电力系统的经济运行

5.3.1 电力网的能量损耗

电力系统经济运行的基本任务是，在保证整个系统安全可靠和电能质量符合标准的前提下，尽可能提高电能生产和输送的效率，降低供电的燃料消耗或供电成本。

在给定的时间（日、月、季或年）内，系统中所有发电厂的总发电量同厂用电量之差，称为供电量。所有送电、变电和配电环节所损耗的电量，称为电力网的损耗电量（或损耗能量）。在同一时间内，电力网损耗电量占供电量的百分比，称为电力网的损耗率，简称网损率或线损率，即

网损率是国家下达给电力系统的一项重要经济指标，也是衡量供电企业管理水平的一项主要标志。

由潮流计算已知，电力网各元件的功率损耗或能量损耗通常由两部分组成：一部分与通过元件电流（或功率）的平方成正比，称为变动损耗，如变压器绕组和线路阻抗支路中的损耗；另一部分则与元件两端的电压有关，若不计电压变化的影响，这部分损耗可称为固定损耗，如变压器的铁芯损耗，电缆和电容器绝缘的介质损耗等。固定损耗的计算比较简单，而变动损耗的计算则较为困难，下面着重讨论变动损耗的计算方法。

1.能量损耗的计算方法

1）最大负荷损耗时间法

工程计算中常采用一种简化的方法，即最大负荷损耗时间法来计算能量损耗。

如果线路中输送的功率一直保持为最大负荷功率Smax，在τ小时内的能量损耗恰好等于线路全年的实际电能损耗，则称τ为最大负荷损耗时间。根据能量损耗的数学表达式为

假定电压恒定，则有

由式（5－111）可知，最大负荷损耗时间τ与用视在功率表示的负荷曲线有关。在功率因数一定时，视在功率与有功功率成正比，而有功功率负荷持续曲线的形状，在某种程度上可由最大负荷利用小时数Tmax决定。由此可知，对于给定的功率因数，τ与Tmax之间将存在一定关系。通过对一些典型负荷曲线的分析，可得τ和Tmax的关系如表5.3.1所示。

表5.3.1 τ和Tmax的关系表

在负荷曲线未知的情况下，可根据最大负荷利用小时数Tmax和功率因数，由表5.3.1查出τ值，用以计算全年的电能损耗。

如果一条线路上有几个负荷点，如图5.3.1所示，则线路的总电能损耗就等于各段线路电能损耗之和，即

式中，S1、S2、S3分别为各段的最大负荷功率；τ1、τ2、τ3分别为各段的最大负荷损耗时间。

图5.3.1 接有三个负荷的线路

为了求各线段的τ值，需先算出各线段的cosφ和Tmax。如果已知各点负荷的最大负荷利用小时数分别为Tmax，a、Tmax，b和Tmax，c，各点最大负荷同时出现，且分别为Sa、Sb和Sc，则有

cosφ3＝cosφc （5－110）

Tmax3＝Tmaxc （5－113）

有了cosφ和Tmax，就可从表5.3.1中查到适当的τ值。

用最大负荷损耗时间计算电能损耗，准确度不高，ΔPmax的计算，尤其是τ值的确定都是近似的，而且还不可能对由此而引起的误差作出有根据的分析。因此，这种方法只适用于电力网规划设计中的计算。对于已运行电网的能量损耗计算，此方法的误差太大，不宜采用。

2）等值功率法

仍以图5.3.1所示的简单网络为例，在给定的时间T内的能量损耗可用下式计算，即

式中，Ieq、Peq和Qeq分别表示电流、有功功率和无功功率的等效值。

由此可见，电流、有功功率和无功功率的等效值实际上均为一种均方根值。

电流、有功功率和无功功率的等效值也可以通过各自的平均值表示为

式中，G、K和L分别称为负荷曲线I（t）、P（t）、Q（t）的形状系数。

引入平均负荷后，可将式（5－119）改写为

利用式（5－122）计算电能损耗时，平均功率可由给定运行时间T内的有功电量Ap和无功电量AQ求得，即

对各种典型的持续负荷曲线的分析表明，形状系数K的取值范围是

式中，α为最小负荷率。

取形状系数上、下限值平方的平均值为形状系数平均均值Kav的平方，即

用Kav代替K进行电能损耗计算，当α＞0.4时，其最大可能的相对误差不会超过10％。当α＜0.4时，可将曲线分段，只要每一段的最小负荷率都大于0.4，就能保证总的最大误差在10％以内。

对于无功负荷曲线的形状系数L也可以作类似的分析。当负荷的功率因数不变时，L与K相等。

5.3.2 电厂间有功功率负荷经济分配

1.耗量特性

耗量特性是反映发电设备（或其组合）单位时间内能量输入（F）和输出（P）关系的曲线。火电厂的耗量特性如图5.3.2所示，其输出为功率（MW），输入为燃料（标准煤t／h）。水电厂耗量特性形状也大致如此，但其输入是水量（m3／h）。

图5.3.2 耗量特性曲线

图5.3.3 效率曲线和微增率曲线

耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入与输出之比称为比耗量μ＝F／P，其倒数η＝P／F为发电厂的效率。耗量特性曲线上某点切线的斜率称为该点的耗量微增率λ＝d F／d P，它表示在该点运行时输入增量对输出增量之比。以输出功率为横坐标的效率曲线和微增率曲线如图5.3.3所示。

2.等微增率准则

等微增率准则是指电力系统中的各发电机组按相等的耗量微增率运行，从而使得总的能源损耗最小，运行最经济。等微增率准则的物理意义是明显的。假定两台机组在微增率不等的状态下运行，且d F1／d PG1＞d F2／d PG2，则可在两台机组总输出功率不变的条件下调整负荷分配。若让1号机组的输出功率减少ΔP，2号机组的输出功率增加ΔP，则1号机组将减少燃料消耗，2号机组将增加燃料消耗，而总的燃料消耗节约量为ΔF＝，这样的负荷调整可以一直进行到两台机组的微增率相等为止。可以证明，等微增率准则也适用于多台机组（或多个发电厂）间的负荷分配。

5.3.3 电力系统无功功率最优分布

电力网的电能损耗不仅耗费一定的动力资源，而且占用一部分发电设备容量。因此，降低网络功率损耗是电力部门增产节约的一项重要任务。下面仅从电力网运行方面介绍几种降低网络功率损耗的技术措施。

1.减少电力网中无功功率的传送

实现无功功率就地平衡，不仅可改善电压质量，而且对提高电力网运行的经济性也有重大作用。对于简单电力网络，其线路的有功功率损耗可由下式计算，即

在其他条件不变的情况下，如果能将功率因数由原来的cosφ1提高到cosφ2，则线路中的功率损耗可降低的百分数为

可见，如果负荷所需的无功功率都能实现就地平衡，网络功率损耗就可以大大降低。

提高功率因数的主要措施有以下两个方面：①合理选择异步电动机的容量；②采用并联无功补偿装置。

2.合理组织或调整电力网的运行方式

（1）合理确定电力网的运行电压水平。

（2）组织变压器的经济运行。

3.在闭式网中实行功率的经济分布

闭式网中的功率按电阻成反比分布时，其功率损耗最小，这种功率分布称为经济分布。应该指出，在每段线路的R／X值都相等的均一网络中，功率的自然分布才与经济分布相等。一般情况下，这两者是有差别的。各段线路的不均一程度越大，功率损耗的差别就越大。为了降低网络功率损耗，可以采取以下措施，使非均一网络的功率分布接近于经济分布。

（1）对环网中比值R／X特别小的线段进行串联电容补偿。这种方法既经济，效果又好，并能提高电力系统稳定运行的能力。

（2）在环网中装设混合型加压调压变压器，由它产生环路电势及相应的循环功率，以改善功率分布。

不管采用哪一种措施，都必须对其经济效果以及运行中可能产生的问题作全面的考虑。

除了上述措施之外，调整用户的负荷曲线，减小高峰负荷和低谷负荷的差值，提高最小负荷率，使形状系数接近于1，也可降低能量损耗。