计及电能质量影响的10kV 配电网损耗计算模型及其实验验证

沈建辉 王旭宏

(浙江省电力建设有限公司，浙江 杭州 315000)

近年来，全国电力企业纷纷开展了加强线损控制和线损管理试点研究，节能减排工作取得了较大成效。但是随着电力公司线损管理模式的改进，管理部门对10kV 配电网线损管理标准不统一等问题依然存在。

1 计及电能质量影响的10kV 配电网损耗计算模型

1.1 分离出配电网的固定损耗，估算出电压偏差影响下固定损耗的附加损耗率。固定损耗是产生在电力线路和配变等值并联电导上的损耗，与电压有关，配电网的固定损耗主要是配变的固定损耗。当每台配变的电压都可通过监测装置得到时，用下式计算电压偏差导致的配网固定损耗的附加损耗率λ0∑，

从而精确计算出发生电压偏差后配电网的固定损耗ΔP'0为：

1.2 分别估算谐波、三相电流不平衡、电压偏差影响下线路和配变可变损耗的附加损耗率。可变损耗指的是消耗在电力线路和配变电阻上的损耗，与负荷电流有关。

1.3 综合上述受单种电能质量扰动影响的可变损耗附加损耗率，分别得到线路和配变损耗受电能质量影响的可变损耗综合附加损耗率。

单种电能质量扰动导致的可变附加损耗可以直接相加，但是其附加损耗率如果要直接相加，则需要其基准值相同。在计算谐波、三相电流不平衡和电压偏差导致的可变附加损耗率时，都应该以元件在基波正序电流单独作用下的可变损耗作为基准。其中，谐波和三相电流平衡度变化时基波正序电流是不变的，其作用下的可变损耗也不变，可以直接测得。但是，电压偏差影响下的基波正序电流会产生变化，而电压偏差附加可变损耗率的基准定义为无电压偏差时元件在基波正序电流作用下的可变损耗，无法在存在电压偏差时直接测得。所以电压偏差可变附加损耗率在综合计算模型中，不能与其他电能质量扰动引起的可变附加损耗率直接相加。然而2 个基准值比值恰好就是解耦后的电压偏差可变附加损耗率，因此可以采用相乘的方式计算综合附加损耗率。

通过上述分析可知，电能质量扰动造成单一元件可变损耗的综合附加损耗率μ 为：

式中：x 取值为1、2 分别表示配变、线路，将对应元件的参数代入公式即可。

1.4 综合固定损耗和可变损耗的附加损耗率，得到计及电能质量扰动影响时配电网的总损耗。实际配电网中广泛存在辐射状馈线，所以需要分段计算线路和配变的损耗，最后相加得到配电网的总损耗，如下式所示：

式中：ΔP 为10 kV 配电网总损耗；ΔP1i和ΔPT1i分别为第i 段馈线和第i 台配变在基波正序电流作用下的可变损耗；ΔPT0i为第i 台配变在额定电压下的固定损耗；μi和μTi分别为第i 段馈线和第i 台配变的综合附加损耗率，由式(3)计算得到。

因此，整个配电网的总附加损耗率为：

2 10kV 配电网损耗减小的措施及电压偏差实验验证

2.1 配电网损耗检测去噪方法及仿真

配电网在实际运行中，电能质量信号在传播、获取、处理等阶段都可能被噪声污染，电能质量扰动的有用信息可能被噪声所污染，扰动的起始时间和严重程度都有可能被影响，难以获取准确地信息。根据前面的损耗计算方法，要想获得准确的电压电流信号，对信号进行去除噪声的处理至关重要的。

小波去噪最基本的原理基本都是根据理想信号和噪声信号在小波变换后得到的小波系数具有的不同性质，再通过特定的数学方法，将含噪信号的小波系数在小波域上进行处理。具体的去噪原理图为：

图1 小波去噪流程图

小波去噪的具体步骤可以描述为:

a.对含有噪声的信号进行小波变换;

b.在不同尺度上对得到的小波系数进行非线性处理，从而去除噪声信号;

c.对获取的新小波系数进行小波逆变换，完成去噪后的信号重构。

根据小波系数处理方式的不同，去噪方法有多种方式，比如模极大值去噪、相邻尺度小波系数相关性去噪和小波变换阈值去噪等。由于前两种算法计算量大，算法较复杂，不易实施实现；小波变换阈值去噪可以有效提高信噪比，简单而实用的方法。因此，本文选取小波阈值去噪方法。

式中s(t)为实际含有噪声的信号;x(t)为理想信号:n(t)为高斯白噪声信号服从N(0，σ2)分布。对s(t)进行离散小波变换为：

式中，ψj，k(t)为离散小波基函数，上式还可以表示为：

式中，dj，k是含有噪声的信号s(t)经小波变换后得到的各层小波系数；uj，k为理想信号x(t)经小波变换后得到的小波系数；ej，k是噪声信号n(t)经小波变换后得到的小波系数。

根据理想信号和噪声信号小波系数的不同统计特性，可以选择合适的阈值，当含有噪的信号s(t)的小波系数小于阈值时，认为主要是噪声信号起作用，此时将其置零；反之，认为理想信号起主要作用，这些系数不变或者按照一定的原则向零收缩。

根据上述原理可知小波阈值去噪的过程如下所示：

a.对含有噪声的信号进行小波分解，通过选择合适的小波基、确定合适的分层数对其进行小波变化，从而得到对应的各层小波系数dj，k；

b.利用阈值合理处理高频系数；

9.1.1菜青虫 以幼虫在叶背或心叶危害，1～2龄幼虫啃食叶肉，在叶片上留下一层薄而透明的表皮，3龄以上幼虫将叶片咬出孔洞，或将叶片边缘吃成缺刻，严重时将全部叶片吃光，并排出粪便，污染菜心，严重影响产量和质量。该虫一年发生4～6代，世代重叠，危害持续时间长。

c. 利用小波分解后的底层低频系数和处理过的高频系数进行重构，最终得到去噪后的信号，重构小波系数。

在上述过程中，最关键的是阈值的选择和阈值量化的处理，其关系到信号去噪的质量。最常见的阈值修正原则可分为硬阈值函数、软阈值函数。

其中硬阈值函数的表达式为：

当分解得到的小波系数绝对值小于既定的阈值时，令其等于零;反之，令其保持不变。

软阈值函数的表达式为：

当分解得到的小波系数绝对值小于既定的阈值时，令其等于零;反之，令其减去阈值。

根据已有的研究结果，从整体趋势上看对含噪的谐波扰动信号去噪时，硬阈值去噪的效果更好。综上所述，针对谐波扰动信号的去噪处理，本文选取硬阈值去噪的方法对其进行仿真验证，去噪前后的仿真波形图如图2 所示。

图2 谐波信号进行硬阈值去噪的结果图

从图2 可以看出，对含有噪声的谐波扰动信号进行小波硬阈值去噪处理后，获取的去噪波形图与原始信号的轮廓特征基本相同。

2.2 电压偏差实验验证

调整10kV 电能质量扰动源的相电压与额定电压的偏差在-10%～10%之间以2%为步长变化。由于所带负载为恒阻抗负载，取χ=2、δ=2，电压偏差影响下的固定损耗和可变损耗附加率计算公式相同，因此依然分别分析线路和配变的损耗。

为了解耦各类电能质量扰动引起的附加损耗，电压偏差实验中同样只考虑基波损耗，与三相电流不平衡实验的数据处理方法类似，首先分离出基波值，利用P=UIcosφ 计算电压偏差损耗值，并将电压偏差为0 时的损耗实测值作为参考值，则两者的差值为电压偏差附加损耗实测值。电压偏差附加损耗率实测值为电压偏差附加损耗实测值与无电压偏差时的参考值的比值。

线路损耗实测值取线路首、末端三相基波功率的差值，再依次计算电压偏差可变附加损耗实测值和电压偏差可变附加损耗率实测值。线路电压偏差可变附加损耗率的实测值和本文模型的计算值以及取不平衡系数为1 的模型的计算值的对比如下图所示。

由图3 可看出，随着电压偏差的增大，线路的电压偏差可变附加损耗率增大；本文模型的计算误差很小，且小于不平衡系数为1 的模型计算误差，这表明计及电压偏差的损耗计算模型优于常用模型，精确度较高。

图3 线路电压偏差可变附加损耗率的实测值和模型计算值对比

配变的损耗实测值取为高、低压侧三相基波功率的差值计算配变电压偏差可变附加损耗率，则配变电压偏差可变附加损耗率的实测值和本文模型计算值以及平均负载系数为0.45 模型的计算值的对比如下图所示。

由图4 可看出，随着电压偏差的增大，配变的电压偏差可变附加损耗率增加，考虑实验测量误差和计算误差等因素，本文模型的计算误差在可接受范围内，且比平均负载系数为0.45 模型的计算结果误差小，这验证了计及电压偏差的损耗计算模型的有效性。

图4 配变电压偏差可变附加损耗率的实测值和模型计算值的对比

3 结论

总之，由于10kV 配电网需要长期连续运行，而且所处环境差异很大，因此，线损问题必须由电力企业来解决，否则，将会严重制约电力企业的发展。为此，电力企业应加强对电网线损问题的监管，加强对电网线损的排查和过程控制，实现配电网的合理线损管理，并根据配电网的实际情况，优化其结构，运用补偿方法，调整其设备配置，以达到减少配电网线损的目的。