基于負(fù)荷實測的內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損分析及降損措施研究

樊少朋，羅陽百，宋　坤，梁　廠，楊世杰

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司內(nèi)丘縣供電分公司，河北　內(nèi)丘　054200； 2. 國網(wǎng)濟寧供電公司，山東　濟寧　272000；3.河池宜州供電局，廣西　河池　546300)

近些年，我國配電網(wǎng)負(fù)荷不斷增加，與配電網(wǎng)建設(shè)狀況滯后的矛盾日益突出：一方面難以滿足用戶對供電可靠性的要求；另一方面電量損耗嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的經(jīng)濟損失，也不符合當(dāng)前節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式[1-3]。開展配電網(wǎng)節(jié)能降損相關(guān)方面的研究，指導(dǎo)配電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。

文獻(xiàn)[4-6]指出新農(nóng)村建設(shè)是當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展一個新的增長點，提出新農(nóng)村配電網(wǎng)在進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)時應(yīng)滿足節(jié)能減排、綠色發(fā)展的模式。文獻(xiàn)[7]針對當(dāng)前電價政策在用戶功率因數(shù)達(dá)到基本要求后，不能再有效激勵用戶進(jìn)行無功投資進(jìn)一步改善功率因數(shù)的問題，提出修改當(dāng)前電價政策的建議和細(xì)化措施。文獻(xiàn)[8-10]針對10 kV線路在我國配電網(wǎng)占有很大比重具有很大節(jié)能空間的問題，綜合考慮無功補償以及配電網(wǎng)重構(gòu)的方式來降低損耗。文獻(xiàn)[11-13]針對配電網(wǎng)線損嚴(yán)重導(dǎo)致電能質(zhì)量降低，影響供電可靠性的問題，提出了一種多目標(biāo)配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估方法。

目前對于配電網(wǎng)損耗的研究偏向于理論，缺少工程實際背景的支撐；此外，大部分研究雖然都強調(diào)了理論網(wǎng)損分析的重要性，并未完全理清配電網(wǎng)損耗的分布狀況，且缺少對降損效果的經(jīng)濟效益分析及降損技術(shù)綜合應(yīng)用方面的研究。因此，本文在借鑒國內(nèi)外學(xué)者對于配電網(wǎng)損耗研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，依托于河北省內(nèi)丘縣配電網(wǎng)實際情況，進(jìn)行損耗分析與經(jīng)濟效益相結(jié)合的降損措施研究。

1　線損概述

電能在傳輸過程中，一方面不可避免會在電氣設(shè)備上產(chǎn)生能量損耗，諸如線路、變壓器、儀器儀表、開關(guān)設(shè)備等；另一方面由于表計誤差、人為竊電等因素將造成供電公司電能計量的損失；以上情況造成的電能損失都稱為線損。在電網(wǎng)的實際運行中，線損電量通常是根據(jù)電能表計量統(tǒng)計的供電量和供電公司的售電量之差得到的，通常被稱為統(tǒng)計線損電量，見式(1)。工程上常采用線損率來評估電網(wǎng)運行狀況，見式(2)。

WLoss=WSupply-WSell

(1)

(2)

式中：WLoss為線損電量；WSupply為電網(wǎng)供電量；WSell為電網(wǎng)售電量；η為線損率。

線損率表示電能在傳輸過程中損耗電量占供電量的百分比，配電網(wǎng)線損是衡量電網(wǎng)運行經(jīng)濟水平的一項重要指標(biāo)，它不但可以反映電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式的合理性，同時也反映出電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與運行管理水平。

2　線損理論的典型算法

為了更好地對配電網(wǎng)線損進(jìn)行統(tǒng)計分析，有必要研究線損理論的相關(guān)算法，目前常用的典型算法主要有5種[14-15]，如圖1所示。

圖1 線損理論典型算法

在工程具體應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這些典型算法在計算線損時總是與實際結(jié)果存在很大誤差，主要原因是這些算法在求解時假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓、元件參數(shù)以及支路功率不變，而實際情況為網(wǎng)絡(luò)中的潮流是動態(tài)變化的，無法滿足精確計算分析的需求。

3　基于負(fù)荷實測的內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損分析

基于負(fù)荷實測的配電網(wǎng)線損理論分析，是基于當(dāng)前配電網(wǎng)自動數(shù)據(jù)采集裝置高安裝率以及配網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)高采集率而提出的一種負(fù)荷實測信息的配電網(wǎng)線損分析方法。該方法能夠較真實地反映配電網(wǎng)線損情況，為準(zhǔn)確開展節(jié)能降損措施的研究提供依據(jù)。考慮到內(nèi)丘縣2012年就已完成配電網(wǎng)的改造工作，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與上傳，獲取完整負(fù)荷信息只需在國網(wǎng)管理系統(tǒng)按要求導(dǎo)出即可。因此，本文基于負(fù)荷實測對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損情況進(jìn)行分析。

3.1　代表日的選擇

線損的計算與分析應(yīng)具有普遍性，因而選取的對象應(yīng)具有代表性，選擇代表日應(yīng)滿足以下條件。

a. 代表日應(yīng)能反映出本地區(qū)的氣候條件。

b. 代表日網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)狀況應(yīng)正常且滿足運行要求。

c. 代表日內(nèi)負(fù)荷特性應(yīng)具有代表性。

d. 代表日內(nèi)的供電量和售電量應(yīng)與當(dāng)年或當(dāng)月的平均水平相接近。

3.2　負(fù)荷實測

在滿足代表日選取原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行負(fù)荷實測，主要有以下兩種方式。

a. 配電網(wǎng)中典型變壓器的負(fù)荷實測。選取配電網(wǎng)中比例較大且不同容量水平的變壓器，根據(jù)這些典型變壓器各自的特點如所帶負(fù)荷的種類、大小、用途等進(jìn)行負(fù)荷實測。

b. 配電網(wǎng)中專用變壓器的負(fù)荷實測。專變各側(cè)的負(fù)荷水平，如電壓、電流、功率等電量信息的記錄與統(tǒng)計；或者各側(cè)有功電量、無功電量以及功率因數(shù)等信息的記錄與統(tǒng)計。

內(nèi)丘縣是河北省售電量較大的縣之一，在滿足代表日選取原則的基礎(chǔ)上對內(nèi)丘縣進(jìn)行負(fù)荷實測。負(fù)荷實測信息主要包含：35 kV變電站各側(cè)的有功電量、無功電量信息；10 kV線路上傳輸?shù)挠泄﹄娏俊o功電量信息；轄區(qū)內(nèi)縣城、經(jīng)濟新區(qū)、重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等10 kV低壓配電變壓器的電量信息。主要依據(jù)配電網(wǎng)安裝的自動數(shù)據(jù)采集裝置來實現(xiàn)，對于設(shè)備原因無法獲取相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)的情況應(yīng)考慮采用其它直接或間接的方法以保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、全面性。

3.3　線損率統(tǒng)計

按上述原則選擇典型代表日并采用負(fù)荷實測的方法獲取內(nèi)丘縣配電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)計算配電網(wǎng)損耗，2012—2014年內(nèi)丘縣負(fù)荷及線損率分布狀況如表1所示。

根據(jù)表1對內(nèi)丘縣的最大負(fù)荷、供電量、總線損率以及各電壓等級的線損率分析如下。

表1　內(nèi)丘縣2012—2014負(fù)荷及線損率分布

a. 2012年內(nèi)丘縣代表日的最大負(fù)載功率為269 MW，實際供電量為5.178 GWh，全網(wǎng)總的線損率為5.32%，其中電壓等級35 kV、10 kV、0.4 kV的線損率分別為1.76%、3.29%、6.15%。

b. 2013年內(nèi)丘縣代表日的最大負(fù)載功率為281 MW，實際供電量為5.375 GWh，全網(wǎng)總的線損率為5.18%，其中電壓等級35 kV、10 kV、0.4 kV的線損率分別為1.53%、3.07%、5.73%。

c. 2014年內(nèi)丘縣代表日的最大負(fù)載功率為299 MW，實際供電量為5.732 GWh，全網(wǎng)總的線損率為5.07%，其中電壓等級35 kV、10 kV、0.4 kV的線損率分別為1.49%、2.92%、5.48%。

對以上數(shù)據(jù)分析可知，內(nèi)丘縣的負(fù)荷和供電量呈逐年上升的趨勢；總的線損率以及各個電壓等級下的線損率呈現(xiàn)下降的趨勢，但依然占比很高；35 kV、10 kV、0.4 kV 3個電壓等級中，0.4 kV占比最高，10 kV次之。結(jié)合內(nèi)丘縣配電網(wǎng)的實際情況可得，近些年政府采取招商引資的政策吸引了一批投資者到內(nèi)丘縣投資建廠，使負(fù)荷與供電量不斷上升；盡管供電公司采取一些降低網(wǎng)絡(luò)損耗的措施，但從線損計算結(jié)果看還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

3.4　線損分壓構(gòu)成情況

為了更深層次分析內(nèi)丘縣線損分布情況，對內(nèi)丘縣2014年35 kV、10 kV、0.4 kV 3個電壓等級下的線損情況做進(jìn)一步分析，分電壓等級的損耗分布餅形如圖2所示。

圖2　線損分壓占比

由圖2可知，2014年內(nèi)丘縣配電網(wǎng)中35 kV、10 kV、0.4 kV 3個電壓等級的線損占比分別是16.76%、21.60%、61.64%。可以直觀看到配電網(wǎng)中隨著電壓等級的降低線損占比不斷增大。配電網(wǎng)3個電壓等級中35 kV線損占比最少，因為該電壓等級下的用戶較少主要是一些電力大客戶和直供用戶；10 kV電壓等級線損占比處于35 kV和0.4 kV之間，隨著電壓等級的降低電力用戶逐漸增多，與之相適應(yīng)的配電線路也增多，其線損相對35 kV也增加了很多；0.4 kV電壓等級下的線損是重災(zāi)區(qū)，占據(jù)了所有線損的一半以上，0.4 kV是用戶主要的配電電壓，城鄉(xiāng)居民的用電設(shè)備如冰箱、洗衣機、空調(diào)、電磁爐等均在該電壓等級下，再加上近些年人們的生活水平不斷提高，一些高用電設(shè)備相繼投入使用，大量配電線路重載運行，導(dǎo)致?lián)p耗很高。

3.5　線損分元件構(gòu)成情況

根據(jù)以上分析得出10 kV、0.4 kV電壓等級線損是該縣配電網(wǎng)的重災(zāi)區(qū)；為了更進(jìn)一步分析線損分布情況，對各電壓等級下主要設(shè)備線損占比情況進(jìn)行分析，對內(nèi)丘縣2014年35 kV、10 kV、0.4 kV下的變壓器、線路以及其它設(shè)備(含電容器、電抗器、調(diào)相機以及站內(nèi)設(shè)備等)的損耗情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，具體分布如圖3所示。

圖3　線損分元件占比

由圖3可知，2014年內(nèi)丘縣某代表日的線損數(shù)據(jù)中，線路損耗占全網(wǎng)損耗的71.05%，變壓器損耗占全網(wǎng)損耗的28.32%，其它設(shè)備(含電容器、電抗器、調(diào)相機以及站內(nèi)損耗等)占全網(wǎng)損耗的0.63%；配電網(wǎng)損耗主要分布于線路與變壓器。

35 kV電壓等級下線損元件中線路、變壓器以及其它設(shè)備占比分別是58.56%、36.05%、5.39%；可以看出該電壓等級下線路與變壓器是損耗的重災(zāi)區(qū)。

10 kV電壓等級下線損元件中線路、變壓器以及其它設(shè)備占比分別是69.84%、30.16%、0；該電壓等級下線路與變壓器仍然是損耗的重災(zāi)區(qū)，但隨著電壓等級的降低配網(wǎng)線路逐漸增多，線損占比中線路因素有所提高。

0.4 kV電壓等級下線損元件中線路、變壓器以及其它設(shè)備占比分別是100%、0、0；0.4 kV是配電網(wǎng)中將電網(wǎng)電能傳輸給用戶的最后一個環(huán)節(jié)，該電壓等級下不含變壓器、電容器等補償設(shè)備，且該電壓等級下線路繁多、陳舊，是損耗的重災(zāi)區(qū)。

3.6　內(nèi)丘縣線損綜合分析

通過對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損率統(tǒng)計分析、線損率分電壓等級分析、線損率分元件分析，綜合可以得出以下結(jié)論。

a. 內(nèi)丘縣配電網(wǎng)總的線損率、各電壓等級下的線損率均處于較高水平。

b. 內(nèi)丘縣配電網(wǎng)35 kV、10 kV、0.4 kV電壓等級中：0.4 kV、10 kV電壓等級是線損的重災(zāi)區(qū)。

c. 內(nèi)丘縣配電網(wǎng)35 kV、10 kV、0.4 kV各個電壓等級下，線路與變壓器是線損的重災(zāi)區(qū)。

結(jié)合內(nèi)丘縣實際分析引起線損的原因，具體有以下幾個方面。

a. 35 kV、10 kV電壓等級下存在較多高損耗的老舊線路、變壓器，且對其維護(hù)較少。

b. 配電網(wǎng)中無功容量不足且分布不合理，存在遠(yuǎn)距離傳輸無功功率的問題，此外多處設(shè)備功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。

c. 35 kV、10 kV、0.4 kV部分供電線路規(guī)劃不合理、傳輸距離過長。

d. 10 kV、0.4 kV是內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損的重?fù)p層，主要是該電壓等級下用戶多、供電半徑大、線徑小且存在三相負(fù)荷不平衡、計量裝置陳舊的問題。

內(nèi)丘縣損耗電量嚴(yán)重，一方面給當(dāng)?shù)卦斐奢^大經(jīng)濟損失，另一方面不符合當(dāng)前節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式。在明確內(nèi)丘縣配電網(wǎng)當(dāng)前存在的問題與引起線損的原因后，本文提出適用于內(nèi)丘縣配電網(wǎng)的節(jié)能降損措施。

4　內(nèi)丘縣配電網(wǎng)節(jié)能降損研究

4.1　內(nèi)丘縣配電網(wǎng)節(jié)能降損措施

內(nèi)丘縣是河北省售電量較大的縣之一，通過對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損率概況、線損率分電壓等級占比情況、線損率分元件占比情況三方面的分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)丘縣電量損耗嚴(yán)重，不但給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的經(jīng)濟損失，而且不符合當(dāng)前節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式。因此，有必要研究配電網(wǎng)綜合節(jié)能降損措施，對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)進(jìn)行改造。

針對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)損耗過高的問題，基于本文對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)實際情況的研究成果，要開展以下節(jié)能降損措施的研究。

a. 針對部分變壓器陳舊、損耗嚴(yán)重的問題，將高損耗、重載配變更換為非晶合金變壓器以減少損耗。配電網(wǎng)現(xiàn)存的S7系列變壓器相對于S13系列以及非晶合金變壓器來說自身運行損耗較高，國網(wǎng)公司早已提倡使用低耗能變壓器取代S7系列變壓器，通過變壓器的升級換代，能有效降低配電網(wǎng)損耗。

b. 針對配電網(wǎng)中無功容量不足且分布不合理，多處設(shè)備功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的問題，安裝并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備，可提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，降低線路和變壓器因輸送無功功率而造成的電能損耗，提高功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降損的目的。

c. 針對部分配電線路規(guī)劃不合理、傳輸距離過長的問題，根據(jù)用戶的用電需求，在保障供電可靠性的基礎(chǔ)上,按照就近的原則重新規(guī)劃配電線路，縮短供電距離達(dá)到節(jié)能降損的目的。

d. 針對線路老化、過載嚴(yán)重的問題，通過更換合適線徑、線型的導(dǎo)線，降低線路電阻進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降損的目的。

4.2　綜合降損結(jié)果分析

更換高效變壓器、合理安排無功補償以及線路改造產(chǎn)生的節(jié)電量，如表2所示。

表2　節(jié)電量統(tǒng)計匯總

根據(jù)表2可知，更換高效變壓器、合理安排無功補償以及線路改造可以有效降低內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損。各降損措施下的節(jié)電量占總節(jié)電量百分比的餅形如圖4所示。

圖4　電量節(jié)約占比餅形圖

a. 更換變壓器、臺區(qū)無功補償裝置、線路無功補償、線路改造節(jié)電量占總節(jié)電量的百分比分別是3.14%、55.02%、6.27%、35.57%；若將臺區(qū)無功補償裝置、線路無功補償合并為配網(wǎng)無功補償項，則更換變壓器、配網(wǎng)無功補償、線路改造節(jié)電量占總節(jié)電量的百分比分別是3.14%、61.29%、35.57%。

b. 配網(wǎng)無功補償后的電量節(jié)約百分比占總節(jié)電量的61.29%，該措施有效降低了內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損；同時，該結(jié)果表明原內(nèi)丘縣配電網(wǎng)無功分布不合理，存在較大的無功缺額。

c. 線路改造后的電量節(jié)約百分比占總節(jié)電的35.57%，該措施在一定程度上降低了內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損；同時，該結(jié)果表明原內(nèi)丘縣部分配電線路線徑、線型等已無法滿足當(dāng)前配電網(wǎng)發(fā)展需求。

d. 更換變壓器后的電量節(jié)約百分比占總節(jié)電量的3.14%，該措施在一定程度上降低了內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損，但效果不是很明顯，主要是由于配電網(wǎng)中相對無功補償、線路分支，配電變壓器的數(shù)量較少。

所以，更換高效變壓器、合理安排無功補償以及線路改造能夠降低內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損；其中，合理安排無功補償是降損措施中效果最顯著的一項，因而在規(guī)劃和建設(shè)配電網(wǎng)時，無功功率應(yīng)當(dāng)給與足夠的重視；其次，選用合理線徑、線型的導(dǎo)線也能夠在很大程度上降低線損；最后，新型、低能耗的變壓器也是節(jié)能降損的一個重要部分。

5　結(jié)束語

本文通過對內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損率概況、線損率

分電壓等級占比情況、線損率分元件占比情況三方面的分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)丘縣電量損耗嚴(yán)重，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，不符合當(dāng)前節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式，分析內(nèi)丘縣配電網(wǎng)線損分布情況并提出節(jié)能降損方案，對指導(dǎo)內(nèi)丘縣配電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。