输配电系统中电能损耗产生的原因与分析

    当今世界，电力工业的改革使传统垄断的电力行业向开放化、竞争化转变。开放、公平的输电网络是电力市场公平竞争的必要条件。输配电系统在正常运行的同时，输电产生的电能损耗占到整个输电量的5%-10%，配电量的电能损耗更是达到一定规模。在公平竞争的电力市场环境下，需要将这些电能损耗公平的分配给所有的输配电网的用户。而如何公正合理的分配，在近年来引起了国内外学者的广泛关注，成为电力市场研究的热点。

     1 输配电系统电能损耗的产生原因分析

输配电系统的电能损耗是指输电系统和配电系统运行过程中产生的网络损耗电量的总称。电能损耗的种类主要有技术损耗和管理损耗两部分组成。管理损耗量不好估计，是有输配电企业的人为或管理因素造成的，需要通过完善管理体制较少损耗。本文探讨的主要指技术损耗，输配电系统的电能技术损耗主要包括输电线路的损耗和变压器的损耗，根据损耗是否变动，又可以分为由于线路和变压器串联阻抗产生的变动损耗和与电压有关的固定损耗。

1.1 线路功率损耗

电力线路的电能损耗为相应的功率损耗与时间的乘积，线路的功率损耗与输电电路的有功功率的平方、无功功率的平方，线路线阻和输电电压有关。其中，有功功率和无功功率的平方和越大，线路线阻越大，功率损耗越大，输电电压越高，功率损耗越小。具体关系可以用以下公式表示：

其中：ΔPL指线路功率损耗;P1和Q1分别表示有功功率和无功功率;U1表示输电电压;R为线路线阻。

1.2 变压器功率损耗

变压器的功率损耗由于有双绕组变压器、三绕组变压器等种类不同，计算功率损耗的公式也不尽相同。由于电力传输过程中，有功功率和无功功率都造成功率损耗，因此在配电变压器过程中，功率损耗也可以分为有功损耗和无功损耗。变压器的功率损耗与功率因素成反比，与变压器的空载损耗、负载损耗、空载电流百分比、阻抗电压百分比成正比。

已知输配电线路的功率损耗ΔP后，一段时间内的电能损耗即为从时间0到t上对于功率损耗的定积分，表示为：

2 输配电系统电能损耗主要分配方法

输配电系统电能损耗的分配一直是国内外学者研究的热点之一，从算法上看，主要分为潮流追踪和分配系数两大类。目前，主要的分配方法有比例分配法、分配系数法、功率分解方法、基于博弈理论的Shapley值法等。

2.1 直接比例分配法

比例分配法是目前电能损耗分配最常用的方法之一，是将输电网分为若干节点，按照每个节点的发电负荷有功大小的比例分配。按比例分配的方法没有考虑负荷在输电网中的相对位置和无功对耦合影响和交易间的作用，并且需要专人指定相应的发电和负荷比例。

2.2 分配系数法

边际网损系数法是分配系数法的典型方法，是根据注入功率的单位变化引起的全部输配电网的网损变化量的大小来对各个节点进行电能损耗的分摊。该方法基于监测和灵敏度分析，同时考虑到了有功功率和无功功率对网络损耗的影响。

2.3 功率分解法

功率分解的潮流算法是将不同电源在同一线路流经的功率以及产生的功率损耗进行分解。这种分解基于电网的总损耗表达式或者支路的损耗表达式，结合按照电路定理推导的阻抗或导纳矩阵方程，进一步计算损耗的分解表达式。在数学上，这种分配不是唯一的。

2.4 基于博弈理论的Shapley值法

基于博弈理论的Shapley值法不同于以往的分配方法，这种方法不仅仅基于电路理论，而是被赋予了新的经济学意义。它从市场竞争的角度将各个交易对输配电网电能损耗的影响平等地考虑在内，分配结果不考虑交易追加次序和电网功率因数，因此可以适用于任意功率因数和任意交易次序的输配电网络，有很好的应用前景。但方法的缺点在于需要计算各个交易模式下的潮流，计算的工作量大，随着计算技术的发展，这一难题有望得到改进。

通过对现有的分配方法进行总结，在我国现代的损耗分配中普遍存在着以下问题。使用比例分配法的，需要指定专人对电源和负荷的分配比例，在复杂的电力市场模式下就难以适用。基于电路理论推导的分配系数法和功率分解法，在市场竞争条件下缺乏相应的经济学意义，而具有经济学意义的博弈论的分配方法又有计算量大的缺点。如何进一步汇总各种分配方法的优点，开发合理科学可行的分配方案，是输配电系统的电能损耗分配的研究趋势。

3 对降低输配电网电能损耗的建议

通过对输配电网的电能损耗的产生原因进行分析，可以得出减少电能损耗，就是要减少输电线路中的损耗和变压器的损耗。降低电能损耗的具体工作可以从以下几个方面开展。

3.1 加强输配电网升压和设备改造

在分析电网的电能损耗产生原因时已知，电能损耗的产生与电压成反比，与电阻成反比。因此，要降低电能损耗，可以对配电网进行升压改造，如将6 kV改造为10 kV供电电压，将35 kV变电站(所)改造为110 kV或220 kV变电站等。更换原有的小截面导线，在经济条件允许的情况下换成大截面的导线，从而使线路电阻变小，降低网络电能损耗。采用节能变压器，节能的型配电变压器的有功、无功需求均小于一般变压器，从而使变压器部分的功率损失降低。

3.2 优化输配电网的网络结构

科学合理的电网结构，对于降低电能损耗至关重要。一个设计理想，结构优化，布局合理的输配电网络，可以提高整个电网的运行效率，减少不必要的电能输送，降低电能损耗。主要措施可以有在设备选型方面，选择与负荷侧适当超前的设计，变压器的位置尽量处在负荷中心以缩短供电半径，针对农村和城区选择不同的电源点配置方式，在接线是尽量多采用辐射式的接线方式进行网络架设，避免采用单边供电的接线方式等。

4 结束语

电力产业改革过程中，输配电系统的电能损耗问题一直是国内外学者关注的焦点。本文在分析了电能损耗的主要产生原因的基础上，对现有的电能损耗分配方法进行了分析，并提出了降低电能损耗的主要途径，为输配电企业进行节能减排工作提供了一定的参考。