王倩 孟璐 牛雨 楊新勇

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南鄭州 450000；

3.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

基于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的調(diào)容變壓器經(jīng)濟(jì)性分析

王倩1孟璐2牛雨3楊新勇3

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南鄭州 450000；

3.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

近年來(lái)，居民用電負(fù)荷特性發(fā)生明顯變化，特別是農(nóng)村，平時(shí)負(fù)荷低，春節(jié)等用電高峰負(fù)荷急劇攀升。為了應(yīng)對(duì)這種情況，提升配電變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，調(diào)容變壓器被研制開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。但是，目前調(diào)容變壓器適用的負(fù)荷特性往往只是定性給出，而且沒(méi)有考慮調(diào)容變壓器壽命范圍內(nèi)負(fù)荷的增長(zhǎng)。如果選擇不當(dāng)，不僅造成投資的浪費(fèi)，甚至還有可能造成損耗的增加。開(kāi)展基于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的調(diào)容變壓器適用性研究和節(jié)能評(píng)估，對(duì)指導(dǎo)配電網(wǎng)節(jié)能降損和精準(zhǔn)投資有重要意義。

中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)；調(diào)容變壓器；配變經(jīng)濟(jì)性分析模型；損耗成本模型

近年來(lái)，農(nóng)村生活模式的改變導(dǎo)致用電負(fù)荷特性發(fā)生明顯變化，負(fù)荷分散、季節(jié)性強(qiáng)、平均負(fù)荷較低、峰谷差大，在春節(jié)、農(nóng)忙期負(fù)荷急劇增長(zhǎng)。這樣的負(fù)荷特性導(dǎo)致農(nóng)村配變平時(shí)負(fù)載率很低，容量浪費(fèi)，損耗相比小容量配變較大；而在高負(fù)荷期會(huì)出現(xiàn)高過(guò)載情況，對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電造成威脅［1］。

調(diào)容變壓器的產(chǎn)生就是針對(duì)像農(nóng)村電網(wǎng)這樣季節(jié)性峰谷差明顯的用電負(fù)荷。調(diào)容變壓器有2個(gè)額定容量，比值約3∶1，2個(gè)額定容量可以自動(dòng)無(wú)縫切換，小容量在負(fù)荷小的時(shí)候用，大容量在負(fù)荷大的時(shí)候用，這樣可以降低配變的損耗［2］。但是，目前調(diào)容變壓器適用的負(fù)荷特性只是定性給出，沒(méi)有定量的適用范圍，如果容量切換點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，不僅不能減少損耗，還可能增加損耗。另外，變壓器在選擇時(shí)還要考慮中長(zhǎng)期負(fù)荷增長(zhǎng)，調(diào)容變壓器成本是等容量普通變壓器的1.5倍左右，如果選擇不當(dāng)，既增大了投資，又不能降低損耗。

本文分析調(diào)容變壓器的節(jié)能原理，定量研究調(diào)容變壓器的適用范圍。研究配變的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，基于中長(zhǎng)期的負(fù)荷預(yù)測(cè)，分析壽命范圍內(nèi)調(diào)容變壓器的經(jīng)濟(jì)性，為調(diào)容變壓器的選擇提供指導(dǎo)。

1 調(diào)容變壓器

調(diào)容變壓器具有2個(gè)額定容量，2個(gè)容量的比約為3∶1。在輸出電壓不改變的情況下，可以實(shí)現(xiàn)2種容量的切換，負(fù)荷小時(shí)采用小容量，負(fù)荷大時(shí)采用大容量，適用于負(fù)載分散、季節(jié)性用電量差異大且平均負(fù)荷率較低的場(chǎng)合。

1.1 調(diào)容變壓器的損耗分析

變壓器的總損耗等于變壓器的空載損耗加上負(fù)載損耗，空載損耗就是變壓器的鐵損，是不變的；短路損耗就是指變壓器處于額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的損耗，即滿(mǎn)載時(shí)的損耗；因?yàn)樨?fù)載損耗與電流的平方成正比，負(fù)載率等于實(shí)際電流與額定電流的比值，負(fù)載損耗等于負(fù)載率的平方乘以短路損耗。

式（1）（2）（3）（4）中，P0為變壓器的空載損耗，β為變壓器的負(fù)載率。

對(duì)于調(diào)容變壓器來(lái)說(shuō)，根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行大小容量檔位的改變，是通過(guò)改變變壓器的額定容量達(dá)到節(jié)能的目的，大容量下調(diào)容變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗相對(duì)較大，小容量下調(diào)容變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗相對(duì)較小。2種容量下，損耗的計(jì)算公式相同，只是參數(shù)略有差異。

式（5）中，PH為調(diào)容變壓器在大容量檔位的空載損耗，PL為調(diào)容變壓器在小容量檔位的短路損耗，P0H為變壓器在大額定容量檔位對(duì)應(yīng)的空載損耗，P0L為變壓器在小額定容量檔位對(duì)應(yīng)的空載損耗，PkH為變壓器在大額定容量檔位對(duì)應(yīng)的短路損耗，PkL為變壓器在小額定容量檔位對(duì)應(yīng)的短路損耗，βH為調(diào)容變壓器在大容量檔位的負(fù)載率，βL為調(diào)容變壓器在小容量檔位的負(fù)載率。

1.2 調(diào)容變壓器的降損分析

調(diào)容變壓器分大小容量2個(gè)檔位，損耗曲線是根據(jù)容量切換點(diǎn)確定的兩部分組成。容量切換點(diǎn)設(shè)置不同，調(diào)容變壓器在同等負(fù)荷情況下?lián)p耗不同。小容量模式和大容量模式下?lián)p耗相等的負(fù)荷點(diǎn)為最佳切換點(diǎn)，在此處進(jìn)行容量切換保證調(diào)容變節(jié)能量最大化。下面以s11型調(diào)容變壓器和普通變壓器為例，分析調(diào)容變壓器與普通變壓器相比的節(jié)能量。

由圖1可以看出，負(fù)荷在［100，315］區(qū)間內(nèi)，調(diào)容變壓器和普通變壓器損耗曲線相同；負(fù)荷在［0，最佳切換點(diǎn)］區(qū)間內(nèi)，調(diào)容變壓器的損耗要低于普通變壓器；在［最佳切換容量，100］區(qū)間內(nèi)，調(diào)容變壓器的損耗要高于普通變壓器。調(diào)容變壓器比普通變壓器降低的損耗為運(yùn)行在［0，最佳切換點(diǎn)］區(qū)間內(nèi)節(jié)約的損耗量。

圖1 S11調(diào)容變壓器和S11普通變壓器負(fù)荷-損耗圖

2 配變的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)

近年來(lái)，配變?cè)诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備廣泛使用，配變負(fù)荷量測(cè)數(shù)據(jù)量逐步積累，為配變的負(fù)荷預(yù)測(cè)提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。配變的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)是對(duì)未來(lái)幾年到數(shù)十年的負(fù)荷預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，為預(yù)測(cè)范圍電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模、建設(shè)布局、能源平衡、電網(wǎng)資金和人力資源的平衡提供依據(jù)。

2.1 配變中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的特征

與短期、超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)相比，配網(wǎng)的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)：①非平穩(wěn)變化，中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)是確定性變化和隨機(jī)變化雙重影響；②歷史數(shù)據(jù)有限，中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析中長(zhǎng)期的變化規(guī)律，但是以前對(duì)配網(wǎng)不重視，自動(dòng)采集裝置的缺失，導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)缺失；③負(fù)荷結(jié)構(gòu)變化大，中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)間跨度大，在研究的時(shí)間范圍內(nèi)，用戶(hù)的構(gòu)成和用電習(xí)慣都會(huì)發(fā)生較大的變化，不能用單一規(guī)律描述負(fù)荷變化趨勢(shì)；④影響因子多，配電網(wǎng)負(fù)荷除了本身的負(fù)荷特征外，受外界影響大，如天氣氣候、用戶(hù)的用電習(xí)慣、分布式能源等，這些因子項(xiàng)目影響，之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系很難把握。

2.2 配變的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)算法

常用的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)模型有灰色預(yù)測(cè)模型、聚類(lèi)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)等方法。由于配變中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，由融合多種算法的組合預(yù)測(cè)模型能獲取更高的精確度。

2.2.1 灰色預(yù)測(cè)模型。灰色預(yù)測(cè)是將系統(tǒng)行為特征量的變化過(guò)程作為一個(gè)灰色系統(tǒng)，利用灰色理論的微分方程模型（Grey Model）進(jìn)行預(yù)測(cè)。如用該模型對(duì)電力系統(tǒng)單一指標(biāo)（如負(fù)荷）預(yù)測(cè)時(shí)，就是對(duì)該微分方程進(jìn)行求解，其對(duì)應(yīng)解的時(shí)間相應(yīng)函數(shù)表達(dá)式即為灰色預(yù)測(cè)模型；其次，利用擬合值與真實(shí)值之間的統(tǒng)計(jì)情況對(duì)模型的精度進(jìn)行校驗(yàn)并修正后，即可據(jù)此模型預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)荷。

2.2.2 粒子群優(yōu)化模型。粒子群優(yōu)化算法是繼蟻群算法之后又一種新的群體智能算法，個(gè)體之間通過(guò)協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)全局搜索。粒子群優(yōu)化算法原理與遺傳算法類(lèi)似，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)一組初始化隨機(jī)解進(jìn)行迭代搜索最優(yōu)值。但不同于遺傳算法那樣對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇、交叉及變異操作，而是粒子通過(guò)追隨最優(yōu)粒子在解空間中搜尋。其優(yōu)勢(shì)在于操作方便，容易實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)潔的算法參數(shù)，并且調(diào)整簡(jiǎn)單。目前，PSO已成為國(guó)際演化計(jì)算界研究的熱點(diǎn)。因此，短短幾年時(shí)間，PSO算法便取得了迅速的進(jìn)展，并且在模糊系統(tǒng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、交通事故探測(cè)、電力系統(tǒng)優(yōu)化和多元函數(shù)的優(yōu)化等諸多領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

2.2.3 中長(zhǎng)期專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)測(cè)法。專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)測(cè)法是對(duì)存儲(chǔ)的過(guò)去若干年的負(fù)荷相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，從而匯集有經(jīng)驗(yàn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)人員的知識(shí)，提取有關(guān)規(guī)則，按照一定的規(guī)則進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。精確的負(fù)荷預(yù)測(cè)不僅需要高新技術(shù)的支撐，同時(shí)也需要融合人類(lèi)自身的經(jīng)驗(yàn)和智慧。因此，就會(huì)需要專(zhuān)家系統(tǒng)這樣的技術(shù)。專(zhuān)家系統(tǒng)法，是對(duì)人類(lèi)的不可量化的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的一種較好的方法。

2.2.4 組合預(yù)測(cè)模型。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)都進(jìn)行了相對(duì)深入的研究，但由于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)是相當(dāng)繁瑣的電力工程，并受?chē)?guó)民經(jīng)濟(jì)、人口、工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)等諸多因素直接或間接的影響。因此，至今還沒(méi)有哪種預(yù)測(cè)模型能確保在所有情況下都能達(dá)到較高的預(yù)測(cè)精度。即對(duì)單個(gè)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的有利信息進(jìn)行充分使用，創(chuàng)建電力負(fù)荷組合預(yù)測(cè)模型是一種較為可行的方法。

3 考慮配變負(fù)荷預(yù)測(cè)的調(diào)容變壓器經(jīng)濟(jì)性分析

變壓器的經(jīng)濟(jì)型分析模型是考慮負(fù)荷特性、變壓器壽命范圍內(nèi)的負(fù)荷增長(zhǎng)和波動(dòng)、變壓器的購(gòu)置費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及損耗量等因素建立的綜合模型，可根據(jù)變壓器參數(shù)評(píng)估變壓器的經(jīng)濟(jì)性，可用于變壓器選型時(shí)提高投資的精準(zhǔn)性，達(dá)到利益最大化。尤其是調(diào)容變壓器的成本約為普通變壓器1.5倍，必須要綜合考慮變壓器的投入和節(jié)約損耗之間的關(guān)系。

3.1 配變的經(jīng)濟(jì)效益分析模型

由于本文是研究基于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的變壓器經(jīng)濟(jì)性，所以采用全壽命模型：

式（6）中，Civ指變壓器的購(gòu)置成本，包括變壓器及其維修設(shè)備的購(gòu)置成本、員工培訓(xùn)費(fèi)用和數(shù)據(jù)記錄成本；Coc指變壓器的運(yùn)行成本，包括變壓器的試驗(yàn)、安裝、損耗、停運(yùn)成本和人工費(fèi)用等；Cmc指變壓器的維護(hù)成本，包括故障前的檢修成本和故障后的維修成本；Cdc指變壓器的處置成本，包括變壓器的報(bào)廢成本和殘值。

式（7）中，Ctp指變壓器的購(gòu)置成本；Cep指變壓器維修設(shè)備的購(gòu)置成本；Ctd指員工的培訓(xùn)成本和數(shù)據(jù)記錄成本。

式（8）中，Cexc指變壓器的試驗(yàn)費(fèi)用，變壓器在投入運(yùn)行前應(yīng)進(jìn)行一些必要的試驗(yàn)，以完成設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，如短路承受能力試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)等，以及與此相關(guān)的額外試驗(yàn)費(fèi)用；Cenc指變壓器運(yùn)行的損耗成本，變壓器在運(yùn)行狀態(tài)下，始終在消耗著電能；Cinc指變壓器的安裝費(fèi)用，包括安裝時(shí)花費(fèi)的運(yùn)輸、人工和調(diào)試的總費(fèi)用；Cfc指變壓器的停運(yùn)損失成本，在規(guī)定的壽命周期內(nèi)，因發(fā)生故障而停運(yùn)及效率下降所造成的損失；Cmoc指人工費(fèi)及其他成本，在變壓器的壽命周期內(nèi)，負(fù)責(zé)運(yùn)行或管理的人員的工資，以及與變壓器運(yùn)行有關(guān)的不包括上述費(fèi)用的一切費(fèi)用。

式（9）中，Coc指處置成本，Cbf指報(bào)廢成本，Ccz指變壓器殘值。

3.2 基于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的調(diào)容變壓器損耗成本模型

式（10）中，E為該變壓器用戶(hù)的平均銷(xiāo)售電價(jià)，i表示變壓器壽命范圍內(nèi)運(yùn)行的第i年，k為變壓器壽命的上限，THi為變壓器在大額定容量檔位的運(yùn)行時(shí)間，TLi為變壓器在小額定容量檔位的運(yùn)行時(shí)間，βHi為變壓器在大額定容量檔位的平均負(fù)載率，βLi為變壓器在小額定容量檔位的平均負(fù)載率。

4 結(jié)語(yǔ)

基于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)容變壓器全壽命的成本進(jìn)行分析，和普通配電變壓器進(jìn)行對(duì)比分析，在配變選型時(shí)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，使選型更合理、更經(jīng)濟(jì)，利于投資利用率最大化。下一步工作要建立中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

［1］姜益民.變壓器的全壽命周期成本分析［J］.上海電力，2004（3）：188-191.

［2］王金麗.有載調(diào)容變壓器綜合經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用研究［J］.高壓電器，2009（6）：32-35.

The Adjustable Capacity Transformer Economical Analysis Based on Medium and Long-term Load Forecasting

Wang Qian1Meng Lu2Niu Yu3Yang Xinyong3
（1.State Grid Henan Electric Power Research Insititute，Zhengzhou Henan 450000；2.State Grid Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000；3.Henan Enpai Hi-tech Group Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In recent years,the residential electricity load characteristic changes significantly.Especially in rural areas,the load is low at ordinary time,but the peak load rise sharply in Spring Festival.In response to this situation and to improve distribution transformer economical operation,adjustable capacity transformer was developed and applied.But the suitable load characteristics of the adjustable capacity transformer was qualitative given,also did not consider the growth of the load within adjustable capacity transformer life.If choose undeserved,it not only cause the waste of investment,even may cause loss of increase.To develop medium and long-term load forecasting applicability research and evaluation of energy conservation of adjustable capacity transformer,is important significance to guide energy conservation and accurate distribution network investment.

medium and long-term load forecasting；adjustable capacity transformer；economic analysis model of the transformer；loss cost model

TM42

A

1003-5168（2016）11-0115-03

2016-10-18

王倩（1985-），女，碩士，工程師，研究方向：配電網(wǎng)技術(shù)、節(jié)能降損技術(shù)；孟璐（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：配電網(wǎng)技術(shù)、帶電作業(yè)；牛雨（1986-），男，本科，助理工程師，研究方向：配電網(wǎng)技術(shù)、節(jié)能降損技術(shù)。