配電網無功補償節能計算方法優化研究

陳冰斌，趙健

（1.國網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）

隨著國民經濟的快速發展，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，如何實現節能與現有能源高效利用成為當務之急。建設節能電網對國民經濟持續健康發展具有重要意義[1-3]。

我國電網的損耗相對較大，且主要集中在配電網上，對于電網企業而言，實現配電環節的節能減排，其效益將會十分明顯。在預期這些效益中，掌握配電網新型節能設備與技術的應用情況，將為電力企業取得巨大的經濟效益[4-5]；掌握新型節能設備與技術的節能測量方法，可以大幅提高使用新型節能設備與技術的節能效果[6-10]。文獻[11]提出了配電網節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宏觀統計2方面入手，評估每條線路綜合節能潛力，但沒有涉及電網損耗的實測。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能評估體系，并闡述了其重要意義，卻沒有涉及節能效果的計算方法[13-16]。

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

1 配電網無功補償節能量化基本理論

配電網設備主要由電力線路和變壓器構成，配電網損耗主要體現在線路和變壓器上，而配電網不同節能技術的實施會使配電網狀態產生變化，如無功補償會改變網絡無功功率Q、合理調整電網運行電壓會改變網絡運行電壓U。因此，不同的節能技術會影響配電網運行的不同參量（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產生變化，減小配電網網絡損耗[17-21]。

配電網無功補償主要分為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，補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，但在配電網中通常采用Mvar級容量的并聯電容器[22-23]。若補償的無功功率為QC，變壓器原有功負荷為PT，無功負荷為QT，則采用無功補償的變壓器總損耗量變為

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的網絡損耗。

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

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

2 配電網節能的優化算法

2.1 配電網節能優化步驟

以下是配電網節能的主要優化步驟：

1）分析配電網無功補償節能技術對配電網節能量的影響。

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

3）確定測量參數后選取合適的測量點，進行相關參數的測量。

4）將節能技術應用前后的配電網運行狀態和測量數據進行歸一化處理后，比較得出準確節能量。

配電網節能優化步驟如圖3所示。

圖3 配電網節能的優化步驟Fig.3 The optimization step of distribution network energy saving

2.2 配電網節能的測量方法

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網絡的損耗，即對該級網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。由于配電網的網架結構比較復雜，主要為輻射網狀性，若要對配電網的網絡損耗進行量測，在該支路首端的變壓器側和所有下級配變側均需裝設電能表進行測量，如圖4所示。

圖4 配電網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，計算得出配電網網絡損耗為Q1-Q2。

2）電力損耗量測方法。根據現有量測裝置的特點，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狀態數據，包括有功功率P、無功功率Q和網絡電壓U。

2.3 配電網節能的優化算法

本文主要利用配電網等值電阻法和形狀系數的電量損耗折算法對配電網的節能量計算方法進行優化分析[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的損耗ΔA后，同時根據分析中的損耗測量方法，在配電網線路首段量測點中，每隔15 min記錄一次配電網的有功功率Pi、無功功率Qi和線路電壓Ui的數據（i=0,1,2,…,95）。

2）從配電網運行狀態數據庫中調取過去1 a中與采用無功補償技術后配電網運行狀態相近但未采用無功補償技術時的3個典型量測日的數據記錄，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和配電網網絡電壓U的集合。從而，可得到3組形狀系數的區間值

3）利用配電網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個配電網數據記錄（j= 1,2,3），分析計算得出配電網的有功功率損耗為

式中：U平為配電網記錄數據中96個網絡電壓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組配電網運行狀態數據記錄，再根據步驟（4）得到相應的配電網有功功率損耗區間值為

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

計算出每個ΔP后i的上限值和下限值分別為

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

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。則采用無功補償節能技術前后的典型量測日網絡損耗分別為ΔA前=490 kW·h，ΔA后=375 kW·h。

選取施加無功補償節能技術前后典型量測日的線路首端量測點的負荷狀態進行采集，如表1所示，施加無功補償節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

由采用無功補償節能技術后典型量測日采集的數據可求得96組配電網網絡損耗值，如表2所示。

本文選取未采用無功補償節能技術時配電網線路首端量測點的歷史數據記錄進行分析計算，其中1 d的配電網數據記錄如表3所示。

表2 采用無功補償技術后配電網的網絡損耗瞬時值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

結合測量數據，利用形狀系數可得到配電網網絡功率損耗區間值，如表4所示。

表4 歷史3 d形狀系數區間值及網絡功率損耗區間值Tab.4 Shape coefficient interval value for a history of three days and network power loss interval value

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

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

4 結語

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

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