关键词:低功耗;SoC;CMOS;功耗估计;
The Application of Low-Power Methods in SoC Design
Abstract: SOC design occupies an important position in IC design market. The low-power design is an important part in SoC design process. This paper firstly gives a comprehensive analysis of the composed of CMOS circuit power consumption and the related theory of power estimation, then analyzes the SoC low-power design theory of various design levels in detail.
Keywords: low-power,SoC,CMOS,power estimation
1引言
随着工艺水平的不断发展,集成电路设计已经进入超深亚微米(Deep Sub-Micron,DSM)和纳米的SoC时代,设计规模越来越大,单一SoC芯片的集成度已经达到了上亿门。在之前的集成电路设计中,设计者首要关心的芯片性能往往是面积与速度,然后才是功耗。到了深亚微米阶段,功耗设计在芯片设计中所占的比重开始上升到与面积和速度同等重要的程度,设计人员需从功耗、性能和成本三者之间取得折衷。据统计数据分析,目前市场上的一些功能强大的微处理器芯片功耗可达100-150 W,平均功耗密度可达50-75 W/cm2。而芯片上某些热点(hot spots)的功耗更是数倍于这一数值。功耗问题的重要性在便携式数码产品芯片的设计中显现的尤为突出。便携式产品要求重量轻、电池续航时间长,而电池技术发展不能跟上这一要求,这就间接使芯片的低功耗设计面临更严峻的挑战。
2集成电路功耗组成
对SoC芯片进行低功耗设计,首先必须从各个方面弄清集成电路的功耗组成,然后采用适当的方法,有针对性地对设计从系统方案到物理版图各个设计阶段进行低功耗分析。由于在当前芯片设计制造中,CMOS电路仍然占据主要位置,以下将从CMOS电路的特点入手讨论数字集成电路的功耗组成。
2.1 功耗组成
SoC中的功耗大致可分为三个部分,即处理器功耗、通讯功耗以及存储器功耗。处理器功耗和通讯功耗又可统称为逻辑电路功耗。
CMOS逻辑电路功耗主要有两部分组成,即动态功耗与静态功耗。动态功耗是指当芯片处于激活(active)状态时,也即信号发生跳变时的功耗;静态功耗是指芯片处于未激活状态或者说没有信号的跳变时的功耗。
2.2 动态功耗
在CMOS电路中,动态功耗主要由交流开关功耗和直流开关功耗两部分组成。交流开关功耗又称为负载电容功耗,是指电路对负载电容充放电形成电流所引起的功耗;直流开关功耗又称短路功耗,是指输出电压变化时由PMOS管和NMOS管在同一时间导通产生的瞬态电流所引起的功耗。
2.2.1 交流开关功耗
交流开关功耗由门的输出电容充放电形成,是CMOS电路动态功耗的首要来源。以CMOS反相器为例,设电源电压为Vdd,输出端负载电容为CL。当输入信号电平分别由高向低或由低向高转换时,对应输出端情况分别为Vdd对电容CL的充放电,从而形成了交流开关功耗,如图1所示。交流开关功耗表示如下。
PD =αCLfVdd2
式中,α为节点的翻转概率,f为电路时钟频率。
2.2.2 直流开关功耗
由于在实际电路中,输入信号的跳变过程总是需要一定的时间,因此当输入电压落到VTn和Vdd-|VTp|的区间内时(VTn和VTp 分别为NMOS管和PMOS管的阈值电压),两管会同时处于导通状态,从而在电源与地之间产生了一条电流通路。由此短路电流产生的功耗就叫做直流开关功耗,也称为短路功耗,如图2所示。
2.3 静态功耗
静态功耗主要是指泄漏电流所引起的功耗,又称泄漏功耗。CMOS电路中主要存在有四种泄漏电流:亚阈值泄漏电流(IDS)、栅泄漏电流(IGATE)、门栅感应漏极泄漏电流(IGIDL)以及反偏结泄漏电流(IREV)。芯片的静态功耗就是由总的泄漏电流引起的功耗之和。可表示为:
Pleakage =Vdd*(IDS +IGATE +IGIDL +IREV)
短路功耗和静态泄漏功耗在深亚微米工艺下占总功耗的比例很小,基本达到可以忽略的程度,此时开关功耗是主要因素。然而,随着工艺技术发展到纳米工艺水平时,泄漏电流造成的功耗将会大大地增加,在某些65 nm工艺中,泄漏电流大小已经达到接近动态电流的水平。
2.4 存储器功耗
存储器是SoC系统的重要组成部分。随着视频、音频等多媒体芯片上存储应用的迅速发展,存储系统功耗日益增加,已经成为SoC系统功耗的重要组成部分。由于在SoC系统设计中,要实现设计功能,往往需要对存储器频繁读写,这样势必会增加大量存储器系统功耗,因此,需要研究可行的设计方案来降低由于存储系统引起的功耗,以提高系统性能,保证系统能够稳定工作。
3低功耗设计方法及实现
在SoC芯片设计流程的各个阶段都需要进行低功耗设计的分析,并采用合适的方法进行低功耗设计。根据集成电路的设计流程由高到低具体包括体系结构级、电路级、寄存器传输(RTL)级以及门级与晶体管级设计。而在进行低功耗设计之前,则首先要进行功耗估计,从整体了解设计的功耗信息以及把握功耗优化的效果。
3.1 功耗估计技术
功耗估计技术是进行系统芯片功耗优化的重要环节,设计过程中如果没有对设计准确迅速的功耗估计,就无法把握所使用的功耗优化技术的效果,低功耗设计也就无从谈起。另外,通过功耗估计能尽早发现电路设计中存在的一些功耗问题,从而尽量避免可能出现的由功耗问题引起的重复设计。功耗估计的方法分为概率分析法和仿真分析法。
概率分析法可以快速估算功率,但精确度有限。目前使用较多的是基于矢量输入的动态仿真方法,即使用仿真工具利用综合或是布局布线阶段得到的门级网表进行动态仿真,得到电路的开关活动性信息,再进行反标,然后根据工艺库的数据从而得到具体功耗。利用动态仿真方法进行功耗分析的关键因素有两个:一是要能够提供合适的输入信号矢量;二是需要足够长的时间进行动态仿真以确保其覆盖率。
3.2 体系结构级设计
进行体系结构设计时,首先可以利用并行处理的技术,在不影响电路基本工作性能的基础上尽量降低其工作频率,从而大大降低功耗。其次,流水线技术也是降低功耗的重要途径之一。其核心思想就是将系统中相同或者相似的一系列操作通过时间上串行,空间上并行的方式实现,其时空图如图3所示。
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图中以五级流水线为例,运算总共分成完成时间近似相等的五个步骤,和之前相比,路径长度缩短为原来的,这样,在一个时钟周期t内,充放电电容变为原来的。因此,在相同的电路速度下,可以采用较低的电源电压来驱动系统工作,从而降低了系统功耗。
3.3 电路级设计
通常在SoC电路设计中往往会包含较多的总线,而总线一般都会给电路带来长连线、大电阻和大负载等效应。由此引起的功耗约占总功耗的15%～20%以至更高,因此电路总线的低功耗设计技术也成为SoC设计重点考虑的问题之一。目前比较成熟的总线低功耗设计技术是减摆幅设计Vswing 。定义输出电压高电平为,那么跳变功耗表示如下:
Ps =AVCVswing f
由此可见,降低Vswing 可以达到降低功耗的目的。
另外,电荷再循环总线结构(Charge Recycling Bus)是另外一种降低总线功耗的技术,它把整个电势差分成几等份,利用总线各数据位电容上存储的电荷电势的变化来传输数据,其本质上也是利用了减摆幅技术。
3.4 RTL级设计
3.4.1门控时钟设计
门控时钟是一种应用较为广泛的低功耗设计技术。它是通过减少电路中冗余状态翻转,即让一些暂时不工作的单元处于非触发状态,当需要这些单元工作时,再用使能信号进行触发。借助门控时钟插入技术可以减小由于不必要的时钟跳变而产生的动态功耗。如图4所示,使用控制信号en来完成门控。门控后的时钟信号gclk送到寄存器中。这样,当en为“0”时,该时钟被关掉;en为“1”时,clk被传送给gclk,寄存器正常工作。
在实际的设计过程中,可以借助DC中Power Compiler工具中的相关命令,实现门控单元的插入。
3.4.2 操作数隔离
操作数隔离主要是针对系统中的算术、逻辑运算模块进行低功耗设计,其核心思想是增加额外的数据选择器,通过控制选择器的使能端,在不需要进行算术以及逻辑运算时,使这些模块的输入保持为“0”,从而不让操作数进来,输出结果不会翻转;而如果需要进行这方面的运算时,再将它们打开。
如图5所示为利用操作数隔离设计一个简单加法器的例子。当系统不需要加法运算的时候,adder_en信号为“0”,则加法器的两个输入端都保持“0”,其输出不会发生任何翻转,不会产生动态功耗,而如果需要进行加法运算时,adder_en变成“1”,数据端a,b信号被送入加法器进行加法运算。
3.4.3 存储器分块访问
一个系统中往往需要引入片上存储器,用来存储特定的指令集或运算的中间结果,而片上存储器的加入则会引起功耗的增加。如前所述,SoC设计中存储器带来的功耗已经越来越不容忽视,必须采用适当的设计方法降低存储器的功耗。
存储器分块访问方法是指根据电路中存储器的工作情况,将系统所需要的一定容量的存储器分成相同容量大小的两块或多块,然后通过适当的片选译码实时决定哪片存储器处于工作状态。当然,利用这一方法降低功耗的同时也会不可避免的增加芯片的面积,因此设计中要权衡考虑。
3.5 门级与晶体管级设计
门级与晶体管级是在芯片功耗、性能之间进行折中的最直接的设计层次。在门级设计阶段,主要方法是将节点翻转率比较高的逻辑门合并到复杂的门电路中,从而降低节点的等效电容,以达到降低功耗的目的。另外,逻辑门驱动能力大小的选择也会影响到功耗,一般尽量选择节点电容较小的逻辑门以降低功耗,但这样做也可能会对电路的时序产生相应影响。
晶体管级设计阶段,一般采取先进的制造工艺来降低功耗。比如,采用更小的晶体管特征尺寸使电路负载电容减小,从而使电路的开关功耗随之减小。另外还可以采用低阈值电压器件降低功耗,由于高阈值电压可以有效地减少电路的亚阈值漏电流功耗,减小阈值电压会导致静态功耗呈指数级增加。因此,可以在电路的非关键路径上采用高阈值电压的逻辑器件,在关键路径上采用低阈值电压器件以取得电路性能和功耗的折中。
4 总结
随着工艺的发展,芯片集成度的规模与日俱增,单一SoC芯片的功耗也逐渐达到让人难以接受的
(下转第46页)
程度。功耗问题在深亚微米及纳米工艺条件下系统设计中的瓶颈效应日益加剧,低功耗设计也成为新一代SoC设计方法学的重要内容。低功耗设计贯穿于SoC设计的各个层次中,从最顶层的体系架构设计到最底层的晶体管级设计,都有低功耗设计思想的体现。
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关键词：10kV配电网；节能降损；无功经济当量；技术线损
0 引言
随着社会及企业经济效益意识的不断提高，电力系统运行的经济性、安全性也面临更高的要求，降低损耗、节约电能日益成为整个社会尤其是供用电企业关注的课题。
自1998年农村电网建设和改造工程实施以来，我国农村电网健康状况虽得到明显改善，但随着农村经济的快速发展，对农网的供电能力和供电质量提出了更高要求，建设具有坚强、智能特征的结构合理、技术实用、供电质量高、电能损耗低的新型农网迫在眉睫。
电网损耗是各电压等级电网运行经济性的综合体现，不仅与元件参数、传输功率和运行电压等方面有关，还受电网运行方式和电能质量的影响，而且由于各电压等级的组网方式与运行模式均有较大区别，各电压等级电网的损耗也呈现互不相同的特性。作为电网重要组成部分的配电网，它直接面向广大用户，如何准确、有效地计算线损率，提高配电网损耗计算精度，成为广大学者关注焦点。
1 电网技术损耗形成原因
现代电网的网络损耗电量主要分为理论损耗电量和管理损耗电量。
（1）理论线损电量：理论线损电量可以通过技术措施予以降低，且可通过计算得出。其中，包括变压器的铁损、铜损；输、配电线路中的损耗；电网其他电气元件的损耗等。这部分损失与网络的构成、网络运行的技术状态、运行方式、电气设备的质量等有关。
（2）管理线损电量：管理线损电量是与网络维护管理水平有直接关系的一种电量损失，其可以通过加强用电管理、加强企业管理制度和规范员工工作制度予以降低。
1.1 技术线损形成原因
（1）网架结构不合理
近几年城市负荷增长速度明显快于城市电网建设速度，然而电网建设改造资金又严重缺乏，使得电网发展不能与负荷发展相匹配，出现长期滞后的局面。致使中、低压配网网架结构薄弱，线路老化严重，供电半径过长，许多10 kV线路长期处于满载及过载状况，尤其是居民区低压配网配置水平偏低，容量不足，低压引户线年久失修，导线截面小，进而导致电网线损增加[1]。
（2）配电设备不能处于经济运行状态
以往的配电网建设多半考虑满足地区负荷增长的要求，并未考虑电网节能问题，造成配电设备的资源浪费，设备利用率低、损耗大，主要体现在：
① 变压器未能采用节能经济容量，造成容量冗余，损耗增加；
② 变压器未能采用经济负载运行，由于电力系统具有时变性，有时变压器处于轻载或完全处于空载状态，这使运行时变压器损耗增加；
③ 线路未能采用经济截面积及经济输送距离，致使加大设备损耗的同时也加大了设备投资。
（3）三相负荷不平衡
配电线路中经常会出现三相负荷不平衡的情况，若不平衡度超出规程规定不得大于20%的范围，就会导致中线电流增大，从而导致线损增加。
（4）无功补偿率低
随着我国电力事业的迅猛发展，城市电力需求不断增长，工矿企业大量采用感应电动机和其它类感性用电设备，除吸收系统的有功功率外，还需要电系统供给大量的无功功率。电网功率因数低下，加大了负荷所需的无功功率，进而增加了线路和变压器中有功功率和电能损耗[2]。
（5）理论计算精度低
配电网面向客户，节能降损潜力巨大。线损理论计算是优化电网结构、降低线路损耗、制订线损率计划的科学工具。理论线损率是以代表日实际测录取得各元件的负荷及运行电压等参数为基础，对整个电网中每个元件的能耗进行计算得到。10kV配电网损耗的计算方法有很多，通常采用近似简化算法，如均方根电流法、最大电流法、等值电阻法等。但这些传统方法对计算网络和数据进行了一些假设、等效和简化，从而影响计算结果的准确性，电阻等效的方法不同，计算精度也不同。本文通过对常用方法的比较，为了提高损耗计算精度，考虑无功对系统损耗的影响，提出一种考虑无功经济当量的线路损耗计算方法，并通过实例验证了其实用性及有效性。
2 配电网损耗理论计算方法
技术理论线损计算：通过收集配电网设备及运行数据，利用计算机软件模拟实际电网情况，计算电网线损。其中技术线损根据不同电压等级，又有多种计算方法。
2.1 高压配电网线损理论计算方法
高压网络大多采用潮流计算方法，35kV及以上电网潮流计算式由发电机和负荷功率推知电流、电压的过程，从而可得知各个35kV及以上电网元件的有功损耗及35kV整个电网的有功损耗。
对于35kV的线路及变压器、110kV的线路及变压器和220kV的变压器也可采用变压器及线路损耗公式计算方法，按元件逐个计算电能损耗。
2.2 10kV中压配电网理论损耗计算方法
中压网络主要采用等值电阻法与潮流法相结合的方式，由于10kV配电网节点多、分支线多、元件多，数据不易收集，采用等值电阻法容易实现对线损的理论计算，通过软件模拟选取最大负荷时刻或平均负荷时刻的电网状态，基于潮流结果计算网络损耗。
等值电阻法的基本思想是：整个10kV配电网的总均方根电流流过等值电阻Rdz所产生的损耗等于10kV配电网内全部配线可变损耗和全部配变负载损耗的总和。其中等值电阻法又分为基于配变容量的等值电阻法和基本配变电量的等值电阻法。
（1）基于配变容量的等值电阻法
在配网的线损计算中，其基本思想就是根据能量等值的原则将把整个配网等值为一个电阻Rdz，这样整个配网的总均方根电流Iif流过等值电阻Rdz所产生的能量损耗等于全部配线可变损耗和全部配变的负载损耗的总和。
（1）
其中：P0i为i第台配变的空损（MW），m为全网配变的台数，T为运行时间。
均方根电流由T时段平均电流得到： ； Ks为首端电流波形系数；rTdz和rLdz表达式如下：
（2）
（3）
其中，ri是第i个节段线路经过修正后的运行电阻值。
（2）基于配变电量的等值电阻法
在计及配变实际负荷率后，配变等值电阻rTdz和配线等值电阻rLdz计算式可写成：
（4）
（5）
其中，ki为各台变压器的负荷率。整个网络的损耗同公式（1）。
2.3 低压配电网理论损耗计算方法
低压网络通常采用台区损耗率法或电压损失率法，台区损耗法主要将低压网负荷性质分为城区网、郊区网及农村网，再将每种性质的低压网按负荷类型分为重负荷、中负荷、轻负荷三类。对每个负荷类型，分别抽取若干个典型台区，即供电负荷正常、计量齐全、电能表运行正常、无窃电现象的数个台区，对其在计算时段内的线损进行实测，从而获得这些台区的单位配变容量的电能损耗值（MWh/MW）。再将这些值分别应用于具有相同负荷性质和相同负荷类型的其他台区，分别计算其电能损耗。最后对三种负荷性质低压网的电能损耗进行求和，得到全部低压网的电能损耗。
电压损失率法只要求简单的电压运行数据，通过电网的送端电压和末端电压，计算电压损失率进而计算电网损耗率。采用电压损失法，避免了难于整理的电网结构数据，既简便易行又相对合理[3]。
3 考虑无功经济当量的损耗计算方法
对于计算方法的改进，更多的关注于技术线损计算方法，而现有的计算理论往往以有功损耗作为整个电网的损耗，忽略了无功对电网损耗的影响。
电力系统的电气设施（线路、变压器、电动机等）在运行中，都要消耗一定的无功功率，这些无功功率在电网传输过程中，不但会增大电压损耗，影响电压质量，而且会使电网的电能损耗增大，影响电网的经济运行。因此通常考虑通过采用加装电容器的方式对电网无功进行补偿，以提高电网的经济运行水平。考虑无功功率，电网损耗就不能只考虑有功损耗，还要加入无功损耗，以综合损耗的形式，考虑电网的整体损耗[4]。
变压器有功损耗，数据采用最大负荷时刻有功值。
电网无功补偿前后，无功经济当量确定方法如下。
电网在正常运行时，有功损耗为
（13）
（14）
4 实例验证
4.1 典型线路的选取
本文以某一回10kV线路为例，计算线路损耗，验证该方法的正确性，并与现有其他计算方法进行对比，验证其准确性。
按照线路功率因数最小、供电半径最大、线路所带配变最多等原则。最终选定A作为典型线路进行计算、分析。
A线路主干线长度为12.46km，主干型号为JKLGYJ-240；线路公用配变共45台，容量3600kVA，专用配变23台，容量4370kVA，线路功率因数为0.84。A线于线路上及配变上均装设无功补偿装置，其中线路上配置无功补偿装置300kvar，配变装设908kvar。
4.2 典型线路损耗计算
（1）时刻潮流法
线路配变最大负荷时刻有功情况如表3-1所示。
表3-1 线路配变最大负荷时刻有功情况
考虑系统时变性，运用采用系统最大负荷时刻所对应的电网状态，结合CEES电力系统仿真软件模拟，进行线路损耗计算。具体计算结果如下：
通过计算得出10kV平台线的线路损耗功率为72.306kW。2012年长清区最大负荷利用小时数为3260小时，通过公式计算，得出全年负荷最大损耗小时数τ 为1850小时。则总损耗电量为：
（2）考虑无功经济当量损耗计算法
通过第三节公式，并结合CEES进行网络模拟计算，确定无功经济当量KQ为0.18，有功经济当量KP为0.36。同样采用最大负荷时刻线路数据计算，得出系统有功损耗为72.306kW，系统无功损耗为126.743kvar。
通过计算得出综合损耗为：
2012年A线的年供电量为11026761kW.h，年售电量为496203.32kW.h，线路年损耗为606472.68kW.h，线损率为5.5%。对比实际测量的损耗电量，时时潮流法线损率为12.1%；考虑无功经济当量计算线损率为2.03%。通常情况下理论线损计算会比统计线损计算值小，很显然时时潮流法虽然考虑了系统的时变状态，但对于无功潮流比较大的线路，由于缺少无功损耗考虑，损耗电量的计算误差就比较大。
5 结论
线损是供电企业一项重要的经济技术指标，也是衡量供电企业综合管理水平的重要标志。配电网相比于输电网，节电潜力巨大，降损节电量多。
本文从电网各个方面分析了技术线损形成原因，总结了高、中、低压配电网线损计算方法。由于电力系统的电气设施在运行中，都要消耗一定的无功功率，而在配电网线路损耗计算中，往往忽略了无功损耗。因此，本文提出一种考虑无功经济当量的配电网损耗计算方法。经过采用实际运行数据进行计算，并与时刻潮流法进行对比，考虑无功经济当量的线损计算方法较为合理且计算结果更为接近实际测量值。计算结果验证了该方法的有效性和实用性，为线损的理论计算提供了一种新方法。
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【关键词】倾角测量仪；MSP430；加速度传感器；低功耗
1.引言
本超低功耗倾角测量仪的设计中，使用了TI公司的MSP430、TPS61070、TPS61040和TPS54331等器件和加速度传感器，实现了超低功耗高精度角度测量仪的制作。首先，我们使用MSP430单片机，此单片机不仅具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富等优点，而且具有超低功耗和间歇工作的优势。其在工作时工作电流只有200uA左右，当处于休眠状态时其工作电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗和控制运算的需求。在实际使用中，我们让它工作在2.5V，省电模式下RAM数据保持在低功耗模式，消耗电流仅0.1μA。其次，设计中还使用了TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级BOOST升压电路，相对于反激式升压电路相比，该方案不但效率高，而且有利于降低电源损耗。在选择降压电路方案中，使用了TI公司的TPS54331芯片组成BUCK降压电路。当25V将至2.5V时普通的线性降压芯片效率只有10%，但是这块芯片在轻载情况下效率也可达到30%以上，而且功耗低。此次设计中，主要使用TI的芯片，性能很好，对制作的实现起到了促进作用。
2.方案设计与论证
本设计要求通过测量重力加速度进行角度测量，并保证精度达到±1度以内，用2200uF电容供电，在工作情况下能持续工作60秒以上，并用1.5V干电池给电容充电。
2.1 控制系统的比较与选择
方案一：采用DSP，具有高精度，运算速度快的优点，但DSP功耗高，不满足本设计低功耗要求。
方案二：采用ATML的12C5A16AD，这款单片机价格便宜，但是运算速度比较慢，功耗大，不符合本设计的要求。
方案三：采用TI公司的MSP430单片机为控制系统。此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势。在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。
综上论证选取方案三。
2.2 测角传感器比较与选择
方案一：MMA7455，它是10位精度三轴数字加速度传感器，具有I2C，SPI通信接口，但是测量结果偏差较大，需要校正。
方案二：MMA8452加速度传感器，此传感器是一款智能、低功耗、三轴、电容式微机加速度传感器，具有体积小，重量轻和丰富嵌入式的特点，可以减少整体功耗，有利于实现系统的超低功耗运行。此传感器具有12位高精度，偏差小，不需要校正的优点，而且能够返回数字信号，有利于信号采集与功能实现。
综上论证选取方案二。
2.3 供电降压电路选择
方案一：用7805组成线性降压电路。选用7805虽然能将电压降到要求值，但是，7805的工作原理就是将额外的压降加在了芯片上，当电压由25V降到5V时，7805会严重发热，功耗很大，在超低功耗下很难工作。
方案二：用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到3.3v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比功耗小，效率也高。
综上论证选择方案二。
2.4 充电升压电路选择
方案一：用反激击式升压电路，此电路虽然实现输入输出隔离，但是此方案工作效率低，功耗大，不利于1.5v蓄电池长期使用。且反激式电路需绕制高频变压器，占用空间较大，不利于使用。
方案二：用TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级boost升压电路，相对反激式升压电路相比，该方案效率高，易于低功耗设计的实现。
综上论证选择方案二。
2.5 系统总体结构设计
通过以上方案选取我们的系统总体结构为通过boost升压电路，将1.5V电压升到充电电压25V给电容充电。用充好电的电容通过BUCK电路降压对测量仪进行供电，通过测试按键发出信号后测量仪进行测量后显示。系统设计框图如图1。
3.理论分析和计算
3.1 倾角的计算方法
低功耗单片机控制，通过MMA8452加速度传感器将加速度在X、Y、Z轴上（芯片坐标轴如图2）的分量通过I2C通信传到单片机里，根据几何关系进行角度计算后由HT1621驱动的4位LCD角度显示。显示分辨率为0.1度，精度达±1V，测角范围为0-90度。
从倾角传感器输出到单片机的是重力加速度的XYZ轴分量，通过以下公式计算出：设X轴与水平面仰角α度，将坐标系投影到XZ平面，可得一平面坐标系，由此可求得各轴上的静态加速度值：
经传感器采集后输送给单片机Ax、Ay、Az三个数字量，其中，，，角度值。
3.2 理论功耗分析
3.2.1 单片机功耗
MSP430此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势，在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。
我们选用的MSP430单片机在典型的200KHZ时钟、2.5V电压下工作时，仅消耗2.5μA，在1MHZ时钟、2.5V电压下工作时有250μA，在RAM数据保持在低功耗模式下消耗电流仅0.1μA。它具有5种工作模式，不同模式下消耗在0.1～400μA间，待机模式下消耗仅0.8μA。将CPU置为省电模式，可以大大减小能耗。
3.2.2 显示器功耗
HT1621驱动的段位显示屏，此显示屏虽然屏幕比较小，显示内容有限，但是此显示屏可以在极低功耗下工作，外接32KHZ晶振，而不用内置时钟源，可以将工作电流控制在60μA以下。与普通的LCD显示屏相比，此显示屏不用背光，断码显示，用I2C总线传值，功耗更低。此显示器驱动芯片有间歇模式，处理完指令后可以进入间歇模式，等待激活后继续处理数据。这样可以大大降低功耗。
3.2.3 加速度传感器功耗
我们用的MM8452加速度传感器可以低功耗和正常两种模式。
如图3所示，此传感器开启后可以工作在唤醒和休眠2种模式下，当可以设定工作时长，节省能耗。低功耗模式下工作电流仅为14μA，正常模式下工作电流为24μA。
3.2.4 供电电路功耗
用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到0.8-5v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比线性电源功耗小，效率也高。
我们为了进一步降低功耗，将单片机供电调整到2.5V，可以使MSP430工作在极低功耗下。
4.电路与程序设计
4.1 电路设计
4.1.1 Buck降压电路
由于电容电压为25V，所以必须采用降压电路将电压降到2.5V后对电压和加速度传感器供电。为了减小功耗采用TI公司的的TPS54331芯片组成buck电路。此芯片组成的Buck电路最大极限是由28V降到0.8V，且该芯片稳定性好，精度准，功耗低等优点。Buck电路图如图4。
4.1.2 充电装置电路
用1.5V干电池对电容进行充电，要求充电到25V。所以要将1.5V电压经过升压电路升到25V。我们采用TI公司的TPS61040和TPS61070芯片组成两个Boost电路，分两级将1.5V升到5V再生到25V。TPS61040芯片最大升压范围是由1.8V到28V。TPS61070芯片最大的升压范围是由0.9V到5.5V。所以由单独一片芯片不能制成由1.5V到25V的Boost升压电路，故采用两级升压。这两种芯片都具备稳定好，精度高，功耗低等特点，对充电稳定有重要意义。充电装置电路图如图5-1。
TPS16070芯片将电池1.5V电压升至5V，参数R1，R2及确定：根据芯片要求R2取180KΩ，R1=R2（Vo/VB-1）=180k*（5/0.5-1）=1.62MΩ，电容C2=3pF（200k/R2-1）=0.33pF。TPS61040芯片将上级输出升至25V，通过调节电位器R5来调节输出，其中输出Vout=1.233（1+R4/R3），通过调节R3与R4值可以改变输出电压。
4.1.3 加速度传感器电路
测试按键与单片机相连控制是否进行测试，单片机与MMA8452加速度传感器通过I2C通信，由单片机与显示器连接进行显示，加速度传感器电路图如图6。
4.1.4 总体设计电路图（如图7、8）
4.2 程序结构与设计
程序流程判断图如图9所示。
系统供电后，单片机启动首先进入休眠状态，并实时监测是否有键按下，若无键按下，继续等待；若有键按下则根据按键功能进入测量状态或模式转换显示，然后由液晶显示新测量的数值，单片机重新进入休眠状态，继续检测是否有键按下。
5.测试方案和结果
5.1 测试方案
调整好水平台，将斜坡放在水平台上，将电容充好电后尽快的接入测量仪中，然后调整斜坡进行测试观察电容能工作时间和测量的角度。
5.2 测试结果
如表1、表2所示，2200uF电容供电，以每5秒一次的频率进行测量时，测量仪工作时间约3分钟。
100uF电容供电，可工作时间约为20秒。
6.结论
本超低功耗倾角测量仪由于设计合理，结构简单，方案选取恰当，单片机、芯片和电阻电容等参数选取合适，所以很好的满足基本和发挥要求，真正实现超低功耗的功能。本设计以超低功耗为目标，设计制作，较好的完成了超低功耗工作的目标，并实现了较高的精度，成功的完成了设计目。该作品可用于实际测量，在实验室及工业生产中可作进一步推广。
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基金项目：国家大学生创新创业训练项目（编号：20111080）。
关键词 输配电；电能损耗；分配方法
中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)012-0099-01
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。
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【关键词】:技术措施 管理措施
中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1003-8809（2010）05-0011-01
线损不仅包括电网传输中的电能损耗，也包括由于系统运行方式、计量误差、偷漏电等造成的一切不明损失，在统计上通常用供电量与售电量的差额来度量，供电企业降损的任何一种努力，都会通过线损降低得以体现。电力作为一种特殊的商品，不可能象其他商品一样用废品率、运输成本等指标来评价，而只能通过比较供电量与售电量的差额来衡量，这其中有线路本身损耗等合理线损部分。所以降损必须从技术降损和管理降损两方面进行，技术降损是基础，管理降损是关键。本文主要从以下两个方面就如何加强降损节能管理工作进行探讨。
一供电企业降低线损的技术措施
（一）加强配电网络的无功管理，提高电网的电压质量
功率因数反映的是用电设备消耗一定有功功率与视在功率的关系，功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，用电设备在消耗有功功率的同时，还需大量的无功功率由电源送往负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。提高功率因数，减少无功损耗的途径有以下两个方面：
一是提高自然功率因数。提高电气设备的自然功率因数，主要是：通过合理选择供、用电设备的容量和型号；推广使用节电新产品和新技术；及时停用空载设备来减少电力网中各个部分所需的无功功率，特别是减少负载的无功消耗。
二是采取人工无功补偿提高功率因数。采用人工无功补偿，可以有效地降低电力网的线损，改善电压质量，提高配变供电能力和用电设备的出力。
（二） 改善供电电压水平，保证电力网的合理运行电压
电力网的运行电压对电力网中元件的空载损耗均有影响。一般在35kV及以上供电网络中，提高运行电压1%，可降损1.2%左右。提高电网电压水平，主要是搞好全网的无功平衡工作。
在10kV配电网中，由于空载损耗约占总损耗的50%～80%，特别是在深夜时，因负荷低，则空载损耗的比例更大，所以应根据用户对电压偏移的要求，适当降低电压运行。?对于低压电网其空载损耗很少，宜提高运行电压。
由此可见，在电网运行中，大量采用有载调压设备可以在不同的负荷情况下合理地调整电网的运行电压，进而降低线损。
（三）确保变压器经济合理运行
所谓变压器的经济运行是指它在运行中，所带的负荷通过调整后达到合理或基本合理值，此时，变压器的电功率损耗达到最低值，效率达到最高值。这一运行状态(变压器负载率为40%～60%之间)就是变压器的最佳经济运行区。这是降低变压器和电网电能损耗的重要措施之一。
二供电企业降低线损的管理措施
管理线损是由计量设备误差、管理不善以及电力元件漏电引起的电能损失。
由于这种损失无规律可循，又不易测算，通常又称之为不明损耗。在农村供电所的线损管理中，管理线损是左右线损的一个重要因素。因管理不到位，形成的电能损失在整个线损中占有较大的比重。
（一） 成立组织机构，制订严格细致科学的台区承包措施
建立线损领导小组和各分片线损管理员组成的降损专项小组，每月定期召开线损分析会，仔细分析线损高的台区，线损低的台区也不例外，高的要降低，低的要更低，找出问题的关键所在，并及时采取有效措施进行解决。
（二） 进行高、低压线损的理论计算
为了制定合理的线损指标，应对电网的理论线损率进行计算，特别应开展低压理论线损率的计算。根据现有电网接线方式及负荷水平，对各元件电能损耗进行计算，以便为计算线损提供科学的理论依据，不断收集整理理论线损计算资料，在整理出线损理论计算的基础数据后，利用切实可行的线损理论计算软件对电网进行高、低压线损理论计算。
（三） 建立线损分析例会制度
每月定期召开线损分析会，分析影响线损率的主要因素，从中找出相应改进措施以确保取得最佳的降耗目标和经济效益。线损分析例会应重点做好以下几个方面的对比分析：一是实际线损率与理论线损率的对比。如果实际线损率过高，说明电力网漏电严重或管理方面存在的问题较多，或许两个方面都存在问题。二是当前水平与年平均水平的对比。三是计量总表与分表电量的对比。搞好电能的平衡分析，监督电能计量设备的运行情况，确保计量装置保持在准确运行状态。四是线路或设备之间、季度和年度之间、各条线路之间的线损综合对比。
（四） 加强抄表管理
严格执行抄表制度，抄表员每月严格按例日抄表，不准随意变更抄表时间。抄表员与用户侧接触最多，应利用每次机会，坚持杜绝抄表不到位，错抄、漏抄等现象的发生，并仔细查看计量装置的完好情况，是否有表计、CT烧毁、接线错误等计量故障或窃电、违章用电现象的发生。也可以尝试换人抄表，防止跑熟了难免出现一些细小问题，起到互查互督，于己于人，于公于私，有利无害，同时加大稽查力度，抄表工作不仅仅是为了抄表而抄表，还要对铅封是否完好，电量是否异常等情况进行统计分析，从中查找问题，并及时处理解决。
（五） 规范计量管理，确保计量装置接线的正确性和计量的准确性
电能计量装置的准确与否，是线损率准确与否的前提。对电能表的安装运行管理工作要严肃认真，有专人负责，做到安装正确合理，按规程要求定期轮换校验，保证误差值在合格范围内并尽可能降低；规范计量箱的安装位置，缩短馈线距离，加大馈线截面积；严格铅封制度；配表防止小容量大计量。
（六） 加强营业普查及稽查工作，杜绝跑冒滴漏情况的发生
关键词：电力市场；网损；分析计算
中图分类号：TM711 文献标识码：A
0.引言
随着我国经济的飞速发展，电力工业体制改革的深入，需急迫地解决电网商业化运营方面的问题。传统电力管理方式是垂直一体式，它虽然能够统一地调度、保障电网统一安全运行，但是其效率较低、成本较高，缺乏竞争力。需在电力行业中引入竞争机制，建立电力市场，提供规范、有序的交易环境，从而使得电力资源配置更加优化，加快市场透明度的转变，使得电网公司的效益得到提升。经过研究表明，电力市场是由垄断阶段逐渐发展成为竞争阶段、输电网开放阶段、配电网开放阶段。而未来理想型电力工业，应该是一个发电是市场化、输电及配电是被管制的大型的零售市场。
1.网损的概念
网损又称为线损，指的是在电能传输过程中，以热能的形式而散发的功率损失。包括电阻或电导所消耗的有功功率和一部分由线路的电抗、变压器铁芯的感纳、变压器铜线绕制而成的电抗以磁能的形式消耗的无功功率。另外，线路对地支路的电纳为容性，其不但不消耗无功功率，而且还能为线路注入无功功率。在输电和配电的过程中，变压器和线路上损失的网损能量，称为网损。虽然输电网的损耗占成本的小部分，但是在市场交易时，对交易的用户和交易会产生很大的影响。
1.1 网损的产生。网损的产生主要是通过线损和变压器运行损耗：（1）线损。线损主要分为3个部分，固定损失、变动损失和其他损失。线损的固定损失是由于电气设备带有电压，需要消耗电能，因电能消耗而产生的损耗，一般损耗小且随负衍的变化而变化，也称作空载损失或基本损失。变动损失与负荷电流有关系，一般与电流成正比，当电流较大时，线损的消耗就较大。其他损失，又被称为不明损失，它是在供电过程中，因滴漏等现象形成的损耗。（2）变压器运行损耗。变压器运行损耗也分为两方面，一是由变压器铁芯产生的损耗，称为铁损，该损耗不随负载变化而变化；二是变压器导体产生的损耗，称为负载损耗，该损耗和负载成平方关系增长，当负载加大时，损耗也随之加大。除此之外，在负载损耗还与变压器运行温度有关系，由于变压器绕组直流电阻会随温度变化而变化，所以负载损耗也因温度变化而改变。
1.2 网损计算分析：（1）实际网损与理论网损。经运行经验表明，大多数情况下实际损率接近或略高于理论线损率。理论线损率对实际线损率是一种参考标准。当实际线损率大于理论先线损率时，可能出现管理线损过大的现象。即一些不明损失造成线损过大，如“偷、漏、差、误”等原因。（2）固定损耗和可变损耗所占比重。在电力系统正常运行、经济合理的情况下，固定损耗和可变损耗所占比重是相等的。而当固定损耗多于可变损耗时，可推测线路和设备处于轻负荷的运行状态，通常在农电线路经常遇到这种情况，将会造成实际线损率和理论线损率都处于较高的状态，使得经济合理值不达标。（3）可变损耗与固定损耗所占比重。当前者大于后者时，可推测线路和设备处于超负荷运行状态，通常在工业线路或用电高峰季节经常遇到这种情况，导致实际线损率和理论线损率两者都比较高。（4）变压器铜损与导线线损。通常导线上的损耗加上配电变压器铜损的和占10kV配电网总损耗的50%时，是属于正常。而当线路上的配电变压器的综合实际负载率达到或接近综合经济负载率时，变压器的铜损是在经济合理的范围内，而在总损耗中的剩余50%也是合理的导线线损。线路导线线损和变压器铜损的占比分配没有固定的数值，根据具体电网结构、运行参数进行考虑。（5）其他线损率。还需要对比不同用电季节下的线损率，对比企业线损的实际值与计划线损率，对比本季度、本年的实际值与去年同期的线损率实际值，对比不同供电地区线损率，对比不同用电负荷线路损率。
2.降低线损的技术措施
通常采用技术改善和组织改善来降低线损率。技术改善有两种途径，一是从运行的角度出发，提出改善措施，还有一种通过建设性角度。技术性措施主要针对电网的结构进行改造，可以对需要改善的电网增加设备，如类似调相机和电容器等设施，将电网的输电能力加以改进，调相机和电容器针对电网的电压质量和无功潮流分布进行改善，使得电网的线损得以降低。线损管理工作最基础的是通过技术措施降低线损，而管理人员可以针对不同电网损失的特点和规律，采用相应的技术方法，使得企业以较小的投资成本，获得最大的经济效益，实现“多供少损”的运行目标。
2.1 电网结构的调整和完善。电网结构是形成线损影响因素之一，在规划和建设电网，或改造电网时，需要将线损的因素考虑在内。当设计出一个结构布局都比较合理的电网时，不仅能向客户提供高质量的电能，还能使得电力企业低损、高效的长期供电，提高企I的经济效益。
2.2 线路电压的调节。线路电压也是影响线损的原因之一，提高线路电压，基于负载功率不变的基础，则线路电流将会减少，从而降低线路损耗。如将线路电压从6kV增加至10kV，则降低了64%的线路损失。而将线路电压从10kV增加至35kV，则线路损失减少至原先的92%。线路电压的调节与负载电容有密切关系，当负载容量较大、离电源较远的地方，通常选择高电压等级来供电。供电电压与变压器的损耗有着密切的关系，据研究表明，变压器空载损耗与电压平方成正比。故需要综合考虑变压器损耗和线路损耗，以平衡两种电压的损耗。当遇到变压器空载损失功率大于线路损失功率的情况下，应适当地降低供电电压。
2.3 功率因数。功率因数与电力系统各部分的无功功率有密切关系，当减少各个部分的无功功率，能减低负载消耗的无用功。而系统各个部分的无功功率，通常是指变压器、用电设备等的无功功率。降低这些设备的无功功率，能够提高功率因素。除此之外，可以增加无功补偿设备，对无功功率进行补偿，从而提高功率因数。
3.网损的计算方法
电力系统网损计算方式大致有两种，各自有各自的优势。基于电量的统计网损方法比较单一，主要统计采集的电量数据，然后对数据进行分析。另一种方法是对电网运行数据进行理论网损计算，这种理论式计算方法种类较多，而且过程比较复杂，本文研究理论网损计算法。网损理论计算方法的根本理论依据是均方根电流法，在均方根电流法的基础上，由不同的计算条件、不同的资料和不同的要求进行深入研究，并据此发展出了平均电流法（又称为形状系数方法）、最大电流法（又称为损失因数法）、等值电阻法、电压损失等方法。这些方法都属于理论计算方法，而它们的形成条件不同，故这些理论方法的精度相对而言也不是很高。对于精度要求较高的网损计算问题时，比较多的是使用潮流计算法，如损耗功率累加的方法、节点等效功率的方法，对网损进行理论计算。除此之外，网损理论计算还有以下几类方法：平均网损分摊法、边际网损系数法、潮流增量法、潮流追踪法。潮流增量法、潮流追踪法广泛运用于负荷的经济分配计算，较好地反映了电力系统电能损耗的总体情况。还有在电网中应用的动态潮流法、节点电压插值/拟合法、损耗功率插值/拟合法等。一个年供电量为100亿kWh的中型电力系统，以网损率为10%计算，全年损失电量达10亿kWh。将网损降至9%，则一年可节约1亿kWh电量，相当于节约4万吨标准煤（以煤耗400g/kWh计算）。这1亿kWh相当于20MW发电设备的年发电量。因此，需降低网损率，并积极的落实电力系统节能减排工作，提高电网企业的经济效益。
结语
建立电力市场不仅对电力系统的运行水平和控制水平要求更加严格，同样对网损计算和网损计算系统的开发的要求也更加严格。网损计算的分析工作，不仅有助于制定合理的考评指标，还能促进对网损的管理。对网损的计算分析，能够降低制定的各类技术措施方案中的损耗率，也能在实际中对项目的经济进行比较，并考察损耗降低的措施是否取得了实际效果。网损计算分析，还能够了解电力系统中损耗的构成情况，并掌握损耗的总体情况，并根据掌握的信息，对网损进行分级、分压和分区管理。还可以发现和改进技术管理工作中的薄弱环节，如表计计量工作和技术档案管理工作是否经常化和制度化等。理论网损计算对于网损管理工作有指导和促进作用。电网企业需要重视降低网损的工作，通过节能减排，提高企业的自身效益。
⒖嘉南
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关键词：输配电系统，电能损耗，输配电损耗，损耗分配
节能减排是我们国家的国策，各行各业都必须认真贯彻执行。降低电能损耗是电力部门的重要的工作，也是重要的经济指标。本文通过对配电网主要电能损耗设备的电能损耗计算，阐述了如何降低配电网的电能损耗。
1.电能损耗的计算
配电网的电能损耗主要包括配电线路和配电变压器的电能损耗两部分。对供配电系统电能损耗的理论计算是降低电能损耗、加强电能管理的重要手段。通过计算能够对降低电能损
耗工作提供理论和技术依据。
1.1输电线路电能损耗
电力线路的运行状况和线路的电能损耗随时间而变化，如一年内某一条线路的电能损耗，即是若干更短时间段内电能损耗的总和，由电能损耗计算公式可以看出线路的电能损耗与输电线路的有功功率、无功功率的平方、线路电阻成正比关系，与输电电压的平方成反比关系。
1.2变压器电能损耗
在电力传输过程中，有功功率和无功功率都造成功率损耗，因此，配电变压器的电能损耗也包括有功损耗和无功损耗两部分。变压器的电能损耗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，与功率因数的平方成正比。
2.输配电损耗分配方法
输电网损耗的分配，近年来引起了国内外学者的关注。免费论文。已有的研究综合起来可以分为以下几类：
2.1比例分配法，思想简单，是最常用的方法之一
它将输电网损耗按节点发电或负荷有功大小成正比分配。没有考虑发电和负荷在电网中的相对位置，没有考虑无功对损耗的祸合影响和交易间的相互作用，要人为指定分配给发电方和负荷方损耗的比例。
2.2 MW-MileMethod（简称MWM法）
它基于DC潮流求各交易引起的线路功率，按与被传输功率的大小和路径长度的乘积成正比分配电网损耗。它只在一定程度上弥补了比例分配法无法计及电网结构的缺陷。因此，没有考虑无功潮流对损耗的影响，也没有考虑交易之间的祸合作用。
2.3 微增损耗法（Incremental TransmissionLoss Meth-ods，简称ITL法）
由于ITL在电力系统经济运行中的应用由来已久，因此是一种被广泛接受的方法。其中基于最终潮流解的ITL以边际微增系数）求得的损耗分配结果通常会导致收益盈余口，因此需要做规范化处理以确保收支平衡，同时这种分配方法不具有唯一性。基于ITL积分给出了将损耗分配给Pool中的发电和负荷方的方法，采用分散平衡节点来消除计算结果对平衡节点的依赖性，但需要人为指定负荷分配系数与损耗供给系数，当损耗同时分配给Poof中的发电机和负荷时还需要指定两者的分配比例。
2.4功率分解法（Power DecompositionMethods，简称PD法）
基于电网总损耗表达式或支路总损耗表达式，结合阻抗或导纳矩阵方程（即按电路定理所得的方程）进行推导，以求取以交易有功或发电有功或负荷有功为变量的损耗分解表达式。注入功率着手分解有功注入，得到了有功注入的总和（总损耗）与节点阻抗矩阵及节点注入电流的关系，从而得到将各节点注入功率分解为损耗和负荷的两个分量，数学上这种分解是不唯一的。配电网损耗分配方法原则上与输电网损耗分配方法相似，但配电网有它的特殊性，对配电网损耗分配的研究，目前国内国际研究较少。归结起来，现有损耗分配研究中存在的问题有：1.分配比例问题。上面各种方法不能将输电损耗同时、自然地分配给电网中的所有电源和负荷，都必须指定电源和负荷的网损分配比例，难以适应含有Pool.和Bliateral交易的任意复杂的电力市场模式。2．基于电路方程推导的方法对平衡节点的选取具有依赖性，且平衡机不分配损耗；它们缺乏经济学意义。3．反向潮流与分配负损耗问题。在电力系统输电网络中，市场中的任何一个交易都会产生损耗，但在某些情况下，某交易的存在实际上却减少了系统总的输电损耗，原因是这一交易在系统中某些线路上所引起的潮流与这些线路的主导潮流的方向相反。反向潮流是电力系统中的一种客观存在，交易的最终输电损耗分配结果中应当反映引起反向潮流的作用。免费论文。是否真实地反应交易提供反向潮流的情况是评价输电损耗分配方法是否合理的一个重要因素，反向潮流的存在，损耗分配结果就有可能出现负值的情况，究竟是否应该给引起反向潮流的交易分配负损耗没有明确的说法。
3.减少网络电能损耗措施
减少电能损耗，就是减少线路和变压器中的电能损耗，具体措施如下：1．使无功功率合理分布，无功功率在电网中的传输，会使功率和电能的损耗都增加，导致电压下降，因此应在受电区域装设一定数量的无功功率补偿设备。目前有借助电子计算机进行无功功率计算来实现无功功率经济调度和随机补偿的，应用比较普遍。2．合理选用电力变压器和使之经济运行，电力变压器的容量不得过大。免费论文。否则，变压器空载或轻载运行，会消耗较大的无功功率。而这些无功功率是由电力系统供给的，既增加了初次投资，也使功率因数降低，电网损耗增加，因此必须合理选用电力变压器的容量。选择的原则是：（1）既要考虑变压器的额定容量足以满足全部用电负荷的需要，又不使变压器长期过载运行，同时在能耗最小的情况下使变压器经济运行。因此，变压器的容量不宜过大或过小。装有两台和两台以上变压器的变、配电所，应考虑有一台变压器发生故障时，其余变压器能满足一、二级负荷的需要；（2）选用的变压器，其容量等级应尽量少，以达到运行灵活、维修方便和减少变压器台数的目的；（3）变压器的经常负荷以大于其额定容量的60％为宜。3．减少电压变换次数每进行一次变压，大致要消耗1%～2％的有功功率，所以应尽量减少变压次数。4．合理布设线路，在输、配电线路的布局方面，应避免对负荷重复或迂回曲折布线，以减少线路中的电能损耗，变压器应尽量放在负荷中心。
4.结语
输、配电损耗分配是电力市场理论研究的一个重要内容。因为降低电能损耗也就是节约了电能，既为国家的节能减排工作做出了贡献，也为企业降低了生产成本。降低电能损耗不但是电力部门的一项工作，也成为部分拥有自己配电网络的各行业的当务之急，随着国家节能减排工作的不断推进，必须坚持降低电能损耗。不断采用新技术，利用配网自动化，数据无线远传等先进技术，提高配电网降低电能损耗的管理水平，争创企业更大效益。
参考文献：
[1] 戴彦,倪以信,文福拴,韩祯祥. 基于潮流组成分析及成本分摊的无功功率电价[J]电力系统自动化, 2000, (18) .
[2] 余志伟,谢志棠,钟志勇,黄耀光,钟德成,赵学顺. 多区域电力联营体运行下的输电成本分配[J]电力系统自动化, 2002, (06) .
【关键词】电气工程 节能设计 降低电能消耗
1、引言
根据国家统计局网站公布《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年全国房屋新开工面积为17.96亿平方米，其中住宅新开工面积为12.49亿平方米。住宅建筑总量依然增长迅猛，如何有效的进行建筑电气节能设计，以便能够大幅度降低电能消耗逐渐成为人们关注的焦点。根据供配电系统的构成形式，分别从变压器节能设计、配电线路节能设计、节能设计、电器设备节能设计这几个方面进行论述。
2、电气节能设计
2.1变压器的节能设计
变压器损耗包括有功功率和无功功率损耗两部分。其中有功损耗又分为铁损和铜损，铁损与变压器的铁心材质有关，铜损与负荷电流平方成正比。有功损耗计算式为P=P0+β?PK（其中P为有功功率损耗，P0为铁损，β为负载率，PK为铜损）；变压器的无功损耗由两部分组成，一部分是励磁电流即空载电流造成的空载无功损耗，它与铁芯有关；另一部分无功损耗指一、二次绕组的无功漏磁电抗损耗，其大小与负载电流平方成正比。无功损耗计算式为Q=Q0+β?QK（其中Q为无功功率损耗，Q0为空载无功损耗，β为负载率，QK为无功漏磁电抗损耗）。
变压器产品由第一代热轧硅钢片变压器发展至第二代冷轧硅钢片变压器，第三代低损耗节能变压器，第四代非晶合金铁心变压器，变压器铁损和空载无功损耗逐代下降。根据计算负荷容量，选择负载率，当正常使用时变压器负载率低于30%时，变压器损失率会很高（变压器损失率为变压器损失与变压器输入功率之比），可能会出现“大马拉小车”的情况，需要通过变压器损耗计算比较小一级同类型变压器，选择损耗最小的变压器；当负载率大于80%时，同样通过变压器损耗计算比较大一级同类型变压器，选择损耗最小的变压器。由此可知选择节能变压器，合理选择负载率，可以降低变压器损耗，使得变压器更为节能。
2.2配电线路的节能设计
配电线路损耗P1=3P?RL/（U?cos?φ）（其中P1为配电线路损耗，P为计算负荷，R为线缆单位长度电阻，L为线缆长度，U为系统额定电压，cosφ为功率因数）。
由于铝芯线缆电阻率约为铜芯线缆的1.6倍，在线缆相同截面时，铜芯线缆单位长度电阻R值更小。当变配电室的位置接近负荷中心时，供电半径小，可以使得负荷中心线缆长度L值变小，反之则相反；在供电负荷中有很多感性设备，它们使得配电系统功率因数cosφ变小，从而增加了配电线路损耗，在住宅建筑中这些感性设备主要是一些满足住宅建筑功能的被套电气装置，我们一般采用配电室集中设置无功补偿装置的措施来提高功率因数cosφ。
2.3照明节能设计
当前照明节能所遵循的原则是必须保证有足够的照明数量和质量的前提下，尽可能地做到节约照明用电，这是照明节能的正确原则。利用高效照明电器产品替代低效照明电器产品，如在满足相同照度要求时，所使用的LED照明灯具功率低于一般荧光节能灯具，LED照明灯具的使用寿命更长。在无人长时间停留的场所，如楼梯间和地下室走道等场所，采用自动控制型灯具，可以有效降低照明灯具用电总量；还应充分利用天然光的方式，如适当增大开窗面积，小区道路灯具采用太阳能供电灯具，达到节能的效果。
2.4电器设备节能设计
电器设备节能主要是从采用交流接触器节电技术，采用高效率电机，采用变频调速技术这几方面实现的。电机效率为输出功率与输入功率的比值，效率越高的电机，电机损耗约低，所以高效电机更节能。对于水泵风机需要调速的，采用改变风门或阀门的开度进行控制，效率很低，而采用变频调速控制，当流量减小时，所需功率近乎流量的3次方大幅下降，效率更高。
3、实例论述
例如乌鲁木齐某房地产项目，建筑总面积为17385平方米，总户数131户，地上十八层，其中三至十八层为住宅，建筑高度56米。
由两路10KV电线（分别来自不同区域电站）引下电缆，直埋入户，作为该建筑高压用电，低压侧电压为380V。在该建筑负一层设置变配电室，减少供电半径，集中设置自动无功功率补偿装置，提高功率因数至cosφ为0.93，并且至用电点的供电线路均采用铜芯线缆从而减少线路损耗。
该建筑计算总负荷Pc为950KW，需要系数取Kx为0.7，同时系数Kl为0.8。经计算总有功功率Pe=Pc*Kx*Kl=950*0.7*0.8=532KW，总视在功率Sc=Pe/cosφ=532/0.93=572KVA。
根据总视在功率，采用两台容量Sn为400KVA干式变压器供电，负荷平均分配，各变压器负载率为β=Sc/2*Sn=572/（2*400）=72%。
如果采用SCB11-400KVA（10/0.4KV）第三代新型节能变压器，根据设备资料，该变压器铁损P0为0.85KW，铜损PK为3.9KW，空载电流I0为1.8%，阻抗电压Uk为4.0%。
计算可得单台SCB11-400KVA型变压器空载无功损耗Q0=I0*Sn=1.8%*400=7.2Kvar， 无功漏磁电抗损耗QK=Uk*Sn=4.0%*400=16Kvar，变压器有功损耗P1=P0+β?PK=0.85+72%?*3.9=2.87KW，无功损耗Q1=Q0+β?QK=7.2+72%?*16=16.1Kvar
如果采用SH15-400KVA（10/0.4KV） 第四代非晶合金铁心变压器，该变压器铁损P0为0.2KW，铜损PK为4.3KW，空载电流I0为0.5%，短路阻抗Uk为4.0%。
计算可得单台SH15-400型变压器空载无功损耗Q0=I0*Sn=0.5%*400=2Kvar，无功漏磁电抗损耗QK=Uk*Sn=4.0%*400=16Kvar，变压器有功损耗P2=P0+β?PK=0.2+72%?*4.3=2.6KW，无功损耗Q2=Q0+β?QK=2+72%?*16=10.9Kvar。
根据比较，采用SH15-400KVA型非晶合金铁心变压器比SCB11型变压器有功损耗降低了P1-P2=0.27KW，无功损耗降低了Q1-Q2=5.2Kvar，所以采用SH15-400变压器比SCB11-400更节能，只从节能角度考虑，应采用2台SH15-400变压器为该建筑供电。
该建筑其他电气节能方面的措施有，在楼梯间及负一层无人长时间停留的场所采用自熄式控制灯具，所有灯具采用节能LED灯具，减少电能消耗。该建筑中所有电机采用高效率型电机，需要流量控制的水泵采用变频调速控制，大容量接触器控制方式采用直流控制。
4、结论
在节能减排的社会大背景下，如何高效利用能源是人类一直追寻的课题。在当代人的生产和生活中，电能的使用无处不在。通过住宅建筑电气节能设计，可以分别从变压器、配电线路、照明、电器设备几个方面有效降低电能损耗，从而达到对电能的节约和高效利用。
5、参考文献
[1]中国航空工业规划设计研究院等，工业和民用配电设计手册（第三版），北京：中国电力出版社，2005。
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