向萌，韓忠暉，謝曉騫，張可人，張磊

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007)

變電站主變經(jīng)濟運行效益探析

向萌1，韓忠暉2，謝曉騫2，張可人1，張磊1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007)

通過闡述停運1臺主變運行方式的原理，探討主變有功損耗和經(jīng)濟運行臨界負載計算公式，根據(jù)電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)對變電站采取不同運行方式進行損耗對比和效益分析。以湖南省永州地區(qū)為例，統(tǒng)計分析地區(qū)220 kV各變電站負載情況，長時間輕載運行的變電站可在某些月份停運1臺主變，計算因節(jié)省主變空載損耗而帶來的經(jīng)濟效益，為地區(qū)電網(wǎng)的經(jīng)濟運行提供參考。

主變壓器；節(jié)能；降損；經(jīng)濟效益；電網(wǎng)安全

變壓器是電網(wǎng)中的關(guān)鍵電氣設(shè)備，從電能的生產(chǎn)、變換、輸送、分配到使用的過程中，需要經(jīng)歷數(shù)次電壓變換，期間主變自身產(chǎn)生的電能損失占主網(wǎng)損耗的比重較大。因此，可考慮在適當(dāng)?shù)那闆r下停運1臺主變來挖掘主網(wǎng)節(jié)能降損的潛能〔1〕。

截止2014年12月底，湖南省永州地區(qū)含雙主變的220 kV變電站共有8座，220 kV變壓器16臺，容量共計2 340 MVA。根據(jù)2014年220 kV變電站的負荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計，永州地區(qū)某些變電站供帶負載較小且變壓器連續(xù)長時間處于輕載運行，在春秋季尤為明顯。這些長期輕載運行的變壓器的空載損耗對整個電網(wǎng)的經(jīng)濟運行產(chǎn)生一定影響。文中就變壓器的經(jīng)濟運行理論來分析永州地區(qū)電網(wǎng)變壓器的有功功率損耗，討論其主變經(jīng)濟運行方式。

1 停運1臺主變原理說明

變壓器的損耗主要是空載損耗和負載損耗?？蛰d損耗又叫鐵損，與負荷大小無關(guān)，隨電壓波動而變化，在正常運行時空載損耗基本不變。負載損耗又叫銅損，跟負載電流的平方成正比。

變電站 (共2臺主變)全站負載較輕時，1臺主變單獨運行變壓器總損耗較小；全站負載較重時，2臺主變并列運行變壓器總損耗較小。當(dāng)1臺主變單獨運行的總損耗等于2臺主變并列運行的總損耗，變電站的所帶負載為變電站的經(jīng)濟運行臨界負載。

圖1中2條曲線為某變電站變壓器總損耗與負載關(guān)系示意圖，其中一條為單主變運行，另一條曲線為雙主變并列運行。A點對應(yīng)的負載為2臺主變并列運行變?yōu)?臺主變單獨運行的經(jīng)濟運行臨界點。當(dāng)全站負載小于A，采用單主變運行較經(jīng)濟；當(dāng)負載大于A，采用2臺主變并列運行較經(jīng)濟。

圖1 某變電站負載與損耗曲線圖

綜上所述，當(dāng)變電站處于輕載運行狀態(tài)，全站負載小于臨界點負載時可考慮停運一臺主變。將停運一臺主變而節(jié)省的主變空載損耗乘以停運的時間可以估算出節(jié)省的電量大小。

2 主變經(jīng)濟運行計算公式

2.1 主變有功損耗理論計算式

變壓器的有功損耗等于空載損耗與負載損耗之和。主變的銘牌上一般給定的是高—中、高—低、中—低的主變短路損耗，需要換算到高、中、低壓側(cè)， 見式 (1) — (4)〔2-3〕。

式中 P0為變壓器空載損耗，ΔP1，ΔP2，ΔP3分別為變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、三次側(cè)繞組的負載損耗(kW)；β1，β2，β3分別為變壓器一次側(cè)、 二次側(cè)、三次側(cè)繞組的負載系數(shù)；S1，S2，S3分別為變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、三次側(cè)的負載視在功率(kVA)；Pk1，Pk2，Pk3分別為變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、三次側(cè)額定負載損耗 (kW)。

以上適用于三側(cè)繞組容量等于變壓器額定容量。如果中側(cè)、低側(cè)繞組的容量僅為變壓器額定容量的50%，則需要將廠商提供的短路損耗先歸算后再計算。

2.2 臨界負載工程計算式

2.2.1 1臺變壓器運行損耗

令三繞組變壓器二次側(cè)繞組負載分配系數(shù)為C2，三次側(cè)繞組分配系數(shù)為C3，則有:

則

不考慮損耗的情況下，工程上近似認為變壓器一次側(cè)的負載等于二次側(cè)加三次側(cè)的負載，即式(7)。式 (8)為三繞組變壓器有功損耗工程計算式，可見變壓器的有功損耗與負載的關(guān)系為一條向上的拋物線，與y軸的交點為變壓器的空載損耗。

2.2.2 2臺變壓器并列運行損耗

式中 S1A，S1B為A，B 2臺變壓器一次側(cè)的負載功率；S1為變電站一次側(cè)的總負載視在功率，(kVA)；SA1N， SA2N， SA3N， SB1N， SB2N、 SB3N為A，B變壓器各側(cè)的額定容量。A，B 2臺變壓器的阻抗電壓標(biāo)幺值相同時，各變壓器分擔(dān)的負載根據(jù)各自額定容量的大小成比例分配。此外，A，B 2臺變壓器的阻抗電壓標(biāo)幺值不同，則按照式 (10)分配。

2.2.3 計算臨界負載 (經(jīng)濟運行點)

當(dāng)1臺主變單獨運行的總損耗等于2臺主變并列運行的總損耗時，此時變電站的所帶負載為變電站的經(jīng)濟運行臨界負載。

由ΔPA，B=ΔPA，可以求得變壓器A，B 2臺并列運行轉(zhuǎn)為變壓器 A單獨運行的臨界負載以此類推，3臺變壓器并列運行轉(zhuǎn)2臺并列運行的臨界負載收集各變電站的每臺主變銘牌參數(shù)，按照以上損耗計算公式利用matlab軟件編程，導(dǎo)入主變銘牌參數(shù)計算得出每個變電站停運一臺主變的臨界負載。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.3.1 負荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)全年8 760 h的負載情況，利用matlab軟件編程統(tǒng)計每個變電站的月均負載率、月最大負荷、月最小負荷、全年全站負載率 [0%，10%)占比、負載率 [10%，30%) 占比、負載率[30%，60%)占比、負載率 [60%，80%)占比、負載率 [80%，100%]占比、負載率大于100%占比等一年內(nèi)的全站負載信息。

2.3.2 考慮停運1臺主變

文獻 〔4〕提到電力系統(tǒng)承受大擾動能力的安全穩(wěn)定標(biāo)準分為3級，第1級標(biāo)準中提到受端任一臺變壓器故障退出運行，必須保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電，其他元件不超過規(guī)定的事故過負荷能力，不發(fā)生連鎖跳閘。文中不就電力系統(tǒng)的運行方式做安全分析，僅考慮停運1臺主變后變電站能否承受該站統(tǒng)計負荷的年最大值以及月均負載是否小于臨界負載。

變電站某月采取2臺變壓器并列運行轉(zhuǎn)為1臺變壓器單獨運行 (或3臺并列運行轉(zhuǎn)為2臺并列運行、3臺并列轉(zhuǎn)為1臺單獨運行)必須同時滿足2個條件:①全站月均負載率小于此變電站的經(jīng)濟運行臨界點；②全站月度最大負荷小于采用經(jīng)濟運行方式后的全站變壓器總?cè)萘?(若變壓器容量不等，優(yōu)先減去容量較小的變壓器，由容量較大的變壓器供帶全站負荷。)

2.3.3 經(jīng)濟效益估算方法

統(tǒng)計分析變電站全年中可以停運1臺主變的月份，按照減少1臺變壓器的空載損耗來估算當(dāng)月節(jié)省的電量，計算采用經(jīng)濟運行方式后全年節(jié)省空載電量大小。按照變電站節(jié)約空載損耗而全年節(jié)約電量大小，可估算1年對應(yīng)最大可減少的損失金額(每度電價可按居民售電電價)。

變電站停運一臺主變節(jié)約空載損耗電量的計算公式為:

式中 P0為單臺主變空載損耗，T為單臺主變停運小時數(shù)。

3 實例分析

以永州地區(qū)錳都變電站為例:錳都變電站含有2臺180 MVA的主變，供電用戶性質(zhì)為高耗能冶煉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用電，負荷性質(zhì)為二級，主變?nèi)?dǎo)致六級電網(wǎng)事件。

由主變銘牌參數(shù)、負載分配系數(shù)等信息計算得出錳都變電站的2臺變壓器轉(zhuǎn)為1臺變壓器的經(jīng)濟運行臨界點為30.16%。即當(dāng)錳都變的負載小于108.58 MVA(即30.16%×2×180 MVA)時，錳都變由2臺并列運行轉(zhuǎn)為單臺變壓器供電的損耗較小。

由錳都變電站2014年8 760 h的負載數(shù)據(jù)情況分析得出錳都變電站的負載信息。2014年錳都變電站月均負載率見圖2，月最大最小負荷見圖3，負載區(qū)間分布見圖4，每月最大節(jié)省的電量見圖5。

圖2 錳都變電站2014年月均負載率

圖3 錳都變電站2014年月度最大最小負荷

圖4 錳都變電站2014年負載分布區(qū)間圖

圖5 錳都變電站2014年月度最大節(jié)省電量

由圖2可見錳都變?nèi)甑脑戮撦d率都在12%以下，從圖3可見2014年全站的最大負荷在12月，且全站負荷最大值小于單臺主變?nèi)萘俊膱D4中可以看到全站負載率在0～10%之間的時間占比高達94.06%，負載率在10%～30%占比為5.92%，負載率在30%～60%占比為0.01%，其他區(qū)間為占比均為0。因此錳都變電站全年的負載率都小于該站的經(jīng)濟運行臨界點。

表1列出了錳都變電站的2臺主變參數(shù)。參考停運一臺主變的條件，錳都變電站可考慮全年采取單臺主變運行。在錳都變總負載5%，10%，15%，20%，25%和30%時，計算錳都2臺主變并列運行改為1臺主變運行后綜合考慮鐵損和銅損后的損耗，見表2。

表1 錳都變銘牌參數(shù)

表2 錳都變不同運行方式下綜合損耗對比

從表2可見，錳都變隨著負載率的增加，由兩臺并列改單臺運行而節(jié)省的綜合損耗在減小，在30%左右趨近于相等。

由于錳都變電站全年的月均負荷很小，2014年均負載率僅5.10%，由表2可知錳都負載率在5%時，2臺變1臺而節(jié)省綜合損耗約90 kW，與單臺變壓器的空載損耗數(shù)值相近。因此，工程上可采用停運1臺主變而減少的空載損耗來計算節(jié)省損耗的方法來估算最大可能節(jié)省的損耗。

若采用估算方法，計算2號主變退運而節(jié)約的空載損耗。錳都2號主變的空載損耗為93.6kW，即全年停運2號主變的節(jié)省的空載損耗折合成電量為93.6 kW×365×24 h=819 936 kWh。售電價按照居民用電0.588元/kWh計算，最大減少損失約48萬元。

4 地區(qū)總體效益分析

根據(jù)永州地區(qū)含雙主變的220 kV變電站的主變參數(shù)和2014年負載數(shù)據(jù)，計算永州220 kV變電站最大可節(jié)省的空載電量大小和對應(yīng)減少的損失金額，見表3。

表3 永州地區(qū)220 kV變電站停運1臺主變效益分析

雖然各個變電站的主變型號不盡相同，但是經(jīng)濟運行點大都在 30%～40%之間，平均值為32.83%。即2臺主變并列運行轉(zhuǎn)為1臺主變單獨運行后，負載率為60%左右，此結(jié)果亦對應(yīng)了變壓器運行效率最高點。

若僅從變電站供帶負荷的輕重載角度和變電站的節(jié)約損耗大小出發(fā)，從表3中可以得出永州地區(qū)的220 kV變電站均存在可考慮采取停運1臺主變的月份，且主要集中在春秋季節(jié)，部分變電站甚至可考慮全年采取停運1臺主變的措施。根據(jù)節(jié)約的空載損耗折合的電量價值，估算出地區(qū)全年最大可以節(jié)約損失約為255萬元，平均到每個站約為31萬元。

值得一提的是，此處計算出來的減少損失金額為估算金額，為工程方法估算出來的最大可能值。因各變電站的年均負載不盡相同，在實際情況中停運1臺主變而減少的綜合損耗比用空載損耗估算出來的數(shù)值會小一些。負載率越小，工程估算值與綜合損耗計算值越相近。

采用此種運行方式在帶來經(jīng)濟效益的同時，地區(qū)電網(wǎng)卻隱藏著一定的安全隱患。單獨運行的變壓器突發(fā)故障后若備用變壓器不能及時投上，造成的電網(wǎng)事件將不容小覷。

5 工程考慮

若在工程實踐方面須確定變電站采取停運1臺主變的方案應(yīng)從各種角度多加考慮〔5-6〕:

1)運行方式:若某站在一段時間內(nèi)采取停運一臺主變的經(jīng)濟運行方式，須提前做好整站全停事故預(yù)案，考慮負荷轉(zhuǎn)供、備自投等應(yīng)急方案，計算潮流轉(zhuǎn)移對電網(wǎng)的影響和預(yù)計最大損失負荷大小。

2)繼電保護:根據(jù)一次接線方式、負荷性質(zhì)等因素研究主變備自投的方式和定值整定，研究對穩(wěn)控策略的影響、對主變接地方式的影響及對主變保護的影響等。

3)設(shè)備狀態(tài):對于健康運行的主變應(yīng)根據(jù)《電力變壓器運行規(guī)程》考慮主變的長期負載電流限值、急救負載電流限值及油溫限制等因素，對于特殊變壓器 (如部分存在隱患的變壓器)的管控應(yīng)建議不納入雙臺改單臺的范圍。

6 小結(jié)

文中以湖南永州地區(qū)的變電站考慮停運1臺主變?yōu)榍腥朦c，詳細闡述了主變經(jīng)濟運行的效益分析原理和工程方法。現(xiàn)場的運維管理人員對于具體變電站的主變經(jīng)濟運行應(yīng)兼顧運行安全和經(jīng)濟效益，通過理論分析，再結(jié)合實際負荷和現(xiàn)場運行情況，綜合考慮運行方式、保護整定、運行狀態(tài)、豐枯季節(jié)及設(shè)備檢修等眾多因素，實現(xiàn)綜合的效益評估。

〔1〕 胡景生.變壓器經(jīng)濟運行 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕劉春，劉大鵬.東豐變電站主變壓器經(jīng)濟運行分析 〔J〕.吉林電力，2013，41(2):35-37.

〔3〕王正風(fēng).變壓器的容量選擇與經(jīng)濟運行 〔J〕.變壓器，2006，43(3):30-32.

〔4〕中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則:DL 755—2001〔S〕.北京:中國電力出版社，2001.

〔5〕趙平山.電力變壓器經(jīng)濟運行 〔J〕.河南電力，1996(1): 31-35.

〔6〕林小匯，邱惠.變電站主變經(jīng)濟運行方案 〔J〕.湖北電力，2006，30(4):29-30.

Economic analysis of a main transformer outage

XIANG Meng1，HAN Zhonghui2，XIE Xiaoqian2，ZHANG Keren1，ZHANG Lei1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China)

The paper expatiates the principle of a main transformer outage，and discusses the formula of main transformer active loss and economic load.According to the power grid operation data，the loss is compared and benefit is analyzed considering different operation mode of transformer substation.The paper gives example of Yongzhou in Hunan，making the statistical analysis of region 220 kV substation load.Considering shutting down a main transformer in certain months for the substation carrying light load in a long time，the paper calculates the economic benefits for saving the no-load loss for a main transformer，which provides references for economic operation of the regional power grid.

main transformer；energy conservation；loss reduction；economic benefits；grid security

TM63

A

1008-0198(2016)04-0013-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.004

向萌(1988)，女，碩士，助理工程師，主要從事在線安全穩(wěn)定分析工作。

韓忠暉(1983)，男，碩士，工程師，主要從事變電運維工作。

謝曉騫(1983)，男，碩士，工程師，主要從事調(diào)度運行分析工作。

張可人(1983)，男，碩士，工程師，主要從事線損管理工作。

張磊(1991)，男，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析工作。

2015-11-20 改回日期:2016-03-02