地区主网节能潜力评估方法及其应用*

蒋金良 刘瀚林 张勇军

(华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640)

我国“十一五”规划明确提出了节能减排的任务和目标［1-2］．目前，节能降耗已作为一项系统工程在各电网公司全面启动，大力推进该项工程、建设节能型电网已成为各电网公司的重要任务，同时更是深入贯彻落实科学发展观，保证经济社会可持续发展、建设绿色和谐电网的重要组成部分．制定“十二五”节能规划是近年各供电企业的一项重要工作，而这项工作的依据在于对电网运行现状的节能潜力进行科学、定量的评估．

对于一地区电网，其主网(220 kV和110 kV电网)部分损耗通常占到总损耗的1/4以上．因此，十分有必要对地区主网损耗产生的原因和特点进行分析，并深化其节能降耗的潜力评估，进而通过各种技术措施［3-10］有效降低主网损耗．

文中总结了地区主网节能降耗的具体手段，并提出节能潜力评估方法，进而进行了相应的主网节能规划制订，以期为其它地区的主网节能研究和工程应用提供参考．

1 提高地区主网节能性的可行手段

地区主网的有功损耗是多种因素综合作用的结果，而其产生的根源主要在于电流流经输电线路、主变压器与并联电容器所产生的功率损耗之和ΔP，提高地区主网节能性的数学描述为

式中:ILi、RLi分别为第i条输电线路的电流与电阻;Pj、Ptj分别为第j台主变的空载损耗和各侧负载损耗;βtj为第 j台主变压器各侧的负载系数;QCk、tanαk分别为第k台并联电容器的额定容量和介质损耗角;n、m、g分别为网络中输电线路、主变压器和并联电容器的状态向量集，n=(1，2，…，n)T，m=(1，2，…，m)T，g=(1，2，…，g)T;T 为变压器类型变量，当为双绕组变压器时T=1，三绕组变压器时T=3．

式(1)的约束为潮流约束和限值约束，即

式中，Pi、Qi分别为节点i的注入有功和无功功率，Vi、Vj分别为节点 i、j的电压，Gij、Bij、θij分别为节点i、j之间的电导、电纳、相角差，Pi，min、Pi，max、Qi，min、Qi，max、Vi，min、Vi，max分别为节点有功功率、无功功率、电压的上下限．

由式(1)可知，可通过重载线路导线优化更换来降低线路电阻，通过负荷分布优化、电厂优化调度和无功优化配置来调控线路电流以达到最节能状态，通过主变压器经济运行来有效降低变压器上的损耗．将这些措施进行优化组合，从而全面降低地区主网的有功损耗．

1．1 重载线路导线优化更换

输电线路的电能损耗与线路电阻成正比．增大导线截面积和缩短线路长度可减少线路电阻．在电网规划、设计和改造中，合理选择输电线路的导线截面和路径，使变电站位置尽量位于负荷中心以缩短供电半径，选用低电阻率材料的导线等都有利于线路损耗的降低［3-4］．由于珠三角地区负荷持续高速增长，部分线路负荷较重，不利于电网的节能和安全运行．为此，结合重载线路替换成大导线前后的潮流对比，考虑以重载线路更换后的降损效益与更换投资的比为目标，优化选择线路进行节能改造，指导节能规划的制订，其数学模型为在式(1)－(6)的基础上补充约束条件:

式中:DT为更换输电线路的价格矩阵;λi为进行节能更换的输电线路;n'为进行节能更换后的输电线路状态向量集;为最大负荷损耗小时数;ρ为销售电价;δ为节能更换的线路选择标准系数．

1．2 主变压器经济运行

选择空载损耗较低的节能型变压器和合理调整变压器的负载率，可降低变压器损耗;当变压器空载损耗和负载损耗相等时变压器最为节能．因此，可结合主变压器的负载率水平来指导多台主变压器的经济运行、变压器的更新和变电站的扩容，以降低电网损耗［3，5］．

文中通过潮流计算和主变负载率分析得出:

(1)对于负载率轻的多台主变，侧重于评估减少运行主变台数带来的降损空间;

(2)对于负载率高的变电站则评估其增加一台主变带来的降损空间;

(3)对于运行年限在15年以上的主变，则评估其更换为节能型主变带来的降损空间．

然后进行改造经济效益的评估，以确定将节能性、经济性最佳的方案列入节能规划．

1．3 负荷分布优化

负荷在空间上的分布如果跟各支路的输电能力相匹配时，全网的有功损耗就会处在一个较为理想的水平，即通过负荷分布优化来合理调整公式(1)中ILi(i∈n)的大小及分布，使得全网的损耗最低．文中针对有多回路供电的110kV变电站，通过灵活选择供电回路和多台主变压器间的联络方式，来调整与之连接的220kV变电站的负荷，以达到优化负荷分布、降低损耗的目的．

例如，对于双回路供电(回路A、回路B)、两台主变压器并列运行的110 kV变电站，负荷通常有3种分布形式:

1)110kV双母线分列运行，两供电回路分别供一台主变的负荷;

2)110kV双母线并列运行，供电回路A带所有负荷，回路B热备用(带备自投);

3)110kV双母线并列运行，供电回路B带所有负荷，回路A热备用(带备自投)．

假设主网中有h个双回路供电的110 kV变电站，则对应有3h个总体负荷分布状态r，组成负荷分布状态集R．从而负荷分布优化的数学模型为在式(1)－(6)的基础上补充这一约束条件，即

通过对实际电网负荷分布优化数学模型的求解，便可得出电网在各种典型方式下变电站最优的负荷分配方式和最佳运行方式，与原定运行方式比较即可评估改善负荷空间分布的降损潜力．

1．4 地区电厂的优化调度

由式(1)可知，进行电厂优化调度可使ILi(i∈n)达到更节能的分布状态．根据电厂机组容量和该电厂接入供电区域的负荷大小综合确定新建电厂上网电压等级、合理安排上网电厂的功率出力、做好分区功率平衡等，都可以降低地区主网的功率损耗［6-7］．文中重点进行了电厂出力与网损量的变化关系分析和电厂上网电压等级与网损量的变化关系分析．

电厂出力与网损量的变化关系分析，主要指在其它参数不变的情况下，各电厂出力对主网网损量影响大小的数值分析，旨在计算地区发电厂功率调度的节能潜力．此时，线路电流ILi(i∈n)为电厂出力在对应法则f下的一个映射，从而电厂优化调度的目标为在式(2)－(6)的约束下实现:

式中，PP为可调配电厂的集合，PGh、QGh为各可调配电厂的有功、无功出力．

电厂上网电压等级与网损量的变化关系分析，主要指在其它参数不变的情况下，改变电厂的上网电压等级(110 kV上网、220 kV上网或500 kV上网)，通过上述3种方式下的潮流计算，判断最节能上网电压等级，以指导未来地区电厂的上网电压等级决策．

1．5 无功优化配置

充分和合理的无功电源配置是实现电力系统无功潮流合理分布的前提条件［8-9］．通过电力系统无功优化规划来确定系统的最佳补偿地点及相应容量，避免无功电源建设的盲目性，是保证电网安全性、经济性和供电质量的一项十分重要的基础工作．近年来由于电压无功补偿工作到位，电网的功率因数明显提高，再按典型设计来规划变电站无功补偿往往造成很大的浪费．

文中采用了面向电网实际负荷需求的无功优化规划模型与灾变遗传算法来进行无功优化配置计算［10］，进而通过优化前后的网损分析来评估无功优化配置的节能潜力，以及与典型设计下无功配置的节约量进行对比，使得无功规划服务于节能规划．

1．6 其它方面

提高地区主网节能性的其它手段主要涉及到变电站选址优化、完善管理模式等方面，因受客观因素限制太多，文中弱化了这些方面的节能潜力评估．

2 地区主网节能潜力评估与节能规划制订

2．1 节能潜力评估

式中:ΔP(n'，m'，g')为实施节能手段后的主网有功损耗．根据前面分析，重点从以下几个方面来全面评估主网的节能降耗潜力:

(1)重载线路导线优化更换的节能潜力;

(2)主变压器经济运行的节能潜力;

(3)负荷分布优化节能潜力;

(4)电厂优化调度的节能潜力;

(5)主网无功补偿优化配置的节能潜力．

以地区主网的最新网架结构和运行数据为依据，采用笔者所在课题组开发的潮流计算与无功优

文中将地区主网的节能潜力定义为化计算软件RPOS来进行以上各个方面的节能潜力计算与评估．RPOS可对电网各个组成部分建模，进行主网的潮流计算，并采用灾变遗传算法来实现无功优化配置与规划，以及无功优化调度［11-13］，其操作界面如图1所示．

图1 RPOS操作主界面Fig．1 Main calculation interface of RPOS

2．2 节能规划制订

文中立足地区主网现状，以节能潜力评估和经济合理性评估为依据，根据“十二五”电网规划中典型水平年的负荷分布和网架结构，进行潮流计算、网损分析和优化计算，针对节能评估的薄弱环节，制定节能降损的规划方案．具体来说，在满足供电可靠性的前提下，协调主网的运行经济性，通过网架结构调整、导线截面优化选型、无功补偿优化配置和运行方式优化等，以期达到降低地区主网“十二五”期间的损耗水平的目标．

3 应用示例

以某市主网作为算例来进行节能潜力的评估和节能规划的制订．该市2008年底220 kV及以上电网示意图如图2所示，采用该年的典型运行方式数据进行计算．

图2 主网架示意图Fig．2 Schematic diagram of main networks

3．1 典型重载线路的节能潜力

输电线路上的损耗是该市主网损耗的主要部分，占60%左右．对因重载造成线路损耗较大的线路进行节能改造，导线更换的降损效果比较显著，同时可降低总发电有功和无功，增大了系统的备用容量，有利于电网更加安全稳定运行．另外，无功损耗的减少意味着容性无功补偿设备的节约，这也是非常积极的贡献．

3．2 主变经济运行的节能潜力

根据潮流计算结果，该市主网的多个220 kV变电站主变负载率都较低，且各个变电站都为双主变并列运行，这造成了变电站资源利用的不合理，同时也增加了变压器损耗．因此，对于此类变电站，可采用单主变运行、另一主变备用的运行方式．

3．3 负荷分布优化的节能潜力

该市各110kV变电站实行分片区运行，其中有19个110kV变电站为由不同220 kV变电站实行双回路供电(或单回路供电，另一回路备用)的运行方式．

无需增加设备投资，通过对变电站接线方式调整前后的潮流计算，可得到其最优运行方式．

3．4 地区电厂优化调度的节能潜力

通过对该市各220 kV和110 kV电厂的出力与网损量变化关系的计算结果可知，在负荷高峰期间，增大该市各电厂的有功和无功出力，会明显降低该市主网有功损耗和无功损耗．因而，在系统稳定运行的基础上，可增大各电厂的功率出力，以降低主网的功率损耗．

3．5 无功优化配置的节能潜力

利用RPOS对典型运行方式下的无功补偿装置的配置进行优化计算，无功优化配置后，可显著提高系统的运行电压水平和质量．

3．6 主网节能措施的效益和评价

上述节能措施实施前后的指标对比见表1．

表1 各种节能措施实施前后指标对比Table 1 Indices comparison due to energy saving measure

各种针对主网的节能措施的投资和效果不同，综合评价节能措施及其节能效果，并以效益/成本比进行降序排列，结果见表2．表中的*号代表评价等级，从＊＊＊＊＊到*指的是从“非常好”向“非常差”逐级递减．

表2 各种节能措施的效果和评价Table 2 Benefit evaluation of energy-saving measure

主网的节能改造是一项多阶段的长期工程，因此经济性是在规划过程中必须重点考虑的问题，特别是在资金不足的情况下，建议优先采用节能潜力评估中效益/成本比高的改造项目，即按表2的顺序依次实施节能改造．

3．7 主网节能规划制订

根据文中的节能评估潜力及其成本效益分析，结合地区电网“十二五”电网规划的基本方案、负荷增长及分布情况，可以制订地区主网节能规划，作为电网规划的补充和完善组成部分．节能规划主要内容包括:

(1)规划目标和思路

通过节能潜力评估提出地区主网节能规划的指导思想，制订规划原则，确定节能规划的总体目标和基本思路．

(2)电源节能规划

从电源退役计划、新增电源、与区外送受电、电源优化调度和分布式发电规划等5个方面，制订具体的节能规划方案．

(3)电网节能规划

对网架结构现状及“十二五”电网规划情况进行总结，重点在220kV及以上电网最优网架、110kV电网导线和主变压器优化更换、运行方式优化及规划、无功补偿优化配置与规划等4个方面，给出详细的逐年节能改造规划方案和运行方式．

(4)总体效果评估

通过电网节能规划的实施，定量评估节能规划的总体效果．

4 结语

为提高地区主网的节能性，提出了一系列降低主网损耗的有效手段，通过系统化、定量化的主网节能潜力评估方法，在规划、运行和改造等多个层次深入挖掘地区主网的节能潜力，并制订相应的节能规划来指导电网的运行和规划，以提供更加科学的依据．通过对某市实际电网的详细计算，可知该市主网约有25%的降耗潜力．

另外，由于各种措施的节能效果存在相互促进或抵消效应，因此多种措施同时实施的效果并不一定等于各项单独效果之和．文中的节能潜力评估都是针对单项的计算结果，各种节能措施共同作用的叠加性将是今后的研究重点．

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