配電網(wǎng)無功補償節(jié)能計算方法優(yōu)化研究

陳冰斌，趙健

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建福州350009；2.天津大學，天津 300072）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對能源的需求也在不斷增長，目前已成為世界上第二大能源消耗國，如何實現(xiàn)節(jié)能與現(xiàn)有能源高效利用成為當務之急。建設節(jié)能電網(wǎng)對國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義[1-3]。

我國電網(wǎng)的損耗相對較大，且主要集中在配電網(wǎng)上，對于電網(wǎng)企業(yè)而言，實現(xiàn)配電環(huán)節(jié)的節(jié)能減排，其效益將會十分明顯。在預期這些效益中，掌握配電網(wǎng)新型節(jié)能設備與技術的應用情況，將為電力企業(yè)取得巨大的經(jīng)濟效益[4-5]；掌握新型節(jié)能設備與技術的節(jié)能測量方法，可以大幅提高使用新型節(jié)能設備與技術的節(jié)能效果[6-10]。文獻[11]提出了配電網(wǎng)節(jié)能潛力定量評估的總體思路和具體實施方案，從抽樣微觀分析和全網(wǎng)宏觀統(tǒng)計2方面入手，評估每條線路綜合節(jié)能潛力，但沒有涉及電網(wǎng)損耗的實測。文獻[12]提出了有效能量和無效能量的概念，建立了以能效和耗能比為主要指標的新型節(jié)能評估體系，并闡述了其重要意義，卻沒有涉及節(jié)能效果的計算方法[13-16]。

本文將針對實施無功補償前后的配電網(wǎng)節(jié)能效果，通過節(jié)能計算的關鍵技術，提出配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化計算方法，解決目前電網(wǎng)損耗計算方法不一致、節(jié)能效果準確量化等問題，進而有力支撐電網(wǎng)公司節(jié)能服務體系建設，為國家節(jié)能減排工作提供技術支持，有助于為國家?guī)斫?jīng)濟效益和社會效益。

1 配電網(wǎng)無功補償節(jié)能量化基本理論

配電網(wǎng)設備主要由電力線路和變壓器構(gòu)成，配電網(wǎng)損耗主要體現(xiàn)在線路和變壓器上，而配電網(wǎng)不同節(jié)能技術的實施會使配電網(wǎng)狀態(tài)產(chǎn)生變化，如無功補償會改變網(wǎng)絡無功功率Q、合理調(diào)整電網(wǎng)運行電壓會改變網(wǎng)絡運行電壓U。因此，不同的節(jié)能技術會影響配電網(wǎng)運行的不同參量（如P、Q、U等），進而導致電力線路功率損耗ΔPL和變壓器功率損耗ΔPT產(chǎn)生變化，減小配電網(wǎng)網(wǎng)絡損耗[17-21]。

配電網(wǎng)無功補償主要分為3種方式，分別是變電站集中補償、配變低壓集中補償和線路無功補償，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)無功補償方式Fig.1 Reactive power compensation mode in the distribution network

本文以變電站集中無功補償為例進行分析，變電站集中補償裝置一般連接在變電站10 kV母線上，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，但在配電網(wǎng)中通常采用Mvar級容量的并聯(lián)電容器[22-23]。若補償?shù)臒o功功率為QC，變壓器原有功負荷為PT，無功負荷為QT，則采用無功補償?shù)淖儔浩骺倱p耗量變?yōu)?/p>

變壓器損耗的變化可表示為

因此，變電站的無功補償可以降低中壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡損耗。

但是，在對配電網(wǎng)施加無功補償節(jié)能技術后，配電網(wǎng)的運行狀態(tài)隨之也會發(fā)生相應的變化，如果不能將施加無功補償節(jié)能技術前后的配電網(wǎng)狀態(tài)劃歸一致，而直接對比前后的能耗量，進而得出相應的節(jié)能量是不具備可比性的，因此，在量化配電網(wǎng)無功補償節(jié)能量時，需要對前后2次的配電網(wǎng)基準進行相應的轉(zhuǎn)化[24-26]。配電網(wǎng)節(jié)能量的核證示意圖如圖2所示，在進行節(jié)能技術前后節(jié)能量的對比時，先將2次配電網(wǎng)狀態(tài)歸化至同一基準，再將對應折算的損耗值進行比較，才能得到施加節(jié)能技術后的真實節(jié)能量[27-29]。

圖2 電網(wǎng)節(jié)能技術實施前后節(jié)能量計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy conservation technology in power grid before and after implementation of energy saving technology

2 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化算法

2.1 配電網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化步驟

以下是配電網(wǎng)節(jié)能的主要優(yōu)化步驟：

1）分析配電網(wǎng)無功補償節(jié)能技術對配電網(wǎng)節(jié)能量的影響。

2）確定配電網(wǎng)無功補償技術節(jié)能量的測量參數(shù)，包括電量損耗、功率損耗的測量以及配電網(wǎng)有功和無功功率的測量。

3）確定測量參數(shù)后選取合適的測量點，進行相關參數(shù)的測量。

4）將節(jié)能技術應用前后的配電網(wǎng)運行狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，比較得出準確節(jié)能量。

配電網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化步驟如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化步驟Fig.3 The optimization step of distribution network energy saving

2.2 配電網(wǎng)節(jié)能的測量方法

針對變電站集中補償，應量測變電站集中補償裝置所在10 kV網(wǎng)絡的損耗，即對該級網(wǎng)絡進行電量損耗量測和電力損耗量測。

1）電量損耗量測方法。由于配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較復雜，主要為輻射網(wǎng)狀性，若要對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡損耗進行量測，在該支路首端的變壓器側(cè)和所有下級配變側(cè)均需裝設電能表進行測量，如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)電量損耗測量示意圖Fig.4 A schematic diagram of the measurement of power loss in a distribution network

設量測點為n個，選取某一時間段，量測變壓器出口側(cè)①處電量Q1和所有分支線路出口②處總電量值Q2，計算得出配電網(wǎng)網(wǎng)絡損耗為Q1-Q2。

2）電力損耗量測方法。根據(jù)現(xiàn)有量測裝置的特點，對于每個量測點，最理想的量測精度為每隔一段時間采集一次電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括有功功率P、無功功率Q和網(wǎng)絡電壓U。

2.3 配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化算法

本文主要利用配電網(wǎng)等值電阻法和形狀系數(shù)的電量損耗折算法對配電網(wǎng)的節(jié)能量計算方法進行優(yōu)化分析[13-14]，其過程如下：

1）選取未采用無功補償技術前的典型量測日，通過量測得到配電網(wǎng)的損耗ΔA前，進而選取采用無功補償技術后的量測日，通過量測得到配電網(wǎng)的損耗ΔA后，同時根據(jù)分析中的損耗測量方法，在配電網(wǎng)線路首段量測點中，每隔15 min記錄一次配電網(wǎng)的有功功率Pi、無功功率Qi和線路電壓Ui的數(shù)據(jù)（i=0,1,2,…,95）。

2）從配電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中調(diào)取過去1 a中與采用無功補償技術后配電網(wǎng)運行狀態(tài)相近但未采用無功補償技術時的3個典型量測日的數(shù)據(jù)記錄，得到該量測日全天有功電量Aa、全天無功電量Ar、同步驟1）中每隔15 min的96組有功功率P、無功功率Q和配電網(wǎng)網(wǎng)絡電壓U的集合。從而，可得到3組形狀系數(shù)的區(qū)間值

3）利用配電網(wǎng)等值電阻法求取所選配電線路的等值電阻RLeq和變壓器的等值電阻RTeq。

4）通過步驟2）中第j個配電網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄（j= 1,2,3），分析計算得出配電網(wǎng)的有功功率損耗為

式中：U平為配電網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)中96個網(wǎng)絡電壓U的算術平均值；P0為變壓器的空載損耗。

5）通過步驟2）中的3組配電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄，再根據(jù)步驟（4）得到相應的配電網(wǎng)有功功率損耗區(qū)間值為

6）根據(jù)步驟1）中采用無功補償技術后通過電能表測量得到的96組網(wǎng)絡有功功率Pi、無功功率Qi和網(wǎng)絡電壓Ui的數(shù)據(jù)（i=0,1,2,…,95），計算后得出96組配電網(wǎng)的有功功率損耗值：

計算出每個ΔP后i的上限值和下限值分別為

9）將應用無功補償節(jié)能技術后測得的電網(wǎng)損耗ΔA后與計算得出的配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值進行比較，得出最終的節(jié)能量。

3 實例分析

以某市一條10 kV線路為研究對象，通過分析計算，該配電線路等值電阻RLeq=9.05 Ω，配變等值電阻RTeq=4.92 Ω。采用無功補償節(jié)能技術前后的典型量測日線路首段電量分別為16 500 kW·h和18 480 kW·h；該線路所有配變的電量和分別為16 010 kW·h和18 105 kW·h。則采用無功補償節(jié)能技術前后的典型量測日網(wǎng)絡損耗分別為ΔA前=490 kW·h，ΔA后=375 kW·h。

選取施加無功補償節(jié)能技術前后典型量測日的線路首端量測點的負荷狀態(tài)進行采集，如表1所示，施加無功補償節(jié)能技術前后的有功功率如圖5所示。

表1 線路首端典型量測日的負荷采集Tab.1 Load collection on the head of the line on a typical measurement day for head of line

圖5 無功補償前后的有功功率Fig.5 Active power before and after the reactive power compensation

由采用無功補償節(jié)能技術后典型量測日采集的數(shù)據(jù)可求得96組配電網(wǎng)網(wǎng)絡損耗值，如表2所示。

本文選取未采用無功補償節(jié)能技術時配電網(wǎng)線路首端量測點的歷史數(shù)據(jù)記錄進行分析計算，其中1 d的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表2 采用無功補償技術后配電網(wǎng)的網(wǎng)絡損耗瞬時值Tab.2 Distribution network loss instantaneous value after using reactive power compensation technology

表3 線路首端量測點歷史負荷采集Tab.3 Historical load data acquisition of the measurement point on the head of the line

結(jié)合測量數(shù)據(jù)，利用形狀系數(shù)可得到配電網(wǎng)網(wǎng)絡功率損耗區(qū)間值，如表4所示。

表4 歷史3 d形狀系數(shù)區(qū)間值及網(wǎng)絡功率損耗區(qū)間值Tab.4 Shape coefficient interval value for a history of three days and network power loss interval value

通過該優(yōu)化計算方法，計算得到配電網(wǎng)線路的電量損耗折算區(qū)間值為[677，692]kW·h。

將配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值與無功補償后的量測日網(wǎng)絡損耗375 kW·h進行比較：由于配電網(wǎng)電量損耗折算區(qū)間值的下限值677 kW·h大于無功補償后的量測日網(wǎng)絡損耗322 kW·h，可驗證本優(yōu)化算法的正確性和有效性，從而得到該10 kV網(wǎng)絡在測量日采用無功補償后的真實節(jié)能量區(qū)間值為[302，317]kW·h。

4 結(jié)語

本文針對施加節(jié)能技術前后的配電網(wǎng)損耗值的量化，利用配電網(wǎng)的等值電阻法和形狀系數(shù)的求取，提出配電網(wǎng)節(jié)能的優(yōu)化計算方法，通過將2次配電網(wǎng)狀態(tài)歸化至同一基準，再將對應折算的損耗值進行比較，得到施加節(jié)能技術后的真實節(jié)能量，解決了采用節(jié)能技術前后的網(wǎng)絡損耗值不能直接比較的問題，為電網(wǎng)企業(yè)解決節(jié)能減排量化分析難題工作提供了一種技術方法。

[1] 楊健，曹培，郭創(chuàng)新.智能電網(wǎng)低碳效益展望[J].電力科學與技術學報，2010，25（3）：54-60. YANG Jian，CAO Pei，GUO Chuangxin.Expectation of low-carbon benefits on smart grid[J].Journal of Electric Power and Technology，2010，25（3）：54-60.

[2]李鵬，張勇軍，譚偉聰，等.長安配網(wǎng)節(jié)能降耗潛力評估研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（14）：97-100，104. LI Peng，ZHANG Yongjun，TAN Weicong，et al.Study on energy saving potential assessment for Chang’an distribution network[J].PowerSystem Protection and Control，2009，37（14）：97-100，104.

[3]張愷凱，楊秀媛，等.基于負荷實測的配電網(wǎng)理論線損分析及降損對策[J].中國電機工程學報，2013（33）：92-97. ZHANG Kaikai，YANG Xiuyuan，et al.Theoretical analysis on distribution network loss based on load measurement and countermeasures to reduce the loss[J]. Proceedings of the CSEE，2013（33）：92-97.

[4] 薛榮貴，高潔，翟海青.以市場機制實現(xiàn)節(jié)能減排[J].華東電力，2008，4（9）：45-48. XUE Ronggui，GAO Jie，ZHAI Haiqing.Realizing energy-saving and emission-reduction through market mechanisms[J].East China Electric Power，2008，4（9）：45-48.

[5]尚金成.兼顧市場機制的主要節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式比較研究[J].電網(wǎng)技術，2008，9（4）：4-9. SHANG Jincheng.Comparative research on main energysaving generation dispatching model considering market mechanism[J].PowerSystemTechnology，2008，9（4）：4-9.

[6] 季斌煒，陳瀟一.基于粒子群算法的配電網(wǎng)無功補償方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（3）：111-114. JI Binwei，CHEN Xiaoyi.Research on reactive power compensation of distribution network based on particleswarm optimization algorithm[J].Power System and Clean Energy，2016，32（3）：111-114.

[7]馬立新，董昂，王繼銀.三角骨架差分進化算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化[J].電力科學與工程，2016，32（11）：7-11. MA Lixin，DONG Ang，WANG Jiyin.Reactive power optimization of power system based on triangle skeleton differential evolution algorithm[J].Electric Power Science and Engineering，2016，32（11）：7-11.

[8]趙磊，曾芬鈺，王霜，等.基于經(jīng)濟性與環(huán)保型的微電網(wǎng)對目標優(yōu)化調(diào)度研究[J].高壓電器，2015，51（6）：127-132. ZHAO Lei，ZENG Fenyu，WANG Shuang，et al.Research on multi-objective optimal operation of microgrid based on economic and environmental protection[J].High Voltage Apparatus，2015，51（6）：127-132.

[9] 文福拴，韓禎祥.基于分群算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的配電網(wǎng)線損計算[J]．中國電機工程學報，1993，13（3）：41-50. WEN Fushuan，HAN Zhenxiang．Calculation of energy losses in distribution systems based on division arithmetic and ANN[J]．Proceedings of the CSEE，1993，13（3）：41-50.

[10]劉健，段璟靚.配電網(wǎng)極限線損分析與降損措施優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（12）：27-35. LIU Jian，DUAN Jingjing.Line loss limitation analysis andoptimalplanningoflossreductionfordistributiongrids[J]. Power System Protection and Control，2013，41（12）：27-35.

[11]張勇軍，石輝，許亮.配電網(wǎng)節(jié)能潛力評估系統(tǒng)開發(fā)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（2）：51-55. ZHANG Yongjun，SHI Hui，XU Liang.Systematic Developing Program of Distribution Network Energy Saving Potential Evaluation[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（2）：51-55.

[12]朱永強，尹忠東.基于能量利用效率和耗能比的節(jié)能效果評估體系[J].電工電能新技術.2007，26（3）：33-36. ZHU Yongqiang，YIN Zhongdong.New evaluation system for energy savings based on efficiency and loss ratio[J]. Advanced Technology ofElectricalEngineering and Energy，2007，26（3）：33-36.

[13]陳海涵，程啟誠.等值電阻法計算配電網(wǎng)損耗的理論和實踐[J].廣東電力，2004，6（3）：5-8. CHEN Haihan，CHENG Qicheng.Theory and practice of distribution network loss calculation through method of equivalent resistance[J].Guangdong Electric Power，2004，6（3）：5-8.

[14]楊麗徙，劉輝，張鴻雁，等.低壓電網(wǎng)線損計算中的改進形狀系數(shù)法[J].電力需求側(cè)管理，2009（4）：29-32. YANG Lixi，LIU Hui，ZHANG Hongyan，et al.Improved load shape coefficient method in low voltage line loss calculation[J].Power DSM，2009（4）：29-32.

[15]李健，莊遠燦，黨三磊，等.基于特征量測量的配電網(wǎng)實時三相線損計算[J].廣東電力，2017，30（2）：81-86. LI Jian，ZHUANG Yuancan，DANG Sanlei，et al.Realtime calculation on three-phase line loss of power distribution network based on characteristic measurement[J]. Guangdong Electric Power，2017，30（2）：81-86.

[16]潘超，焦薇羽，孟濤，等.基于混合智能粒子群算法的廣義電源主動配電網(wǎng)優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44（7）：69-75. PAN Chao，JIAO Weiyu，MENG Tao，et al.Optimal allocation of generalized power sources in active distribution network based on hybrid intelligent particle swarm optimization algorithm[J].Power System Protection and Control，2016，44（7）：69-75.

[17]劉艷陽.配電網(wǎng)無功補償配置原則優(yōu)化研究[J].陜西電力，2015，43（9）：57-61. LIU Yanyang.Research on reactive compensation principle of configuration optimization in distribution grid[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（9）：57-61.

[18]姚德泉.配電網(wǎng)閉環(huán)運行模式分析[J].江蘇電機工程，2016，35（2）：16-18. YAO Dequan.Analysis on closed loop operation mode of distribution network[J].Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（2）：16-18.

[19]王林，賀鵬，劉世辰，等.包含電動汽車的熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行優(yōu)化[J].陜西電力，2016，44（3）：20-24. WANG Lin，HE Peng，LIU Shichen，et al.Economic operation optimization for microgrids with CHP including electric vehicle[J].Shaanxi Electric Power，2016，44（9）：20-24.

[20]胡曉陽，王衛(wèi)平，王主丁，等.一種實用的配電網(wǎng)無功運行兩層優(yōu)化方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（3）：14-21. HU Xiaoyang，WANG Weiping，WANG Zhuding，et al. A practical two-phase optimization method of dynamic var optimization in a distribution system[J].Power System Protection and Control，2015，43（3）：14-21.

[21]宋旭東，張曉平，余南華，等.考慮分布式能源接入的配電網(wǎng)規(guī)劃及其關鍵技術綜述[J].陜西電力，2015，43（3）：38-44. SONG Xudong，ZHANG Xiaoping，YU Nanhua，et al.A review of distribution network plan considering the access of DG and its key technologies[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（6）：38-44.

[22]馬釗，尚宇煒，張偉，等.全球能源互聯(lián)網(wǎng)背景下IPv6技術在智能配電網(wǎng)中的應用研究[J].電力信息與通信技術，2016，14（3）：42-48. MA Zhao，SHANG Yuwei，ZHANG Wei，et al.Research on the application of IPv6 Technology in the smart distribution grid in the contextofglobalenergy interconnection[J]. Electric Power Information and Communication Technology，2016，14（3）：42-48.

[23]黃付順，王倩，何美華，等.基于綜合敏感性分析的時序分布式電源規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（10）：44-50. HUANG Fushun，WANG Qian，HE Meihua，et al. Timing distributed power planning based on a comprehensive sensitivity analysis[J]. Power System Protection and Control，2015，43（10）：44-50.

[24]周家南，蘇宏升.計及負荷電壓靜特性的含分布式電源的前推回代潮流計算[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（24）：26-32. ZHOU Jianan，SU Hongsheng.Back/forward sweep power flow calculation with distributed generation considering static load characteristics[J].Power System Protection and Control，2015，43（24）：26-32.

[25]梁飛強，彭顯剛，梁志鵬.基于DEMATEL-ANP-AEWTOPSIS的配電網(wǎng)綜合能效評估[J].廣東電力，2016，29（1）：31-35，64. LIANG Feiqiang，PENG Xiangang，LIANG Zhipeng. Evaluation on comprehensive energy efficiency of power distribution network based on DEMATEL-ANP-AEWTOPSIS[J].Guangdong Electric Power，2016，29（1）：31-35，64.

[26]劉柱，歐清海.面向智能配電網(wǎng)的電力線與無線融合通信研究[J].電力信息與通信技術，2016，14（2）：1-6. LIU Zhu，OU Qinghai.Research on power line carrier and wireless integrated communication for smart distribution network[J].Electric Power Information and Communication Technology，2016，14（2）：1-6.

[27]何小棟，程瑤.配電網(wǎng)主動閉環(huán)運行經(jīng)濟性分析[J].江蘇電機工程，2016，35（3）：42-45. HE Xiaodong，CHENG Yao.Economical analysis of distribution network closed-loop operation[J].Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（3）：42-45.

[28]李偉峰，周潮，葉容慧，等．基于分層一致性算法的主動配電網(wǎng)控制策略研究[J].電力信息與通信技術，2016，14（5）：65-58. LI Weifeng，ZHOU Chao，YE Ronghui，et al.Research on active distribution network control strategy based on hierarchical consistency algorithm[J].Electric Power Information and Communication Technology，2016，14（5）：65-58.

[29]向馳，石文娟，于偉，等.新型城鎮(zhèn)配電網(wǎng)形態(tài)特征及典型供電模式[J].江蘇電機工程，2016，35（3）：64-67，70.

XIANG Chi，SHI Wenjuan，YU Wei，et al.The distribution network morphological characteristics and typical power supply modes for the new-type towns[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（3）：64-67，70.