CN107967544A - 一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其包括从系统能耗与节约电力电量等方面提炼出一套能效指标体系和评价指标基准值；以10kV辐射型配电线路的集中式固定串联补偿为对象，结合现有综合评价方法，进行组合与改进，建立一套新的综合评价模型。本发明提供的评价配电网串联无功补偿能效水平的有益成果：能够为电力用户节能降损、减少投资成本、增加产值提供可靠的技术支持，并有助于配电网的运行优化，为节能技改项目的规划实施提供导向和参考性方案。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统配电网技术领域，尤其涉及一种典型配电网串联无功补偿策略能效水平评价的方法。
背景技术
配电网作为最后一个直接与用户相连接的关键供电环节，其运行直接关系到广大城乡用户的用电质量。近年来，由于电力负荷的快速增长及配电网建设的相对落后，导致配电网电压质量恶化，配电网供电可靠性的提高和电能质量的优化已经成为电力行业不容忽视的紧迫任务。因此，采取有效措施改善配电网电压质量是非常有必要的。
串联补偿技术作为20世纪发展起来的新兴技术，其主要应用范围是高压长距离输电线路和电气化铁路供电系统。目前国内已经广泛认可串补技术作为一种能够提高线路输送能力和改善线路运行状况的经济而有效的技术大规模应用于超高压远距离输电系统。近年来，串联补偿技术在配电线路的应用也渐渐进入不少国内电力从业者的视野。串联补偿技术作为最近发展起来的新兴技术逐渐在配电线路上开始应用，配网串补技术能够改善辐射状配电线路沿线电压分布，减小供电线路末端的电压降落，并具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点，尤其适用于偏远山村的供电线路。实践表明，串补技术应用于辐射型配电线路中，能够有效改善线路末端电压不合格的情况。
电能质量不合格也会对电网能效产生影响，配电网的降损节能工作不但可以提高企业经济效益，挖掘配电设备供电能力，而且对国家能源利用、环境保护、资源优化配置极为有利，应当引起高度重视。在采用传统降损节能措施的同时，应加大科技投入，提高用电管理的技术水平和管理水平。为了对配电网进行节能潜力的更好挖掘以及节能技改资金配置的优化，从而更好地支持技改项目的实施，进行广泛的配电网能效评估的研究成为了极其重要的一项内容。
评估是评价主体对评价客体的一种意识反映，通过综合评价方法对评价客体做出整体性的判断，最终用一总指标表示评价客体所处水平。完整的一套评估方案应包括评估目的、评价主体、评价客体、评价指标、指标权重、评估模型、评估报告等组成。评价指标、指标权重系数及评估模型的确定是关键之处，也是难点所在。对于同一评估问题，不同的评估模型会产生不同的评估结果，因此，评估模型的选择显得尤为重要，所选评估模型应具备完善的理论基础，尽量降低人为主观因素对评估结果的影响，以真实地反映评估对象的真实水平。目前，应用较多的评估方法主要有层次分析法、数据包络分析法、模糊综合评判法、灰色关联分析法等。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种典型配电网串联无功补偿策略能效水平评价的方法，对配电网中线路、变压器等主要耗能元件进行建模，分析配电网能效影响因子，验证各能效影响因子能够不同程度影响配电系统的能效水平，从系统能耗或节约电力电量角度，建立用于直流配电网的能效评价指标体系，并针对建立的能效评价指标运用数学推导或仿真数据验证所构建指标的有效性和合理性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种典型配电网串联无功补偿策略能效水平评价的方法，所述方法包括：
步骤1)构建配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系：指标体系的建立主要是指标选取及指标之间结构关系的确立，主要包括明确系统目标、设置指标预选集、指标体系完善化处理、指标体系构建；
步骤2)简化数据结构：主成分分析法以少数综合变量(即主成分)取代原多维变量，简化数据结构；
步骤3)实施综合评价：以主成分的贡献率为权值进行加权平均，构建出综合评估函数；
步骤4)结合工程实例验证采用本发明提出的评价指标体系和综合评价方法可以用于评估配电网串联无功补偿策略的能效水平，过程科学，结果合理，具有可行性。
步骤1)中，构建配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系包括：
步骤1-1：在构建评标指标体系时，首先明确评价的目的，先对目标进行界定，划出目标范围；
步骤1-2：指标体系应涵盖为达到评价目的所需的基本内容，能反映对象的全部信息，评价指标体系的预选方法有综合法、指标属性分组法、交叉法、分析法等，最基本最常用的是分析法。预选的评价指标可以允许重复、不可操作或难操作、即求全不求优；
步骤1-3：评价指标并非多多益善，关键在于评价指标在评价过程中所起作用的大小，指标的精炼可减少评价的时间和成本，使评价活动易于开展，构建指标体系不仅是为了全面、有效地评价目标；
步骤1-4：以静态指标、动态指标、损耗指标三项指标构成配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系一级指标，其中静态指标类主要由平均供电半径、导线平均截面、功率因数、母线电压、变压器负载率五项二级指标来反映，动态指标类主要由供电电压合格率、电流谐波畸变率、三相负荷不平衡度三项二级指标来反映，损耗指标类主要由综合平均线损率和单条线路线损合格率两项二级指标来反映。
步骤2)中，假设一个原始数据表中的变量为x1,x2,......,xn，通过对原坐标系进行平移和旋转变换，使新坐标的原点与数据群点的重心重合，新坐标系的第一轴对应于数据变异的最大方向，其第二轴正交于第一轴，并且与数据变异的第二大方向相对应，依此类推。这些新轴分别被称为第一主轴u1，第二主轴u2……直至主轴u1,u2,......,um(m＜n)能够有效表示原数据的变异情况，则原n维空间被降至m维。
步骤3)中，实施综合评价，包括：
步骤3-1：对原始数据矩阵X进行标准化变换，过程如下：
步骤3-2：根据标准化后的数据矩阵计算其相关系数矩阵：
步骤3-3：求解相关矩阵R的特征方程，得到p个大于0的特征根，及相应的特征向量Ui，则p个主成分表示为：
步骤3-4：第i个主成分Yi的方差在全部方差中所占的比重υi，即为贡献率，用以反映原p个指标有多大的综合能力，累积贡献率γ表示前k个主成分共有多大的综合能力；
步骤3-5：各项权值为前m个主成分贡献率，则由m个主成分构建的综合评价函数为：
F＝υ1Y1+υ2Y2+…+υmYm
步骤4)中，结合工程实例验证采用本发明提出的评价指标体系和综合评价方法，以全线路电压最低点补偿至最低调压要求作为补偿目的，对三处备选点进行串补仿真。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在本发明实施例中，对配电网中线路、变压器等主要耗能元件进行建模，分析配电网能效影响因子，验证各能效影响因子能够不同程度影响配电系统的能效水平，从系统能耗或节约电力电量角度，建立用于直流配电网的能效评价指标体系，并针对建立的能效评价指标运用数学推导或仿真数据验证所构建指标的有效性和合理性。能够为电力用户节能降损、减少投资成本、增加产值提供可靠的技术支持，并有助于配电网的运行优化，为节能技改项目的规划实施提供导向和参考性方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍。
图1为配电网无功优化能效评估指标体系图；
图2为配电网无功补偿项目边界划分；
图3为不同补偿点补偿时线路电压分布图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将对本发明做进一步详细描述。
本发明提供的一种典型配电网串联无功补偿策略能效水平评价的方法，所述方法包括：
步骤1)构建配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系：
步骤1-1：在构建评标指标体系时，首先明确评价的目的，先对目标进行界定，划出目标范围；
步骤1-2：指标体系应涵盖为达到评价目的所需的基本内容，能反映对象的全部信息，评价指标体系的预选方法有综合法、指标属性分组法、交叉法、分析法等，最基本最常用的是分析法。预选的评价指标可以允许重复、不可操作或难操作、即求全不求优；
步骤1-3：评价指标并非多多益善，关键在于评价指标在评价过程中所起作用的大小，指标的精炼可减少评价的时间和成本，使评价活动易于开展，构建指标体系不仅是为了全面、有效地评价目标；
步骤1-4：以静态指标、动态指标、损耗指标三项指标构成配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系一级指标，其中静态指标类主要由平均供电半径、导线平均截面、功率因数、母线电压、变压器负载率五项二级指标来反映，动态指标类主要由供电电压合格率、电流谐波畸变率、三相负荷不平衡度三项二级指标来反映，损耗指标类主要由综合平均线损率和单条线路线损合格率两项二级指标来反映。
供电半径和导线截面：
由电阻公式知，配电系统损耗与导线长度，即供电半径成正比，与导线的截面成反比。为降低损耗，并考虑客观实际情况，应选择最优供电半径和较大截面的输电导线，故将平均供电半径与导线平均截面列入能效指标体系。
对于导线更换项目而言，为准确获得项目实施前后的节约电力电量，应将负荷工况调整为项目实施后的负荷工况，设项目实施后有功功率为P′，平均功率因数为则新工况下计算得项目实施前的功率损耗为
项目实施后的功率损耗为
则导线更换前后的节约电力为
相应的节约电量为
从以上公式可知，导线的截面对配电系统的损耗是负相关影响关系。
功率因数：
大量电力电子装置的应用不仅产生谐波污染，而且会导致上级交流电网及交流用户额外的功率损耗，降低交流侧功率因数，直接导致系统能效水平的降低。可通过无功补偿提高交流侧功率因数，从而提高系统的整体能效水平。无功补偿项目节能量核证的边界划分见图2所示。
系统总功率损耗可表示为
或用功率因数表示为
则无功补偿前后节约的电力可表示为
或为
节约电量可用下式表示：
可见，功率因数的高低对系统损耗有直接的影响。
母线电压：
电压调整是指通过调整变压器分接头，在母线上投切电容器及调相机调压等手段，在保证电压质量的基础上对电压作小幅度的调整.为正确决定调压的必要性，应先按如下条件进行判断：
当电网的可变损耗与固定损耗之比C大于下表数值时，提高电压水平有降损效果。
表1可变损耗与固定损耗之比的标准值(一)
| 电压提高率U％ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 铜铁损比C | 1.02 | 1.04 | 1.061 | 1.092 | 1.10 |
当电网的可变损耗与固定损耗之比C小于表5数值时，降低电压水平有降损效果。
表2可变损耗与固定损耗之比的标准值(二)
| 电压提高率U％ | -1 | -2 | -3 | -4 | -5 |
| 铜铁损比C | 0.98 | 0.96 | 0.941 | 0.922 | 0.903 |
电压提高率
调整电网运行电压可以降低配电网的线损，但并不是配电网的电压调得越高，线损电量就越小，或配电网的电压调得越低，线损电量就越小。因为在一个配电网中往往有多台变压器，其铁芯损耗是与电压的平方成正比的，而绕组中的损耗、铜损和输电线路电阻小的损耗(统称为可变损耗)则是与负荷电压的平方成反比的。对同样大小的负荷来讲。如果提高运行电压，则会导致铁损增大、可变损耗减小、因此。必须合理地调整电网的运行电压、以达到降损节能的目的。
变压器负载率：
在配电变压器选型时，主要应考虑变压器的容量选择：如果变压器容量过小，造成了过多的铜损；反之，如果容量过大，则相应的增加了铁损。由此，根据变压器需要供电的载荷，根据变压器的经济负载率来反推额定容量，是配电网变电规划部分节能降损的重要内容。
根据负荷增长情况，确定配电变压器容量，进行扩容。在扩容时按照《DL/T 985-2005配电变压器能效技术经济评价导则》根据配电变压器的技术参数、经济参数、运行参数对其进行技术经济分析，合理选择变压器容量。
变压器总功率损耗ΔPZ中的铁耗ΔPZ和运行电压U的平方成正比，铜损PCu和运行载荷S的平方成正比；由于运行电压U在额定电压附近，变压器铁耗近似等于变压器的空载损耗，也称为“不变损耗”；相应的，铜损随着变压器负载率的变化而变化，也称为“可变损耗”。铁耗和铜损两部分：即：
将变压器的总损耗和变压器载荷相比，可得到变压器运行中的损耗率：
当且仅当变压器运行中的不变损耗和可变损耗相等时，变压器的损耗率最低。此时变压器的经济负载率为：
供电电压合格率：
“电压合格率”是供电企业重要的技术考核指标之一,提高“电压合格率”是保证电力系统稳定运行的关键。电压合格率'是指实际运行电压在允许电压偏差范围内累计运行时间与对应的总运行统计时间之比的百分值。其计算方法为某监测点电压合格率一监测点电压超限时间监测点运行时间。电压波动会极大地影响工农业生产和广大居民的日常生活,为保证用电质量,必须加强系统的电压管理,保证系统电压合格率维持在一个较高的水平。
根据《电力网电能损耗计算导则》(DL/T 686-1999)，系统损耗可分为可变损耗和固定损耗，而电压的大小直接影响系统整体损耗的高低。电压过低导致可变损耗的增加，电压过高将使固定损耗变大，由此应合理规定运行电压范围，使固定损耗与可变损耗之和最小。
电流谐波畸变率：
谐波不仅会产生额外的功率损耗，降低电能的利用率，而且会影响设备的服务寿命。由于低压为三相四线系统，中性线在谐波的条件下有叠加电流，零序次谐波电流阻抗较小，故同时需要考虑中性线的损耗。由于基波的正、负序电流在中性线上叠加后为零，仅为由于负载不平衡引起零序电流。因此，三相四线系统线路谐波损耗为：
进行谐波治理后，线路可减少功率损耗为：
三相负荷不平衡度：
架空线等输电线路在规划设计及负荷配备时，已经考虑并采取了措施(架空线的换位)以降低负荷不平衡带来的影响。在直流配电系统中，对一些工业交流用电或低压台区用电，由于规模的扩建和负荷的易变，容易导致三相负荷的不平衡，不仅降低了线路输电能力，引起线路损耗的增加，而且缩短长期过载设备的使用寿命。对于用户终端来说，其能量消耗是一定的，不平衡影响较大的是电力线路及中性线的损耗。
设三相负荷电流不平衡度分别为
则三相负荷电流分别为
假设负荷调整前后的总负荷与各相负荷特性曲线不变，且A相负荷电流相角均为零。可得负荷调整前的中性线电流为
负荷调整后，中性线电流为
整理得负荷调整前后的节电力为
步骤2)中，假设一个原始数据表中的变量为x1,x2,......,xn，通过对原坐标系进行平移和旋转变换，使新坐标的原点与数据群点的重心重合，新坐标系的第一轴对应于数据变异的最大方向，其第二轴正交于第一轴，并且与数据变异的第二大方向相对应，依此类推。这些新轴分别被称为第一主轴u1，第二主轴u2……直至主轴u1,u2,......,um(m＜n)能够有效表示原数据的变异情况，则原n维空间被降至m维。
步骤3)中，实施综合评价，包括：
步骤3-1：对原始数据矩阵X进行标准化变换，过程如下：
步骤3-2：根据标准化后的数据矩阵计算其相关系数矩阵：
步骤3-3：求解相关矩阵R的特征方程，得到p个大于0的特征根，及相应的特征向量Ui，则p个主成分表示为：
步骤3-4：第i个主成分Yi的方差在全部方差中所占的比重υi，即为贡献率，用以反映原p个指标有多大的综合能力，累积贡献率γ表示前k个主成分共有多大的综合能力；
步骤3-5：各项权值为前m个主成分贡献率，则由m个主成分构建的综合评价函数为：
F＝υ1Y1+υ2Y2+...+υmYm
补偿方案一1)串补度：2.0；2)串补的容抗：1.7欧姆；3)串补的位置32号杆处；
补偿方案二1)串补度：2.3；2)串补的容抗：4.1欧姆；3)串补的位置73号杆处；
表3评价指标初始数据
| 评估指标 | 补偿前 | 补偿方案一 | 补偿方案二 |
| 平均供电半径 | 16.5 | 16.5 | 16.5 |
| 导线平均截面 | 185 | 185 | 185 |
| 功率因数 | 0.91 | 0.934 | 0.945 |
| 母线电压 | 10kv | 10kv | 10kv |
| 变压器负载率 | 70％ | 70％ | 70％ |
| 供电电压合格率 | 0.97 | 1 | 1 |
| 电流谐波畸变率 | 4.2％ | 4.2％ | 4.2％ |
| 三相负荷不平衡度 | 8％ | 8％ | 8％ |
| 综合平均线损 | 267.9kw | 222.2kw | 215kw |
| 单条线路线损合格率 | 82％ | 89％ | 91％ |
采用主成分法对原始配电网和加装固定串补装置后的配电网进行能效水平的评估；
表4评价结果
| 补偿前 | 方案一 | 方案二 |
| 83.13 | 91.35 | 94.7 |
通过评估分析得出，上港线路主线#73分接点基本位于全线路电压降落1/2左右处，加装后电压质量得到明显改善，主线#73杆处安装串补的整体效果要优于#32，因此，建议将主线#73杆处确定为串联补偿电容器安装点，串补容抗为4.1，三相额定容量为1.42MVar；
步骤4)中，结合工程实例验证采用本发明提出的评价指标体系和综合评价方法，以全线路电压最低点补偿至最低调压要求作为补偿目的，对三处备选点进行串补仿真；
由于串联电容器对其后方的线路参数并没有明显影响，串补前后其后方电压降落趋势几乎一致，通过计算可粗略得出需要的串补容抗大小，在线路模型中添加相应元件并设置好初步参数，如有需要，具体数值可以参考PSASP第一次仿真输出的结果进行微调，不同补偿点补偿后全线路电压分布对比如图3所示；
表5不同补偿点补偿效果对比
Claims (4)
1.一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其特征在于：所述系统包括以下步骤：
步骤1)构建配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系：指标体系的建立主要是指标选取及指标之间结构关系的确立，主要包括明确系统目标、设置指标预选集、指标体系完善化处理、指标体系构建；
步骤2)简化数据结构：主成分分析法以少数综合变量(即主成分)取代原多维变量，简化数据结构；
步骤3)实施综合评价：以主成分的贡献率为权值进行加权平均，构建出综合评估函数；
步骤4)结合工程实例验证采用本发明提出的评价指标体系和综合评价方法可以用于评估配电网串联无功补偿策略的能效水平，过程科学，结果合理，具有可行性。
2.根据权利要求1所述的一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其特征在于：所述步骤1包括：
步骤1-1：在构建评标指标体系时，首先明确评价的目的，先对目标进行界定，划出目标范围；
步骤1-2：指标体系应涵盖为达到评价目的所需的基本内容，能反映对象的全部信息，评价指标体系的预选方法有综合法、指标属性分组法、交叉法、分析法等，最基本最常用的是分析法。预选的评价指标可以允许重复、不可操作或难操作、即求全不求优；
步骤1-3：评价指标并非多多益善，关键在于评价指标在评价过程中所起作用的大小，指标的精炼可减少评价的时间和成本，使评价活动易于开展，构建指标体系不仅是为了全面、有效地评价目标；
步骤1-4：以静态指标、动态指标、损耗指标三项指标构成配电网串联无功补偿策略的能效水平评价指标体系一级指标，其中静态指标类主要由平均供电半径、导线平均截面、功率因数、母线电压、变压器负载率五项二级指标来反映，动态指标类主要由供电电压合格率、电流谐波畸变率、三相负荷不平衡度三项二级指标来反映，损耗指标类主要由综合平均线损率和单条线路线损合格率两项二级指标来反映。
3.根据权利要求1所述的一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其特征在于：所述步骤2中，假设一个原始数据表中的变量为x1,x2,......,xn，通过对原坐标系进行平移和旋转变换，使新坐标的原点与数据群点的重心重合，新坐标系的第一轴对应于数据变异的最大方向，其第二轴正交于第一轴，并且与数据变异的第二大方向相对应，依此类推。这些新轴分别被称为第一主轴u1，第二主轴u2……直至主轴u1,u2,......,um(m＜n)能够有效表示原数据的变异情况，则原n维空间被降至m维。
4.根据权利要求1所述的一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其特征在于：所述步骤3包括：
步骤3-1：对原始数据矩阵X进行标准化变换，过程如下：
步骤3-2：根据标准化后的数据矩阵计算其相关系数矩阵：
步骤3-3：求解相关矩阵R的特征方程，得到p个大于0的特征根，及相应的特征向量Ui，则p个主成分表示为：
步骤3-4：第i个主成分Yi的方差在全部方差中所占的比重vi，即为贡献率，用以反映原p个指标有多大的综合能力，累积贡献率γ表示前k个主成分共有多大的综合能力；
步骤3-5：各项权值为前m个主成分贡献率，则由m个主成分构建的综合评价函数为：
F＝v1Y1+v2Y2+…+vmYm
根据权利要求1所述的一种典型配电网串联无功补偿策略的能效水平评价方法，其特征在于：所述步骤4中，以全线路电压最低点补偿至最低调压要求作为补偿目的，对三处备选点进行串补仿真。
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