CN103488876A - 一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法，主要包含：S1）收集电网拓扑结构参数；S2）利用牛顿拉夫逊法对电网进行潮流计算，得到电网功率方程的极坐标形式；S3）计算出各发电机组和负荷对电网支路功率损耗的影响函数；S4）根据步骤S3的函数，计算出各电网支路的功率损耗因子；S5）根据各电网支路的功率损耗因子，对电网支路进行改造和优化。该方法通过对电网线路损耗的分析，能有效地得到发电机或负荷对输电支路的使用程度，从而划分出各电源或负荷对支路损耗的影响程度。

Description

一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于支路损耗因子分析的电网节能损耗方法。

背景技术

电力系统中，电网电量通过输电、变电和配电等环节输送给用户。由于电力设备存在阻抗，因此电能通过时就会产生电能损耗，并以热能的形式散失在周围介质中，这种电能损耗称为线损。线损大小受多种因素影响，主要包括电网结构、运行方式、技术状况、潮流分布、电压水平，以及功率因数等。随着电网系统的日益完善与扩展，线损管理涉及到的方面越来越广，越来越复杂。因此，线损率成为衡量和考核供电企业生产经营的一项重要技术经济指标，它能够反映电力网的规划设计、制造生产技术和营销管理水平的高低，直接关系到电力企业的经济效益。降低线损率就相当于在企业生产成本保持不变的条件下，提高供电企业的经济效益，因此供电企业均把加强线损分析管理作为企业经营工作的头等大事。

线损分析，其本质属于电网分析技术之一，对线损的研究不论是工程领域还是科研领域都得到了高度重视。在工程领域主要为了使电网系统能够达到最佳的运行状态，找到最有效和便捷的降损措施，从而降低成本，提高效率。有效计及引起线损变化的因素，采用合理的方法来计算和分析线损，明确线损变化规律，反映线损问题的物理本质，有针对性的采取节能降损措施，对电网的节能降损很有意义。传统的电力系统分析中，潮流计算只能通过电网系统的结构、参数及系统当前的运行方式和负荷状态，计算出各个母线电压、输电线路、变压器中通过的总功率及相应的功率损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法，该方法通过对电网线路损耗的分析，能有效地得到发电机或负荷对输电支路的使用程度，从而划分出各电源或负荷对支路损耗的影响程度。

本发明的技术方案是：

一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法，主要包含以下步骤：

S1）收集电网拓扑结构参数；

S2）利用牛顿拉夫逊法对电网进行潮流计算，得到电网功率方程的极坐标形式；

S3）计算出各发电机组和负荷对电网支路功率损耗的影响函数；

S4）根据步骤S3的函数，计算出各电网支路的功率损耗因子；

S5）根据各电网支路的功率损耗因子，对电网支路进行改造和优化。

所述的方法，所述步骤S1的参数包括电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量，具体包括发电机组、节点、支路线路、变压器、无功补偿及负荷的参数，并形成节点导纳矩阵，节点导纳矩阵是一个n×n的方阵，n为节点数，矩阵元素为各节点自导或互导纳参数值。

所述的方法，所述步骤S2的功率方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i={\stackrel{\·}{U}}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i={\stackrel{\·}{U}}_j\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：P_i、Q_i分别为电网节点i的有功功率和无功功率，

分别为节点i、同一电网另一节点j的电压相量，G_ij、B_ij分别为节点i、j所在支路l的电导和电纳，θ_ij＝θ_i-θ_j为同一电网支路l两个端节点i、j之间的相角差。

所述的方法，步骤S3的计算方法包括：将发电机组和负荷进行等效，分别计算各发电机组和负荷单独作用于电网支路的电流分量，然后根据电流叠加原理，计算出各电网机组和负荷对支路功率损耗的影响函数。

所述的方法，第l个电网支路、第k个电网节点的影响函数为：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×(P_k+{\mathrm{JQ}}_k){\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(10\right)$

其中，J表示复数符号，ΔS_kl为支路l上的功率损耗，

为节点k的电压相量，P_k、Q_k分别为节点k的有功功率、无功功率，

为λ_lk的共轭，λ_lk＝[(Y_ik-Y_jk)z_l]^-1，Y_ik、Y_jk分别是节点导纳矩阵第i、j行第k列节点的导纳参数，z_l为第l个电网支路的阻抗。

所述的方法，各电网支路的功率损耗因子为：

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂P_k=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(11\right)$

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂Q_k=\mathrm{J\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(12\right)$

上式中，

分别表示各支路有功功率损耗因子和无功功率损耗因子。

所述的方法，步骤S5的改造、优化过程具体包括：

S51）当任意节点k注入功率变化后，通过式（11）、（12）计算出该节点功率变化引起其他支路损耗变化情况；

S52）对电网各支路的功率损耗因子全面计算后，对电网局部进行针对性的节能改造；

S53）根据支路损耗因子调整、优化电网各节点的潮流分布，反复迭代操作，直至最大程度的降低各支路的功率损耗，进而降低全网络的功率损耗。

本发明的优点：本发明基于电网发电机和负荷对电网各支路功率损耗的分摊计算和推导，得到各发电机和负荷对电网中支路的利用份额和功率损耗的影响程度，从而明确电网线损的准确分布，可为电网的节能降损提供强有力的数据支撑，为电网节能降损措施的制定提供理论依据和实际指导。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法。该节能降损方法从电网潮流变化影响电网损耗的角度出发，通过对电网发电机和负荷在支路中承担的有功损耗的推导，实现网损在各支路的分摊计算。在此基础上，计算所分析电网拓扑结构中各发电机和负荷的支路损耗因子，通过比较分析网络中各支路的损耗因子大小，确定对全网损耗影响较大的支路，进而对这些支路进行针对性的节能改造，改造完毕后的网络重新计算支路损耗因子，并优化网络节点潮流分布，直至最大效益化的降低网损。该方法理论清晰，相比传统的变压器更换、线路改造、无功补偿、电能质量治理等电网节能降损措施，更具有针对性，为电网的损耗分析和节能降损提供了一种崭新的思路和方法。本发明有助于电网企业精确了解掌握电网各支路损耗的占比情况，可具体的指导电网企业开展具有针对性的节能降损措施，并对电网节点潮流进行经济的运行调度，最大限度地降低电网损耗，保证电网的经济运行。

本发明通过明确计算出各电源或负荷在同一支路或不同支路上产生的损耗，计算出支路损耗因子，基于支路损耗因子才能从本质上找出节能降损的方法。进而有针对性的采取节能降损措施，方可最大程度的降低网损。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

S1）收集电网拓扑结构资料，主要包括：发电机组、节点、支路线路、变压器、无功补偿及负荷参数，形成节点导纳矩阵；

S2）利用牛顿拉夫逊法进行潮流计算，计算出各节点的电压幅值、相角及节点有功功率、无功功率，解析网络的功率分布和平衡节点的功率；

S3）将发电机组和负荷进行等效，分别计算各机组和负荷单独作用于支路的电流分量，根据电流叠加原理，计算出各机组和负荷对支路有功损耗的分摊；

S4）在步骤S3的基础上，计算出各支路损耗因子；

S5）比较分析全网各支路损耗因子，判别具有节能降损潜力的支路；

S6）对具有节能降损潜力的支路进行节能改造，同时对网络节点潮流分布进行优化；

S7）所有具有节能潜力的支路改造完毕后，再次迭代分析全网支路损耗因子，直至最大程度的降低网损。

下面结合附图和实施例进一步详述本发明。

一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法具体实施方式如下：

1、收集拟降低线损的电网相关资料

统计电网相关技术资料，为网络等值计算奠定基础，主要包括以下数据：

1）电网中所有线路的电阻、电抗及电容参数；

2）电网中发电机组有功输出功率、无功输出功率，以及励磁、调速参数；

3）各级变压器的铜损、铁损、短路电压百分比、空载电流百分比、接线和运行方式及其无功补偿容量等参数；

4）计量方式（高压侧或低压侧）、互感器变比；

5）网络中并、串联电容器和电抗器及其正序、负序、零序参数；

6）负荷量测数据（功率、电压、电流、相角）。

2、建立网络数学等值模型

电力系统的数学模型是对电力系统运行状态的一种数学描述。通过数学模型可以把电力系统中物理现象的分析归结为某种形式的数学问题。电力系统的数学模型主要包括电力网络的模型、发电机的模型以及负荷的模型。本发明中发电机和负荷的模型用电流源来描述，网络元件（线路和变压器及其他元件）用恒定参数的R、L、C组成的等值电路模拟。因此，由这些静止元件所连成的电力网络，其稳态分析可用一组线性代数方程来描述，在潮流计算中可以看作是线性网络，并用最常用的节点分析法来求解网络方程。该方法以节点电压为状态量，建立基于节点导纳矩阵的网络方程，通过高斯消元法简化网络，为下一步的潮流计算奠定基础。

3、求解网络等值模型潮流

步骤2中建立的网络等值模型是潮流计算的基础方程式。通过已知电源点的电压和负荷点的功率，求取电源点以外的各节点电压和网络中的功率分布。采用逐步逼近的方法，将每一轮的计算分两个步骤进行，第一步，从负荷电流源开始，逆着功率传送的方向，计算各支路的功率损耗和功率分布；第二步，从发电机电源开始，顺着功率传送的方向，计算各支路的电压降落（或电压损耗）。本发明的潮流计算采用牛顿-拉夫逊法，用极坐标形式表示，代入电网的初始值，得到网络潮流分布。

4、求解网络支路损耗因子

根据步骤3求解出的节点潮流，应用电路叠加原理，进一步计算各发电机组和负荷对各支路功率损耗的影响程度，求解出各支路损耗因子。

5、节能改造和潮流优化

根据支路损耗因子大小，对电网中功率损耗率变化较大的支路进行节能改造，并对电网节点潮流分布进行优化，减小损耗因子较大的支路节点注入功率，增大损耗因子较小的支路节点注入功率，从而达到降低网损的效果。

下面结合附图以具体实施例来进一步详述本发明。本发明具体包括以下步骤：

S1）收集电网拓扑结构资料，主要包括：发电机组、节点、支路线路、变压器、无功补偿及负荷参数，形成节点导纳矩阵；

S2）根据给定的运行条件确定电力系统的运行状态，是分析电力系统网络损耗的基础。本发明通过牛顿拉夫逊法对给定初始条件的电网进行潮流分析，得到功率方程的极坐标形式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：P_i、Q_i分别为节点的有功功率和无功功率，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij、B_ij分别为电网两个端节点i、j支路的电导和电纳，θ_ij＝θ_i-θ_j为同一电网支路两个端节点i、j的相角差。

S3）求出网络中各节点的发电机、负荷注入的有功功率、无功功率和相角，然后根据电力系统稳态分析理论，可以将所有发电机和负荷等效为独立节点电流源

${\stackrel{\·}{I}}_k={(S_k/{\stackrel{\·}{U}}_k)}^{*}=(P_k-{\mathrm{jQ}}_k)/{\stackrel{\·}{U}}_k^{*},k=(\mathrm{1,2,3}\·\·\·,n)---\left(2\right)$

式中，n为网络节点总数，k为网络节点编号，S_k为节点k注入的复功率，

为节点k的电压，P_k、Q_k分别为节点k的有功功率、无功功率。*表示复变量的共轭。

对等值后的网络，利用节点导纳矩阵建立节点电压方程：

式中，[I₁  I₂  …  I_n]^T是节点电流列向量，[U₁  U₂  …  U_n]^T是节点电压列向量，Y_n×n为n节点导纳矩阵。

利用叠加原理，求出各独立电流源单独作用下的各节点电压

${\stackrel{\·}{U}}_i^k={\stackrel{\·}{I}}_k/Y_{\mathrm{ik}}---\left(4\right)$

式中，Y_ik是网络节点导纳矩阵第i行第k列节点导纳参数。

独立电流源k对电网中l支路提供的电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{kl}}={\left[(Y_{\mathrm{ik}}-Y_{\mathrm{jk}})z_l\right]}^{-1}{\stackrel{\·}{I}}_k---\left(5\right)$

式中，z_l为l支路的阻抗，i、j分别为l支路的首、末节点编号。

根据电流叠加原理，支路l上的流过的电流

是所有电源（含等值负荷）对该支路提供的电流之和：

${\stackrel{\·}{I}}_l=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{kl}}---\left(6\right)$

设该支路l首末端电压分别为

则可得到支路功率损耗：

$\mathrm{\Δ}{S}_l=({\stackrel{\·}{U}}_i-{\stackrel{\·}{U}}_j){\stackrel{\·}{I}}_l^{*}---\left(7\right)$

同时，也可得到电源在支路l上的功率损耗：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}=({\stackrel{\·}{U}}_i-{\stackrel{\·}{U}}_j){\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{kl}}^{*}---\left(8\right)$

将上述公式（2）、（5）代入公式（8）有：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}=({\stackrel{\·}{U}}_i-{\stackrel{\·}{U}}_j)/{\stackrel{\·}{U}}_k\×(P_k+{\mathrm{JQ}}_k)/{\left[(Y_{\mathrm{ik}}-Y_{\mathrm{jk}})z_l\right]}^{*}---\left(9\right)$

令

λ_lk＝[(Y_ik-Y_jk)z_l]^-1，则式（9）简化为：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×(P_k+{\mathrm{jQ}}_k){\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(10\right)$

S4）由公式（10）可以看出，支路损耗是关于节点k有功功率、无功功率的函数，表明各发电机组和负荷（等效电流源）对各支路损耗的影响，忽略节点功率变化对节点电压的影响，可以方便的求出支路损耗因子：

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂P_k=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(11\right)$

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂Q_k=\mathrm{j\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(12\right)$

上式中，分别表示支路有功损耗因子和无功损耗因子，λ_lk＝[(Y_ik-Y_jk)z_l]^-1，

为λ_lk的共轭。通过求取支路损耗因子，可以明确各发电机组和负荷注入支路功率的变化对支路功率损耗的影响程度。

S5）当任意节点k注入功率变化后（除平衡节点外其他节点功率都不变），通过式（11）、（12）可以快速地计算出该节点功率变化引起其他支路损耗变化情况，为节能降损提供理论依据。

S6）对电网各节点支路损耗因子全面计算后，对电网局部进行针对性的节能改造。

S7）根据支路损耗因子合理调整、优化电网各节点的潮流分布，反复迭代操作，直至最大程度的降低各支路的功率损耗，进而降低全网络的网损。

Claims (7)

1.一种基于支路损耗因子分析的电网节能降损方法，主要包含以下步骤：

S1）收集电网潮流计算所需参数；

S2）利用牛顿拉夫逊法对电网进行潮流计算，得到电网功率方程的极坐标形式；

S3）计算出各发电机组和负荷对电网支路功率损耗的影响函数；

S4）根据步骤S3的函数，计算出各电网支路的功率损耗因子；

S5）根据各电网支路的功率损耗因子，对电网支路进行改造和优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1的参数包括电力系统网络拓扑结构，电网节点的有功功率、无功功率、电压相量、自导、互导纳，电网支路的电导、电纳、相角差、阻抗，并形成节点导纳矩阵，节点导纳矩阵是一个n×n的方阵，n为节点数，矩阵元素为各节点自导或互导纳参数值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S2的功率方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i={\stackrel{\·}{U}}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i={\stackrel{\·}{U}}_j\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：P_i、Q_i分别为电网节点i的有功功率和无功功率，

分别为节点i、同一电网另一节点j的电压相量，G_ij、B_ij分别为节点i、j所在支路l的电导和电纳，θ_ij＝θ_i-θ_j为同一电网支路l两个端节点i、j之间的相角差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3的计算方法包括：将发电机组和负荷进行等效，分别计算各发电机组和负荷单独作用于电网支路的电流分量，然后根据电流叠加原理，计算出各电网机组和负荷对支路功率损耗的影响函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

第l个电网支路、第k个电网节点的影响函数为：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×(P_k+{\mathrm{JQ}}_k){\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(10\right)$

其中，J表示复数符号，ΔS_kl为支路l上的功率损耗，

为节点k的电压相量，P_k、Q_k分别为节点k的有功功率、无功功率，

为λ_lk的共轭，λ_lk＝[(Y_ik-Y_jk)z_l]^-1，Y_ik、Y_jk分别是节点导纳矩阵第i、j行第k列节点的导纳参数，z_l为第l个电网支路的阻抗。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

各电网支路的功率损耗因子为：

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂P_k=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(11\right)$

$\∂\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{kl}}/\∂Q_k=\mathrm{J\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_l/{\stackrel{\·}{U}}_k\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}^{*}---\left(12\right)$

上式中，

分别表示各支路有功功率损耗因子和无功功率损耗因子。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5的改造、优化过程具体包括：

S51）当任意节点k注入功率变化后，通过式（11）、（12）计算出该节点功率变化引起其他支路损耗变化情况；

S52）对电网各支路的功率损耗因子全面计算后，对电网局部进行针对性的节能改造；

S53）根据支路损耗因子调整、优化电网各节点的潮流分布，反复迭代操作，直至最大程度的降低各支路的功率损耗，进而降低全网络的功率损耗。