第 1 章 绪 论
1.1 研究背景及意义
21 世纪以来，随着经济的持续高速增长，对能源的需求不断扩大，我国面临着资源匮乏、化石能源紧缺，能源分布不平衡以及能源浪费等诸多能源问题[1]。能源节约和资源综合利用，建设节约型社会是我国“十三五”期间的重要任务。我国现阶段的能源及资源问题突出，能源使用的效率低下。我国虽然能源总量丰富，但优质的资源匮乏，使得供应能力无法得到有效的提高；能源分布不均匀，结构不合理的现状较为明显；能源分布与人口及经济分布相反导致人口集中、经济发达地区能源供应相对吃力；能源的有效利用和企业管理水平及技术水平较发达国家相对落后。这些诸多问题导致国内能源消耗平均水平高于国外发达国家平均水平，使得国内的能源供需矛盾日渐突出，单纯解决能源供应问题难以适应“十三五”发展要求，因此必须关注能源消耗和有效利用问题。“十三五”期间，我国的新能源投入量将不断提高，风光能源所占比重不断增大。迎来能源发展的新局面。我国的能源需求将随我国的经济发展继续不断提高，预计到 2020 年前后，我国的综合能源量需求预计将达高到 45-48 亿吨标准煤左右，能源缺口也将十分巨大。随着传统的化石燃料的枯竭与污染环境问题日益严重，提高可再生能源所占比重和能源的利用率是破解发展难题的有效途径。除了大量新能源的接入，“十三五”期间对能源发展的要求从单纯的经济增长为主发展方向生态环保、节能高效的方向转变。一方面，经济发展即将告别原有的依靠大量能源的发展方式，更专注于经济发展的高质量和高效率。可再生能源比例的不断提高，经济结构的合理调整，发展方式的改变，使得能源不再是国民经济发展及生态环境保护面临的桎梏。另一方面，一些外部性的影响因子也在对经济和能源发展开始产生影响，特别是在一些气候问题方面。如今，经济社会的发展已不再是单纯的追求 GDP 的增长，同时也面临气候变化、治理雾霾等重大社会问题。到20 世纪 30 年代初，我国政府承诺将单位 GDP 的碳排放量降低到 2005 年的 35%～40%，并尽全力在此之前达到排放峰值。同时政府承诺，在《大气污染防治行动计划》中 2017 目标的基础上，加强空气污染治理力度，严控 PM10 和 PM2.5 指数。争取到 20 世纪 30 年代初将三大空气污染重灾区（包括：京津冀地区、长三角地区及珠三角地区）空气污染问题初步解决。这些目标的实现将极大的改善我国的生态环境，同时促进国民经济的可持续发展，其任务关键在于实现调整能源结构，提高能源利用率和投入产出比，节能减排。
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1.2 国内外研究现状
随着全球气候不断变暖和工业化程度的不断加深，能源消耗不断增加，空气污染越来越严重，人类数量不断增长，化石燃料逐渐枯竭，人们对于资源节约型社会的需求也越来越高[2]。国内的雾霾污染成为经济发展的瓶颈，节能减排、环境友好成为当今社会主题。电网中的损耗主要来自输变配的过程，针对电能的输变配过程中的节能减排是电网节能减排的重中之重。尤其对于我国的配电网，电能损耗很高主要源于设备线路及变压器老化陈旧，以及无功匮乏导致的电能损耗。如何在输变配过程中减少电能的损耗，达到节能降损的目标，国内外的学者都有许多的研究。文献[3]-[4]从不同角度分析了建设绿色的新能源电网及进行节能减排事业的重要性。文献[5]分析了世界面临的能源问题以及我国能源的紧缺形势，提出了一些企业所需采取的应对措施。文献[6]-[8]针对电力规划中节能降损措施进行研究分析，提出了节能降损应该遵循的原则。文献[9]尝试研究线损四分在线计算和用电异常在线监测的新方法。文献[10]对于节能降损在管理层面中的问题进行了深入研究，从管理层面提出了节能降损的举措。文献[11]对农村电网的 10kV 配电线路的节能降损工作建立评价指标体系，提出了一些综合性的降损减排措施。文献[12]-[15]对负荷小、分散的农村电网的经济效益及改善措施提出了一些合理的方法与措施。文献[16]-[18]对配电变压器的经济运行方式进行了研究，同时分析了其经济性及可行性。文献[19]-[21]提出基于变压器节能与经济及无功优化的节能降损分析，建立了变压器经济性评价模型，及投入成本最低的无功优化目标函数，得到优化结果，响应了节能降损措施.文献[22]-[24]对线损的理论计算方法进行了汇总，传统方法由于理论通俗易懂，编程方便，历来受到大家的青睐。但传统方法的计算精度不高，不能满足企业对计算指标的精度越来越高的要求，因此提出了一些改进的线损计算方法，实例证明了误差的减少。文献[25]对城市中电压配电网的线损指标进行了分析，通过分析技术损耗、管理损耗和计量误差损耗三类，提出了基于灰色关联性的损耗分析方法，建立了多种降损措施的优化模型，达到了降损节能的目标。文献[26]-[30]对常规潮流计算方法进行了研究分析，基于 Matpower 的潮流计算方法虽然迭代缓慢，但是输入简单，程序易懂，能达到很好清晰的计算结果。文献[31]-[42]基于不同环境，提出了多种无功优化的计算方法。文献[43]-[47]对比传统的无功补偿点选择方法，提出传统补偿法无法处理好负荷分布不均匀的问题，提出基于灵敏度的无功补偿点选择方法。文献[48]-[50]对萤火虫算法概念理论进行了研究，并对应用于其优化算法应用于 TSP 求解。该算法为理论无功优化提供了基础。
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第 2 章 10kV 配电网变压器及配电线路的节能降损与经济运行
2.1 概述
在我国配电变压器通常是指直接向终端供电的电力变压器，其电压等级较小，通常为 35kV 及以下，变压器容量通常为 6300kVA 及以下。截止 2006 年底，我国使用年份超过 20 年且高耗能的 S6，S7 型变压器总容量达到 2.3 亿 kVA。其中我国配电网中运行的变压器耗能达到近 500kVA，占了总发电量的近 5%。由此可看出配电变压器的损耗相当巨大。众所周知变压器的效率可达到 95%以上，属于高效率的设备。但是由于我国配电变压器数量巨大，老化低效设备众多。导致电力损耗中接近一半的损耗来自配电变压器。如果能够对现有的配电变压器进行合理经济的选配，提高高效率变压器在全网中的比例，将节约不可估量的能源，达到节能减排的目标，为我国经济发展提供强劲动力，而且这种潜能相当巨大。现有的 S6，S7，S9 变压器相对老化且耗能巨大。S13 型油浸式变压器是近几年相对节能的变压器之一，其空载损耗相比于 S9、S11 型的变压器降低了 30%左右，相比于 S6，S7 型的变压器更有了大幅的降低，节能效果优秀。若能将全网变压器均更换为该系列的变压器，每年的节电量至少在百亿度以上，年 CO2排放量将减少几百万吨。
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2.2 变压器的经济运行分析
变压器增容改造主要是提高低压电网的供电可靠性。配电变压器的增容前期投资相对较高，但节能效果显著；低压配网的供电可靠性及电压合格率也可以大幅度提高。而变压器的经济性分析重要之处在于损耗的计算方法准确性。传统的变压器经济性分析主要以分析损耗为主。等值电阻法就是从损耗的角度分析节能状况，针对配电线路及变压器的电阻进行分析计算。这种方法在计算过程中采用了一些经验公式及简化，这些简化公式的使用使计算结果无法反应变压器及线路的真实状况，也没有考虑到在实际运行过程中配电线路及配电变压器的负荷系数有很大差距，从而导致了计算误差。有些计算误差是由于缺少自动测量系统对负荷曲线进行测量及记录造成的。对于一些农村及城市郊区 10kV 配电网，这种问题很严重。同时，针对线损及变压器损耗的计算对于经济性分析是不够全面的。因为经济性分析不仅要分析运行过程中的损耗，同时还要考虑前期的投资以及后期的维护，达到综合经济分析的效果。传统的基于等值电阻法的变压器经济性分析是基于变压器与配电线路中损耗的分析，通过损耗分析得到变压器更新后，损耗的降低带来的节能效果。实际上变压器经济分析不仅仅体现于变压器的损耗，还包括不同变压器初期投资，变压器折旧维护费用、以及电价改变带来的综合性经济效益问题。
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第 3 章 10kV 配电网的无功优化和补偿设置..............17
3.1 配电网无功优化数学模型........... 17
3.2 配电网的潮流计算............. 17
3.2.1 牛顿法的配网的潮流计算............ 17
3.2.2 牛顿法的步骤 .......... 18
.3 配电网无功补偿原则........ 19
3.4 配电网无功补偿方式及选择 ...... 19
3.5 配电网无功补偿理论........ 20
3.5.1 传统最优无功补偿理论 .... 20
3.5.2 基于灵敏度法的 10kV 配电网无功补偿地点选择 .... 20
3.6 基于萤火虫算法的无功优化....... 21
3.7 本章小结....... 24
第 4 章 霸州 10kV 配电网的节能降损分析......25
4.1 廊坊地区配电线路概况....25
4.2 配电变压器更新改造的经济性分析 .....27
4.3 线路改造后的线损经济性分析 ..............30
4.4 基于萤火虫算法的配电网无功优化 ....32
4.5 本章小结 .......37
第 5 章 结论与展望.............38
5.1 结论 ....38
5.2 展望 ....39
第 4 章 霸州 10kV 配电网的节能降损分析
4.1 廊坊地区配电线路概况
国家电网公司作为特大型国有能源企业，高度重视并积极响应国家号召，主动承担社会责任，立足能源可持续发展的战略大局，高瞻远瞩、科学谋划，充分发挥现有网络、技术、资金、信息等优势，以科学发展观为指导，全面落实国家节能减排各项决策部署，并于 2010 年 4 月份发布了《国家电网公司绿色发展白皮书》,为我国国有企业科学发展、绿色发展、可持续发展起到了很好的示范和引领作用。廊坊地区配电网自 2000 年农网改造以来，负荷增长迅速，但由于用于配网建设与改造的投资不足，配电网中配变重载、高能耗配变比较普遍、线路结构不合理、导线截面偏小、线路损耗大、无功补偿容量不足等问题没有得到根本解决，具体体现在以下方面：（1）综合配电变压器问题：从负载率看，部分配电变压器负载率不平衡，有些地区配电变压器接近满载运行，个别时段甚至过载运行。配变过载、过热问题突出，易造成绝缘介质老化，影响配变的使用寿命，既增大了运行损耗又不满足安全运行条件；而农村部分地区配变供电高峰时间短、低谷供电时间长，负载率随季节变化较大，增大了运行损耗。配变在运行中还存在三相不均衡问题，进一步造成了损耗。经统计，廊坊八个县（市）公司目前存在上述问题的配变共 338372 台。(2) 10 千伏线路问题：廊坊八个县（市）公司 10 千伏线路现运行年限超 15 年的占比近 60.54%，线路普遍存在结构不合理、供电半径长、线径细、线损率高、供电能力不足的问题。目前，10kV 配电线路主干线多为 LGJ-70 导线及 LGJ-50 导线，分支线多为 LGJ-35 及 LGJ-25 导线。随着负荷快速增长，上述问题更加突出，线路长期高损耗运行、供电能力不足的问题日益凸显。(3) 无功补偿容量问题：由于负荷增长快，无功消耗大，无功补偿容量不足，配电网功率因数低的问题非常突出。加之对无功补偿作用重视不够，既有无功补偿设备出现故障维修不及时，不能正常投入运行，使得配电网功率因数低的问题更加突出，加大了线路的无功电流输送量，降低了配电网有功输送能力和末端电能质量，使配电网络在非经济状况下运行，影响了公司经济效益。加装新的无功补偿装置，可以直接降低流经导线的无功电流，提高线路运行的功率因数，加大导线输送有功电流的能力，从而减少供电损耗，优化末端电能质量，确保系统经济运行。
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结论
1.论文介绍了 10kV 配电网节能降损研究背景和 10kV 配电网节能降损的方法，分析了 10kV 配电网节能降损国内外研究现状，确定了本文的研究内容，并分析了本文提出的研究方法及研究成果的研究意义。
2.论文提出了 10kV 配电变压器基于TOC 法的经济性分析方法，计算了变压器的经济容量，同时针对单台独立、两台及多台变压器并联运行经济运行方式进行了分析计算，对 10kV 配电网配电线路原有的损耗计算方法的缺点进行了分析，提出了改进等值电阻法的线损计算方法，提高了损耗计算精度。基于此，提出了配电线路更换经济效益计算方法。
3.论文针对 10kV 配电网无功优化，建立了有功损耗最小为目标函数的无功优化模型，结合牛顿拉夫逊法的配电网潮流计算，提出了基于灵敏度法的无功补偿点确定方法。结合先进的萤火虫理论，提出了基于萤火虫算法的无功优化算法。有效的减少了网损，节约了能源。
4.论文以霸州 10kV 配电网为研究对象，对合适型号容量变压器安装进行了选取，同时对经济运行方式进行了分析；对配电线路损耗值通过改进等值电阻法进行了计算，得到了不同运行年限内，更换新型线路后节省的费用；利用灵敏度法及萤火虫无功优化算法对该配电网进行无功补偿地点选择、补偿容量选取，无功补偿后该配电网网损减少，功率因数提高，电能质量提升。综上所述，本文提出的节能降损分析方法能够有效提升霸州市 10kV 配电网供电可靠性，降低损耗，节省能源。验证了方法的正确性及可靠性。
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参考文献（略）