張星星，彭敏放，漆銘鈞，朱 亮，冷 華

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

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基于傳感器數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估*

張星星1，彭敏放1，漆銘鈞2，朱 亮2，冷 華3

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

在深入分析配電網(wǎng)設(shè)備上加裝的各類傳感器裝置中數(shù)據(jù)獲取情況的基礎(chǔ)之上，綜合考慮設(shè)備的能效影響因素，構(gòu)建了基于傳感器數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系。根據(jù)每個指標(biāo)在節(jié)能潛力、成本和難度方面對配電網(wǎng)設(shè)備能效的影響程度不同，構(gòu)建了遞階層次結(jié)構(gòu)模型，并采用層次分析法(AHP)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)值計算。根據(jù)定量指標(biāo)易于量化的特征，構(gòu)建了對標(biāo)函數(shù)，完成了定量指標(biāo)能效指數(shù)的計算。從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)設(shè)備的能效評估。并以某實際的配電變壓器算例驗證了所提方法的實用性和有效性。

傳感器； 層次分析法； 指數(shù)計算； 配電網(wǎng)設(shè)備； 能效評估

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用電負(fù)荷每年都在增加，由于負(fù)荷增長速度快而配電網(wǎng)建設(shè)投資滯后，配電網(wǎng)在節(jié)能降耗方面有著很大的挖掘潛力，配電網(wǎng)設(shè)備的能效也有很大的提升空間[1～6]。

目前對配電網(wǎng)設(shè)備的全面能效評估尚缺乏準(zhǔn)確、有效的技術(shù)手段。文獻(xiàn)[8]在分析配電網(wǎng)節(jié)能指標(biāo)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立了農(nóng)村低壓配電網(wǎng)能效評價指標(biāo)體系和綜合評價模型，但對具體配電設(shè)備能效影響因素的考慮不夠充分；文獻(xiàn)[9]分析了不同的監(jiān)管機制和財政激勵措施對提高配電網(wǎng)能效的作用，但其局限于從管理層面提高配電網(wǎng)能效，未能從技術(shù)層面挖掘配電網(wǎng)設(shè)備的節(jié)能潛力；文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]分別從配電網(wǎng)節(jié)能潛力定量評估方面和基于能耗優(yōu)化建模的電力節(jié)能管理方面研發(fā)了配電網(wǎng)能效評估軟件系統(tǒng)，但其功能和適用范圍還有待擴展?？偟膩砜?，已建立的評估指標(biāo)體系及評估方法尚有待完善。

本文提出了基于傳感器數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估理論方法，構(gòu)建了比較全面的能效評估指標(biāo)體系，提出了基于層次分析法(AHP)與指數(shù)計算的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估算法。

1 配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系構(gòu)建

基于指標(biāo)選取原則構(gòu)建全面、完整的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系Fig 1 Energy efficiency evaluation indicator system of distribution network equipment

2 配電網(wǎng)設(shè)備能效評估算法

配電網(wǎng)設(shè)備能效評估采用AHP與指數(shù)計算的算法，利用AHP計算指標(biāo)權(quán)值，利用取基準(zhǔn)值對標(biāo)法計算定量指標(biāo)的能效指數(shù)，最后利用加權(quán)法計算配電網(wǎng)設(shè)備的綜合能效指數(shù)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)設(shè)備的能效評估。

2.1 基于AHP的指標(biāo)權(quán)值計算

層次分析法計算權(quán)值前，需要對評估對象進(jìn)行分析，即分析評估對象所包含的因素及各因素之間的關(guān)系等，以便建立合理、有效的層次分析模型，提高評估的全面性和可行性[11,12]。

1)構(gòu)造判斷矩陣：構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法的一個關(guān)鍵步驟，判斷矩陣表示的是對上一層次中的某元素的重要程度，使用數(shù)量化的相對權(quán)值aij來描述。設(shè)共有n個元素參與比較，則A=(aij)m×n稱為判斷矩陣。判斷矩陣中aij的取值可以按照表1中的規(guī)定取值。

2)權(quán)值計算和一致性校驗：假設(shè)W=[w1,w2,…,wn]T，判斷矩陣用A表示,具體計算是對于判斷矩陣,計算滿足

AW=λmaxW

(1)

式中 λmax為矩陣A的最大特征根；W為對應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量；W的分量wn即是相應(yīng)元素單排序的權(quán)值。

判斷矩陣通常是不一致的，但是為了能用它的對應(yīng)于特征根的特征向量作為被比較因素的權(quán)向量，引入一致性

表1 判斷矩陣的取值

指標(biāo)，當(dāng)一致性指標(biāo)滿足在一定的范圍內(nèi)，表明判斷矩陣通過一致性校驗。

3)合成權(quán)值和層次排序:一般地，若層次結(jié)構(gòu)由k個層次(目標(biāo)層算第一層)構(gòu)成，則方案的優(yōu)先程度的排序向量為

W=w(k)w(k-1)…w(2)

(2)

式中 W為總層次排序；w(k),w(k-1),…,w(2)分別為每層的單序排序。

2.2 基于對標(biāo)法的指標(biāo)能效指數(shù)計算

配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系中大部分指標(biāo)屬于定量指標(biāo)，為了實現(xiàn)對定量指標(biāo)的評估，采用取基準(zhǔn)值對標(biāo)的方法將能效指標(biāo)實際值統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成能效指數(shù)，方法如下。

對于能效評估正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，其單項評估指標(biāo)指數(shù)計算公式分別為

(3)

(4)

最終，正向指標(biāo)對標(biāo)計算公式為

(5)

逆向指標(biāo)對標(biāo)計算公式為

(6)

式中 Mi為第i項指標(biāo)實際值；Hi為第i項指標(biāo)基準(zhǔn)值；Li為第i項指標(biāo)極優(yōu)值。

2.3 基于加權(quán)法的綜合能效計算

利用加權(quán)法計算配電網(wǎng)設(shè)備的綜合能效指數(shù)為

P=wi∑pi

(7)

式中 P為配電網(wǎng)設(shè)備綜合能效指數(shù)；wi為第i項指標(biāo)權(quán)值；pi為第i項指標(biāo)能效指數(shù)。

3 算 例

在Windows系統(tǒng)的PC上設(shè)計算例，采用Matlab和Yaahp輔助軟件為層次分析法的決策過程提供模型構(gòu)造、計算和分析等方面的幫助。為驗證所提方法的可行性和有效性，以某地區(qū)實際運行的某臺型號為S11—50/10的公用配電變壓器為測試對象，其具體參數(shù)為：額定容量Sn=0.05 MVA，高壓側(cè)額定電壓UnH=10 kV，低壓側(cè)額定電壓UnL=0.4 kV，額定空載損耗P0=0.13 kW，額定負(fù)載損耗Pk=0.98 kW，空載激磁電流百分?jǐn)?shù)I0%=1.5。從該臺變壓器低壓側(cè)上加裝的各類傳感器裝置中獲取其在2014年10月1日00：00～23：00全天的運行數(shù)據(jù)，采樣周期Tf=2 h，見表2。

表2 配電變壓器原始運行數(shù)據(jù)

采用本文所提方法對該配變進(jìn)行能效評估。首先應(yīng)用2.1節(jié)所提方法計算該配變的各項能效指標(biāo)的權(quán)值，以屬于動態(tài)類型的各項指標(biāo)為例建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，見圖2。靜態(tài)指標(biāo)權(quán)值計算方法相同。

圖2 遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig 2 Hierarchical structure model

然后根據(jù)專家意見構(gòu)造判斷矩陣，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)，由準(zhǔn)則層各指標(biāo)重要性等級決定目標(biāo)層判斷矩陣，由方案層各指標(biāo)重要性等級決定準(zhǔn)則層判斷矩陣，目標(biāo)層重要度判斷矩陣及準(zhǔn)則層以節(jié)能空間為例構(gòu)造判斷矩陣的取值分別見表3和表4。節(jié)能成本及節(jié)能難度的判斷矩陣構(gòu)造方法類似。

表3 重要度判斷矩陣取值

表4 節(jié)能空間判斷矩陣取值

借助Yaahp軟件對模型進(jìn)行求解得到指標(biāo)權(quán)值，見表5。

表5 指標(biāo)權(quán)值分布

最后借助Matlab軟件，進(jìn)行指標(biāo)能效指數(shù)計算和加權(quán)評估綜合能效。根據(jù)專家意見確定指標(biāo)基準(zhǔn)值和極優(yōu)值，根據(jù)配電變壓器手冊確定各項靜態(tài)指標(biāo)值，根據(jù)配電變壓器運行數(shù)據(jù)的日均值情況確定相應(yīng)的動態(tài)指標(biāo)值(如,功率因數(shù)日均值=(∑每兩小時功率因數(shù))/12，電壓偏差率日均值=|電壓日均值-額定電壓|/額定電壓×100 %)。配電變壓器能效指數(shù)計算結(jié)果見表6。

根據(jù)配電變壓器能效指數(shù)計算結(jié)果，與AHP得到的指標(biāo)權(quán)值進(jìn)行加權(quán)后可知，反映該配電變壓器能效受自身參數(shù)影響情況的靜態(tài)指標(biāo)綜合能效指數(shù)Pj=72.91，表明該配電變壓器的設(shè)備參數(shù)比較良好，因其為新投入運行的配電

表6 配電變壓器能效指數(shù)計算結(jié)果

變壓器，故服役年限短，能效比較好，但因其型號為S11，較目前新一代的S13型號變壓器的能效水平相對低一些；反映該配電變壓器實際運行中能效狀況的動態(tài)指標(biāo)綜合能效指數(shù)為Pd=73.68，表明該配電變壓器運行狀況也比較良好，但因其為重載運行、繞組發(fā)熱較嚴(yán)重且功率因數(shù)不高，故其動態(tài)能效還有較大提升空間，需采取匯集周邊負(fù)荷、調(diào)高繞組散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和加裝無功補償裝置等節(jié)能措施以優(yōu)化其運行性能。同時由結(jié)果可知該配電變壓器的綜合能效指數(shù)Pz=73.37，表明其整體能效水平比較良好，但還有較大的能效提升空間，如采取相關(guān)節(jié)能措施改善用電功率因數(shù)、使無功就地平衡、檢查其是否為考慮諧波畸變而留有格量等，或適當(dāng)選用調(diào)壓措施如串聯(lián)補償、加裝有載調(diào)壓裝置、安裝同期調(diào)相機或靜電電容器等，均能有效提升該臺配電變壓器的能效。

同理，可用所提方法對配電導(dǎo)線進(jìn)行能效評估，最終，完成配電網(wǎng)設(shè)備能效評估。

4 結(jié)束語

本文基于配電網(wǎng)設(shè)備上加裝的各類傳感器裝置中的數(shù)據(jù)，所構(gòu)建的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估指標(biāo)體系對設(shè)備各環(huán)節(jié)的能效影響因素考慮得比較全面，有利于設(shè)備節(jié)能潛力的深度挖掘；所提出的基于AHP與指數(shù)計算的配電網(wǎng)設(shè)備能效評估算法不僅在理論上科學(xué)合理而且在實踐上易于實現(xiàn)。實際的案例分析表明：所提方法能夠很好地反映配電網(wǎng)設(shè)備多方面能效影響因素的水平狀況，便于能效異常排查，是助推電網(wǎng)節(jié)能建設(shè)、高效運行和可持續(xù)發(fā)展的有力工具。

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Distribution network equipment energy efficiency evaluation based on sensor data*

ZHANG Xing-xing1,PENG Min-fang1,QI Ming-jun2,ZHU Liang2,LENG Hua3

(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.State Grid Hunan Electric Power Company,Changsha 410007,China;3.Electric Power Research Institute,State Grid Hunan Electric Power Company Changsha 410007,China)

On the basis of in-depth analysis on data acquisition condition in all kinds of sensor device of distribution network equipment,comprehensively considering the influence factors of energy efficiency of the equipment,the index system of energy efficiency evaluation of distribution network equipment is established.According to each index has different energy efficiency influence degree on the distribution network equipment in the energy saving potential,cost and difficulty aspects,hierarchical structure model is established,and the analytic hierarchy process(AHP) is used to calculate index weights.According to the characteristics of the quantitative indicators,which are easy to quantify,the benchmarking function is established,the energy efficiency index calculation of quantitative indicators is completed.Thus,energy efficiency evaluation for distribution network equipment is achieved.And an actual distribution transformer example is taken to verify the practicability and effectiveness of the proposed method.

sensor;analytic hierarchy process(AHP);index calculation;distribution network equipment;energy efficiency evaluation

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0054—04

2016—01—07

國家自然科學(xué)基金資助項目(61173108，61472128)；湖南省自然科學(xué)基金資助重點項目(14JJ2150)；國家電網(wǎng)公司總部科技項目(5216A514001K)

TM 715

A

1000—9787(2016)11—0054—04

張星星(1988-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向為電氣設(shè)備監(jiān)測、診斷與評估。