羅志坤 ,劉瀟瀟 ,陳星鶯 ,丁孝華 ,余 昆 ,萬 全 ,何軍民 ,李 光
(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院,湖南 長沙 410000;2.河海大學 江蘇省配用電與能效工程技術研究中心,江蘇 南京 211100;3.國網湖南節(jié)能服務有限公司,湖南 長沙 410000)
變電站作為電能轉換與輸送過程中的樞紐環(huán)節(jié)與重要節(jié)點[1-2],數(shù)量眾多,耗電量大,所以提升變電站的能效對建設綠色低碳電網意義重大。實際運行中,往往由于設施老舊、運行不合理等原因導致變電站電能浪費和能效不高,在變電站的規(guī)劃建設階段進行節(jié)能設計是一項必須考慮的內容[3],在運行過程中通常會實施變壓器經濟運行[4]、無功優(yōu)化控制[5-6]等措施降低主變損耗,對能效低的變電站還要求進行節(jié)能改造[7-8]。當前開展的智能變電站建設是一個熱門話題,在對變電站進行智能化改造過程中,需兼顧變電站的節(jié)能降耗目標,對改造前后的變電站能效進行評估。因此,建立能全面反映變電站能耗大小及能效水平的指標和評估方法是亟待解決的問題。
電力系統(tǒng)各個電壓等級的變電站分布在高溫、嚴寒等不同環(huán)境中,能耗及能效的影響因素具有差異,目前直接針對變電站的主要能耗分析及能效評估的研究很少[9-10]。文獻[3]從節(jié)能設計角度構建了變電站節(jié)能評價指標體系,將變電站設備能效評估指標分為土建、水暖等配套設施能效,變壓器、導體、照明等通用設施能效,以及空調系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等自動化控制系統(tǒng)能效3個方面。文獻[11-12]針對軌道交通系統(tǒng)供電的變電站進行能效分析,分別論述了通過整流器和儲能來提高能效。
本文針對目前缺乏變電站整體能效水平的評估現(xiàn)狀,對我國南北方不同地區(qū)的變電站進行實地調研分析,以此為基礎對變電站能效關鍵影響因素進行篩選,建立變電站能效綜合評估指標體系,將灰色關聯(lián)分析法與層次分析法(AHP)[13-15]相結合,用 AHP 滿足評估體系的多層次要求,并利用權重計算結果對灰色關聯(lián)分析法進行修正,構建變電站能效綜合評估模型,用于對變電站能效進行整體評估。
從物理學角度來看,能效是指在能源利用或變換過程中,發(fā)揮作用的能源量與實際消耗的能源量之比[16];提高能效是指在發(fā)揮同樣作用的情況下消耗更少的能源,故降低能耗是提高能效的關鍵。變電站的作用是實現(xiàn)電能的傳輸和轉換,在此過程中需要消耗電能以保證各種設備的正常工作,因此,本文采用流出變電站的電能與流入變電站的電能之比來衡量變電站能效,即變電站的能效水平取決于變電站內的主要電能消耗及其影響因素。
根據(jù)變電站的用能特點,可以將變電站能耗分為一次設備能耗、二次設備能耗和輔助設備能耗三大類,變電站能耗分類及構成如圖1所示。一次設備的能耗一方面可由其性能參數(shù)直接反映,如變壓器空載損耗和短路損耗、電容器介質損耗角的正切值等,另一方面還受到通過設備的電流、功率等運行因素的影響。由于二次設備數(shù)量眾多、單個設備能耗小,因此考慮變電站二次設備能耗影響因素時,應著眼于總體情況,主要考察設備數(shù)量、設備工況與工作環(huán)境(如溫度、濕度等)。變電站輔助設備的主要功能是維持變電站正常的運行環(huán)境,其能耗受變電站建筑和外界環(huán)境影響較大,因此除了考慮輔助設備本身的節(jié)能性能外,還需考慮建筑的通風、保溫和隔熱等性能,及外界溫度、濕度等氣象因素。因此,本文認為可將影響變電站能效及能耗的因素分為設備因素、運行因素、建筑因素和環(huán)境因素4個方面進行分析。
圖1 變電站能耗分類Fig.1 Classification of energy consumption for substation
變電站能效評估的關鍵在于建立的指標能否全面涵蓋變電站的能源利用情況,并且能夠通過可獲取的基礎數(shù)據(jù)進行評估。通過對變電站能耗測量和上述變電站能效及其影響因素的分析,本文提出從電氣設備性能、系統(tǒng)運行狀態(tài)、建筑結構性能和運行環(huán)境因素4個方面建立變電站能效評估指標體系,如圖2所示。所選取的指標既要全面反映變電站的能效及其影響因素,同時還要兼顧指標體系的易用性和數(shù)據(jù)的可獲取性。
圖2 變電站能效評估指標體系Fig.2 Energy efficiency evaluation index system of substation
指標體系的最上層為目標層:變電站能效綜合評估指標U,用于反映變電站能效的總體水平。中間層為原則層,包括電氣設備性能指標A、系統(tǒng)運行狀態(tài)指標B、建筑結構性能指標C和運行環(huán)境因素指標D,該層指標體現(xiàn)了變電站能效的主要影響因素。最底層為指標層,電氣設備性能指標主要考慮主變冷卻裝置、空調、照明、通風、控制柜加熱除濕、站用變等設備狀態(tài)及其控制方式;系統(tǒng)運行狀態(tài)指標反映變電站運行狀態(tài)相關的因素對能耗及能效的影響,包括負荷曲線、功率因數(shù)以及變壓器經濟運行等因素;建筑結構性能指標包含了變電站建筑的基本能效信息;運行環(huán)境因素指標主要考慮溫度對變電站空調和供暖系統(tǒng)能效的影響。
(1)主變冷卻方式 A1。
老式變壓器大多采用強迫油循環(huán)風冷卻系統(tǒng),一般有2組冷卻裝置同時運行,每組冷卻裝置備有2臺風扇和1臺油泵機,損耗電量較大。相對而言,采用自然冷卻方式的主變能耗小,因此采用變電站內自然冷卻主變占比來衡量冷卻方式對能效的影響,計算公式如式(1)所示。
其中,NT為主變總臺數(shù);NNCT為自然冷卻主變臺數(shù)。
(2)空調能效比 A2。
每個變電站都配有多臺空調設備,空調是變電站內能耗較大的設備之一。單臺空調具有標準的能效比計算公式,如式(2)所示。
其中,Pout為空調在額定輸入功率下的制冷量;Pin為空調額定輸入功率。
本文以空調的能效比參數(shù)為基礎,采用加權平均法計算整個變電站的空調能效比,如式(3)所示。
其中,NA為變電站中空調總臺數(shù);EERi為第i臺空調的能 效比;Pout,total為所有空調總額定制冷量;Pout,i為第 i臺空調的額定制冷量;Pout,i/Pout,total為加權系數(shù)。
(3)照明燈具節(jié)能性能 A3。
照明系統(tǒng)也是變電站的主要能耗設備之一,照明能耗與燈具的功率和照明時間相關,變電站內不同場所、不同用途的照明燈具的功率和照明時間差異較大。但是,對于同一照明燈具而言,其節(jié)能性能取決于燈具的性質,因此采用變電站內節(jié)能型燈具總功率與燈具總功率的比值來計算照明燈具的節(jié)能性能指標,如式(4)所示。
其中,NL為變電站中燈具的總數(shù);M為變電站中節(jié)能型燈具的總數(shù);Pj為變電站中第j個燈具的功率;Pes,i為變電站中第i個節(jié)能型燈具的功率。
(4)控制柜溫濕度調節(jié)裝置節(jié)能性能A4。
變電站的端子箱、智能控制柜、高壓斷路器控制柜、低壓開關柜等柜體內一般都裝有加熱去潮裝置,包括加熱片、帶風扇加熱片、熱交換器3類。加熱片的能效最低,熱交換器能效最高,因此從節(jié)能角度出發(fā),加熱片賦值0分,帶風扇加熱片賦值0.5分,熱交換器賦值1分,然后對變電站內所有控制柜溫濕度調節(jié)裝置取平均分建立控制柜溫濕度調節(jié)裝置節(jié)能性能指標計算公式,如式(5)所示。
其中,N1、N2、N3分別為變電站內加熱片、帶風扇加熱片、熱交換器的個數(shù)。
(5)空調、照明、通風及控制柜溫濕度控制方式A5— A8。
變電站內空調、照明、通風及控制柜溫濕度控制方式對變電站能效影響較大,手動控制能效低,自動控制能效高。變電站的實際情況是部分設備手動控制、部分設備自動控制,如室外照明采用光控自動控制,室內照明采用手動控制;一些控制柜通過手動方式來控制溫濕度調節(jié)裝置,另一些控制柜則采用自動控制方式進行調節(jié)。因此,針對這類指標采用自動控制設備的功率占比來進行計算,如式(6)所示。
其中,A5—A8分別為空調、照明、通風及控制柜溫濕度控制方式指標;Pauto為自動控制方式下的設備總功率;P為設備總功率。
(6)站用變節(jié)能性能 A9。
站用變的型號種類多種多樣,每一種型號站用變的空載損耗和短路損耗都不相同,其節(jié)能性能的差異主要取決于站用變的型號系列。本文以當前能效最高的型號系列為基準,對主要站用變型號系列的節(jié)能性能進行分級賦值,其值為0~1之間的數(shù)。則站用變節(jié)能性能指標可用式(7)進行計算。
其中,NDT為變電站中站用變臺數(shù);Si為站用變的節(jié)能性能得分。
(7)設備老化水平 A10。
設備老化會引起設備電阻及表面絕緣介質的變化,導致同樣的工作條件下設備能耗的增加,本文采用變電站主要電力設備老化損失因數(shù)的平均值作為設備老化水平指標計算值,計算公式如式(8)所示。
其中,NE為變電站內主要設備數(shù)量,變電站的主要設備包括主變、站用變、并聯(lián)電容器、斷路器以及刀閘等;Yi為第i個設備的運行年數(shù),設備的運行年限取20a,當設備運行年數(shù)超過20 a時,Yi統(tǒng)一賦值為32 a。
(1)負荷形狀系數(shù) B1。
負荷形狀系數(shù)K是一段時間內均方根電流Ieff與平均電流Iar之比,如式(9)所示,其值的大小反映了負荷曲線的變化對電力設備損耗的影響,形狀系數(shù)越大,設備能耗越大,如果負荷曲線變化平緩,則形狀系數(shù)趨近于1,設備的能耗較小。
(2)主變經濟運行 B2。
其中,β為變壓器的平均負載率;βJ為變壓器經濟運行點的負載率。
(3)功率因數(shù) B3。
無功功率在電阻中流過時會引起額外的能量損失,當有功功率一定時,功率因數(shù)越低,損耗率越大,提高功率因數(shù)對能耗改變量的影響也越大。本文提出采用主變各側功率因數(shù)進行加權平均來反映整個變電站的功率因數(shù)對其能效的影響,如式(11)所示。
其中,NW為變電站內所有主變的繞組數(shù)之和;cosφi為主變i側的功率因數(shù);PLi為主變i側的有功負荷;Ptotal為變電站內所有主變各側有功負荷的總和。
(4)三相負載不平衡系數(shù)B4。
變壓器三相負載不平衡將引起變壓器A、B、C三相繞組中的損耗發(fā)生變化,在總負荷一定的情況下,三相負載越不平衡,主變的能耗越大、能效越低。本文將三相負載不平衡系數(shù)作為反映能效水平的指標,計算公式如式(12)所示。
其中,F(xiàn)φ為三相負載不平衡系數(shù);Smax為三相中的最大負載;Smin為三相中的最小負載;Sav為三相平均負載。
(5)站用變經濟運行 B5。
站用變?yōu)樽冸娬緝鹊纳a生活用電提供保障,其容量較小,且長時間處于輕載運行和熱備用狀態(tài),一般而言能效較低。本文將站用變的經濟運行情況也作為能效的一個評價指標,其計算公式與主變相同,不再贅述。
杜思雨下班后,推掉了所有的應酬,回到了家里。一進屋,妻子田歌好像吃了一驚,思雨也覺得有些內疚,下班的時間回到家里可能是很久沒有過的事了。妻子馬上恢復了冷態(tài):“你回來了。好,我走?!彼加暌荒_門里一腳門外,忙說:“別,千萬別!咱們可以好好談談?!?/p>
(1)建筑朝向 C1。
建筑物內部冷熱負荷的大小與建筑的朝向密切相關,合理的建筑朝向有利于空調和供暖系統(tǒng)節(jié)能。當建筑物的平面形狀相同時,南北朝向建筑物內部的冷熱負荷比東西朝向建筑物少[17],文獻[18]明確指出我國建筑朝向應采用南北朝向或接近南北朝向。因此,變電站建筑為南北朝向時C1設為1,東西朝向時C1為0,其他情況設為0和1之間的數(shù)。
(2)建筑體型系數(shù) C2。
建筑體型系數(shù)為建筑的外表面積與其體積的比值,該指標反映了建筑物單位空間的散熱能力,當建筑圍護結構傳熱系數(shù)相等時,體型系數(shù)越大的建筑,保溫隔熱性能越差,其能耗也越高,模擬實驗表明若體型系數(shù)增加0.1個單位,相應建筑的能耗增加約25%[19]。 建筑體型系數(shù)的計算公式如式(13)所示。
其中,S為建筑體型系數(shù);F0為建筑的外表面積;V0為建筑體積。
(3)圍護結構傳熱系數(shù) C3。
建筑圍護結構的導熱性能主要影響采暖與空調的冷熱負荷,當建筑圍護結構的保溫隔熱效果較差時,夏季室外的熱量易傳入室內,冬季室內的熱量也易透過圍護結構散發(fā)到室外,導致采暖與空調的冷熱負荷增加。因此,提高變電站的建筑圍護結構保溫性能對降低能耗、減少變電站空調設備的容量有重要作用。熱量從圍護結構一側傳遞到另一側所受阻力稱為圍護結構傳熱阻,單一材料圍護結構傳熱阻與材料層的厚度成正比,與材料的導熱系數(shù)成反比,當圍護結構的材料有多層時,其傳熱阻為各層傳熱阻的總和。圍護結構傳熱系數(shù)取為傳熱阻的倒數(shù),即:
其中,R0為總傳熱阻;KH為圍護結構的傳熱系數(shù)。
(4)窗戶隔熱 C4。
窗戶的傳熱系數(shù)遠高于外墻,其傳熱量一般為墻體的 5~20 倍[20],隔熱能力差,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,夏季由窗戶進入室內的熱量占空調冷負荷的25%左右,冬季從窗戶玻璃損失掉的熱量約占供暖總負荷的15%[21]。本文根據(jù)目前主要類型的窗戶玻璃節(jié)能性能進行能效評分,分值越高表示窗戶隔熱性能越好,比如普通玻璃的隔熱性能最差,其值為1分,其他類型的評分情況如表1所示。
表1 窗戶隔熱指標評分Table 1 Scores of window thermal insulation index
(5)窗戶遮陽 C5。
由上述分析可知,陽光透過窗戶對變電站建筑內的冷熱負荷影響較大,窗戶遮陽則是提高能效的重要措施。窗戶遮陽包括窗簾、百葉簾等室內遮陽方式和遮陽棚等室外遮陽方式,對防止變電站夏季室內氣溫上升作用明顯,同時,室內遮陽方式還可通過靈活設置遮陽狀態(tài)方便冬季陽光照射入室內以提高能效。因此,綜合考慮,當變電站建筑物窗戶無遮陽措施時該指標取0,有遮陽措施時取1。
變電站分布廣,其運行環(huán)境復雜,站內的一、二次電氣設備都要求工作在特定的溫濕度環(huán)境下,空調設備、控制柜溫濕度調節(jié)裝置等的工作狀態(tài)與溫度、濕度密切相關,為了分析氣候溫度等運行環(huán)境對變電站能效的影響,本文考慮計算采暖度日數(shù)HDD(Heating Degree Day)和空調度日數(shù) CDD(Cooling Degree Day)2個指標來衡量。
(1)采暖度日數(shù) D1。
在采暖期內,室內基準溫度減去室外日平均溫度,并逐日累加求和得到采暖度日數(shù),如式(15)所示,該指標用于反映冬季等低溫情況下環(huán)境對變電站能耗量及能效的影響。
其中,D1為采暖度日數(shù);T為采暖期天數(shù)或計算天數(shù);tR為室內基準溫度,單位為℃,我國大部分地區(qū)取19℃;tm,i為采暖期室外第i天的日平均溫度,單位為℃。
(2)空調度日數(shù) D2。
在供冷期內,室外日平均溫度減去室內基準溫度,并逐日累加求和得到空調度日數(shù),如式(16)所示,該指標用于反映夏季等高溫情況下環(huán)境對變電站能耗量及能效的影響,此時tR一般取25℃。
如上所述,本文建立了反映變電站能效水平的評估指標及其計算模型,由于各指標的量綱和指標取值的變化區(qū)間差異較大,為保證評估結果的客觀性與合理性,首先需要對評估指標進行標準化處理。所建立的指標可以分為極大型、極小型和區(qū)間型3種類型,如空調能效比屬于極大型指標,主變冷卻方式屬于極小型指標,主變經濟運行屬于區(qū)間型指標,本文首先將其統(tǒng)一化為極大型指標,且標準化為[0,1]之間的無量綱值[14]。變電站能效綜合評估具有3層指標,需要逐級向上綜合才能獲得變電站的整體能效水平,各指標針對其上層指標的重要性具有差異,通過賦予不同的權重來體現(xiàn),本文采用基于9級標度的AHP確定各評估指標的權重[22]。
灰色關聯(lián)分析法的主要思想是將信息不完全系統(tǒng)的內部因子序列化,并定量表示各因子間發(fā)展趨勢的異同程度,以此來衡量相互間的關聯(lián)程度。本文采用灰色AHP進行變電站能效評估的關鍵是計算指標的灰色關聯(lián)度。
假設變電站能效評估指標個數(shù)為n,待評估變電站個數(shù)為m,用初始指標矩陣R表示參與評估的變電站及其指標的值,如下所示:
則求取各變電站灰色關聯(lián)度的過程如下。
a.確定理想變電站R0為參考列,記為R0=[r01,r02,…,r0n],這里取各個指標的最優(yōu)值作為 r0j(j=1,2,…,n)的值。
b.無量綱化處理R0與各評估指標,由于R0為各指標的最優(yōu)值,因此標準化后為1,將處理后的無量綱數(shù)據(jù)進行組合得到新的待評估對象指標矩陣S:
c.令 Si=(si1,si2,…,sin),其中 i=0,1,…,m,則以S0作為參考,依次計算Si與S0相應指標的關聯(lián)系數(shù)βi( j):
其中,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;ρ為各指標的分辨系數(shù),根據(jù)AHP的計算結果,取為第i個變電站第j個指標的標準化值;ωj為第j個指標的權重。
d.針對各被評估對象,計算各指標關聯(lián)度的加權平均值,即可得到各被評估對象與理想對象之間的灰色關聯(lián)度,如式(18)所示。
根據(jù)灰色關聯(lián)度xi的值即可對各變電站的優(yōu)劣程度進行評判,xi值越大表明在所有待評估對象中該變電站能效水平越高。
根據(jù)本文方法所開發(fā)的變電站能效評估軟件已在湖南湘潭220 kV電壓等級的景源變應用,為了便于分析比較,本文選擇遼寧、湖南、山西不同地區(qū)的3個變電站進行調研、收集基礎數(shù)據(jù),其中2014年的能源供給和能耗情況如表2所示,表中的能耗率是指變電站年能耗和年供電量的比值。由表可知,景源變的供電量最大,但其能耗率僅為0.36%,遠小于另外2個變電站,其能效最高,馬風變的能效最低。
表2 2014年3個變電站的供電量和能耗情況Table 2 2014’s power supply and energy consumption for three substations
根據(jù)第2節(jié)介紹的能效評估指標計算方法分別計算出各指標的樣本值,如表3所示,然后采用第3.1節(jié)所介紹的方法對各指標進行標準化處理,其結果如表4所示。從3個變電站的基礎指標數(shù)據(jù)對比分析可知,景源變的主變?yōu)樽匀焕鋮s方式,空調能效水平較高,照明燈具含有較多的節(jié)能型燈具,照明和通風控制的自動化程度高,維護結構傳熱系數(shù)小,采暖度日數(shù)遠少于其他變電站,這些特點表明該變電站的能效水平應該屬于較高的范圍。
以表4數(shù)據(jù)為基礎,采用第3.2節(jié)介紹的灰色關聯(lián)度計算方法最終得出各變電站的能效綜合指標,3個變電站的能效綜合評估指標值分別是:崔家變?yōu)?.56、景源變?yōu)?.67、馬風變?yōu)?.51,也即評估結果表明景源變的能效最高,馬風變的能效最低,崔家變的能效稍高于馬風變。同時,由表2的數(shù)據(jù)可知,景源變能耗率最低,其次是崔家變,馬風變能耗率最高,能效由高到低依次為景源變、崔家變、馬風變。換而言之,采用本文評估方法得出的變電站能效水平與實際測量、評估指標值分析得出的結論相同。
表3 變電站能效評估指標計算值Table 3 Calculated values of substation energy efficiency evaluation indexes
表4 標準化后的指標值Table 4 Normalized values of substation energy efficiency evaluation indexesx
變電站在完成電能輸送任務時本身需要消耗大量能量,全國變電站數(shù)量巨大,其能耗不容忽視。為綜合反映變電站能效水平,促進全社會節(jié)能工作的進一步實施,本文從能效的概念出發(fā),分析變電站能效的含義,針對變電站能耗及能效的影響因素建立變電站能效評估指標及其計算模型。將灰色關聯(lián)分析法和AHP相結合,建立變電站能效綜合評估方法。通過實際變電站數(shù)據(jù)的仿真計算分析表明,所提方法可對變電站能效的高低進行排序,找出能效低的變電站,為變電站節(jié)能改造提供依據(jù)。
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