发明内容
和高压输电网所要求的安全、稳定、坚强等指标相比,配电网更侧重于供电的可靠性和经济性,由此,中低压配电网的能效评估的目标函数应该为在保证供电能力、供电安全的约束条件下,配电网网损最小化;即尽量提高配电网的能效水平(见图1配电网能效评价体系框图)。
针对现有配电网能效评估的方法粗犷、缺乏针对性和盲目性等不足,本发明提出了一种基于精确量测负荷数据的中低压配电网能效评估方法。该配电网能效评估体系构建了一整套全过程的配电网综合能效评价方法,该方法能比较科学、完整地综合反映配电网的各属性要素;全面地应用现有的综合评价方法。该体系理论清晰,相比传统的仅仅根据四分线损方法和一刀切的节能降损改造措施,更加剧有科学性和针对性,为配电网的能效评估和节能改造提出了一崭新的思路和方法。
由于电力系统的潮流分布是时时变化的,功率损耗ΔP实际上是时间的函数量,所以,电网的电能损耗ΔW是电网功率损耗ΔP在某个时间周期T上的积分,即:
ΔW=∫TΔP(t)d(t)
电网的功率损耗ΔP的主要包括线损ΔPL和变损ΔPT两部分,其他的,诸如变电站的动力(操作电源等)、加热、照明等站用电负荷,互感器、电抗器、电容器等直接接入电网的一次设备,以及电压电流互感器二次负载的继保、电能表等测控装置,在实际电网运行中也有小部分功率损耗。
配电网线路模型:总功率损耗ΔPL包括对地电导损耗PG和线路载荷损耗PR两部分,由于线路对地电导损耗主要是由于绝缘子泄露和电晕引起,所以在中低压配电网可作忽略处理;中低压配电网线路损耗一般就是指线路载荷损耗,其与载流量、运行电压、线路型号、传输距离以及负荷沿线分布情况有关,数学表达式为:
从公式中可以看出,其中影响能耗的各因子的影响关系以及在配电网规划建设的不同阶段示例见表1。
表1配电网线路各能耗因子的影响关系及降损示例
配电网变压器模型:变压器总功率损耗ΔPT包括铁耗PFe和铜损PCu两部分:即:
其中铁耗PFe指励磁支路的涡流损耗,铜损PCu指变压器线圈的电阻损耗。
从公式中可以看出,其中影响能耗的各因子的影响关系以及在配电网规划建设的不同阶段示例见表2。
表2配电网变压器各能耗因子的影响关系及降损示例
本发明的技术方案为:一种基于精确量测负荷数据的中低压配电网能效评估方法,所述配电网评估方法,包括下列步骤。评估流程示意框图见图2。
(1)收集配电网拓扑结构资料,主要包括拓扑结构:节点、支路线路、变压器、无功补偿等设备以及用户参数。
(2)对配电网的静态信息进行统计,包括元件层:如线长、线径、配变型号等;运行层:配变负载率、线路负载率、线路接入配变总容量、功补容量等;综合指标层:四分线损率、电压合格率、供电可靠性等。然后和静态指标库进行对比,依据专家规则按照权值给出对于评估电网一个评估的分值。并且,对于配电网中影响能效水平的重点静态指标(高损耗变压器、较细线径、较长导线等)给出一定的筛选。
该步骤的四分统计线损中要规范统计口径,应去除有些专线计量和专变计量的无损电量,仅对于有损电量和有损线损率给出统计,而且对于配电变压器的不同计量点(高计、低计)还要通过理论变损计算,以明确区分出线损和变损的占比。
(3)对于评估配电网一定周期的负荷数据(有时要先完善计量点)进行采集,包括各负荷点的电压、电流、有功功率(电能)、无功功率(电能)、力率、三相平衡度、谐波等数据。根据配电变压器的运行能效进行经济区间的划分:经济区、高载区、低载区、过载区、欠载区;类似地,线路也根据其相应截面的经济载荷和安全载荷做如此划分。
统计五个区间的不同占比,根据不同的结果给出不同的配电网能效评价结果和相应的节能改造措施。如:如果过载区持续偏高,应进行线路(或变压器)进行增容至经济区;如果欠载区持续偏高,可以考虑本线路(或变压器)的相间负荷转移或线路转供;如果过载区、欠载区都较高,则应考虑终端的负荷调整等。
另外,根据中低压线路(三相三线、三相四线)等负荷实测的三相电气参量(电压、电流、功率等),对于重点电力谐波源的用户进行实测分析,分别给出负荷不平衡度和谐波损耗影响的分析及节能改造方案。
(4)节能降损的技术经济分析:给出不同型号的线路、配变、补偿电容等的运行年限以及综合成本、
年运行维护成本,再根据步骤(1)、(2)分别给出基于精确量测负荷数据有针对性的节能降损措施,给出预期的节能降损效果及技术经济分析;当降损措施实施后,转入步骤(1),进行效果后评估。
本发明的有益效果在于:本发明对现场具体配电网能效评估有较大的参考作用,能够有针对性的指导配电网规划改造建设,同时也有助于配电网运行人员掌握配电网能效运行情况,在实际的评估和规划工作中可指导安排科学合理的配电网建设及改造项目,保证配电网可靠的、经济的运行,由此带来的经济效益将是巨大的。
具体实施方式
基于精确量测负荷数据的中低压配电网能效评估方法的具体实施步骤如下:
1.收集中低压配电网能效相关资料
按照中低压配电网的评估边界做以下划分。
(1)中压配电网
中压配电网即中压主干和分支线路,电压等级主要为10kV,也包括少量的6kV、35kV和一些地区新采用的20kV。
拓扑信息:线路型号(阻抗)、长度、挂接配变、柱上开关,非全相设备(如单相变)的相别;选取的试验线路如果和站内或站外线路有“拉手”,当柱上联络、分段开关的倒闸切换时,应记录切换时间和相应的采集量信息。
负荷量测数据:采集周期至少为1小时,典型日(迎风度夏期间、低谷负荷时等)要求细化为15分钟;采集的电参数包括电能量、电功率、电压、电流、力率等。
(2)配电变压器
基础信息:配变型号以及相应的铜损、铁损、短路电压百分比、空载电流百分比、无功补偿容量配置;
计量装置配置:配变计量方式(高压侧或低压侧)、互感器变比、计量表计精度。
(3)低压台区配电网
低压三相四线制线路拓扑信息:线路型号(阻抗)、长度、负荷点位置以及连接相别;各低压线路如有倒相操作,应记录切换时间和相应的采集量信息。
采集周期为1小时,典型日典型低压负荷点(迎风度夏期间、低谷负荷时等)细化为15或1分钟;低压负荷点绝大多数为单相负载,只需记录单相电信息即可,但如果为多相负载,如电梯等动力设施,应记录三相数据。
注:一般对于低压台区配电网进行能效评估时,对供电的公变的相关参数和负荷数据进行采集。
2.对供电区域中低压配电网能效情况进行静态分析(针对静态参数)
对中低压配电网络中的设备进行静态评估。主要包括变压器位置、型号,中低压线路的线长、线径等,即给定配电网拓扑结构后,就可以给出一个大致的能效分析的静态评价。表1为中低压配电网静态评估指标体系,主要分为元件层、运行层、综合指标层三类静态指标进行分析,各层之间的相关性见图3。
依据国家、电力行业、以及重要企业(国家电网公司、南方电网公司)等相关的能效标准,如《GB 20052-2006三相配电变压器能效限定值及节能评价值》、《GB 21518-2008交流接触器能效限定值及能效等级》、《GB 16664-1996企业供配电系统节能监测方法》(专变用户)《GB/T 13462-2008电力变压器经济运行》、《DL 985-2005配电变压器能效及经济技术评价导则》;《SD 325-1989电力系统电压和无功电力技术导则》、《Q/GDW 156-2006城市电力网规划设计导则》、《国家电网公司电压质量和无功电力管理规定》,对于目标配电网给出能效相关参量的静态统计分析。
(1)电源位置(变电站、或配电变压器)
电源点位置的选择是保证配电网系统经济运行的关键,如果电源点(变电站、配变)恰好位于负荷中心,则能够保证系统损耗的最小化。该处静态评价只是根据供电区域的负荷点的位置给出一个大致的静态评价。
(2)变压器型号
变压器的技术参数与标准值相比较,评估其空载损耗和短路损耗是否符合配变的能效限值。
(3)线路线长
线路供电距离长短对供电质量有重要影响,在同等导线截面条件下,线路供电半径长则末端压降大,相应线损一般也较大,事故转送能力较低;反之末端压降小,线损也较小。由于中低压配电网线路分支较多,所以又可以分别根据主干、分支、末端等分类统计。
(4)导线型号(截面)
根据负荷情况,确定是否需要增大导线截面,消除卡脖子线路。线路型号的标准化,给出各种型号导线的适用负荷。
(5)线路所带配变容量
线路是否能够经济运行,主要应根据运行周期的负荷曲线和该线路经济载荷的比较,但是当未获得实测负荷数据之前,根据线路所带配变容量值也能够给出一个大致的静态评价值。
(6)无功补偿容量占比
根据无功补偿多少(电容器容量),给出一个运行功率因数、和电压质量的大致分析评价。
3.对供电区域配电网能效情况进行动态评价(针对动态实测负荷数据)
评价内容包括各元件(配变、线路)的负荷曲线、负载率曲线、无功校正水平;各负荷点的三相不平衡度、谐波分布;配电网实时网损、负荷的时段均衡和三相均衡。
评价标准或依据包括《GB/T 13462-2008电力变压器经济运行》《SD 325-1989电力系统电压和无功电力技术导则》,《Q/GDW 156-2006城市电力网规划设计导则》、《国家电网公司电压质量和无功电力管理规定》。通过量测表计给出的中压配电网、配变、公变台区相应的日典型、周典型、年典型实际有功、无功负荷、功率因数、三相不平衡度曲线;对配电网的中压配电网、配变、公变台区进行实时线损统计,给出曲线;根据配电网的结构(三相三线、三相四线)对中低压线路作理论损耗计算、根据配变的铜铁损公式作配变理论损耗计算;根据理论线损和统计线损对影响线损指标的因素进行分析,给出主要影响因素项:线路是否在经济载流范围、配变是否在经济负载率范围等;分析电能质量(三相不平衡度、谐波含量等)对于线损的影响程度。
(1)中低压配电网动态负荷数据的采集分析
对于评估配电网一定周期的负荷数据进行采集,包括各负荷点的电压、电流、有功功率(电能)、无功功率(电能)、力率、三相平衡度、谐波等数据。
(2)线路、变压器等元件的经济区间划分
根据变压器的型号(Po、Pk),线路的材料(钢芯铝绞线、绝缘架空、铜芯电缆)以及截面等确定各自的经济区间的划分:经济区、高载区、低载区、过载区、欠载区。
对评价的中低压配电网,根据采集的负荷数据,选取典型时间区间,统计五个区间的不同占比,根据不同的结果给出不同的配电网能效评价结果和相应的节能改造措施。如:如果过载区持续偏高,应进行线路(或变压器)进行增容至经济区;如果欠载区持续偏高,可以考虑本线路(或变压器)的相间负荷转移或线路转供;如果过载区、欠载区都较高,则应考虑终端的负荷调整等。
(3)配电网的不平衡度对能效影响的动态分析
理想的三相平衡系统要求三相电压、三相电流的幅值和相角相等,并且三相相差120°。但实际的中压配电网受终端大量单相负载的影响,三相不平衡度较高(主要是电流)三相电压平衡电流不平衡系统模型,即三相电压相对平衡,电流不平衡度相对较高。该动态分析主要是根据中低压线路(三相三线、三相四线)等负荷实测的三相电气参量(电压、电流、功率等),给出负荷不平衡度和谐波损耗影响的分析及节能改造方案。
4.节能降损措施的相关技术经济分析评价
(1)元件设备本身的经济评价
●中低压线路
线路的经济载荷的计算:计算线路的经济载荷密度,给出导线型号系列的图表。
线路扩径时机选择:输入不同导线型号系列对应的理论损耗(全寿命周期)、造价成本、和残值等因素,输出线路扩径的时机。
●变压器
变压器经济载荷区间的划分(最佳点、经济区、最劣区)。
低损耗(主要是铁损)和初期投机的平衡关系,如非晶合金变压器:输入不同型号变压器(包括非晶合金变压器)的造价、理论损耗,输出在不同负荷情况下,不同型号变压器应用的条件。
●无功补偿和削谐装置
无功补偿装置投资和降损值的关系及计算:输入无功补偿装置的投资和降损理论值,输出投资合理性。
谐波治理装置投资和降损值的关系及计算:输入谐波治理装置的投资和降损理论值,输出投资合理性。
(2)规划设计阶段
元件选型:线路类型(架空裸、架空绝缘、电缆)、线径(300、240、185)选择、变压器类型(不同型号、不同损耗、不同价格)选择、变压器容量选择
电压等级选择:10kV、20kV的分界容量
(3)运行阶段
无需投资,可做专项评价:运行电压调高/低、变压器单双台切换,需求侧负荷调整等。
(4)改造阶段
元件换型:线路(变压器)型号、容量更换,如扩径、增容(可和规划设计阶段元件选型共同建模)
专项改造:淘汰低型号变压器、无功改造(增加无功补偿电容器组)、谐波治理等。
具体实施方式
本发明将提出的基于精确量测负荷数据的中低压配电网能效评估方法体系应用在实际的中低压配电网能效评估中。考虑到我国幅员辽阔,不同地区配电网受地方气候以及社会经济发展的影响较大,分别在河北廊坊、湖南邵阳、甘肃武威的具有典型性的中低压配电网试点线路、台区进行了周期为一年的负荷数据分析。
1.试点配电网能效静态指标统计分析
表3试点中低压配电网静态评估指标体系
表3为三试点供电企业中低压配电网静态评估指标统计体系表,其中的静态指标和相应的权值为依据电网能效的各种参量以及专家系统所给出;各地区在对本领域的技术人员来说在进行适当的替换或修改将是显而易见的。
2.试点配电网能效动态指标统计分析
对于试点三地的供电企业,对于其中较有代表性,并且负荷数据计量装置安装较完整的中低压配电网进行了重点的能效指标动态分析,试点线路台区基本情况如下。
表4试点中低压配电网动态评估基本情况
三市共选出具有典型代表性的8条10kV试点中压线路,3个低压台区。有些负荷采集的计量装置或抄表方式需要完善。在一年负荷实际量测数据中按照春夏秋冬四个季节分别选取典型日,对负荷数据曲线进行经济区、低高载区、欠载过载区的划分,统计五个能效区的占比。
3.实例配电网不平衡度负荷数据能效影响分析
选取试点线路台区,对其三相平衡度情况进行分析,对于中压三相三线系统,如果量测装置采用两表法(即仅有A、C两相),则B相电流可根据A、C两相电流的向量和来推算
而低压三相四线制配电网,可根据采集的A、B、C三相电流的向量和来推算中线电流。即以邵阳供电公司996低压台区为例,其典型日三相负载不平衡度见附图4。明显得,C相电流各个时段一直偏低,而B相一直偏高,给出B相部分负荷可进行相间调整至C相。
4.实例配电网谐波负荷数据能效影响分析
根据实例的负荷性质,按照居民生活类、商业办公类、生产动力等分为了三类,每类用户选取2户作为代表,鉴于现场不具备谐波量测表计,采用现场典型日典型时段负荷实测方式。可采用电能质量分析仪对配电网动态能效评估谐波源进行实测。
表3居民生活类用户电能质量能效分析表
表4商业照明类用户电能质量能效分析表
表5生产动力类用户电能质量能效分析表
通过对以上三类电力用户的负荷分别在配电变压器高压侧、低压侧实测,可以看出,电能质量对于能效的影响都是非常大的,尤其是3、5、7次奇次谐波,造成了电流总畸变率达到20%以上,还有3、9次零序次谐波在中线上累加造成的零序电流的不平衡度达5-10%。同一台配电变压器高压侧零序电流降低,只是因为配变高压侧的角形接线而在高压侧形成环流,造成配变损耗增高。
5.实例配电网节能降损分析
输入不同导线、变压器型号系列对应的造价成本、和设计寿命周期(计算残值)、电价、铜、铝等有色金属价格(计算导线经济载荷密度)、无功补偿谐波整理造价等。对于廊坊、武威、邵阳三地的中低压配电网系统的综合能效水平、短期内该配电网规划发展方向、配电网基建改造的推荐项目及其技术经济评价依据全寿命周期技术经济评价标准进行评价。以下针对甘肃武威供电公司的中低压配电网情况,做了一下以下几个方面的降损节能分析。
(1)线路改造技术经济评价
高新111线目前采用钢芯铝绞线LGJ-120,配变带载容量为13747kVA,远高于其经济负载区间,而且线路长度达到35km。建议在线路对侧引入新电源点,将该线路负荷进行切改。建议将该线路改造为绝缘导线JKLYJ-240,截面扩大一倍,可使其线损率降低50%。
按照线路线损率由4%降为2%计,该线路年供电量约为2000万kWh,降损电量为40万kWh,年降损节约电费20万元。以12万元/km投资计,共需120万元;静态回收期为6年。
(2)节能型配变更换技术经济评价
根据静态分析中的三试点公用配电变压器共计8高损耗配变(S7)共计27台。以高武121线28#公变(0000361551 S7-400)为例,当变压器在80%负载率下的负载损耗、空载损耗,及总损耗的降损如下表所示(当负载率为80%),变压器变损可由1.8%降为1.3%,可降低0.5个百分点。
变压器设备型号 |
负载损耗(kW) |
空载损耗(kW) |
总损耗(kW) |
S11-400/10 |
4.3 |
0.57 |
3.322 |
S7-400/10 |
5.8 |
0.92 |
4.632 |
降损 |
1.5 |
0.35 |
1.31 |
降损率 |
25.9% |
38.0% |
28.3% |
以该变压器年运行小时为4500小时计,年节电量近6000kWh,节约电费3000元。以该变压器投资为4万元计,静态回收期约13年。
(3)无功补偿的技术经济评价
试点配电网公变大多为台架变压器,无无功补偿装置,加之中压线路较长:一方面增加了无功电流在线路及变压器的损耗,另外也使末端电压质量不合格。
仍以高武121线28#公变(0000361551 S7-400)为例,其负荷自然功率因数为0.8,其无功缺额为200kvar,当其功率因数由0.8提高至0.95后,可降低变压器铜损及线路损耗1.34kW,按照该变压器年运行小时为4500小时计,同样可使变压器降损0.5个百分点,年节约电费3000元,以电容器投资50元/kvar计,共需投资1万元,静态回收期约3.3年。
(4)负载的相别调整、时段调整的技术经济评价
根据前面的动态分析,试点众兴台区#2变负荷C相较B相一直偏低约10kW(50A),建议将B相负荷所带部分用户进行相间切改至C相。可降低低压线损约2kW,降低线损率1个百分点。按照年运行4000小时计,共计可节约电费4000元。
(5)降损措施技经分析汇总
降损措施 |
典型案例 |
现状 |
改造目标 |
降损 |
线路扩径 |
高新111线 |
LGJ-120 |
JKLYJ-240 |
2% |
配变换型 |
28#公变 |
S7 |
S11 |
0.5% |
无功补偿 |
28#公变 |
0.8 |
0.95 |
0.5% |
负荷调整 |
众兴小区 |
C相偏低 |
相对均衡 |
1% |
综上所述,本发明已经根据特定的示例性实施进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的,而不是对本发明的范围的限制,本发明的范围由所附的权利要求定义。