基于PI實時數據庫的低壓配電網降損輔助決策方法

羅世剛, 梁琛, 李亞昕, 張振, 徐瑞

(1.國網甘肅省電力公司, 蘭州 730000; 2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院, 蘭州 730000; 3.國網平涼供電公司, 平涼 744000)

為了降低生態環境污染、提高能源利用率,中國正努力建設以低碳高效為主的智能電網,這已經成為當前電網發展的主要目標和方向[1]。電力運行所消耗的能量占據了中國能源消耗總量的一大部分,同時,電能傳輸也造成了大量的能源浪費,致使中國低碳高效的智能電網發展任務變得艱巨[2-3]。目前,中國配電網存在老化嚴重、整體架構薄弱等問題,這也在無形之中增加了電網損耗。發電、輸電過程損耗與配電過程損耗之比為1.5∶3.5,其中,低壓配電網損耗占了總損耗的絕大部分。因此,針對低壓配電網進行損耗計算與降損具有重要的意義。

學者們對此也提出了多種降損方案。黃明欣等[4]提出考慮平衡三相負荷的低壓配電網降損方案,主要闡述了目前三相負荷技術的基本理論,并從多角度比較了各種對比技術的利弊;然后利用 MATLAB軟件進行了試驗驗證,并進行了模擬計算,對三相負荷均衡下配電系統的功率損失的作用進行了研究,并針對廣東某地區三相不均衡情況,提出了一種新的變流器切換技術。通過對典型的配電網臺區進行改造,三相不平衡率從40%降低到15%。黃煒等[5]提出中低壓配電網差異化節能降損對策研究,利用 Matpower軟件建立了配網的潮流計算模型,并將其綜合運用于調節母線電壓、中低壓無功補償、改變導線型號/線徑、更換高能耗配電變壓器等方面的技術中,同時進行優化以及經濟評價。實驗驗證了該方法的節能效果,可以減少輸電系統的技術線損,具有較好的經濟性。陳伯建等[6]提出了基于高斯混合模型的配電網損耗計算方法,采用期望最大化算法,進行損耗數據正常日和異常日的高斯混合模型參數的計算,并利用損耗數據的分布極值,簡化迭代算法的計算過程,從而提高算法精度。

雖然上述方法對于配電網降損都有一定的幫助作用,但對于在低壓配電網降損過程中,改善配電線路負荷不平衡的情況并不理想。為此,提出一種基于工廠信息(plant information,PI)實時數據庫的低壓配電網降損輔助決策方法。該方法借助PI實時數據庫超強的數據整合能力,將電網中復雜的數據優化后整合在一起,避免出現信息孤島的現象。對于為決策者提供更加全面的決策,提高降損效果具有重要的意義。

1 基于PI實時數據庫的低壓配電網損耗計算

PI實時數據庫是整合實時數據,并進行集中化管理的平臺[6]。相較于普通數據庫來說,PI實時數據庫因其存儲效率高、數據壓縮比率大等優點,對于時序數據管理具有非常明顯的優勢。

PI實時數據庫在電網企業中,可以保證數據具有唯一性,以便于在不同的系統中應用。PI實時數據庫具有超強的數據存儲功能,數據時效最長可達數十年,這是其他類型數據庫所不具備的功能。因此,將PI實時數據庫應用到電網企業中,可實現對各類信息數據的集成和處理,在上層管理信息系統和生產控制信息系統之間建立了連接的橋梁,發揮了不可替代的作用。

1.1 變電站內外模型構建

低壓配電網損耗主要受導線電阻和溫度的影響較大,其中,溫度是最大的影響因素。導線材料的不同,使得處于固定溫度環境下的單位長度電阻也有所不同,因此,需結合實際情況對溫度變化與導線電阻之間的關系進行分析。導線單位長度電阻β的計算公式為

(1)

式(1)中:S為低壓配電網導線的額定橫截面積;L為導線長度;r1為在20 ℃的環境下,導線固定電阻率指標, Ω/km。

導線材料的不同會使固定電阻率指標也有所不同[7]。r1的計算公式為

r1=r20[1+α(f-20)]

(2)

式(2)中:r20為在20 ℃的環境下,導線電阻數據指標;f為低壓配電網實際環境溫度;α為導線電阻溫度系數。

1.2 低壓配電網損耗計算模型

1.2.1 相線線損計算

通過PI實時數據庫了解某一單電源樹干式低壓配電網中共有n名用戶,m段線路,所有用戶之間的日負荷曲線相似度較高。在環網供電和雙電源供電中,節點電壓對潮流分布產生較大的影響,不能僅通過分析電量確定電流分布情況,還需要考慮相線線損。

首先,對PI實時數據庫中所有用戶在計算期內的各相有功、無功電量進行信息采集;其次,在計算期內選定一個代表日,并采集當天臺變出口整點各相電流和功率因數;然后,采集m段線路各相和中性線基頻電阻值。完成上述操作后,可得如下內容。

(1)對用戶相線有功、無功電量的電流分布系數進行計算,計算公式為

(3)

式(3)中:Hka為對用戶相線有功、無功電量的電流分布系數;Aap為a相有功電量總和;Aaq為a相無功電量總和;Akap為在第k段線路中流經a相的有功電量總和;Akaq為在第k段線路中流經a相的無功電量總和。

關于b相、c相的有功和無功電量和計算公式與式(3)相同,只需將下標a換成b或c。

(2)對用戶相線線損進行計算,計算公式為

(4)

式(4)中:ΔAka為用戶相線線損;Ita為日當天的a相整點電流值;Rka為第k段線路的a相電阻值;T為計算期內的總天數。

在式(4)基礎上可得到a相的總線損,其表達式為

(5)

式(5)中:ΔAa為a相的總線損。

關于b相、c相的總線損計算公式與式(4)、式(5)相同,只需將下標a換成b或c。

1.2.2 中性線負荷不平衡線損計算

中性線有功電量和無功電量的不平衡電流分布情況如圖1所示。可以看出,各相電壓的相角大多為對稱分布,為此可認為各相電流的有功、無功分量相角也呈對稱分布。中性線有功電量和無功電量的不平衡電流分布系數的計算公式為

Ua為a相電壓;Ub為b相電壓;Uc為c相電壓;Iap為a相有功電流;Ibp為b相有功電流;Icp為c相有功電流;Iaq為a相無功電流;Ibq為b相無功電流;Icq為c相無功電流圖1 中性線有功、無功電量不平衡電流分量Fig.1 Unbalanced current component of active and reactive power in neutral line

(6)

式(6)中:AΔkp、AΔkq分別為在第k段線路有功和無功電量總和;Ap、Aq分別為有功和無功電量總和。

(7)

AkcpAkbp-AkapAkcp)1/2

(8)

式中:Abp表示b相有功電量總和;Acp表示c相有功電量總和;Akbp表示在第k段線路中流經b相的有功電量總和;Akcp表示在第k段線路中流經c相的有功電量總和。

將式(5)和式(6)中的下標p換成q,即可得到Aq和AΔkq的值。

中性線線損的計算公式為

(9)

推理得到中性線總的線損ΔAn計算公式為

(10)

低壓配電網總線損可表示為

ΔA=ΔAa+ΔAb+ΔAc+ΔAn

(11)

式(11)中:ΔAb、ΔAc分別為b相、c相的總線損。

經過上述計算,對低壓配電網降損進行模糊調制,得到低壓配電網損耗計算輸出結果,構建PI實時數據庫下低壓配電網損耗計算模型。

2 低壓配電網降損輔助決策方法

基于對低壓配電網損耗影響因素和低壓配電網損耗計算模型的分析,提出以下3種用于降損的輔助決策方法,用于全方位實現降低電網損耗的目的。

2.1 增加低耗能變壓器占比

在低壓配電網運行過程中,應當考慮整體能源的消耗情況,結合低壓配電網損耗計算模型,再根據實際需要適當調整變壓器數量和狀態,增加低耗能變壓器在配電網中的占比,達到降低電能損耗的目的[8]。變壓器在運行過程中產生的損耗值為

(12)

式(12)中:L0為變壓器為空載狀態時產生的損耗;DN為變壓器的額定容量;λ為變壓器功率因數;Lk為變壓器發生短路故障時產生的損耗;L為載荷。

結合低壓配電網損耗計算模型,將低壓配電網中的變壓器全部更換為低耗能變壓器后,降低的損耗值ΔZ1可表示為

(13)

式(13)中:L01、L02分別為更換低耗能變壓器前、后變壓器為空載狀態時產生的損耗值;Lk1、Lk2分別為更換低耗能變壓器前、后變壓器發生短路故障時產生的損耗值;j為變壓器損耗系數。

在實際計算過程中,應考慮變壓器的基本使用情況,再結合公式進行損耗值的計算,導線材料的不同也會導致損耗值結果的不同。因此,在低壓配電網損耗計算模型內,應根據導線材料進行有針對性的計算,精準的計算結果有利于降損輔助決策方法的實施。

隨著低耗能變壓器占比的不斷提高,配電網整體能耗量減少,以此達到節能降損的目的。同時,配電網工作人員應結合低耗能變壓器的型號、參數指標和成本進行綜合性分析[9],在提高變壓器使用效率的同時提高使用壽命,避免因變壓器硬件設備問題而出現線路短路、異常的情況,影響最終的降損效果。

2.2 增加導線截面積

如果低壓配電網負載率依舊處于居高不下的狀態,這時需要對配電線路運行參數展開相應的分析,得到線路長度、材質以及線路分布情況和區域環境等信息。

在實際計算過程中,應通過線損理論計算控制數據指標精準度,再結合環境、成本等影響因素,精準判斷配電線路導線材質、型號,對導線進行更換,增加導線的截面積,以此達到降低損耗的目的[10]。

增加配電線路導線截面積,降低的損耗值ΔZ2計算公式為

ΔZ2=3I2(L1-L2)j

(14)

式(14)中:L1、L2分別為增加配線線路導線截面積前、后的電阻值;I為增加配線線路導線電流。

在增加導線截面積時,應將配電網負荷變化情況、經濟成本支出狀態、負荷需求增加狀態等因素綜合考慮在內[11]。隨著低壓配電網降損措施的實施,對配電線路絕緣率提出了更高的要求,但由于部分線路運行年限較長,絕緣率無法達到理想狀態[12]。因此,還需制定合理的改造計劃,使應用降損措施之后的效果更接近于預期效果。

2.3 優化配電網運行方式

優化配電網的運行方式,在考慮區域電網運行狀態和電力資源的分配情況后,制定一份合理的優化方案,選擇合適的運行方式。總的來說,優化配電網運行方式主要從以下兩方面展開。

(1)將低壓配電網中現有的變壓器運行方式更改為雙電源配電變壓器,以此達到優化整體運行效果的目的。這是由于更改雙電源配電變壓器后,可以更好地滿足配電網運行需求,在提高配電網整體運行效率的同時擴大配電系統的供電容量[13]。

(2)對現有低壓配電網中的線路進行調整,使其可以滿足更高的用電負荷。調整配電網線路負荷,需要在合理分配用電負荷的基礎上實施。在調整線路負荷時,應確定線路T接位置是否存在被占用的情況[14],如果沒有則根據線路的開放容量進行合理分配[15]。通過對線路負荷、用電負荷分配以及電網運行壓力水平的合理分配和調節后,達到降低電網能耗的目的。當低壓配電網線路負荷出現過高或過低的情況時,首先需要計算線損數據,然后更改電源線路方式,適當地分散或增加電路負荷,達到降損的目的。

3 試驗測試

為了驗證本文方法在實際應用中是否同樣合理有效,對其展開試驗測試。試驗是在某市樹干式低壓配電網中進行,各線路參數如圖2所示。

BVL-2*25表示2根鋁截面為25 mm2的聚氯乙烯單芯鋁線;JKLY-4*50表示4根截面為50 mm2的聚乙烯絕緣架空電纜;Zi(i=1,2,…,10)表示對應的10名用戶圖2 某市樹干式低壓配電網線路參數圖Fig.2 Line parameter diagram of trunk low-voltage distribution network in a city

JKLY-50型配電線路的電阻率為0.661 Ω/km,BVL-25型配電線路的電阻率為1.2 Ω/km。由圖2可知,該市低壓配電網中共有10名用戶、16段配電線路。已知三相用戶Z10在計算期內代表的a、b、c相不平衡電流分別為7、6、7 A,功率因數均為0.94。低壓配電網中所有用戶負荷數據如表1所示。

表1 低壓配電網中用戶負荷數據Table 1 User load data in low voltage distribution network

將本文方法應用到該市樹干式低壓配電網中,對比降損前后a、b、c三相相線電流分布系數以及中性線電流不平衡分布系數的變化情況,結果分別如圖3和圖4所示。

Ha0、Hb0、Hc0分別為應用本文方法前低壓配電網各段線路中a、b、c三相電流分布系數;Ha、Hb、Hc分別為應用本文方法后低壓配電網各段線路中a、b、c三相電流分布系數圖3 a、b、c三相電流分布系數變化情況Fig.3 Changes of current distribution coefficient of three phases a, b and c

Hn0、Hn分別表示應用本文方法前、后低壓配電網的中性線電流不平衡系數圖4 中性線不平衡電流分布系數變化情況Fig.4 Changes of unbalanced current distribution coefficient of neutral line

從圖3中可以看出,應用本文方法進行降損后,各相電流在某些線路段發生了明顯改變,電流分布更為合理。從圖4中可以看出,在4段配電網線路的中性線不平衡電流減少幅度較大,第11段和第14段的配電網中性線不平衡電流減少幅度較小,整體沒有出現配電網中性線不平衡電流增加的現象。由此可以得出結論,利用本文方法對低壓配電網進行降損后,可以有效改善配電網線路負荷不平衡的情況,從而減少中心線線損。

接下來對應用本文方法前后,該市低壓配電網三相各路線損以及中性線線損進行對比,具體結果如圖5所示。

圖5 降損前后低壓配電網線損情況Fig.5 Line loss of low-voltage distribution network before and after loss reduction

通過觀察圖5可以很明顯地看出,利用本文方法進行降損后,三相相線和中性線線損均出現了下降趨勢,從而驗證本文輔助決策方法是合理且有效的。

結合降損前后低壓配電網線損情況的變化,計算低壓配電網總線損率為

(15)

式(15)中:r為預估差值;β1為預設電壓;β2為實測電壓;ΔA為低壓配電網總線損。

通過上述計算,可以得出實際最終的低壓配電網總線損率,將其設定在低壓配電網損耗計算模型中,營造穩定的測試環境。為進一步驗證本文方法的有效性,采用文獻[4]中的基于MATLAB軟件構建降損模型方法和文獻[5]中基于Matpower軟件構建降損模型方法,與本文方法進行總線損率對比分析,測試結果如表2所示。

表2 不同方法總線損率測試結果對比Table 2 Comparison of bus loss rate test results of different methods

由表2測試結果可知,本文方法的總線損率相對于文獻[4]方法和文獻[5]方法更低,各相的線損均在2%以內,表明在實際應用過程中,本文方法對于低壓配電網的降損效果顯著,利于低壓配電網的降損輔助決策。

4 結論

隨著低碳環保、節能降損等相關政策的提出,減損、降損已經成為當前電網系統工作的重中之重。在PI實時數據庫的基礎上,針對低壓配電網提出了降損輔助決策方法,并將其應用在某市樹干式低壓配電網中進行試驗驗證,可知本文方法有效改善配電線路負荷不平衡的情況,并且降低了三相相線和中性線線損,而且本文方法的總線損率相對較低,各相線損均控制在2%以內,對低壓配電網降損輔助決策效果較好。但由于本文提出的降損方法未考慮在各種極端天氣環境下的降損情況,在接下來的研究工作中將繼續以此為重點,進行更深入的探究。