配电网中理论线损计算方法及降损措施.docx
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配电网中理论线损计算方法及降损措施
毕业设计
题目配电网中理论线损计算方法及降损措施
学院自动化与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
二〇一七年三月三十一日
配电网中理论线损计算方法及降损措施
摘要
线损率是综合反映电力网规划设计、生产运行和经营管理水平的主要经济技术指标。
降低线损率，可以减少电能传输能耗，提高电力供应能力，增加供电企业经济效益。
研究配电网理论线损计算方法有很重要的理论与实际意义。
本文阐述了进行配电网线损计算的意义和线损的基本概念，在理论研究方面，本文通过对几种常用配电网线损计算方法的分析比较，主要采用改进等值电阻法进行配电网线损计算，目的是为了降低配电网电能损耗、加强电网的经济运行。
关键词：
配电网；理论线损计算；改进等值电阻法；电能损耗
1、配电网理论线损计算
配电网理论线损计算是对电能在输送和分配过程中各元件产生的电能损耗进行计算及各类损耗所占比例，确定配电网线损的变化规律。
配电网线损是电力部门一项综合性的经济、技术指标，是国家考核电力部门的一项重要指标。
多年来，随着配电网理论线损计算理论、方法和技术的不断丰富，人们研究出各种不同的计算方法，计算精度达到较高水平。
但由于配电网结构的复杂性、参数多样性和资料不完善以及缺乏实时监控设备等因素，准确计算配电网理论线损比较困难，一直是个难题。
为解决这一难题，众多科研工作者从理论到实践不断深入研究配电网理论线损计算方法，希望研究出更加适合配电网理论线损计算的新方法，更加快速、准确地计算配电网理论线损，满足电力部门配电网线损的分析和管理需要。
1.1国内外研究动态和趋势
配电网理论线损计算方法从二十世纪三十年代就有国外学者开始研究，研究电能在配电网络传输的过程中产生的损耗量，分析各元件产生电能损耗的原理，建立数学模型。
随着计算机技术的快速发展，以计算机为辅助工具，加速各种计算方法的研究和发展，计算精度逐步提高，逐步应用于工程实际。
到二十世纪后期，各种配电网理论线损计算方法已经成熟，开始广泛应用于各级配电网理论线损计算实际工作中，取得了很好的效果。
近几年来，随着配电网系统的迅速发展，配电网络结构更加趋于复杂化，为配电网理论线损计算增加了难度；配电网自动化系统逐步应用，加强配电网的监控，各种数据采集变得容易，为配电网理论线损计算提供丰富的运行数据资料，正是由于以上两个方面，需要研究新的更加适合于目前配电网实际情况的理论线损计算方法，从而推动计算方法研究不断深入。
目前，国内外发表的配电网理论线损计算方法的文献很多，其采用的计算方法和计算结果的精度也各有不同，综合起来主要有以下几种类型。
1.2传统的配电网理论线损计算方法
传统的配电网理论线损计算方法，主要分为两类，一类是依据网络主要损耗元件的物理特征建立的各种等值模型算法；一类是根据馈线数据建立的各种统计模型。
传统等值模型计算方法中按计算精度又分为两类，一类是计算精度较低的简化近似法；一类是计算精度高的精确计算方法。
10kV配电网等值模型计算方法如均方根电流法、平均电流法、最大电流法、等值电阻法等，低压配电网等值模型计算方法如等值电阻法、电压损失法、台区损失率法等，这类方法是典型的传统等值模型计算方法中比较粗略的简化近似法，计算精度不高，不便于降损分析，但由于需要的数据资料少，计算方法简单，便于计算机编程，计算精度能够满足工程要求，所以在实际工程中广泛应用；潮流法是典型的传统等值模型计算方法中计算精度高的精确计算方法，计算精度高，能够精确计算配电网理论线损，但由于配电网结果复杂，表计不全，运行参数无法全部收集，或者网络的元件和节点数太多，运行数据和结构参数的收集、整理很困难等因素，无法采用潮流方法，所以在实际工程中很少应用。
概率统计模型是一种统计模型，分为配电线路概率统计模型和配电变压器概率统计模型，是一种简化计算模型，需要的数据资料少，在计算配电线路和配电变压器等值电阻方面，只需要配电变压器容量、数量等较少参数就可以计算，这种计算方法是基于概率统计的基础上，因此计算精度低，很少在实际工程中应用。
1.3配电网理论线损计算方法新进展
近年来，随着各项科学技术和各种理论迅速发展，配电网理论线损计算方法研究也取得了很大的进展，新的计算方法不断出现，这些方法为配电网理论线损计算方法的研究提供了有力的工具，拓宽了新思路。
新发展起来的配电网理论线损计算方法主要有：
潮流改进算法、遗传与人工神经网络结合算法、模糊识别算法等。
1.3.1潮流改进算法
对配电网理论线损计算，在对精度要求较高的场合下，多彩用潮流计算的方法，提高计算精度。
传统的潮流计算方法有牛顿法、PQ分解法、等效节点功率法、损耗累加法等，由于配电网网络结构复杂、负荷节点数量多、运行数据收集不全、数据整理困难等因素，传统的潮流法很难采用。
基于这种情况，部分学者对潮流算法中的部分算法进行了深入研究并加以改进，形成新的算法，主要有改进迭代法、前推回推区间迭代法、匹配潮流法等。
迭代法是一种非线性方程组求解方法，将其应用于潮流法，求解潮流方程，在求解过程中，在初始条件参数基础上，经过多次迭代，达到收敛条件，停止迭代。
改进迭代法和前推回推区间迭代法是对常规迭代法进行改进。
改进迭代法根据配电网得实际情况和网络特点，充分利用现有运行参数，将数据结构中的链表技术和“前推回代”潮流算法结合起来，运用于配电网理论线损计算。
这种算法重要特征是引入链表技术－“节点双亲孩子兄弟链表”，是根据网络中节点与支路得关联关系，由动态指针将网络中得各节点链接起来而形成链表。
以此链表为基础，由“前推回代”潮流算法求得配电网潮流分布，进而求得线损及其分布。
此算法在处理负荷时依然使用《电力网电能损耗计算导则》中的简化方法处理，影响计算精度。
前推回推区间迭代法是建立在数据区间概念基础之上。
数据区间是属于数学范畴，用来求解问题的未知解所在的范围或求取区间解。
在实际工程中，当一个问题的原始数据不能精确地被知道，而只知其包含在给定的界限范围内，或者原始数据本身就是一个区间而非某个点值时，就可以用这一方法求解。
传统的迭代法属于点迭代法，如牛顿法，负荷和其它参数是用一个数值，而不是用一个数值的范围即区间来表示，求解都是系统的瞬时状态，不符合实际。
前推回推区间迭代法正是使用负荷和参数变化区间来表示，不但可以处理具有不确定性的点信息，而且可以方便地求解给定时间段上系统状态量的变化范围，从而能更全面真实地反映系统的状态。
但这种计算方法在负荷处理上，采用区间方法定量描述缺乏量测的负荷变化，只利用变压器容量信息，并没有考虑实际配电网中的少数自动化量测信息及典型用户的变化规律，使得计算的理论线损结果的有效性和合理性不够充分。
匹配潮流法是以潮流法为基础，以配电网自动化系统采集数据为前提进行理论线损计算的。
匹配潮流法主要是如何确定配电网各节点负荷功率。
在获取节点负荷功率后，在求解潮流时，用线路量测冗余信息来修正配电网节点负荷，从而使潮流解更趋于合理，收敛性好，数值稳定性好，计算效率高（陈得治等，2005）。
匹配潮流法将配电网理论线损计算范围扩展到支路损耗，而不向其他计算方法是将整体馈线作为计算对象，有利于帮助运行人员考察配电网局部理论线损值及变化情况，制定降损措施。
该方法很好地考虑了目前配电网的实际情况，有普遍性，适合城市配电网结构，但在配电网节点负荷功率获取方面，一是依赖配电网自动化系统的实时量测信息，条件苛刻，二是对于没有实时量测信息的配电网节点负荷功率，则节点负荷功率的获取依然采用传统的方法，仍需要进一步研究。
1.4主要内容
目前，对于配电网理论线损计算方法，结合配电网实际情况，国内外进行了大量的理论研究，达到了较高的水平，部分计算方法已投入实际应用，取得了较好的结算结果。
对发、供电企业来说，降低电能损耗，就意味着节约能源，增加经济效益。
目前，供电企业在配电网理论线损计算方面开展较少，特别是0.4kV低压配电网，几乎没有开展理论线损计算，基本是以电量为数据，通过简单的线损率计算公式计算，计算方法原始，不能计算出理论线损，不能开展科学的降损分析，不能制定出合理的降损措施，这种状况即跟不上科学技术发展的步伐，也不能满足电力部门的要求。
有鉴于此，针对县市供电企业配电网理论线损计算问题，结合配电网的实际情况，对配电网理论线损计算方法进行研究，研究出一种需要数据资料少、计算速度快、计算结果精度高的计算方法。
因此，本文的主要内容如下：
1.分析配电网理论线损计算步骤和过程；
2.对现有常用的配电网理论线损计算方法进行研究，并分析其特点；
3.分析影响配电网理论线损计算的因素；
4.改进等值电阻法理论研究；
5.配电网降损措施研究。
2配电网理论线损计算
2.1配电网理论线损计算特点
配电网理论线损计算是根据配电网结构参数和运行数据来计算配电网理论线损，所以配电网理论线损计算工作研究的对象是网络结构基本固定、负荷实时变化的配电网，根据配电网的结构和负荷类型需要采用适当的计算方法和计算模型，计算出配电网理论线损。
因此其特点如下：
2.1.1不准确性
由于配电网网络结构的复杂性，负荷功率性质的多样性，负荷功率实时变化性，外部环境条件不确定性，要完全准确计算出配电网理论线损实际是不可能的，无论采用哪种计算方法和计算模型，只能是尽力作到理论运行状态尽可能接近实际运行状态，使计算结果尽可能准确，近似于实际值。
2.1.2条件性
传统的配电网理论线损计算方法，由于配电网网络结构的复杂，各节点没有监测设备，在计算理论线损过程中，都要假设一定的条件来简化计算，在假设条件的基础上，确定计算模型。
由于假设条件的存在，使计算结果误差大，精度低，或高于实际值，或低于实际值。
但这种假设条件并不是没有实际意义、毫无根据的凭空假设，而是建立在一定理论基础之上的，是必要的。
2.1.3多方案性
正是由于配电网理论线损计算的近似性和条件性，所以在进行配电网理论线损计算过程中，结合配电网的网络结构和负荷情况以及假设条件，对同一配电网进行理论线损计算可以有不同的计算方案，选择不同的计算模型。
2.2配电网理论线损计算步骤
2.2.1明确内容和要求
在对配电网进行理论线损计算时，首先要了解配电网理论线损计算的内容和要求，对配电网分压、分线、分台区进行分类，明确不同的类别的配电网理论线损计算范围、计算内容和计算要求。
2.2.2资料的搜集和整理
根据配电网理论线损计算的内容与要求，搜集进行配电网进行理论线损计算所需要的各种资料。
首先要搜集有关配电网结构的接线图、结构参数、运行数据等资料，尽量齐全。
对收集到的资料进行分析和加工整理，对资料中的数据去伪存真，提高资料的准确度。
.2.3.2对资料进行分析
配电网资料的齐全与准确是影响配电网理论线损的重要因素（杨秀台，1985），因此要对收集到的配电网资料，如配电网的单线接线图、结构参数、运行数据等资料进行认真分析。
对于单线接线图的结构，区分是辐射状还是环形结构，在单线接线图上导线、配电变压器参数是否标注齐全、正确，如果没有特殊情况，配电网结构一般不会发生变化，若由于改造等原因发生变化，应在计算之前补充修改，使之与实际相符；对于运行数据，如以月为时间单位记录的供电量、售电量等数据，应分析数据的合理性，对于异常值进行分析，找出异常值产生的原因，查明异常值是否合理。
2.2.4选择计算模型
根据配电网结构、负荷功率性质可以选择不同的计算模型。
正确选择计算模型是配电网理论线损计算中最关键的一步，选择不同的计算模型、计算方法及假设条件，对于同一配电网线路或低压台区，可能得出不同的计算结果，准确度各不相同，如果选择不适当，可能造成计算误差过大，必要时可以选择多个计算模型进行计算，并对比计算结果，以供选择。
目前，在配电网理论线损计算实际工作中，常用的计算方法有多种，如均方根电流法、
平均电流法（形状系数法）、最大电流法（损耗因数法）、等值电阻法、潮流法、人工神经网络法等多种方法。
各种计算方法均有其不同的特点和适用范围，要根据计算的内容和要求来选择。
2.2.5理论线损计算
随着科学技术的发展，配电网理论线损计算方法研究有了较大的进步，各种新的计算方法和模型不断出现，并且对计算机的性能要求越来越高，依赖性越来越强。
依据选择的配电网理论线损计算模型，根据所掌握的资料数据，运用计算软件进行计算，能够获得比较准确的计算结果，获得更高的精度，更好的满足供电企业对配电网理论线损计算结果和精度的要求。
2.2.6分析计算结果
根据所选择的配电网理论线损计算模型得到的计算结果并不一定与实际值相符，这是由于所建立的计算模型是对实际情况的近似模拟，是用理论状态来近似实际状态，在计算过程由于数据资料不全、假设计算条件、计算模型精度等因素，必然产生误差。
因此，需要对计算结果进行分析和评价，以确定计算结果是否可信。
2.3配电网元件电能损耗数学模型
配电网的电能损耗是网内各元件电能损耗的总和,要计算电能在传输过程中产生的电能损耗,就必须掌握网内各元件的物理特性,并确定这些元件的数学模型。
在l0kV及以下电压等级配电网中,元件数量较大,每个元件的运行数据具有一定的随机性。
根据配电网元件电气特性及线损产生机理的不同,可将元件电能损耗分为:
变电、配电元件中导线电阻发热损耗;变压器铁芯损耗;电缆线路、并联电容器的介质损耗;架空线路的电晕损耗;户外绝缘子漏电损耗,以及二次回路、谐波损耗等。
二次回路包括测量、保护、信号、控制、监视系统。
其中用户及变电站二次回路的损耗分别计入用户电量及变电站的自用电量。
除此之外,那些用于测量、保护、信号、控制、监视的户外以及环网柜、开闭所内的损耗因所占比例较小可以忽略不计。
谐波对线损的影响是一个专门的研究领域,己超出了本文的研究范围。
在谐波治理和电能质量管理要求的约束下,由于谐波产生的损耗很小,可以忽略不计。
电晕损耗及绝缘子的泄漏损耗,其损耗量的大小与绝缘子外形、绝缘材料及气候条件等因素有关,尚缺乏成熟的计算方法。
因配电网中电压等级较低,漏电损耗所占比例很小,故也忽略不计。
2.3.1配电线路导线损耗等值数学模型
电力线路的数学摸型是以电阻、电抗、电纳、电导元件组成其等值电路.对于10kV及以下电压等级的线路,由于电压较低,线路对地电纳及电导的影响较小,故将其等值为由电阻、电抗元件组成的简化等值电路,如图1所示.
图2.1配电线路等值电路
若通过某段线路的电流I稳定不变,则在计算时段T内产生的电能损耗为:
（2.1）
若整条线路由多段参数不同的导线组成,则在计算时段T内产生的线路电能损耗为:
（2.2）
若已知通过线路的有功功率和无功功率,上式可改写为:
（2.3）式中:
为第i段线路在时间T内的电流（A）;
为第i段线路在时间T内的有功功率（kW）;
为第i段线路在时间T内的无功功率（kvar）;Ri为第i段线路导线电阻（Ω）;mi为线路总段数;Ui为第i段线路平均线电压（kV）;T为计算时段小时数（h）。
2.3.2配电变压器绕组损耗等值数学模型
配电变压器一般均为双绕组变压器,可用电阻、电抗、电导、电纳元件组成的T形的等值电路来表示,如图2所示.
图2.2变压器的型“
”等效电路
若通过变压器绕组的电流
稳定不变,在计算线损时段T内,配电变压器绕组产生的损耗
为:
（2.4）
式中:
为第i台配电变压器短路损耗功率（kW）;
为第i台配电变压器绕组上电流（A）;
为第i台配电变压额定电流（A）。
2.3.3配电变压器铁芯损耗等值数学模型
配电变压器的铁芯损耗与其运行电压有关,因此,在计算线损时段T内,配电变压器的铁芯损耗
为:
（2.5）
式中:
为第i台变压器的空载损耗功率（kW）;
为第i台变压器的额定电压（kV）;
为第i台变压器的平均运行线电压（kV）。
2.3.4并联电容器损耗等值数学模型
并联电容器的等值电路由一个无损耗的理想电容器与电阻并联而成,如图3所示。
图2.3并联电容器等值电路
在交流电压作用下,流过电容器的电流有两部分:
有功电流
和无功电流.
通常把
与
的比值称为介质损耗角正切值tgδ,即
（2.6）
电容器有功功率为:
（2.7）
在计算线损时段T内电容器有功功率损耗
为:
（2.8）
式中:
为第i组并联电容器投入容量（kavr）;tgδ为第i组并列电容器介质损失角正切值。
2.3.5配电网线损计算的基本假设
前述给出了元件损耗的计算模型,可在此基础上进行整个配电网线损的线损计算.不过由于配电网中元件数很多,每个元件上的运行数据又具有随机特性,所以收集这些运行数据相当困难.因此,配电网线损计算方法是在尽量减少原始资料收集范围的前提下,进行足够准确的元件电能损耗计算。
图2.4配电网示意图
如图4所示的配电网,变电站l0kV侧有两条馈线,馈线首端经过高压降压变压器与供电网相连,末端经低压降压变压器与用户相连.每条馈线如同树状,一般以辐射型网络连接若干台配电变压器,馈线与馈线之间除在树根处（馈线首端）通过高压母线相连外,没有其它电气联系.一条馈线内的负荷波动相对于一个大供电网来说可以忽略不计,故可以认为馈线根节点的电压是恒定的。
因此,给定馈线根节点的电压及沿线各负荷节点的负荷,此馈线的潮流分布就可完全确定。
基于上述特点,配电网的线损计算不再以全网为单位,而是以馈线作为基本单位.根据给定某馈线的根节点电压及沿线各负荷点的负荷,求出各段的功率损耗和电压降落,得到各段在一定时间区域内的电量损耗,从而确定整条馈线的线损分布,进而通过对馈线逐条计算以得到全网的线损.那么,在进行配电网线损计算时,需收集沿线各节点的负荷,但由于配电网节点数多,负荷在不同时段的变化又比较大,运行数据根本无法全面收集。
为尽量减少运行数据的收集量,同时又不影响线损计算精度,一般作如下假设:
（1）各负荷节点负荷曲线的形状与首端相同。
（2）各负荷节点功率因数与首端相等。
（3）忽略沿线的电压损失对能耗的影响。
（4）负荷的分配与负荷节点装设的变压器额定容量成正比,即各变压器的负荷系数相同。
（一般把通过变压器的视在功率与其额定容量的比值称为负荷系数）
2.4配电网理论线损计算的含义
配电网理论线损计算是在已知配电网结构和负荷功率性质等数据条件下，研究或选择一种计算方法来进行数据处理，在满足一定精度要求的条件下，计算一段时间内（如一个月）配电网的理论线损值。
2.5配电网理论线损计算方法分析
目前，传统和现代的配电网理论线损计算方法是基于两种配电网参数、运行数据资料获取情况和三种配电网结构的开展理论线损计算方法理论研究和实际应用的。
在两种配电网参数和运行数据资料获取情况中，一种是以配电网结构参数和历史运行数据资料为基础；另一种是以供电企业综合管理系统（MIS）提取配电网结构参数和以调度自动化系统（SCADA）、配电网自动化系统（DMS）实时采集、存储的数据为基础。
在三种配电网结构中，第一种是辐射状配电网，如农村配电线路；第二种是环状配电网，如部分城市配电网，第三中是辐射状与环状相结合，属于混合结构，如部分城市配电网。
由于黑龙江省县市供电企业的配电网结构参数、运行数据资料获取方式的实际情况各不相同，普遍没有实现配网自动化，所以在配电网理论线损计算过程中，应结合配电网的实际情况进行选择负荷实际的计算方法。
2.5.1平均电流法
平均电流法也称形状系数法，是利用均方根电流法与平均电流的等效关系进行电能损耗计算的，由均方根电流法派生而来。
平均电流法的基本思想是，线路中流过的平均电流所产生的电能损耗相当于实际负荷在同一时间内所产生的电能损耗。
其计算公式如下：
（2.17）
式中：
为损耗电量（kWh）；R为元件电阻（Ω）；t为运行时间（h）；
为平均电流（A），K为形状系数。
形状系数K的计算公式如下：
（2.18）式中：
为代表日均方根电流（A），
为代表日负荷平均电流（A）。
若实测为有功电量、无功电量和电压，平均电流也可以使用以下公式计算：
（2.19）
式中：
为代表日的有功电量（kWh）；
为代表日的无功电量（kvarh）；
为代表日的电压平均值。
电能损耗计算公式如下：
（2.20）
式中：
为代表日通过元件电阻的总有功电量（kWh）；
为代表日通过元件电阻的总无功电量（kvarh）；
为平均线电压（kV）；R为元件电阻（Ω）；t为运行时间（h）。
形状系数K根据负荷曲线的负荷率f及最小负荷率α确定较为复杂。
平均电流法的优点是：
用实际中较容易得到并且较为精确的电量作为计算参数，计算结果较为准确，计算出的电能损耗结果精度较高；按照代表日平均电流和计算出形状系数等数据计算就可以进行电能损耗计算。
缺点是：
形状系数K不易计算，在实际使用中其值存在计算简化，与直线变化的持续负荷曲线有关，对没有实测负荷记录的配电变压器，不能记录实际负荷曲线；需改进负荷分配因子；配电网电压假设为平均低压后，计算精度受到了一定影响。
2.5.2最大电流法
最大电流法也称损耗因数法，是利用均方根电流法与最大电流的等效关系进行电能损耗计算的，由均方根电流法派生而来。
最大电流法的基本思想是，线路中流过的最大电流所产生的电能损耗相当于实际负荷在同一时间内所产生的电能损耗。
其计算公式如下：
（2.21）
式中：
为损耗电量（kWh）；R为元件电阻（Ω）；t为运行时间（h）；
为最大电流（A），F为损耗因数。
损耗因数F的计算公式如下：
（2.22）
式中：
为代表日均方根电流（A），
为代表日负荷平均电流（A）。
损耗因数F值的大小随电力系统的结构、损失种类、负荷分布及负荷曲线形状不同而异，特别是与负荷率f密切相关，分析表明：
损耗因数F与负荷率f的关系，应介于直线和抛物线之间，即：
（2.23）
式中：
β是与电力网负荷曲线形状、网络结构及负荷特性有关的常数，通常介于0.1~0.4之间，在不同网络结构下，β值不同,f负荷率。
对于损耗因数F有三种计算方法，第一种是利用理想化得负荷曲线推求F（f）关系，第二种是采用统计数学方法来求取F（f）得近似公式，第三中是数学积分方法求取F（f）得近似公式。
对于损耗因数F第一种计算方法，我国有人采用以两级梯形和梯形两种理想化的负荷曲线作为极限状态，分析得到如下损耗因数F计算公式：
（2.24）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率；β是常数。
对于损耗因数F第二种计算方法，采用二项式公式和三项式公式近似求取。
1926年法国人杨森利用二项式公式求取得：
（2.25）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率。
1928年美国人布勒尔利用二项式公式求取得：
（2.26）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率。
在二十世纪七十年代，我国沈阳地区采用：
（2.27）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率。
在二十世纪七十年代上海地区采用：
（2.28）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率。
使用三项式求取损耗因数F的典型代表有1948年前苏联凯捷维茨，求取的计算公式如下：
（2.29）
式中：
F是损耗因数；f是负荷率。
2.5.3等值电阻法
等值电阻法的理论基础是均方根电流法。
等值电阻法的基本思想是，在配电线路首端，假想一个等值的线路电阻
，在通过线路首端的总电流
产生的损耗，与线路各段不同的分段电流
通过分段电阻
产生的损耗的总和相等。
线路等值电阻法具体介绍详见3.1.1。
等值电阻法的优点是：
在理论上比较完善，在方法上克服了均方根电流法的诸多方面的缺点；不用收集运行数据，
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