源節約。

CVR技術最早是在歐美國家提出并使用的，而歐美國家的電力系統特性與中國有一定的差異，因此CVR技術在國內進行運用時需考慮到這些差異。歐美國家的CVR裝置通常安裝在用戶用電側(120 V側，即對應國內的220 V用電電壓)。而CVR裝置應包括兩部分：一部分是調壓裝置，主要通過調節分接頭來實現電壓的降低；另一部分則是無功調控設備，如并聯電容器組、可投切電容器組等。其主要目的是為系統提供足夠的無功功率，有效提高電能質量并且降低系統損耗，為降壓節能的有效實現提供良好的電壓無功條件。

以用戶住宅為例，國外多為單獨成棟的別墅，大多別墅擁有單獨的配電箱，可以直接在配電箱中安裝CVR裝置的無功調控設備，并在120 V配電饋線上直接安裝單相步進調壓器作為調壓設備，成本低廉，操作簡單。而中國多為群居的民宅，國外直接在用戶住宅單戶接入無功調控設備的方法在中國并不適用，因此考慮在10 kV配電側安裝CVR裝置的無功調控部分。但中國10 kV線路多為不接地結構，因此無法直接接入單相步進調壓器，而三相饋線調壓器成本較高，大量投入并不現實，因此考慮通過變電站自帶的有載調壓變壓器來實現調壓。

圖3 帶CVR裝置的輻射型配電系統

結合以上考慮，在國內配電網安裝CVR裝置應在10 kV配電側根據系統實際無功電壓分布情況來選擇合適位置接入無功調控設備，實現無功電壓的優化，再通過變電站有載調壓變壓器分抽頭降低配電電壓，從而實現用戶用電電壓的降低，以達到降壓節能的目的。帶CVR裝置的輻射型配電系統典型結構如圖3所示，該系統選擇并聯電容器組作為無功調控設備，共有n處并聯電容器接入點(m∈[1,n])，變電站有載調壓變壓器作為調壓裝置。

5 結 語

隨著配電網結構的日益復雜，降壓節能技術主要有以下3個研究重點：1)多個電壓無功控制裝置之間的協調與配合。不同的控制設備之間互相影響，實現彼此的良好配合是保證系統電壓無功的必然前提。2)CVR的有效實現方法與經濟評估方法。隨著新能源以及動態負荷等的出現，CVR的實現方法以及效益評估方法需要隨之改進，以保證其有效性以及準確性。3)CVR與DG之間的協調與配合。充分考慮DG接入系統對CVR的影響：一方面考慮DG接入對于CVR實現與評估方法帶來的挑戰；另一方面考慮通過二者的良好配合實現DG對于CVR的促進作用，提高CVR的效益。

降壓節能技術在解決供電容量不足以及能源短缺問題上擁有充分的潛力，盡管該技術目前在國內還未充分投入使用，但是相信隨著該技術相關研究的逐步成熟，其優勢會被充分挖掘，未來配電網的運行與控制將會因此受益。

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Conservation voltage reduction (CVR) technique can reduce the peak demand and achieve energy saving via voltage level reduction of distribution system, which is widely used by the power utilities of the US and Europe. In recent years, the supply capacity of domestic distribution network fails to meet the peak demand, and CVR is an economical and effective way to solve this problem. Firstly, the development of CVR is reviewed and the related concepts are introduced. Then, a summary and the comparison of the assessment methods of CVR are provided. Besides, the relationships and impacts between CVR and distributed generators are analyzed. Discussion about the application of CVR in China is included in the end.

conservation voltage reduction (CVR); distribution network; peak demand; energy saving; distributed generators

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2014AA051901)

TM72

：A

：1003-6954(2017)04-0001-07

2017-05-18)

戴詩朦(1992)，碩士研究生，研究方向為配電網電壓無功；孫 鳴 (1957)，教授、博士，研究方向為電力系統繼電保護及調度自動化；劉俊勇(1963)，教授、博士，研究方向為配電網規劃運行及電力市場研究。