陳方瑞, 鄭世松, 鐘紹山

1. 國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司 奉賢供電公司 上海 201499 2. 國(guó)家電網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 哈爾濱供電公司 哈爾濱 150000

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配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

陳方瑞1, 鄭世松2, 鐘紹山1

1. 國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司 奉賢供電公司 上海 201499 2. 國(guó)家電網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 哈爾濱供電公司 哈爾濱 150000

電網(wǎng)配電變壓器負(fù)荷易受人口流動(dòng)等因素影響，管控過(guò)程較為復(fù)雜。在配電變壓器負(fù)荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的維護(hù)評(píng)估與監(jiān)控機(jī)制，以及合理的配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，建立了配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)。通過(guò)奉賢電網(wǎng)實(shí)踐證明，這一系統(tǒng)能夠使各變壓器負(fù)荷率得到有效平衡，降低了設(shè)備全壽命周期成本與地區(qū)電網(wǎng)的碳排放量。

輸配電； 變壓器； 負(fù)荷

隨著上海奉賢制造業(yè)的發(fā)展及軌道交通5號(hào)線(xiàn)南延伸段等重大項(xiàng)目建設(shè)的推進(jìn)，奉賢地區(qū)吸引了大量外來(lái)人員的進(jìn)入，導(dǎo)致地區(qū)配電變壓器臺(tái)區(qū)的負(fù)荷呈現(xiàn)出流動(dòng)的態(tài)勢(shì)，使配電變壓器負(fù)荷管控要求更精細(xì)化。規(guī)范配電變壓器負(fù)荷管控過(guò)程，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)負(fù)荷，有效提高配電變壓器負(fù)荷的精細(xì)化管控水平，是提高供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要途徑[1]。

針對(duì)配電變壓器負(fù)荷管控過(guò)程中因人員流動(dòng)影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量等關(guān)鍵問(wèn)題，研究并建立了配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)配電變壓器負(fù)荷的精細(xì)化管控、提高地區(qū)配電網(wǎng)的運(yùn)行效率奠定了基礎(chǔ)。

1 配電變壓器負(fù)荷基本特征及存在的問(wèn)題

節(jié)約電能資源、提高電能利用率是我國(guó)電力供應(yīng)和使用的基本管理原則之一，也是世界各國(guó)所普遍關(guān)注的問(wèn)題[2]，其中，降低線(xiàn)損率是提高電能利用率的重要措施。根據(jù)國(guó)家能源局南方監(jiān)管局2013年度電力監(jiān)管報(bào)告，南方電網(wǎng)2013年線(xiàn)損率為7.20%，比2012年有所降低，但仍然遠(yuǎn)高于同期德國(guó)電網(wǎng)的4.36%。除我國(guó)國(guó)土面積大、資源與負(fù)荷分布不均衡、遠(yuǎn)距離輸電造成線(xiàn)損率升高等因素外，電網(wǎng)設(shè)備，尤其是10kV 配電網(wǎng)設(shè)備的能量損耗也是造成線(xiàn)損率高于發(fā)達(dá)國(guó)家的重要原因[3-4]。

在城市建設(shè)過(guò)程中，配電變壓器的分布與容量配置具有很強(qiáng)的時(shí)效性[5]，隨著城市發(fā)展和人口流動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)很大變化，這就要求在配電網(wǎng)建設(shè)時(shí)具有一定的前瞻性，并為后期升級(jí)改造留出空間[6]。10kV 配電網(wǎng)設(shè)備主要包括配電變壓器、線(xiàn)路及開(kāi)關(guān)設(shè)備，配電變壓器是造成10kV配電網(wǎng)設(shè)備線(xiàn)損率高的主要因素[7-8]。配電變壓器工作在重載、超載或輕載(依次指負(fù)載率高于80%、高于100%、低于20%)[9]的狀態(tài)下，均會(huì)造成線(xiàn)損率上升[10]。變壓器的損耗主要分為銅損和鐵損，通過(guò)計(jì)算可以得出，當(dāng)鐵損等于銅損時(shí)變壓器效率最高[11]。

在配電網(wǎng)的線(xiàn)損計(jì)算中，根據(jù)能量等值原則將配電變壓器等值為一個(gè)電阻RT，這樣，配電網(wǎng)的線(xiàn)損ΔET即為配電網(wǎng)總均方根電流Iif流過(guò)配電線(xiàn)路等值電阻RP和RT所產(chǎn)生的能量損耗，另加全部配電變壓器的空載損耗[12-13]，即：

(1)

其中：P0i為第i臺(tái)配變的空載損耗；m為所求配變的臺(tái)數(shù)；T為運(yùn)行時(shí)間。

均方根電流由T時(shí)段平均電流得到，即Iif=ksIpj，ks為首端電流波形因數(shù)，Ipj為平均電流。RT和RP的表達(dá)式如式(2)、式(3)所示[14]：

(2)

式中：ki為第i臺(tái)配電變壓器的負(fù)荷率；Si為第i

臺(tái)配電變壓器的額定容量；Pki為第i臺(tái)配電變壓器的額定負(fù)載損耗；U為配電網(wǎng)的額定電壓。

(3)

式中：ri為第i個(gè)配電線(xiàn)路節(jié)段的電阻；kj為第j個(gè)配電線(xiàn)路節(jié)段之后所掛配電變壓器的負(fù)載率；Sj為第j個(gè)配電線(xiàn)路節(jié)段之后所掛配電變壓器的額定容量;n為全網(wǎng)配電線(xiàn)路節(jié)段數(shù)目；mi為第i個(gè)配電線(xiàn)路節(jié)段之后所掛配電變壓器的臺(tái)數(shù)。

為了便于比較配電變壓器互換后的線(xiàn)損大小，選取有代表性的6臺(tái)配電變壓器與相關(guān)供電線(xiàn)路組成6個(gè)小配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行線(xiàn)損計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。各配電變壓器小配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電量見(jiàn)表1，應(yīng)用上述公式計(jì)算所得各配電變壓器損耗及線(xiàn)損率見(jiàn)表2。

表1 各配電變壓器供電量

表2 配電變壓器損耗計(jì)算結(jié)果比較

由表1、表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)： 容量相對(duì)較大的變壓器，其負(fù)載率越大，則線(xiàn)損率越??；容量相對(duì)較小的變壓器，同樣表現(xiàn)出負(fù)載率越大，線(xiàn)損率越小，但線(xiàn)損率的變化幅度有限。需要注意的是，小容量變壓器過(guò)載能力有限，長(zhǎng)期運(yùn)行于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響使用壽命。

2 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)架構(gòu)

隨著SG186營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)的順利上線(xiàn)，配電變壓器負(fù)荷報(bào)表計(jì)算實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)手工計(jì)算到營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的轉(zhuǎn)變。伴隨著用電信息采集系統(tǒng)的順利上線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化抄表，為開(kāi)展配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控打下了基礎(chǔ)。

在配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)中，供電單位以配電變壓器臺(tái)區(qū)為單元，結(jié)合用電信息采集系統(tǒng)和各類(lèi)應(yīng)用實(shí)時(shí)系統(tǒng)，基本框架如圖1所示。搭建配電變壓器負(fù)荷信息化統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立配電變壓器負(fù)荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同臺(tái)區(qū)配電變壓器負(fù)荷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，建立維護(hù)評(píng)估與監(jiān)控機(jī)制，合理確定配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，將負(fù)荷管理指標(biāo)落實(shí)到具體配電變壓器，對(duì)于偏離目標(biāo)值的高低壓配電變壓器及時(shí)確定互換管理方案，從而使配電變壓器負(fù)荷維持在正常水平。

圖1 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)基本框架

經(jīng)配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)分析，在管理目標(biāo)值確定的前提下，通過(guò)數(shù)次調(diào)整互換，使調(diào)整后的配電變壓器運(yùn)行于理想狀態(tài)?？紤]到實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行情況，具體調(diào)整時(shí)會(huì)在兩臺(tái)及兩臺(tái)以上配電變壓器之間進(jìn)行，調(diào)整過(guò)程中涉及的配電變壓器越少，對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行影響就越小。

配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)為配電變壓器的負(fù)荷管控提供了有效數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為電網(wǎng)其它生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成企業(yè)內(nèi)部統(tǒng)一的中低壓安全數(shù)據(jù)源。

3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 設(shè)備全壽命周期成本

傳統(tǒng)的設(shè)備管理主要是設(shè)備在役期間的運(yùn)行維修，重點(diǎn)保證設(shè)備可靠性。現(xiàn)代意義上的設(shè)備全壽命周期成本管理指一個(gè)項(xiàng)目或系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期內(nèi)所需要的總費(fèi)用，包括采辦、使用、維修、保障和退役處理等費(fèi)用。電力規(guī)劃人員不僅要考慮設(shè)備投資，而且要考慮設(shè)備或系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的全部成本。國(guó)際上先進(jìn)的電力公司在投資、設(shè)備選型，甚至在檢修決策中，常常以全壽命周期為依據(jù)，以降低綜合成本，提高設(shè)備的整體效益。筆者運(yùn)用計(jì)及可靠性的電力設(shè)備全壽命周期成本模型[15]，分析配電變壓器互換是否有利于設(shè)備全壽命周期成本管理。

電力設(shè)備全壽命周期成本等年值費(fèi)用CLCC為設(shè)備投資費(fèi)用、停電損失費(fèi)用、殘值與其它費(fèi)用之和，其表達(dá)式為：

CLCC=CIA+CM+CL-CRA+CO

(4)

式中：CIA為設(shè)備投資費(fèi)用等年值；CM為電力設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；CL為電力設(shè)備年停電損失費(fèi)；CRA為設(shè)備殘值；CO為由偶然因素帶來(lái)的費(fèi)用。

當(dāng)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行全壽命周期成本比較時(shí)，CLCC相對(duì)小者，屬于優(yōu)選方案。因此，可直接通過(guò)計(jì)算CLCC來(lái)比較采用配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)后對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的效益影響。

3.2 碳排放量

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)手冊(cè)提出的碳排放計(jì)算詳細(xì)步驟，結(jié)合能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用如下公式計(jì)算碳排放量A：

(5)

式中：Bu為能源u的消費(fèi)量，按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)；Cu為能源u的碳排放因數(shù)，原煤取為0.7559；w為能源種類(lèi)。

考慮到電力能源的主要一級(jí)來(lái)源為煤炭，以原煤作為衡量碳排放量的計(jì)算依據(jù)，公式(5)簡(jiǎn)化為A=0.7559B。通過(guò)計(jì)算碳排放量確定采用配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)后對(duì)地區(qū)環(huán)境的影響。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

配電變壓器負(fù)荷率的選擇原則上按變壓器效率最高決定，同時(shí)綜合考慮配電變壓器的類(lèi)型規(guī)格及負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行情況[16]。配電變壓器的最佳負(fù)荷率一般介于40%～60%[17-18]，在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷率隨時(shí)間變化。從節(jié)能與提高配電變壓器經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，要求管控后具體單臺(tái)配電變壓器運(yùn)行于最佳負(fù)荷率區(qū)間的時(shí)間最長(zhǎng)，選取負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)調(diào)整后的兩臺(tái)配電變壓器，研究負(fù)荷率的變化情況[19]。表3與表4為互換前后兩臺(tái)配電變壓器的負(fù)荷率情況。

表3 互換前配電變壓器情況

表4 互換后配電變壓器情況

由表3與表4可得，互換后，輕工機(jī)械與建國(guó)七隊(duì)兩臺(tái)配電變壓器的整體線(xiàn)損率大大降低，且配電變壓器的負(fù)荷率也更接近最佳負(fù)荷率區(qū)間。建國(guó)七隊(duì)160kVA配電變壓器由于負(fù)荷率由嚴(yán)重過(guò)載降至最佳負(fù)荷率附近，運(yùn)行溫度顯著降低，使用壽命有效延長(zhǎng)。

據(jù)初步估算，配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)在奉賢電網(wǎng)推廣應(yīng)用后，配合配電網(wǎng)停電檢修，結(jié)合拆遷、改造等，2016年共對(duì)122對(duì)大小容量配電變壓器進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后配電變壓器負(fù)荷均運(yùn)行于目標(biāo)值以?xún)?nèi)。采用系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)用精細(xì)化管控系統(tǒng)后的效果進(jìn)行分析，效果見(jiàn)表5。

表5 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控效果

與此同時(shí)，總體線(xiàn)損率大大降低，每年可為奉賢地區(qū)節(jié)約電量213.74萬(wàn)kWh，按實(shí)際波峰與波谷用電比例進(jìn)行計(jì)算，每年節(jié)省電費(fèi)138.93萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

奉賢電網(wǎng)以用電信息采集系統(tǒng)和各類(lèi)應(yīng)用實(shí)時(shí)系統(tǒng)為平臺(tái)，構(gòu)建配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同臺(tái)區(qū)配電變壓器負(fù)荷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，建立維護(hù)評(píng)估與監(jiān)控機(jī)制，同時(shí)合理設(shè)置配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，對(duì)于偏離目標(biāo)值的高低壓配電變壓器及時(shí)確定調(diào)整管理方案。

配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)應(yīng)用于奉賢電網(wǎng)122對(duì)大小容量配電變壓器，使各臺(tái)區(qū)配電變壓器負(fù)荷率有效平衡，減小了臺(tái)區(qū)的線(xiàn)損，降低了設(shè)備全壽命周期成本，同時(shí)大大減少了地區(qū)電網(wǎng)的碳排放。配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)的應(yīng)用，為電網(wǎng)企業(yè)的節(jié)能增效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有效輔助決策依據(jù)。

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(編輯： 啟 德)

The load of distribution transformer in power grid is subject to population flow and other factors, so that the control process is more complex. Based on the real-time monitoring system of the load data of distribution transformer, with comprehensive consideration of the maintenance and evaluation mechanism for real-time data and monitoring mechanism as well as the management target for reasonable load of distribution transformers, a fine load control system for distribution transformer was established. The practice in Fengxian grid has proved that this system can balance effectively the transformer’s load rate, cut the life cycle cost of the equipment and reduce the carbon emissions of regional power grid.

Transmission and Distribution； Transformer； Load

2016年10月

陳方瑞(1986— )，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)和企業(yè)管理等工作， E-mail： fangrui.ch@163.com

TM421

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1674-540X(2017)02-013-04