配电网节能技术研究

于光华，史立勤

（1.黑河学院 计算机与信息工程学院，黑龙江 黑河 164300；2.哈尔滨工业大学 机电学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引 言

伴随着科技水平的不断提高，各行各业逐步迈向工业自动化。电力部门在科技时代与时俱进，不断完善体系建设，引进先进设备调整和改造整个电网体系，已经在自动化进程上有了显著变化。虽然配电网自动化进程与国外相比还有一定差距，但是通过增加高压变电站、优化和改造薄弱电网结构、针对事故高发区域进行设备替换和新技术应用，大大促进和加速了全网提升的步伐。

配电网络损耗问题一直都是电力系统的硬伤和弊病。国内10 kV和10 kV以下的电网数量众多，且损耗率极高。根据权威统计，此类损耗预计占电力系统损耗的60%～70%。根据2009年国家电网统计，全国年度总发电量为3.5 367×1013k·Wh。不难看出，假若损耗下降1%，将节约电量3.50×1011k·Wh。可见，损耗无疑增加了成本加剧，造成了资源浪费。为了更好地促进和推动全面小康社会的发展，提出行之有效的方案，降低损耗，减少浪费，加速国民经济腾飞，是电力系统的当务之急。

针对以上问题，本文主要对配电网节能研究及实践现状进行了阐述。首先分析造成配电网能量损失的原因，通过定性和定量方法分析影响配电网能量损失的因素；其次，分析国内外在配电网节能方面采取的措施和实践情况，进而针对以上所述提出配电网节能的未来发展趋势。最后，对配电网节能工作进行总结。

1 配电网节能研究现状及实践情况

1.1 配电网损失产生的原因及影响因素

基础设备产生的功率损耗是电网传送耗能的第一环节。作为电网的终端体系，配电网具备线路复杂、分布广泛和设备众多等特点。根据基础物理学原理，能量损失首先会发生在使用的传输线路材质、转换开关质量以及基础变压器等设备中；其次，单位时间内通过做工形式的差异，产生二次能量损失；最后，电力系统固有阻抗引发电能输送过程中的功耗。能量损失的多少由线损率表示，即电力系统中损耗的电能与电力系统供应的电能百分比：

其中，AG为电力系统提供的电能，AS为电力系统中损耗的电能。

根据线损产生原因的不同性质，管理因素和技术因素成为造成整体配电传输网络损耗的主因。供电网络中，各类元器件、节点设备产生的损耗总量，称为理论线损量，又称为技术类线路损耗量。作为技术线损的电量损失，可以通过技术措施得以降低，且可以通过理论计算得出；管理因素则属于电力企业的规划设计、投放实施、安全策略以及部署问题导致的损耗。

1.1.1 线损产生技术的原因

根据线损产生的机理与位置，配电网线损产生的技术原因可概括如下[1]：

（1）缺乏合理性布局设计的配电站。第一，从分布结构合理性上分析，变电站与负荷中心距离跨度太大，超出理论供电距离，特别是110 kV/10 kV变电站的规划布局最明显。理论数据要求，如表1所示。第二，不符合实际需求的增建和扩容导致了能耗损失，如过小的用电需求配置了过大的变压器，或者冗余过大，或者线路布放缺乏合理性。

表1 理论数据要求

（2）传输导线选取缺乏合理性。根据基础物理学理论可知，线路耗能与线路阻值成正比时正向叠加，然而未经过合理计算而采用了不合规格导线线径，造成了线路阻值明显增大。

（3）供电/用电设备损耗过大。环保节能设备的普遍应用和更新换代逐渐解决了用电设备的耗能，然而整体用电设备耗能微不足道，占10%～20%；耗能大户的供电设备产生耗能的原因集中体现于供电企业的自动化水平、落后的变压设备等，此类耗能占70%～80%。

（4）供电电压不合理。当电流通过阻抗为R+jX的导体（如线路、变压器）时，产生的功率损耗值为：

式中，ΔP为变压器或线路的有功功率；ΔQ为变压器或线路的无功功率；R为变压器或线路的电阻；X为变压器或线路的电抗。

当网络确定后，R、X的数值保持不变。分析式（2）可得，当电网输送相同的P、Q时，功率损耗与运行电压的平方成反比。因而，对于输送同样功率的配电网，如果运行电压偏低，则电能损耗相应增大[2]。

（5）功率因数范围表明，当无用功功率产生于配电网系统传输中时，传输保持相对恒定做功；cosΦ趋于-∞时，功率的损耗同线路运载电压成反比关系。因此，我国通常采用高压传送，及避免运行电压过低而导致损耗电能增大[2]。

根据线损的表达式[3]：

可知，电网的电能损耗与功率因数的平方成反比，即功率因数越大，损耗越大。

（6）三相负荷不平衡。在线路三相参数对称的前提下，根据理论数据，正负阻抗相等，即：

公式表明，当且仅当R1、X1同为正序电阻和电抗的情况下，Z2=Z1；如果阻抗特例为0，则：

式中，Z0包括三倍的等效接地阻抗。如果电网为非接地系统，则Z0为无穷大；如果电网为直接接地系统，则Z0为零。这时，kR≥4，kX与kR相比较小，两者与输电线的物理结构有关。

如果电网三相电源为对称正弦，在完全平衡负荷下，则只有正序电流流过。此时，电网功率损失为：

故，有功功率损耗为：

以平衡时额定正序电流为基准，当负荷不平衡存在负序及零序电流时，其功率损失为：

式中，ε0、ε2为三相负载零序和负序不平衡系数。

可知，负荷不平衡时，输电线消耗的有功功率为：

可见，负荷不平衡时，输电线消耗的有功功率与电流平方、不平衡系数平方成正比。

（7）负荷曲线失衡。用电量恒定的条件下，负荷曲线呈折线上下波动，造成峰值和峰谷绝对值大幅变化，带来了大额损耗。然而，盲目的更换大功率、大容量的变压器，看似解决了问题，实则导致了更大的冗余损耗，直接造成设备投入成本加大等多种经济损失。

1.1.2 管理原因产生的线损

因管理问题导致产生的能源浪费、市场运营亏损以及发生安全生产事故，主要体现在以下几个方面。

（1）缺乏行之有效的质量管理体系和风险控制体系。故障跟踪体系和售电反馈数据没有有效的分析方法，导致无法或者不能及时发现当下存在的问题，导致负荷持续化存在或者冗余长期存在。特别是针对于部分电量的漏记、漏抄和错抄现象，应逐步采用自动化模式记录来替代人工模式。

（2）设备陈旧，导致整体电网的能源无谓的损失损耗。例如，质量不过关的硬件基础设施，如线路、开关和大小变压器；“内伤”引发“外伤”，如薄弱的基础设施、大跨度的供电半径等，导致了迂回损耗、衰减严重等问题。

（3）电力系统内部员工职业素养和理论知识不足，缺乏理论实践结合能力，不能发现、分析和解决实际工作中遇到的问题。绩效体系陈旧，责任分工界定不清，不能良好地督促和管理基层员工严格执行企业内部制度，如日常抄表、线路检修不及时等问题。

（4）缺乏用电普法宣传。部分单位或个人存在偷电行为、私自改造供电线路、量度表连接以及计量计算设备篡改等，直接影响供电企业的整体布局，增大了供电部门的传输负荷[4-5]。

1.2 配电网的节能措施

1.2.1 配电网节能的技术措施

（1）加快配电网规划建设与技术改造，优化电网结构。针对配电网中电容器的安装位置与安装容量问题，很多学者和专家进行了研究，退火算法[6]、蚁群优化算法[7]等许多智能算法得到了应用。其中，Attia A. El-Fergany利用人工蚁群算法计算了径向分布网络中电容器的安装容量和安装位置。实验结果证明，利用该方法配置的电容器可以实现电网节能最大化，并提高了电网稳定性。同时，与启发式搜索方法相比，该方法具有很好的收敛性，可行性高。此外，该方法不需要像遗传算法、PSO和其他算法调整控制参数，使用将更加方便[8]。

（2）控制母线电压在额定值允许的偏离范围内，同时采用逆调压方法调节母线电压。逆调压方法是指，高峰负荷农忙夏季等时应适当提高电压使其接近合格范围上限值运行，低谷负荷农闲节假日等时应适当降低电压使其接近合格范围下限值运行。

（3）降低线网导线截面损耗，对应不同环境选择相匹配的导线截面。应通过实际理论计算，选择经济适用的导线截面。

（4）更换陈旧的电力设备。当今国内外众多学者专家针对电力设备损耗问题开展了大量研究，就变压器来说，采用了大量新专利和新技术。针对电网中变压器的特点，当前已有的技术革新包括使用高密度晶体合金、降低环境噪声、通过优质线圈减少损耗以及使用动态负荷补偿技术等。

2004年，陕西地方电力（集团）公司采用了一种新型馈线自动调压器，如图1所示。该调压器可以在20%的范围内对输入电压进行自动调节。馈线自动调压器由主回路和调压控制器组成。主回路由两部分组成，即三相自耦式变压器和三相有载调压分接开关[9]。

图1 自耦式变压器三相结构原理图

2007年，陕西省绥德电力局针对单相变压器的特点，对梅花新村小区进行改造，运行结果良好。改造后经计算，10 kV地区综合线损率从7.13%降低到3.28%。表2是梅花新村改造前后线损分析的比较[10]。

表2 改造前后线损分析比较表 /（kW·h/月）

2009年，华北电力大学提出了一种动态无功负序不平衡补偿拓扑结构。它利用双向晶闸管控制电抗器、电容器，配合12脉动技术实现低压配电网三相平衡。多组低压TCR无功单元模块并联后，通过Y/Y结构变压器接入系统。实验结果表明，该结构产生的损耗比采用6脉动接线形式减少了33%[11]。

2007年，湖南大学针对当前无功补偿存在的问题，设计了一种基于负荷实测的无功优化系统，如图2所示。它在对系统进行总体设计的基础上，提出了3种无功补偿控制模式，并采用就地和远端2种控制方式相结合的方法，实现了无功补偿控制策略的优化，同时给出了系统的节能效益分析算法，通过实例证明了系统具有很好的节能效果。项目测试情况如下所述[12]。

图2 系统总体框架

该变电站通过2台主变压器配合3条线路，配备了5台功率补偿器，分别使用10 kV电网传输线路（总装机容量可达：11 973 kV，回路需要配备200台左右的无功率补偿设备）和10 kV农业电网（总装机容量可达：29 500 kV，回路需要配备100台左右功率补偿器）。实际产能理论数据，如表3所示。

2010年，华南理工大学电力学院张勇军提出了一种导线更换和中低压无功配置协同优化的配电网节能改造优化模型。该模型以年总支出费用最小为目标，以导线更换线径、各种无功补偿组数和容量为控制变量，满足各种运行约束和安装维护约束，并采用分组整数编码的灾变遗传算法进行求解。最后，以某地区实际配电线路改造为例，分别计算三种方案的效益：（1）仅按经济电流密度进行导线更换；（2）仅进行中低压无功补偿；（3）将导线更换与中低压无功配置协同优化。不同改造方案的改造效益，如表4所示。

结果表明，方案三提出的模型降损效益明显，降损空间得到了充分挖掘，比改造前降低损耗50%以上。它的技术经济性最好，具有更好的降损效益和应用价值[12]。

2011年，张勇军又提出了配电网节能潜力定量评估的总体思路和具体实施方案。他从抽样微观分析和全网宏观统计两方面入手，借助专用软件PSAS，对所选线路分别计算9项优化措施的节能潜力，然后经匹配整合来评估每条线路的综合节能潜力。此外，在对抽样线路进行节能潜力分级和全网特征类比处理后，通过比例加权得到全网节能潜力指标。当前，该模型已经成功应用于广东多地配电网的节能分析中[13-14]。

表3 效益计算结果

表4 不同改造方案的改造效益对比表

另外，为了降低配电网损耗和提高电网运行电压，Mehdi Assadian教授将保证收敛的粒子群优化算法（GCPSO）、粒子群优化算法（PSO）以及灰色理论相结合进行网络重构。结果证明，该方法有很好的可行性，并利用遗传算法与灰色理论相互结合的方法对结果进行了验证[15]。

（3）加强需求侧管理，科学引导消费，提高系统运行的安全性和经济性。需求侧节能管理是需求侧即电力用户管理（DSM）的重要组成部分，引导电力用户改变用电方式，优化资源配置，提高用电效率。

（4）加强素质教育宣传。社会范围内普及宣传节约用电的宣传活动，强化整体国民的节约用电意识；通过对电力企业员工管理员的日常培训，提升其理论素质和管理素质；建立并完善分级化的电力能源管理机构，协助发现隐患，并督导解决问题。

（5）对电网线路进行摸牌普查，努力做好新旧替换，按时进行运维检测，降低线路问题带来的损耗。

2 配电网节能的未来发展趋势

随着配电网自动化水平的提高，配电网节能技术必将快速发展，以实现良好的经济效益和社会效益。

未来的配电网节能技术的发展主要体现在以下方面。

（1）先进的无功补偿技术。随着电力电子技术、智能控制技术在配电网节能技术中的成熟应用，通过无功补偿来降低降低配电网的能量损失必将取得很好的经济效益。

（2）实践表明，当今国际新型非晶合金变压器与普通的硅钢片变压器的显著差异在于空载损耗，二者差异高达80%。在用电高峰期间，还可产生连续叠加被乘效益。因此，大力推广新型变压器必将改善大额能量损失，明显提供经济效益。

（3）配电网节能的进一步智能化。在智能配电网的建设过程中，电网节能是衡量智能电网优越性的重要指标。另外，风能、太阳能等清洁能源的接入、电动汽车的快速发展等，使得配电网的节能途径和节能要求发生了很大变化。因此，智能配电网的节能工作将更具重要性。

3 结 论

能源问题属于世界范围的大问题，关系着国家的强盛兴衰。当今科技飞速发展，能源逐渐萎缩，能否有效控制和减少能源损耗，是我国经济发展和腾飞的命脉，是我国屹立于世界强国的关键。通过加强对电网线损的管理，合理化布局结构，理论计算供需方，更新换代设备，必将改善我国电网损耗问题。

节能减耗是减少资源浪费，提高产能，也是供电企业为全面建成小康社会，为企业和居民提供优质服务、加速经济发展、保障社会秩序和生产的重点工作。因此，要坚持以科学作为源动力，以新思想新理念不断推陈出新，发扬工匠精神，为中华民族的伟大复兴而努力。

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