分時(shí)域10kV 配電網(wǎng)極限線損計(jì)算研究

程 石 潘麗珠

（安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥230000）

配電網(wǎng)線損屬于電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確反饋出某一電力網(wǎng)的管理運(yùn)營(yíng)水平和規(guī)劃設(shè)計(jì)。因?yàn)闊o(wú)法準(zhǔn)確得到配電網(wǎng)相關(guān)負(fù)荷系數(shù)，采取典型理論線損計(jì)算結(jié)果不能在考核指標(biāo)中進(jìn)行直接應(yīng)用。為此本文通過(guò)對(duì)極限線損進(jìn)行深入研究，為優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷提供有效參考。

1 研究背景

近幾年隨著我國(guó)電力系統(tǒng)相關(guān)配電自動(dòng)化的發(fā)展，供電企業(yè)針對(duì)各個(gè)子公司也推出了綜合線損率指標(biāo)科學(xué)化、規(guī)范化的要求，而國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者和各個(gè)電力企業(yè)也進(jìn)一步提高了對(duì)配電網(wǎng)線損的重視。10kV配電網(wǎng)相關(guān)線損因?yàn)閰^(qū)域供電半徑的不合理規(guī)劃、用電負(fù)荷復(fù)雜多樣、饋線線路冗雜等特征，進(jìn)一步加大了配電網(wǎng)相關(guān)線損計(jì)算難度，整體操作更為復(fù)雜化，為此應(yīng)該進(jìn)一步明確配電網(wǎng)相關(guān)線損計(jì)算方法，對(duì)配電網(wǎng)相關(guān)降損潛力進(jìn)行深入挖掘，進(jìn)一步提升供電企業(yè)整體管理實(shí)力，促進(jìn)電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行目標(biāo)，為此需提高配電網(wǎng)線損計(jì)算準(zhǔn)確性。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者也針對(duì)配電網(wǎng)線損的降損、計(jì)算提出眾多處理方案。比如王小北等曾經(jīng)提到過(guò)配電網(wǎng)在固定拓?fù)湎拢瑢?duì)綜合線損率最低值進(jìn)行計(jì)算，但卻沒(méi)有將配電網(wǎng)線損整體變化區(qū)間準(zhǔn)確給出，因此也無(wú)法根據(jù)線損最低值，給出供電企業(yè)綜合線損率指標(biāo)。劉偉等人立足于配電網(wǎng)線損具體影響，對(duì)當(dāng)下配電網(wǎng)線損相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行比較，但卻未對(duì)配電網(wǎng)的線損優(yōu)化空間實(shí)施數(shù)值分析。因此應(yīng)該準(zhǔn)確把握配電網(wǎng)降損潛力，為供電企業(yè)提供有效指導(dǎo)，促進(jìn)綜合線損率的全面優(yōu)化[1]。

2 線損內(nèi)涵

電能損耗主要是在某種限定時(shí)間內(nèi)電流經(jīng)過(guò)電流系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備元件所形成的電能與電力消耗。或電能損耗即電能運(yùn)營(yíng)傳輸中，從電廠上網(wǎng)端口至客戶終端計(jì)量表整個(gè)過(guò)程形成的損耗。電能損耗涵蓋電網(wǎng)在整個(gè)配電、變電和輸電中全部電力設(shè)備的電量損耗和電力營(yíng)銷中所形成的不明損失。線損電量?jī)?nèi)某部分損耗能夠利用理論計(jì)算方法獲得，該部分損耗涵蓋低壓電網(wǎng)內(nèi)電能損耗、配電線路中的輸電線路損耗等，降壓主變器以及配電變壓器內(nèi)能量損耗，電抗器設(shè)備以及無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電能損耗等。結(jié)合損耗特征分析，線損包括固定損耗、可變損耗以及其他損耗。其中可變損耗也是負(fù)載損耗，主要是電網(wǎng)于輸變電以及配電操作中，相關(guān)電力設(shè)備形成的損耗。固定損耗也是不變損耗，和運(yùn)行電壓相關(guān)，如果把電壓當(dāng)成固定不變的，該部分損耗也可以被當(dāng)做固定不變的[2]。

3 配電網(wǎng)傳統(tǒng)線損計(jì)算方法分析

配電網(wǎng)傳統(tǒng)線損相關(guān)計(jì)算方法如下：第一是均方根電流法，即利用有功負(fù)荷以及電流有效值定義，電力元件于一定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所形成的的電能損耗，和該元件在相同時(shí)間內(nèi)恒定電流有效值所形成電能損耗相同。均方根電流法應(yīng)用到配電網(wǎng)的線損計(jì)算工作中，整體優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用思路簡(jiǎn)單，日損耗相關(guān)計(jì)算結(jié)果具有較高精確度，對(duì)于沒(méi)有電量或負(fù)荷實(shí)測(cè)配電變壓器，變壓器均方根電流通常都是根據(jù)容量實(shí)施比例分配，如此無(wú)法將各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)真實(shí)負(fù)荷狀況準(zhǔn)確反饋出來(lái)。均方根電流法于應(yīng)用實(shí)踐中，因?yàn)檎頂?shù)據(jù)較多，且單獨(dú)饋線各個(gè)變壓器相關(guān)符合曲線獲取難度較大，所以很難進(jìn)行全網(wǎng)計(jì)算。

第二是平均電流法，即引入電力負(fù)荷后，在限定時(shí)間內(nèi)相關(guān)負(fù)荷曲線變化系數(shù)K，促進(jìn)該負(fù)荷在具體時(shí)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)均方根電流至平均電流的順利轉(zhuǎn)化，已知平均電流后，求解形狀系數(shù)，能夠準(zhǔn)確計(jì)算電網(wǎng)損耗。平均電流法主要優(yōu)勢(shì)是可以將電量充當(dāng)計(jì)算參數(shù)，因?yàn)殡娏揩@取容易，具有較高計(jì)算進(jìn)度，因此所得線損計(jì)算結(jié)果也具有較高精確度[3]。

4 極限線損

4.1 均方根電流法。10kV配電網(wǎng)相關(guān)線損計(jì)算中，均方根電流法的應(yīng)用范圍較廣，均方根電流法的基礎(chǔ)原理是相同周期內(nèi)電能消耗為線路流通均方根電流所形成的電能損耗，相關(guān)計(jì)算公式如下：

其中的ΔA是電量損耗，而R 是線路等效電阻，t 是運(yùn)行時(shí)間，Ijf是均方根電流。

4.2 極限線損約束條件。目標(biāo)函數(shù)相關(guān)約束條件下，配電網(wǎng)負(fù)荷內(nèi)全部荷載于全部時(shí)段內(nèi)是吸收有功功率，即都是正值。因?yàn)榫€路設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面的影響，各個(gè)時(shí)間段內(nèi)相關(guān)荷載點(diǎn)不能超出該線路內(nèi)最高限制。聯(lián)系供電企業(yè)內(nèi)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，能夠了解到各個(gè)時(shí)間段中入口區(qū)域荷載總值和與出口部分的最高荷載。對(duì)于部分時(shí)段內(nèi)極限線損可以進(jìn)一步細(xì)分成不同時(shí)段中的局部線損問(wèn)題，全天的極限線損主要是不同獨(dú)立時(shí)段中的局部極限線損總和。

5 算例分析

5.1 算例分析。結(jié)合某一工業(yè)區(qū)內(nèi)10kV配電網(wǎng)重載荷以及正常荷載下的輻射線路一天負(fù)荷有功功率信息，對(duì)于兩個(gè)線路內(nèi)的荷載選擇節(jié)點(diǎn)都是20，出口設(shè)置S11-800/10-0.4 型號(hào)的變壓器，結(jié)合MATLAB 算法優(yōu)化內(nèi)相關(guān)GA-GENETIC 算法實(shí)施迭代計(jì)算，其中的初始種群數(shù)量是200，對(duì)EXCEL內(nèi)導(dǎo)入數(shù)據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)于最小和最大線損的最優(yōu)有功功率，具體如圖1 所示。

圖1 正常荷載線路中不同節(jié)點(diǎn)的極限線損功率

正常荷載線路內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)相關(guān)有功功率數(shù)值變化能夠準(zhǔn)確反饋出不同線路節(jié)點(diǎn)降損潛力真實(shí)數(shù)值，該線路中的1 到6 節(jié)點(diǎn)于線路極限線損的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出極限線損中的最低值，證明相關(guān)線路內(nèi)的極限線損變化和1 到6 節(jié)的功率屬于正相關(guān)關(guān)系。立足于降損層面分析，1 到6 節(jié)荷載相對(duì)較重，可以選擇降低負(fù)荷，或進(jìn)一步擴(kuò)展其他供電線路，但15 到20 節(jié)點(diǎn)，該種節(jié)點(diǎn)屬于線路末端，相關(guān)有功功率數(shù)值和線路中的線損變化之間處于一種負(fù)相關(guān)的關(guān)系，該種節(jié)點(diǎn)整體負(fù)荷較低，基于恒等式約束下，極限線損計(jì)算結(jié)果降到最低條件下，該種節(jié)點(diǎn)為進(jìn)一步迎合等式要求，呈現(xiàn)出一種負(fù)相關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，而該種節(jié)點(diǎn)的荷載狀況屬于一種理想狀態(tài)，降損潛力較低。10 到13 節(jié)點(diǎn)相關(guān)功率變化相對(duì)穩(wěn)定，證明該種節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)線路降損產(chǎn)生太大影響，整體負(fù)荷類型較好。重載線路中不同節(jié)點(diǎn)相關(guān)極限線損計(jì)算中的功率變化如圖2 所示：

圖2 重載負(fù)荷線路內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)極限線損的功率值

上圖內(nèi)重載線路不同節(jié)點(diǎn)于極限線損最低和最高值條件下，和正常荷載線路存在較大差異。總體而言，不同節(jié)點(diǎn)相關(guān)功率最低值和最高值的差距較小。重荷載節(jié)點(diǎn)于原有極限線損基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)增加最小功率約束，和正常線路相比，最終計(jì)算結(jié)果不會(huì)再產(chǎn)生9.7kW的最低荷載計(jì)算結(jié)果。對(duì)于單獨(dú)節(jié)點(diǎn)而言，和線損極限值的相關(guān)性趨勢(shì)與正常荷載線路相似，主要可以分成三種層次。結(jié)合兩個(gè)線路一天中的有功功率對(duì)線路極限線損進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)把一天分成四個(gè)時(shí)段。

通過(guò)分析不同節(jié)點(diǎn)功率值，結(jié)合有功功率相關(guān)信息對(duì)線路中的極限線損進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，把全天細(xì)分成四個(gè)時(shí)段，最終線損區(qū)對(duì)比結(jié)果如圖3 所示：

圖3 四種時(shí)段中線路內(nèi)極限線損值和真實(shí)數(shù)值比較

通過(guò)分析上圖能夠發(fā)現(xiàn)，全天內(nèi)的四個(gè)時(shí)段中，重載線路內(nèi)真實(shí)線損遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常線路中的線損值，在計(jì)算極限線損數(shù)值過(guò)程中，重載線路內(nèi)的極限線損最低值在約束限制下，明顯超出正常線路的最低極限線損值，同時(shí)重載線路內(nèi)的最低極限線損最低值整體穩(wěn)定性要比正常線路內(nèi)最低極限線損值要低一些。1/2 時(shí)段中線損實(shí)際數(shù)值比極限線損的最低計(jì)算值要低，證明此重載線路內(nèi)的線損實(shí)際測(cè)量數(shù)值存在明顯誤差，同時(shí)3、4 時(shí)段以及正常線路內(nèi)時(shí)段線損值都處于極限線損計(jì)算范圍內(nèi)，從某種條件下能夠準(zhǔn)確反饋出極限線損計(jì)算區(qū)間準(zhǔn)確性和可靠性，為供電企業(yè)進(jìn)一步控制理論線損提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)于四個(gè)時(shí)段中極限線損的波動(dòng)趨勢(shì)，其和實(shí)際數(shù)值之間的差距相對(duì)較小，證明極限線損可以將負(fù)荷變化狀況準(zhǔn)確反饋出來(lái)，其入口段區(qū)域的負(fù)荷約束在極限線損模型求解方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。把四個(gè)時(shí)段中線路損耗進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成線損率，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)極限限速相關(guān)計(jì)算結(jié)果，具體如圖4 所示：

圖4 極限線損率和實(shí)際線損率之比

在上圖中的四個(gè)時(shí)間段內(nèi)線損率計(jì)算中，和圖3 計(jì)算的線路損耗數(shù)值相比，整體線損率計(jì)算結(jié)果會(huì)更加穩(wěn)定一些，進(jìn)一步證明極限線損相關(guān)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性，和重載線路相比，正常線路的線損率要略低一些，但3、4 時(shí)段內(nèi)相關(guān)計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)和極限線損率最終計(jì)算結(jié)果存在一定差異，重載線路中的極限線損率區(qū)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常荷載線路中的極限線損率，重載線路中的線損率真實(shí)數(shù)值也超出最低極限線損率，證明相關(guān)重載線路降損空間有限。

5.2 研究結(jié)論

相關(guān)計(jì)算結(jié)果證明重載線路和正常荷載線路相比，整體降損潛力下降，同時(shí)重載負(fù)荷線路的真實(shí)線損率和極限線損率最低值更為接近，重載線路內(nèi)的線損變化趨勢(shì)和極限線損計(jì)算結(jié)果更為相似。正常線路中存在較大線損，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)該線路內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效歸類，而其中和極限線損趨勢(shì)處于正相關(guān)關(guān)系的節(jié)點(diǎn)擁有較大的降損潛力，但整體功率變化較為平穩(wěn)的以及負(fù)相關(guān)節(jié)點(diǎn)整體降損空間有限的，不建議針對(duì)后者進(jìn)行降損處理。最終精確計(jì)算出極限線損波動(dòng)變化區(qū)間，對(duì)正常線路和重載線路中的降損潛力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，為供電企業(yè)有效控制縮減理論線損提供有效的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，因?yàn)榕潆娋W(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)量較大，配電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電網(wǎng)企業(yè)針對(duì)配電網(wǎng)實(shí)施理論線損計(jì)算中，通常無(wú)法準(zhǔn)確反映出電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。在分時(shí)域10kV配電網(wǎng)中引入極限線損進(jìn)行計(jì)算分析，能夠?qū)O限線損變化區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)化計(jì)算，深入分析重載以及正常線路中的降損潛力，從而進(jìn)一步為供電企業(yè)控制理論線損提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。