《能源监测与评价》——电力企业的节能监测（四）

二、电网的节能监测

(一)电网基本介绍

由发电、变电、输电、配电和用电这五个环节所组成的电能生产、变换、输送、分配和消费的整体，就叫做电力系统。在电力系统中，除发电和用电这两个环节以外的部分，即把由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网，简称电网。电网是连接发电厂和用户的中间环节，是传送和分配电能的装置。电网是由不同电压等级的输配电线路和变电站组成的，按其功能的不同常分为输电网和配电网两大部分。输电网是由35kV及以上的输电线路和写其连接的变电站组成，是电力系统的主要网络，其作用是将电能输送到各个地区的配电网或直接送给大型企业用户。配电网则由10kV及以下的配电线路和配电变压器所组成，其作用是将电能馈送至各类电能的用户。

1.输电网

由于发电厂与用电负荷中心一般相距很远，将发电厂发出的电能通过升压变压器升压(变电)至35—100OkV后，在高压架空输电线路上进行远距离的输送，直至用电负荷中心的全过程称为输电。输电是电力系统的重要组成部分，它使得电能的开发和利用超越了地域的限制。电能与其他能源的输送方式相比，具有效益高、损耗小、污染少，且易于调节和控制等特点。另外，高压输电线路还可以将不同地点的发电厂连接起来，构成大规模的联合电力系统，以使得电能的质量进一步提高，同时起到互相支援、互为补充的作用。它已成为现代社会的能源大动脉。按照输送电流的性质来分，有交流输电和直流输电两种。目前较为广泛应用的是交流输电，但近年来直流输电也越来越受到人们的重视;按照输电线路的结构来分又有架空线路和直埋敷设两种形式。

输电的功能是将发电厂发出的电力输送到消费电能的地区，或进行相邻电网间的电力互送，使其形成互联电网或统一电网，保持发电和用电或两电网间供需平衡;配电的功能是在消费电能的地区接受输电网受端的电力，进行分配。输电线路和配电线路电压等级、输送容量和配电距离见表4-12。

输电网由输电和变电设备构成。输电设备主要有输电线、杆塔、绝缘子串、架空线路等;变电设备有变压器、电抗器(用于330kV以上)、电容器、断路器、接地开关、隔离开关、避雷器、电压互感器、电流互感器、母线等一次设备和确保安全、可靠输电的继电保护、监视、控制及电力通信系统等二次设备。变电设备主要集中在变电站内。对于直流输电，它的输电功能由直流输电线路的换流站的各种换流设备，包括一次设备和二次设备实现。输电网一次设备和相关的二次设备协调配合是实现电力系统安全、稳定运行，避免连锁事故发生，防止大面积停电的重要保证。

电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区;不同容量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网;大容量的电厂应接入主网，较大容量的电厂应接入较高电压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。配电网应按地区划分，一个配电网担任分配一个地区的电力及向该地区供电的任务。配电网之间通过输电网发生联系。不同电压等级的电网的纵向联系通过输电网逐级降压形成。电力系统之间通过输电线连接，形成互联电力系统。连接两个电力系统的输电线称为联络线。

2.配电网

配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容器以及一些附属设施等组成的。在电力网中起重要分配电能作用的网络就称为配电网;配电网一般是指35kV及其以下电压等级的电网，作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源。

配电网按电压等级可分为高压配电网(35～l10kV)、中压配电网(6～10kV)、低压配电网(220V/380V);在负载率较大的特大型城市，220kV电网也有配电功能;按供电区的功能可分力城市配电网、农村配电网和工厂配电网等。

在城市配电网系统中，主网是指l10kV及其以上电压等级的电网，主要起连接区域高压(220kV及以上)电网的作用。

3.变电

通过电压变换装置将低电压变换为高电压或将高电压变换为低电压的过程称为变电。变压器是变电站的主要设备，分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器，即高、低压每相共用一个绕组，从高压绕组中间抽出一个头作为低压绕组的出线的变压器。电压高低与绕组匝数成正比，电流则与绕组匝数成反比。

变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器。前者用于电力系统送端变电站，后者用于受端变电站。变压器的电压需与电力系统的电压相适应。为了在不同负荷情况下保持合格的电压，有时需要切换变压器的分接头。

4.基本参量

电网中的基本参量有总装机容量、年发电量、最大负荷、额定频率、最高电压等级等。

(1)总装机容量。该区域电网中实际安装的发电机组额定有功功率的总和。

(2)年发电量。该电网中所有发电机组全年实际发出电能的总和。

(3)最大负荷。在规定统计时间内(如一天、一月、一年)，该电网总有功功率负荷的最大值。

(4)额定频率。按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率为50Hz。

(5)最高电压等级。该电网中最高电压等级为电力线路的额定电压。

(二)电网损失分析

在电力变压、输送过程中，由于电阻(或电导)的存在，将产生一定的有功功率和电能损耗，消耗在线路、变压器等电气设备上的电量.就是线路损失电量，简称线损。

损失电量占供电量的百分比，称线损率，即

线损率=(供电量一售电量)/供电量×100%

这种计算方法，并不能真正反映电网输变电设备中电能损失的大小。因为它除了输变电设备的电能损失外，还包括了电网运行管理中的一些不明损失(如表计误差、管理工作中的漏洞等)。一般将这种办法计算出的线损率，称为统计线损率;把经过理论分析计算得出的线损率，称为理论线损率。

一般35kV及以上线路的损失，称为供电线路损失;6～10kV及以下线路的损失，称为配电线路损失。

1.供电线路损失情况

供电部门管理的10kV农村配电网和城市配电网线路功率因数大都在0.65～0.85之间，非电业管理的企业用户，其内部10kV配电网功率因数在0.85左右;由于大部分380V用电线路动力设备实际出力比额定容量小及家用电器的特性决定了其功率因数偏低，线损偏高。

10kV与380V电网功率因数偏低的主要原因是无功补偿设备集中在变电站10kV侧，只对10kV以上电网具有补偿作用，没有实现无功就地补偿，380V配网无功功率投入不足，缺乏可靠实用的无功功率补偿设备以及合理的补偿方式。无功功率不足，是功率因数低的主要原因，造成了10kV及以下配电网有功功率损失较大。

2.配电线路损失分析

配电线路消耗的无功功率仅次于感应电动机，约占无功功率的20%。电网改造中考虑解决过负荷问题较多，在选择变压器容量时往往不经过调查，没有与实际负荷配合，只选择容量大的变压器，而配电变压器负荷的特点是用电时间集中，白天和黑夜多数为轻载或空载状态，由于变压器负荷电流小，同时受空载励磁损耗的影响，功率因数较低，空载和轻载时变压器自身功率因数只有0.5—0.6，消耗的无功功率占变压器容量的10%左右。

提高电网功率因数，降低电能损耗。提高电网功率因数的方法，归纳为提高设备本身的功率因数和利用无功补偿设备，以就近解决无功功率需要两个方面。

(1)合理选择使用变压器，调整并联变压器台数，降低电能损耗。变压器的最佳负载率，是按有功功率损失最小确定的，一般为60%—80%。

(2)采用并联电容器提高功率因数。在配电线路上，安装补偿电容器是直接减少线路无功功率输入量和缩短线路无功功率输送距离，从而达到降低线路损耗的有效技术手段，并可以有效地提高供电电压。

(三)电网节能监测方案

1.企业供配电系统节能监测项目

(1)日负荷率。电网负荷率是一个总的概念：电网负荷率——电网平均负荷/电网设计的最大负荷。而具体的负荷率又分为日负荷率、年负荷率、年平均日负荷率等。具体的意义也因为具体的概念的不同而有些差别。总的来说，负荷率是描述平均负荷(电量)与最大负荷的比率的物理量。

电网负荷率与系统有功负荷高峰低谷有关。电网负荷率高表明该地区负荷峰谷差较小，负荷比较平均，电网负荷率低说明该地区峰谷差异较大，需要削峰填谷，使各时段负荷变化减小。

调整负荷，提高负荷率，不仅使用电单位的用电达到经济合理，而且也为整个电网的安全经济运行创造了条件。

(2)变压器负荷率。

1)变压器降耗改造。变压器数量多、容量大，总损耗不容忽视。因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。若采用非晶合金铁芯变压器，具有低噪声、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的1/5，且全密封、免维护，运行费用极低。S11系统是目前推广应用的低损耗变压器，空载损耗较S9系列低75%左右，其负载损耗与S9系列变压器相等。因此，应在输配电项目建设环节中推广使用低损耗变压器。

2)变压器经济运行。变压器经济运行是指在传输电量相同的条件下，通过择优选取最佳运行方式和调整负荷，使变压器电能损失最低。变压器经济运行无需投资，只要加强供、用电科学管理，即可达到节电和提高功率因数的目的。每台变压器都存在有功功率的空载损失和短路损失、无功功率的空载消耗和额定负载消耗。变压器的容量、电压等级、铁芯材质不同，故上述参数各不相同。因此，变压器经济运行就是选择参数好的变压器和最佳组合参数的变压器运行。

选择变压器的参数和优化变压器运行方式可以从分析变压器有功功率损失和损失率的负载特性人手。

(3)线损率。降损节能是衡量和考核电网企业生产技术和经营管理水平的一项综合性经济技术指标。线损由技术线损和管理线损组成。在电网中，只要有电流流过，就要消耗电能。电能在电力网输、变、送、配电过程中产生的电量损耗称技术线损。管理线损是指由于电力管理部门和有关人员管理不够严格，出现漏洞，造成用户窃电或违章用电，电网元件漏电，电能计量装置误差以及抄表人员错抄、漏抄等引起的电能损失;这种损失既没有规律性，又不易测算，所以又称为不明损失。降损节能是有效提高电力企业经济效益的重要途径之一。

降低线损的技术措施可分为建设性措施和运行性措施两种。

1)建设性措施。通过增加投资费用，更新改造原有设施，从而达到降低线损的目的，具体可以从以下几方面考虑：

①加快高耗能变压器的更新改造。为降低变压器自身的损耗，宜选用S1I系列低耗能变压器或非晶合金变压器。

②合理配置变压器。对于长期处于轻载运行状态的变压器，应更换小容量变压器;对于长期处于满载、超载运行的变压器，应更换容量较大的变压器。变压器容量的选择，一般负荷在65%～75%时效益最高。配电变压器应尽量安装于负荷中心，且其供电半径最大不超过500m。农村用电有其自身的特点，受季节和时间性的影响，用电负荷波动大，有条件的地方可采用子母变压器供电，在负荷大时进行并联运行，一般负荷可采用小容量变压器供电，负荷较大时可采用大容量变压器供电。无条件的地方一般要考虑用电设备同时率，按可能出现的高峰负荷总千瓦数的1.25倍选用变压器。

③增建线路回路，更换大截面导线。根据最大负荷和相应的最大负荷利用小时数，与经济电流密度比较，如果负荷电流超过此导线的经济电流数值，应采取减小负荷电流或更换导线，架设第二回线路，加装复导线，

④增装必要的无功功率补偿设备，进行电网无功功率优化配置。功率因数的高低，直接影响损耗的大小，提高功率因数，就要进行无功功率补偿，无功功率补偿应按“分级补偿、就地平衡”的原则，采取集中、分散和随即补偿相结合的方案，对没有安装集中补偿装置的变电所10kV母线上加装补偿电容器，使无功功率得到平衡。在线路长、负荷大的10kV线路上安装并联电容器进行分散补偿;对容量为30kVA及以上的10kV配电变压器应随即就地补偿，使配电变压器自身无功功率损耗得到就地补偿;对7.5kW及以上年运行小时数在100h以上的电动机重点进行随即补偿。低压线路也应安装无功功率补偿装置，通过一系列的无功功率补偿措施，将电网的电力率保持在0.9以上。

强化计量装置的更换与改造。用电计量装置应安装在供电设施产权界处，并提高计量装置的准确度。选用86系列宽幅度电能表或电子式电能表、防窃电能表有非常可观的降损效果。它的主要优点是：①自耗小(0.3W左右);②误差线性好;③准确度高;④抗倾斜;⑤正反向计数;⑥有较强的防窃电性能。实行一户一表计量每户电量并作为收费的依据，有利于监督、分析用电损失情况，及时消除损耗高的原因。

2)运行性描施。运行性措施是指在已运行的电网中，合理调整运行方式以降低网络的功率损耗和能量损耗。实际操作中的主要方法有：

①电压的调整。变压器的损耗主要是铜损和铁损，而农村配电网中一般变压器的铁损大于铜损，是配电网线损的主要组成部分。如果变压器超过额定电压5%运行时，变压器铁损增加约15%以上;若超过电压10%，则铁损将增加约50%以上;当电网电压低于变压器的所用分接头电压时，对变压器本身没有什么损害，只是可能降低一些出力;同时电动机在0.95Ue下运行最经济，所以适当降低运行电压对电动机也是有利的。如果变压器铜损大于铁损，提高运行电压，则有利于降损。因此及时调整变压器的运行分接头(要保证正常电压偏差)，是不花钱就可降低线损的好办法。

②三相负荷平衡。如果三相负荷不平衡，将增加线损。这是因为三相负荷不平衡时，各相的负荷电流不相等，就在相间产生了不平衡电流，这些不平衡电流除了在相线上引起损耗外，还将在中性线上引起损耗，这就增加了总的线损。如果三相负荷平衡，则向量差为零，应当尽可能使各相负荷相对平衡，否则，中性线上将有电流流过。中性线上流过的电流越大，引起的损耗也越大。因此在运行中经常调整变压器的各相电流，使之保持平衡，以降低线损。一般要求配电变压器出口处的电流不平衡度不大于10%，因为不对称负荷引起供电线路损耗的增加与电流不对称度的平方成正比。在低压三相四线制线路中线路的电流不平衡附加线损也是相当大的，定期地进行三相负荷的测定和调整工作，使变压器三相电流接近平衡，这也是无需任何投资且十分有效的降损措施。

③导线接头处理。导线接头的接触电阻一般较小，如果施工工艺较差，接触电阻将猛增，而此处的电能损耗和接触电阻成正比，除提高施工工艺减少接触电阻的办法外，还可以在接头处加涂导电膏的办法，使点与点的接触变成面与面的接触，从而进一步减少接触电阻。

④加强对电力线路的维护和提高检修质量。定期进行线路巡查，及时发现、处理线路泄漏和接头过热事故，可以减少因接头电阻过大而引起的损失。对电力线路沿线的树木应经常剪枝伐树，还应定期清扫变压器、断路器及绝缘瓷件。

(4)企业用电体泵功率。用电体系有功功率与视在功率之比，即功率因数;以用电体系有功电量与无功电量为参数计算而得的功率因数，即企业用电体系功率因数，又称企业用电体系加权平均功率因数。

交流电网需要电源同时供给有功功率和无功功率，有功功率用于电能做功，无功功率用于建立交变电磁场。由于用电体系的负载大多数都是感性负载，而不是纯电阻性负载，既要消耗有功功率，也要消耗一些无功功率，因而用电体系有功功率与视在功率之比，即功率因数通常是小于1的正数。

若用电体系消耗的有功功率一定，则消耗的无功功率越大，功率因数越低，为了满足用电的要求，必须加大电网供电线路和变压器的容量，这不仅需增大电网供电的投入，也造成企业用电的浪费。因此，各地区电网普遍实行按功率因数调整用电收费价格的办法，规定对一个企业的功率因数要求达到一定的数值，企业功率因数低于规定值，要多收电费;企业功率因数高于规定值，可减少收费，有奖有罚。可见，提高功率因数对企业有利，对整个社会电网的运行有利，经济效益明显。

为此，GB/T3485-1998中规定：企业应在提高自然功率因数的基础上，合理装置集中与就地补偿设备，在企业最大负荷时的功率因数不低于0.90;低负荷时.应调整无功功率补偿设备的容量，不得过补偿。