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配電網(wǎng)損耗機(jī)理及理論線損計算研究述評

所屬欄目:電力論文 發(fā)布日期:2010-11-09 17:22 熱度:

  摘要:分析了配電網(wǎng)損耗產(chǎn)生的物理機(jī)理,并綜述了當(dāng)前常用的配電網(wǎng)理論線損計算方法,評價了各自的優(yōu)缺點。首先將配網(wǎng)損耗分為設(shè)備損耗和運(yùn)行附加損耗兩類,給出各自的分析計算公式。而后分別介紹電網(wǎng)理論線損計算的傳統(tǒng)算法、潮流算法和智能算法及其特點,在此基礎(chǔ)上,指出電網(wǎng)理論線損預(yù)測算法的發(fā)展前景。
  關(guān)鍵詞:配電網(wǎng);損耗機(jī)理;線損計算;預(yù)測
  0引言
  近年來,我國堅持貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀,為應(yīng)對氣候變化,要求各行業(yè)大力開展節(jié)能減排工作。2008年,全國電網(wǎng)綜合線損率達(dá)到6.79%,比2007年下降了0.18個百分點;其中,南方電網(wǎng)綜合線損率已降至6.68%,比2002年下降了1.31個百分點,節(jié)約電量67億千瓦時,效果顯著[1-2]。然而,相比西方發(fā)達(dá)國家,我國電力行業(yè)能效水平依然很低,電力發(fā)、輸、配、用環(huán)節(jié)的損耗依然較高,這其中,配電部分尤為明顯。據(jù)統(tǒng)計,在整個電力系統(tǒng)中,我國配網(wǎng)側(cè)電能損耗占總損耗的15%以上。因此,我國電力行業(yè)要推動節(jié)能減排,首當(dāng)其沖的是全面提高配網(wǎng)側(cè)能效。
  電網(wǎng)損耗有其自身的規(guī)律和特點,只有從本質(zhì)上掌握目標(biāo)配網(wǎng)的損耗機(jī)理,才能提出有效的降損策略。與此同時,要實現(xiàn)對配網(wǎng)損耗的準(zhǔn)確描述和定量評估,必須掌握線損計算的工具。在此,本文對當(dāng)前在這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及成果進(jìn)行綜述,以作為進(jìn)一步研究的參考和依據(jù)。
  1配網(wǎng)損耗機(jī)理
  配網(wǎng)中的電能損耗主要分為設(shè)備損耗和運(yùn)行附加損耗,其中設(shè)備損耗主要是線路損耗和變壓器損耗。不合理的運(yùn)行方式,如三相不平衡、運(yùn)行電壓不合理、諧波等因素會在配網(wǎng)中產(chǎn)生一定量的附加損耗[3-5]。
  1.1設(shè)備損耗
  1.1.1線路有功損耗ΔPL
  線路有功損耗ΔPL計算式如下:
  (1)
  式中,RL為線路等值電阻;IL為線路輸送電流;P為線路輸送的有功功率;U為線路運(yùn)行電壓;cosφ為線路運(yùn)行功率因數(shù)。
  1.1.2變壓器有功損耗ΔPT
  變壓器有功損耗ΔPT計算式如下:
  (2)
  式中,ΔPCu、ΔPFe為變壓器負(fù)載有功損耗和空載有功損耗;S、SN為運(yùn)行視在功率和額定視在功率;U、UN為運(yùn)行電壓和額定電壓;ΔPk、ΔP0依次為短路損耗、空載損耗。
  1.1.3電容、電抗有功損耗ΔPC、ΔPE
  電容器在配電網(wǎng)中起到補(bǔ)償無功的作用,但電容器的投運(yùn)本身也會產(chǎn)生一定的有功損耗: ΔPC=QCtana(3)
  式中,ΔPC為電容器有功損耗,QC為電容器的額定容量,tana為電容器介質(zhì)損耗角。
  同樣的,串聯(lián)電抗器也會導(dǎo)致一部分有功損耗:
  (4)
  式中,ΔPE為電抗器有功損耗,ΔPK為電抗器的額定工況損耗,IN為電抗器額定電流。
  1.1.4設(shè)備老化損耗ΔPold
  變壓器、線路、開關(guān)、電容器等設(shè)備老化或接觸不良將導(dǎo)致電網(wǎng)的等值電阻Req增大,產(chǎn)生接觸電阻Rold,從而導(dǎo)致配網(wǎng)的有功損耗增大。不存在接觸電阻時有功損耗為I2Req;存在接觸電阻時,有功損耗為I2(Req+Rold),因此,這部分附加的損耗為:
  ΔPold=I2Rold(5)
  1.2運(yùn)行附加損耗
  1.2.1三相不平衡附加損耗ΔΔPub
  三相不平衡時三相配電線路和配變?nèi)嗬@組將產(chǎn)生附加損耗ΔΔPub,計算式如下:
  (6)
  式中,ΔPub、ΔPb分別為三相不平衡和平衡時的有功損耗;IA、IB、IC為三相電流,當(dāng)三相平衡時則各相電流IA=IB=IC=(IA+IB+IC)/3。
  1.2.2運(yùn)行電壓不合理附加損耗ΔΔPvr
  配電網(wǎng)的損耗實際上可分為可變損耗和固定損耗,前者包括線路損耗和配變銅損,和電壓平方成反比,后者主要是配變鐵損,與電壓平方成正比。具體如下公式:
  (7)
  式中,ΔP為配電網(wǎng)總有功損耗;Req配電線路等值電阻和配變負(fù)載等值電阻之和;ΔP0i為第i臺配變鐵損;U為配網(wǎng)運(yùn)行電壓。上式兩邊同時對U求導(dǎo)可得:
  (8)
  令上式等于0可得總有功損耗取得最小值ΔPmin時對應(yīng)的電壓值Umin。當(dāng)運(yùn)行電壓偏離Umin值時,無論是電壓升高或降低都將使配網(wǎng)將產(chǎn)生附加的運(yùn)行有功損耗,如下式所示:
  ΔΔPvr=ΔP-ΔPmin(9)
  1.2.3諧波附加損耗ΔΔPhw
  當(dāng)配電網(wǎng)中存在諧波電流時,非正弦周期電流的有效值IΣ等于其基波分量I1與各次諧波分量有效值Ih(h=2,3,4,……)的平方和的平方根值:
  (10)
  從而諧波存在時,IΣ流過電阻為R的線路所導(dǎo)致附加損耗ΔΔPhw為:
  ΔΔPhw=IΣ2R-I12R(11)
  2配網(wǎng)理論線損計算
  理論線損計算一直是電力系統(tǒng)研究的熱點技術(shù)之一。在近幾十年的發(fā)展中,理論線損計算方法已形成三個類別:傳統(tǒng)算法,潮流算法,智能算法。
  2.1傳統(tǒng)算法
  傳統(tǒng)算法以均方根電流法、平均電流法、最大電流法等為代表,常用的還有等值電阻法、分散系數(shù)法、回歸分析法等[6]。
  均方根電流法是通過對目標(biāo)電網(wǎng)或元件進(jìn)行代表日24小時負(fù)荷電流測量,得出實測負(fù)荷曲線,然后近似認(rèn)為每小時負(fù)荷不變,逐小時計算線損,從而累加得到代表日日線損的方法。均方根電流法原理簡單,易于掌握,對局部電網(wǎng)或單個元件損耗計算比較有效,是目前工程常用的計算方法。當(dāng)考慮到日負(fù)荷波動頻繁、代表日不可靠、計算精度要求高等因素時,均方根電流法顯示出局限性。
  等值電阻法是對電網(wǎng)或元件電阻進(jìn)行理論等值后,代入負(fù)荷電流進(jìn)行損耗計算的一類方法。在實際電網(wǎng)中,這類方法往往造成較大誤差,原因在于實際系統(tǒng)中存在大量的電容、電感設(shè)備,以及不可見的設(shè)備老化接觸電阻,嚴(yán)重影響計算精度。
  回歸分析法是通過建立回歸分析方程計算和校準(zhǔn)理論線損的方法。這類方法對規(guī)模配電網(wǎng)計算精度高,適用性好。其計算精度主要依賴于對全網(wǎng)數(shù)據(jù)的正確分類和準(zhǔn)確采樣,通常需要抽取大量的樣本進(jìn)行計算。
  2.2潮流算法
  潮流算法是對電網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)潮流計算的精確算法,主要包括前推回代法、動態(tài)潮流法、損耗功率累加法、損耗功率插值法、節(jié)點等效功率法等[7]。
  前推回代法主要用于6~10kV單輻射狀配網(wǎng)潮流計算,根據(jù)潮流計算定理先預(yù)設(shè)電壓參數(shù),計算潮流后,校正預(yù)設(shè)參數(shù)至滿足精度要求,在此基礎(chǔ)上直接計算配網(wǎng)各部分的功率損耗。
  動態(tài)潮流法是基于實際系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律,通過不同時刻采樣并采用插值求取動態(tài)有功、無功值,最終累加得到動態(tài)潮流及其損耗電量的方法,其精確度取決于采樣及差值計算的擬合準(zhǔn)確度。動態(tài)潮流法精度高、使用靈活,能適用于系統(tǒng)在線計算,在較大規(guī)模電網(wǎng)的實時計算中有明顯優(yōu)勢。
  節(jié)點等效功率法是把計算時段內(nèi)隨著時間變化的各個節(jié)點的注入功率處理為節(jié)點的等效功率,而后用潮流計算來確定系統(tǒng)各部分的損耗電量。算法通過將負(fù)荷曲線階梯化或者查負(fù)荷曲線形狀系數(shù)來獲取節(jié)點等效功率。在節(jié)點功率變化幅度不大的情況下,該算法可以取得較好效果。此外,該算法的另一個優(yōu)點是,計算所需原始資料的獲取十分簡便,且準(zhǔn)確可靠,主要來自電度表數(shù)據(jù)。
  文獻(xiàn)[8]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)最大流概念的配網(wǎng)理論線損計算方法。該算法將大大簡化了節(jié)點編號及原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作,只需指定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)點及收點,其余各點可任意標(biāo)號,有利于計算機(jī)處理,也為可視化配網(wǎng)線損計算軟件的開發(fā)提供了有利條件。缺陷在于,只能用于單電源配網(wǎng)的線損計算,而不能適應(yīng)多電源配網(wǎng)。
  文獻(xiàn)[9]提出一種合理地獲取負(fù)荷并基于該負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確潮流計算的線損計算方法。首先將配電網(wǎng)負(fù)荷和支路信息分類,通過支路信息將原網(wǎng)絡(luò)分解為若干個等效網(wǎng)絡(luò);其次為無自動化量測的負(fù)荷用戶設(shè)置的假設(shè)條件也最大限度地滿足工程需求,最后將所有獲取負(fù)荷的計算統(tǒng)一為期望負(fù)荷分配因子和期望負(fù)荷的計算。根據(jù)不同置信度的期望負(fù)荷為配電網(wǎng)匹配潮流提供負(fù)荷數(shù)據(jù)及其修正,得到理論線損的計算結(jié)果。該方法能有效提高計算精度,所能獲取的信息也更為全面。
  2.3智能算法
  智能算法是隨著近年來計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粒子群算法等模擬生物智能的技術(shù)成熟而得到廣泛應(yīng)用的新型算法。將智能算法應(yīng)用于線損理論計算時間不長,已有的算法主要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法來擬合和計算配網(wǎng)線損[10-12]。
  文獻(xiàn)[13]提出利用GA優(yōu)化的ANN模型,用于計算中壓配電線路的實時線損。該算法利用SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,能夠同時進(jìn)行在線、離線計算。利用GA優(yōu)化的ANN模型進(jìn)行線損計算,能夠考慮損耗的時域特性和各節(jié)點的負(fù)荷曲線形狀,且模型簡單,具有較好的魯棒性和適應(yīng)性,平均計算精度高達(dá)2.42%,適用于農(nóng)村配電線路線損的實時計算。
  文獻(xiàn)[14]提出一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法與GA算法結(jié)合,用于計算配電網(wǎng)線損的新型智能算法。對于有代表性的配電線路的線損與特征參數(shù)的樣本數(shù)據(jù),先作標(biāo)準(zhǔn)化處理,再進(jìn)行分群,最后用GA與BP結(jié)合的新算法映射線損與特征參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系。該算法收斂速度快,準(zhǔn)確度高,避免了常規(guī)BP算法容易陷入局部極小而基本遺傳算法過早收斂的缺點。
  文獻(xiàn)[15]針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度慢、容易陷入局部極小的缺點,提出了一種基于免疫遺傳算法(IGA)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算配電網(wǎng)的理論線損。該算法在遺傳算法的基礎(chǔ)上引入生物免疫系統(tǒng)中的多樣性保持機(jī)制和抗體濃度調(diào)節(jié)機(jī)制,克服了GA算法的搜索效率低、個體多樣性差及早熟現(xiàn)象,擴(kuò)大了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值搜索空間,提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效率和精度。
  文獻(xiàn)[16]首次提出,利用電網(wǎng)參數(shù)、負(fù)荷量的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論線損率的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測,開啟了利用線損影響因素預(yù)測理論線損率的新思路。該方案計及多種電網(wǎng)發(fā)展的相關(guān)因素,能較準(zhǔn)確的預(yù)測電網(wǎng)線損率,不足在于體系復(fù)雜,所需的參數(shù)眾多,且耗時長。
  根據(jù)當(dāng)前用戶對供電電壓質(zhì)量、可靠性的高要求,以及推進(jìn)節(jié)能減排的需要,系統(tǒng)在線監(jiān)測和控制技術(shù)正得到大力推廣。為實現(xiàn)線損管理的實時化、在線化,配網(wǎng)理論線損計算技術(shù)的精度和速度,以及對電網(wǎng)的適應(yīng)度等正面臨巨大挑戰(zhàn)。因此,智能算法正得到越來越多的關(guān)注。與此同時,線損預(yù)測技術(shù)也是一種極具潛力的發(fā)展方向,特別是在線預(yù)測技術(shù)。
  近些年,針對中、長期負(fù)荷預(yù)測的模型和算法已經(jīng)得到深度發(fā)展,各種模型在應(yīng)對電網(wǎng)發(fā)展及其規(guī)劃問題時已經(jīng)能夠基本解決負(fù)荷的高精度預(yù)測問題。然而,在線損預(yù)測方面,這類技術(shù)沒有得到重視。隨著電網(wǎng)節(jié)能政策的推進(jìn),電網(wǎng)節(jié)能改造、節(jié)能規(guī)劃已經(jīng)越來越多的進(jìn)入到電力工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。做好配網(wǎng)理論線損的預(yù)計算及預(yù)評估,能夠指導(dǎo)配網(wǎng)做出最高效、最節(jié)能的電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行方案。在對電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行比較、優(yōu)選時,對待選方案進(jìn)行線損預(yù)評估,也能為電網(wǎng)節(jié)能性指標(biāo)提供能為客觀、更為準(zhǔn)確的依據(jù)。
  3結(jié)語
  配網(wǎng)損耗機(jī)理及理論線損計算是研究配網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和運(yùn)行的重要組成部分,只有透徹分析配網(wǎng)損耗的組成及其損耗機(jī)理,并不斷深化損耗模型的仿真性和適應(yīng)性,才能引導(dǎo)我們正確認(rèn)識配網(wǎng)損耗的特點,從而提出合理的對策;只有掌握理論線損計算的有效工具,才能對配網(wǎng)運(yùn)行狀況及其技術(shù)改造成效構(gòu)成定量描述,才能適應(yīng)當(dāng)前電子化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動化、智能化的電網(wǎng)的運(yùn)行管理要求。
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