配电网损耗机理及理论线损计算研究述评

　　摘要：分析了配电网损耗产生的物理机理，并综述了当前常用的配电网理论线损计算方法，评价了各自的优缺点。首先将配网损耗分为设备损耗和运行附加损耗两类，给出各自的分析计算公式。而后分别介绍电网理论线损计算的传统算法、潮流算法和智能算法及其特点，在此基础上，指出电网理论线损预测算法的发展前景。
　　关键词：配电网；损耗机理；线损计算；预测
　　0引言
　　近年来，我国坚持贯彻落实科学发展观，为应对气候变化，要求各行业大力开展节能减排工作。2008年，全国电网综合线损率达到6.79%，比2007年下降了0.18个百分点；其中，南方电网综合线损率已降至6.68%，比2002年下降了1.31个百分点，节约电量67亿千瓦时，效果显著[1-2]。然而，相比西方发达国家，我国电力行业能效水平依然很低，电力发、输、配、用环节的损耗依然较高，这其中，配电部分尤为明显。据统计，在整个电力系统中，我国配网侧电能损耗占总损耗的15%以上。因此，我国电力行业要推动节能减排，首当其冲的是全面提高配网侧能效。
　　电网损耗有其自身的规律和特点，只有从本质上掌握目标配网的损耗机理，才能提出有效的降损策略。与此同时，要实现对配网损耗的准确描述和定量评估，必须掌握线损计算的工具。在此，本文对当前在这一领域的研究现状及成果进行综述，以作为进一步研究的参考和依据。
　　1配网损耗机理
　　配网中的电能损耗主要分为设备损耗和运行附加损耗，其中设备损耗主要是线路损耗和变压器损耗。不合理的运行方式，如三相不平衡、运行电压不合理、谐波等因素会在配网中产生一定量的附加损耗[3-5]。
　　1.1设备损耗
　　1.1.1线路有功损耗ΔPL
　　线路有功损耗ΔPL计算式如下：
　　(1)
　　式中，RL为线路等值电阻；IL为线路输送电流；P为线路输送的有功功率；U为线路运行电压；cosφ为线路运行功率因数。
　　1.1.2变压器有功损耗ΔPT
　　变压器有功损耗ΔPT计算式如下：
　　(2)
　　式中，ΔPCu、ΔPFe为变压器负载有功损耗和空载有功损耗；S、SN为运行视在功率和额定视在功率；U、UN为运行电压和额定电压；ΔPk、ΔP0依次为短路损耗、空载损耗。
　　1.1.3电容、电抗有功损耗ΔPC、ΔPE
　　电容器在配电网中起到补偿无功的作用，但电容器的投运本身也会产生一定的有功损耗： ΔPC=QCtana(3)
　　式中，ΔPC为电容器有功损耗，QC为电容器的额定容量，tana为电容器介质损耗角。
　　同样的，串联电抗器也会导致一部分有功损耗：
　　(4)
　　式中，ΔPE为电抗器有功损耗，ΔPK为电抗器的额定工况损耗，IN为电抗器额定电流。
　　1.1.4设备老化损耗ΔPold
　　变压器、线路、开关、电容器等设备老化或接触不良将导致电网的等值电阻Req增大，产生接触电阻Rold，从而导致配网的有功损耗增大。不存在接触电阻时有功损耗为I2Req；存在接触电阻时，有功损耗为I2(Req+Rold)，因此，这部分附加的损耗为：
　　ΔPold=I2Rold(5)
　　1.2运行附加损耗
　　1.2.1三相不平衡附加损耗ΔΔPub
　　三相不平衡时三相配电线路和配变三相绕组将产生附加损耗ΔΔPub，计算式如下：
　　(6)
　　式中，ΔPub、ΔPb分别为三相不平衡和平衡时的有功损耗；IA、IB、IC为三相电流，当三相平衡时则各相电流IA=IB=IC=(IA+IB+IC)/3。
　　1.2.2运行电压不合理附加损耗ΔΔPvr
　　配电网的损耗实际上可分为可变损耗和固定损耗，前者包括线路损耗和配变铜损，和电压平方成反比，后者主要是配变铁损，与电压平方成正比。具体如下公式：
　　(7)
　　式中，ΔP为配电网总有功损耗；Req配电线路等值电阻和配变负载等值电阻之和；ΔP0i为第i台配变铁损；U为配网运行电压。上式两边同时对U求导可得：
　　(8)
　　令上式等于0可得总有功损耗取得最小值ΔPmin时对应的电压值Umin。当运行电压偏离Umin值时，无论是电压升高或降低都将使配网将产生附加的运行有功损耗，如下式所示：
　　ΔΔPvr=ΔP-ΔPmin(9)
　　1.2.3谐波附加损耗ΔΔPhw
　　当配电网中存在谐波电流时，非正弦周期电流的有效值IΣ等于其基波分量I1与各次谐波分量有效值Ih（h=2,3,4,……）的平方和的平方根值：
　　(10)
　　从而谐波存在时，IΣ流过电阻为R的线路所导致附加损耗ΔΔPhw为：
　　ΔΔPhw=IΣ2R－I12R(11)
　　2配网理论线损计算
　　理论线损计算一直是电力系统研究的热点技术之一。在近几十年的发展中，理论线损计算方法已形成三个类别：传统算法，潮流算法，智能算法。
　　2.1传统算法
　　传统算法以均方根电流法、平均电流法、最大电流法等为代表，常用的还有等值电阻法、分散系数法、回归分析法等[6]。
　　均方根电流法是通过对目标电网或元件进行代表日24小时负荷电流测量，得出实测负荷曲线，然后近似认为每小时负荷不变，逐小时计算线损，从而累加得到代表日日线损的方法。均方根电流法原理简单，易于掌握，对局部电网或单个元件损耗计算比较有效，是目前工程常用的计算方法。当考虑到日负荷波动频繁、代表日不可靠、计算精度要求高等因素时，均方根电流法显示出局限性。
　　等值电阻法是对电网或元件电阻进行理论等值后，代入负荷电流进行损耗计算的一类方法。在实际电网中，这类方法往往造成较大误差，原因在于实际系统中存在大量的电容、电感设备，以及不可见的设备老化接触电阻，严重影响计算精度。
　　回归分析法是通过建立回归分析方程计算和校准理论线损的方法。这类方法对规模配电网计算精度高，适用性好。其计算精度主要依赖于对全网数据的正确分类和准确采样，通常需要抽取大量的样本进行计算。
　　2.2潮流算法
　　潮流算法是对电网进行动态潮流计算的精确算法，主要包括前推回代法、动态潮流法、损耗功率累加法、损耗功率插值法、节点等效功率法等[7]。
　　前推回代法主要用于6~10kV单辐射状配网潮流计算，根据潮流计算定理先预设电压参数，计算潮流后，校正预设参数至满足精度要求，在此基础上直接计算配网各部分的功率损耗。
　　动态潮流法是基于实际系统运行规律，通过不同时刻采样并采用插值求取动态有功、无功值，最终累加得到动态潮流及其损耗电量的方法，其精确度取决于采样及差值计算的拟合准确度。动态潮流法精度高、使用灵活，能适用于系统在线计算，在较大规模电网的实时计算中有明显优势。
　　节点等效功率法是把计算时段内随着时间变化的各个节点的注入功率处理为节点的等效功率，而后用潮流计算来确定系统各部分的损耗电量。算法通过将负荷曲线阶梯化或者查负荷曲线形状系数来获取节点等效功率。在节点功率变化幅度不大的情况下，该算法可以取得较好效果。此外，该算法的另一个优点是，计算所需原始资料的获取十分简便，且准确可靠，主要来自电度表数据。
　　文献[8]提出一种基于网络最大流概念的配网理论线损计算方法。该算法将大大简化了节点编号及原始数据准备工作，只需指定网络的发点及收点，其余各点可任意标号，有利于计算机处理，也为可视化配网线损计算软件的开发提供了有利条件。缺陷在于，只能用于单电源配网的线损计算，而不能适应多电源配网。
　　文献[9]提出一种合理地获取负荷并基于该负荷进行准确潮流计算的线损计算方法。首先将配电网负荷和支路信息分类，通过支路信息将原网络分解为若干个等效网络；其次为无自动化量测的负荷用户设置的假设条件也最大限度地满足工程需求，最后将所有获取负荷的计算统一为期望负荷分配因子和期望负荷的计算。根据不同置信度的期望负荷为配电网匹配潮流提供负荷数据及其修正，得到理论线损的计算结果。该方法能有效提高计算精度，所能获取的信息也更为全面。
　　2.3智能算法
　　智能算法是随着近年来计算机技术发展和各种神经网络、遗传算法、粒子群算法等模拟生物智能的技术成熟而得到广泛应用的新型算法。将智能算法应用于线损理论计算时间不长，已有的算法主要使用神经网络、遗传算法来拟合和计算配网线损[10-12]。
　　文献[13]提出利用GA优化的ANN模型，用于计算中压配电线路的实时线损。该算法利用SCADA系统实时数据进行计算，能够同时进行在线、离线计算。利用GA优化的ANN模型进行线损计算，能够考虑损耗的时域特性和各节点的负荷曲线形状，且模型简单，具有较好的鲁棒性和适应性，平均计算精度高达2.42%，适用于农村配电线路线损的实时计算。
　　文献[14]提出一种将神经网络BP算法与GA算法结合，用于计算配电网线损的新型智能算法。对于有代表性的配电线路的线损与特征参数的样本数据，先作标准化处理，再进行分群，最后用GA与BP结合的新算法映射线损与特征参数之间的复杂关系。该算法收敛速度快，准确度高，避免了常规BP算法容易陷入局部极小而基本遗传算法过早收敛的缺点。
　　文献[15]针对BP神经网络学习速度慢、容易陷入局部极小的缺点，提出了一种基于免疫遗传算法(IGA)的人工神经网络计算配电网的理论线损。该算法在遗传算法的基础上引入生物免疫系统中的多样性保持机制和抗体浓度调节机制，克服了GA算法的搜索效率低、个体多样性差及早熟现象，扩大了神经网络的权值搜索空间，提高了网络系统的学习效率和精度。
　　文献[16]首次提出，利用电网参数、负荷量的预测数据进行理论线损率的神经网络预测，开启了利用线损影响因素预测理论线损率的新思路。该方案计及多种电网发展的相关因素，能较准确的预测电网线损率，不足在于体系复杂，所需的参数众多，且耗时长。
　　根据当前用户对供电电压质量、可靠性的高要求，以及推进节能减排的需要，系统在线监测和控制技术正得到大力推广。为实现线损管理的实时化、在线化，配网理论线损计算技术的精度和速度，以及对电网的适应度等正面临巨大挑战。因此，智能算法正得到越来越多的关注。与此同时，线损预测技术也是一种极具潜力的发展方向，特别是在线预测技术。
　　近些年，针对中、长期负荷预测的模型和算法已经得到深度发展，各种模型在应对电网发展及其规划问题时已经能够基本解决负荷的高精度预测问题。然而，在线损预测方面，这类技术没有得到重视。随着电网节能政策的推进，电网节能改造、节能规划已经越来越多的进入到电力工业技术领域。做好配网理论线损的预计算及预评估，能够指导配网做出最高效、最节能的电网建设和运行方案。在对电网规划方案进行比较、优选时，对待选方案进行线损预评估，也能为电网节能性指标提供能为客观、更为准确的依据。
　　3结语
　　配网损耗机理及理论线损计算是研究配网节能经济规划和运行的重要组成部分，只有透彻分析配网损耗的组成及其损耗机理，并不断深化损耗模型的仿真性和适应性，才能引导我们正确认识配网损耗的特点，从而提出合理的对策；只有掌握理论线损计算的有效工具，才能对配网运行状况及其技术改造成效构成定量描述，才能适应当前电子化、网络化、信息化、自动化、智能化的电网的运行管理要求。
　　参考文献：
　　[1]魏一鸣，等．中国能源报告(2008)：碳排放研究．科学出版社，2008．
　　[2]中国电力企业联合会．电力行业节能减排政策综述及规章选编．中国电力出版社，2008．
　　[3]赵全乐．线损管理手册．中国电力出版社，2007．
　　[4]雷铭．电力网降损节能手册．中国电力出版社，2005．
　　[5]林辉．线损理论计算模型、算法及其应用．华南理工大学，2003．
　　[6]贾延峰，王业强，刘莉．配电网理论线损计算的研究．沈阳工程学院学报(自然科学版)，2005，1(2)：68-70．
　　[7]丁心海，罗毅芳，刘巍，等．配电网线损理论计算的一种新实用方法-改进迭代法．中国电力，2000，33(4)：70-72．
　　[8]周建英，宋奕冰，刘宪林，等．网络最大流法在配电网线损计算中的应用．电力系统及其自动化学报，2000，12(5)：11-14．
　　[9]陈得治，郭志忠．基于负荷获取和匹配潮流方法的配电网理论线损计算．电网技术，2005，29(1)：80-84．
　　[10]LevitinG，KalyuzhnyA，ShenkmanA，etal．Optimalcapacitorallocationindistributionsystemsusingageneticalgorithmandafastenergylosscomputationtechnique[J]．PowerDelivery，IEEETransactionson，2000，15(2)：623-628．
　　[11]HsuCT，YM，ChenCE，etal．Distributionfeederlossanalysisbyusinganartificialneuralnetwork[J]．ElectricPowerSystemsResearch，1995，34(2)：85-90．
　　[12]潘艳蓉．配电网线损考核指标及降损策略的研究．武汉大学，2004．
　　[13]袁慧梅，郭喜庆．配电网线损的实时计算方法．中国农业大学学报，2000，5(6)：90-93．
　　[14]辛开远，杨玉华，陈富．计算配电网线损的GA与BP结合的新方法．中国电机工程学报，2002，22(2)：79-82．
　　[15]李秀卿，赵丽娜，孟庆然，等．IGA优化的神经网络计算配电网理论线损．电力系统及其自动化学报，2009，21(5)：87-91．
　　[16]李自若．基于神经网络的A市电网理论线损率的预测．重庆大学，2006．