CN107359612A - 一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于配电网能耗技术领域，具体地涉及一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，电能质量指标包括谐波、电压三相不平衡度、电压偏差以及无功功率，采集电气参数并建立各项电能质量指标线损模型，当谐波、电压三相不平衡、电压偏差以及无功功率中的两项或多项同时发生时，计算得到供电线路线损的总的增加量，实现电能质量对配电网能耗影响的综合评估。本发明把电能质量对配电网能耗影响的主要因素和影响机理系统化，并建立模型量化影响结果，能够实现单独一项或多项电能质量指标对配电网能耗影响的评估，能更客观和真实地反应配电网的能耗情况，为节能降耗提供可靠依据。

Description

一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法

技术领域

本发明属于配电网能耗技术领域，具体地涉及一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法。

背景技术

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，配电网的能耗问题也引起广泛关注，对影响能耗的因素、能耗的计算方法、某些因素的影响分析和降低能耗而采取的改进措施等方面均开展了大量研究，但是，电能质量指标作为影响配电网能耗的重要因素，却鲜有系统化的电能质量指标对配电网能耗的量化分析模型和评估方法。电能质量是多个指标的有机综合，每一个指标都能影响电网能耗，多个指标联系在一起，将更全面更完善的反映配电网能耗的整体情况，从而为节能降耗提供参考和保障。对于电能质量对配电网能耗的影响量化评估及节能增效策略研究，目前的研究多集中于谐波、过电压、三相不平衡对变压器和线路能耗的影响与分析及功率因数对线路能耗的影响及分析，已经做了一些量化分析工作，但往往是针对于单一指标对某一元件能耗的量化分析，或是影响某一元件能耗的所有因素的分析而并不只限于电能质量指标的影响的分析，针对配电网的所有电能质量相关指标对配电网损耗影响机理的系统量化分析与量化评估还尚未开展。

广西电网有限责任公司电力科学研究院的申请号为201510363247.4的发明公开了“一种电能质量对输电线路综合能耗影响的定量分析方法”、申请号为201510022743.3的发明公开了“一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量”，分别对输电线路和变压器的线损增加量进行了计算，这两项专利申请对多种电能质量问题扰动下的综合线损的合成方法描述不够具体，在分析电压偏差对线损的影响时假设负载是恒功率负载，这与实际情况不符，而且电压偏差会对变压器的固定损耗也有影响，但在申请中忽略了这部分影响，使结果不够准确。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，把电能质量对配电网能耗影响的主要因素和影响机理系统化，并量化影响结果，能更客观和真实地反应配电网的能耗情况，且不需要分别对变压器和线路的线损增加量进行分别计算，可以统一按照本发明的模型进行评估，为节能降耗提供可靠依据。

本发明的技术方案如下：

一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，电能质量指标主要包括谐波、三相不平衡度、电压偏差以及无功功率，通过采集配电网的电气参数、建立各项电能质量指标线损模型计算电能质量对配电网能耗影响量，完成电能质量对配电网能耗影响的综合评估，其评估方法如下：

S1：实时检测供电线路总电流I_L，按对称分量法分解得到其基波正序电流的有效值I_L1及其相位基波负序电流的有效值I_L2，并对总电流I_L进行FFT分析，得到各相各次谐波电流的有效值I_Lph，p＝a,b,c,，h为谐波次数，h＝2,3,4,5,……；

S2：实时检测供电线路母线电压U，按对称分量法分解得到基波正序电压的有效值U₁及其相位

S3：通过经验或者测量获得供电线路总等值负荷的有功功率静态电压特性系数α和无功功率静态电压特性系数β，其中：

式中，P为有功功率，Q为无功功率；

S4：建立谐波线损模型：电网谐波电压畸变率通常不大，对变压器的铁耗影响相对较小，能忽略不计；因此在评估谐波对配网损耗影响时，只需要计及谐波电流对配电网可变损耗(变压器和线路的铜耗)的损耗增加率a为：

S5：建立三相不平衡线损模型：电网电压的三相不平衡度很小，其对配网损耗的影响也很小，能忽略不计；主要评估三相电流不平衡引起的配网线损增加率γ为：

γ＝(I_L2/I_L1)²；

S6：建立电压偏差线损模型：电压偏差对配电网的固有损耗和可变线损都有影响，需要分两部分评估：

(1)配电网固定损耗(主要是配电变压器的铁耗，与电网运行电压的平方成正比)受电网运行电压偏差影响的线损增加率λ₀为：

λ₀＝2ΔU+ΔU²

式中，ΔU为供电线路母线电压基波正序分量偏离其额定电压的相对值，即：ΔU＝(U₁-U_N)/U_N，U_N为供电线路的额定电压；

(2)配电网可变线损(主要是线路和配电变压器的铜耗，与负载电流的平方成正比)受电网运行电压偏差影响的线损增加率λ₁为：

式中，为供电线路的总功率因数角，

S7：建立无功功率线损模型：电力系统一般要求用户的功率因数要达到0.9以上，当用户功率因数不达标时，造成的额外线损增加率Γ为：

S8：在所述四类主要电能质量指标扰动下，供电线路线损的总增加量ΔP′为：

ΔP′＝ΔP₁·(1+Γ)·(1+λ₁)·(1+γ+a)+ΔP_o·λ₀

式中，ΔP₁为供电线路的可变损耗，ΔP_o为供电线路的固定损耗。

优选地，所述步骤S4的谐波线损模型也能用如下计算式计算：

忽略谐波导致变压器的铁耗的增加量，只计及谐波电流对变压器铜耗的影响，此时变压器和线路都能等值为电阻，考虑等值电阻的集肤效应，电流畸变情况下的损耗精确计算式为：

式中，P_T为变压器铜耗，R_dc为变压器和线路的等值电阻，I_h为h次谐波电流有效值，h为谐波次数。

实际应用时，谐波电流存在较大波动，此时能用相对稳定并容易获得的总谐波畸变率来近似估算谐波导致的线损增加率α：

或

式中，THD为谐波电流总畸变率，I₁为基波电流。

优选地，所述步骤S6的电压偏差线损模型中，若忽略负荷的电压调节效应，即将负荷看作恒功率负荷时，所述有功功率静态电压特性系数α＝0，所述无功功率静态电压特性系数β＝0，所述可变损耗的增加率λ₁＝-2ΔU-ΔU²。

优选地，所述步骤S6的电压偏差线损模型中，若将负荷看作是恒电流，所述有功功率静态电压特性系数α＝1，所述无功功率静态电压特性系数β＝1，所述可变损耗的增加率λ₁＝0。

优选地，所述步骤S6的电压偏差线损模型中，若将负荷看作是恒阻抗，

所述有功功率静态电压特性系数α＝2，所述无功功率静态电压特性系数β＝2，所述可变损耗的增加率λ₁＝2ΔU+ΔU²。

本发明具有以下优点：

①本发明把电能质量对配电网能耗影响的主要因素和影响机理系统化，并建立模型量化影响结果，能更客观和真实地反应配电网的能耗情况，为节能降耗提供可靠依据。

②本发明不仅实现了单独一项电能质量指标对配电网能耗影响的评估，而且在此基础上可实现多项电能质量指标对配电网能耗综合影响的评估，能更简便、直观地反应能耗情况。

③不需要分别对变压器和线路的线损增加量进行分别计算，可以统一按照本发明的模型进行评估，结果精确、方法简便可靠。

附图说明

图1为本发明的实施例的10kV馈线线损仿真计算模型。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行说明，各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。

电能质量指标主要包括谐波、电压三相不平衡度、电压偏差以及无功功率，本发明的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，通过采集配电网的电气参数、建立各项电能质量指标线损模型计算电能质量对配电网能耗影响量，完成电能质量对配电网能耗影响的综合评估，其评估方法如下：

S1：实时检测供电线路总电流I_L，按对称分量法分解得到其基波正序电流的有效值I_L1及其相位基波负序电流的有效值I_L2，并对总电流I_L进行FFT分析，得到各相各次谐波电流的有效值I_Lph，p＝a,b,c,h为谐波次数，h＝2,3,4,5……；

S2：实时检测供电线路母线电压U，按对称分量法分解得到基波正序电压的有效值U₁及其相位

S3：通过经验或者测量获得供电线路总等值负荷的有功功率静态电压特性系数α和无功功率静态电压特性系数β，其中：

式中，P为有功功率，Q为无功功率；

S4：建立谐波线损模型：电网谐波电压畸变率通常不大，对变压器的铁耗影响相对较小，可忽略不计；因此在评估谐波对配网损耗影响时，只需要计及谐波电流对配电网可变损耗(变压器和线路的铜耗)的损耗增加率a为：

S5：建立三相不平衡线损模型：电网电压的三相不平衡度很小，其对配网损耗的影响也很小，可忽略不计；主要评估三相电流不平衡引起的配网线损增加率γ为：

γ＝(I_L2/I_L1)²

S6：建立电压偏差线损模型：电压偏差对配电网的固有损耗和可变线损都有影响，需要分两部分评估：

(1)配电网固定损耗(主要是配电变压器的铁耗，与电网运行电压的平方成正比)受电网运行电压偏差影响的线损增加率λ₀为：

λ₀＝2ΔU+ΔU²

式中，ΔU为供电线路母线电压基波正序分量偏离其额定电压的相对值，即：ΔU＝(U₁-U_N)/U_N，U_N为供电线路的额定电压；

(2)配电网可变线损(主要是线路和配电变压器的铜耗，与负载电流的平方成正比)受电网运行电压偏差影响的线损增加率λ₁为：

式中，为供电线路的总功率因数角，

1)若不考虑负荷的电压调节效应，即将负荷看作恒功率负荷时，则有功功率静态电压特性系数α＝0，无功功率静态电压特性系数β＝0，此时可变损耗的增加率λ₁＝-2ΔU-ΔU²，即适当升高电网运行电压有利于降低可变线损；

2)若将负荷看作是恒电流，此时有功功率静态电压特性系数α＝1，无功功率静态电压特性系数β＝1，可变损耗的增加率λ₁＝0，即可变损耗不受电压偏差影响；

3)若将负荷看作是恒阻抗，则有功功率静态电压特性系数α＝2，无功功率静态电压特性系数β＝2，此时，可变损耗的增加率λ₁＝2ΔU+ΔU²，即适当降低电网运行电压有利于降低可变线损。

S7：建立无功功率线损模型：电力系统一般要求用户的功率因数要达到0.9以上，当用户功率因数不达标时，造成的额外线损增加率Γ为：

S8：在四类主要电能质量指标扰动下，供电线路线损的总增加量ΔP′为：

ΔP′＝ΔP₁·(1+Γ)·(1+λ₁)·(1+γ+a)+ΔP_o·λ₀

式中，ΔP₁为供电线路的可变损耗，ΔP_o为供电线路的固定损耗。

以下是本发明的测量及计算结果：

(一)以下是三相三线制线路的几类典型非平衡负载分布情况下，采用本发明的评估方法评估得到的损耗增加率，如表1所示。

表1 典型非平衡负载的损耗增加系数值

表1给出的评估得到的损耗增加率，与理论分析结果完全吻合。

(二)综合性负荷的可变线损增加系数与电压偏差的关系如表2所示：

表2 可变线损增加系数与电压偏差的关系

电力系统分布广泛，节点数目较多，负荷难以计数，电压随节点位置、负荷水平不断发生变化，无法对每一个节点的电压进行监视和调整，通常是选择一些关键性的母线作为电压监视点。本发明建立的电压偏差线损模型有利于全面、直观的对配电网能耗进行评估。

(三)通过数据采集及模型计算，线损增加率与功率因数的关系如下表3所示：

表3 线损增加率与功率因数的关系

当功率因数达到0.9以上时，才能达到电网节能降耗的效果。

优选地，步骤S4的谐波线损模型也能用如下计算方法进行计算：

忽略谐波导致变压器的铁耗的增加量，只计及谐波电流对变压器铜耗的影响，此时变压器和线路都能等值为电阻，考虑等值电阻的集肤效应，电流畸变情况下的损耗精确计算式为：

式中，P_T为变压器铜耗，R_dc为变压器和线路的等值电阻，I_h为h次谐波电流有效值，h为谐波次数。

实际应用时，谐波电流存在较大波动，此时能用相对稳定并容易获得的总谐波畸变率来近似估算谐波导致的线损增加率α：

或

式中，THD_I为谐波电流总畸变率，I₁为基波电流。此评估方法不需要知道具体的谐波频谱，只需要总的谐波畸变率，就可以估算出损耗增加率。如果设置多个谐波叠加，结果也是一样，只要总谐波畸变率不变，损耗增加量就不变(不考虑集肤效应时)，考虑集肤效应会略有变化。

表4给出了某典型低压线路的谐波频谱及按照上述评估方法计算出来的谐波电流导致的线路损耗增加量，可见由于低压负荷的谐波电流的注入使得供电线路的线损增加了0.10723。

表4 典型非线性负载的谐波损耗系数值

利用PSCAD搭建了如图1所示的一条典型10kV馈线线路，通过仿真软件可以模拟各种电能质量扰动，分别通过PSCAD软件实测得到各种情况下的馈线总损耗，以及利用上述算法估算出来的总损耗，如表5所示。

表5 供电线路电能质量扰动下的线损估算分析

从表5可见，上述算法能够准确估算出各电能质量扰动所导致的损耗增加率，所得误差在1％以下，满足工程应用需求。

本发明综合评估了电能质量扰动导致的配网线损率增加量，在具体评估时可以先不考虑电能质量扰动，采用常规的理论线损计算方法，得到配电网的理论线损，通常包括：固定线损和可变线损两部分。然后采用本发明的评估方法，得到可变线损和固定线损在各电能质量扰动下的线损增加率，最后综合得到可变线损和固定线损的线损增加率，从而得到配电网总的线损增加量。

本发明具有以下优点：

①本发明把电能质量对配电网能耗影响的主要因素和影响机理系统化，并建立模型量化影响结果，能更客观和真实地反应配电网的能耗情况，为节能降耗提供可靠依据。

②本发明不仅实现了单独一项电能质量指标对配电网能耗影响的评估，而且在此基础上可实现多项电能质量指标对配电网能耗综合影响的评估，能更简便、直观地反应能耗情况。

③不需要分别对变压器和线路的线损增加量进行分别计算，可以统一按照本发明的模型进行评估，方法简便可靠。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，电能质量指标包括谐波、电压三相不平衡度、电压偏差以及无功功率，通过采集配电网的电气参数，建立各项电能质量指标线损模型，进而计算电能质量对配电网能耗影响量，完成电能质量对配电网能耗影响的综合评估。

2.根据权利要求1所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述评估方法能够实现单独一项电能质量指标对配电网能耗影响的评估，也能够实现多项电能质量指标对配电网能耗综合影响的评估。

3.根据权利要求1所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述评估方法不需要对变压器和线路的线损增加量进行分别计算。

4.根据权利要求1所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述评估方法通过谐波、电压三相不平衡度、电压偏差以及无功功率四种电能质量指标扰动所引起的配电网损耗的增加率，得到供电线路线损的总增加量。

5.根据权利要求4所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述评估方法具体包括如下步骤：

步骤一：实时检测供电线路总电流I_L和供电线路母线电压U；

步骤二：通过经验或者测量获得供电线路总等值负荷的有功功率静态电压特性系数α和无功功率静态电压特性系数β；

步骤三：建立谐波线损模型；

步骤四：建立三相不平衡线损模型；

步骤五：建立电压偏差线损模型；

步骤六：建立无功功率线损模型；

步骤七：计算供电线路线损的总增加量。

6.根据权利要求5所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，

所述步骤一中，在检测到供电线路总电流I_L后，按对称分量法分解得到其基波正序电流的有效值I_L1及其相位基波负序电流的有效值I_L2，并对总电流I_L进行FFT分析，得到各相各次谐波电流的有效值I_Lph，p＝a、b、c，h为谐波次数，h＝2,3,4,5,……。

7.根据权利要求6所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，

所述步骤一中，在检测到供电线路母线电压U后，按对称分量法分解得到基波正序电压的有效值U₁及其相位

8.根据权利要求5所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述步骤二中，

<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>P</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>U</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mi>U</mi> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>Q</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>U</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mi>U</mi> </mfrac> </mrow>

式中，P为有功功率，Q为无功功率。

9.根据权利要求7所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述步骤三中，所述谐波线损模型是谐波电流对配电网可变损耗的损耗增加率a，

<mrow> <mi>a</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> </mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>max</mi> </msub> </msubsup> <msqrt> <mi>h</mi> </msqrt> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>a</mi> <mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>b</mi> <mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>3</mn> <msubsup> <mi>I</mi> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

10.根据权利要求9所述的电能质量对配电网能耗影响的综合评估方法，其特征在于，所述步骤四中，所述三相不平衡线损模型是三相电流不平衡引起的配电网线损增加率γ，

γ＝(I_L2/I_L1)²。