張?chǎng)? 段明輝 劉力卿 王偉

摘 要：本文通過(guò)調(diào)研各類變電站站用電構(gòu)成，分析了影響變電站能效的主要因素，建立了主要耗能設(shè)備能效計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，基于層次分析法建立了變電站能效評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了站域能效的定量評(píng)估，并通過(guò)變電站實(shí)例數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：變電站;層次分析法;能效評(píng)估

中圖分類號(hào)：TM727文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）32-0145-03

Research on Substation Energy Efficiency Assessment Method

Based on Analytic Hierarchy Process

ZHANG Xin DUAN Minghui LIU Liqing WANG Wei

（Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384）

Abstract： This paper analyzed the main factors affecting the energy efficiency of substations by investigating the energy consumption of various substations， and established the energy efficiency calculation method for main energy-consuming equipmentin substation. Based on the analytic hierarchy process （AHP）， the substation energy efficiency assessment model was established， and the quantitative evaluation of substation energy efficiency was realized. The effectiveness of the method was verified by the substation instance data.

Keywords： substation;analytic hierarchy process （AHP）;energy efficiency assessment

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電能流向和調(diào)整電壓的場(chǎng)所，是電力系統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在電壓變換、電能分配的過(guò)程中，會(huì)有一部分電能損耗在變電站中，用于維持變電站的正常運(yùn)行。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，變電站站內(nèi)能耗在電能網(wǎng)損中占比三分之一左右。因此，著力降低變電站能耗是降低企業(yè)成本、推動(dòng)電力生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)型的重要舉措[1，2]。

在變電站節(jié)能設(shè)計(jì)或評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。在變電站設(shè)備層面，Luo Lijian等[3]對(duì)比分析了非晶合金鐵心變壓器和硅鋼片鐵心變壓器的全壽命周期成本，論證了配置更高能效變電設(shè)備的必要性。在能效評(píng)估方面，李濤[4]通過(guò)模糊熵權(quán)法建立了節(jié)能評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站建設(shè)項(xiàng)目的能效分析評(píng)價(jià)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文從變電站主要耗能設(shè)備入手，分析影響變電站能效水平的主要因素，提出一種變電站能效評(píng)估方法。

1 變電站能效現(xiàn)狀分析

作為能量傳遞樞紐，變電站內(nèi)存在一定的能量損耗是正常的，是保證變電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必然存在。但是，變電站能量損耗中有相當(dāng)一部分是由于能效過(guò)低、管理粗放而浪費(fèi)的。隨著變電站數(shù)量、規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站傳輸電量的日益增長(zhǎng)，變電站站內(nèi)能量損耗已經(jīng)成為不可忽視的方面。

經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，造成變電站能效過(guò)低、能量損耗過(guò)大的原因主要有以下幾方面。

1.1 設(shè)計(jì)理念落后

長(zhǎng)期以來(lái)，變電站能量損耗直接計(jì)入網(wǎng)損，變電站能耗問(wèn)題沒(méi)有引起重視。因此，在變電站設(shè)計(jì)之初，包括房屋建設(shè)設(shè)計(jì)、主設(shè)備選型、站用電負(fù)荷配置、運(yùn)維管理方式的設(shè)定等各方面均未考慮過(guò)變電站能效問(wèn)題。

1.2 設(shè)備設(shè)施老舊

由于變電站設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命較長(zhǎng)，目前在運(yùn)的變電站站內(nèi)存在大量的老舊用電設(shè)備。這些設(shè)備技術(shù)水平落后、運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)，在沒(méi)有合理更替計(jì)劃的情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，造成大量電能損耗。同時(shí)，某些老舊建筑的保溫技術(shù)落后、密封性較差，導(dǎo)致在控制和保持室內(nèi)溫濕度方面損耗了大量電能。

1.3 管理方式粗放

大部分變電站對(duì)站內(nèi)能耗沒(méi)有進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，缺少站內(nèi)用電電能表計(jì)，對(duì)各類負(fù)荷的能耗情況不了解。由于缺少相應(yīng)的宣傳和考核督查制度，部分站內(nèi)運(yùn)維人員節(jié)能意識(shí)淡薄，“長(zhǎng)流水、長(zhǎng)明燈”的情況仍然大量存在;運(yùn)維制度不夠細(xì)致，存在變壓器過(guò)度冷卻、室內(nèi)過(guò)度通風(fēng)等情況，造成不必要的浪費(fèi)。

1.4 新能源新技術(shù)應(yīng)用滯后

隨著分布式電源技術(shù)的成熟，風(fēng)機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電形式和儲(chǔ)能裝置在商業(yè)、住宅、廠區(qū)的應(yīng)用日益廣泛，但在變電站中卻鮮少應(yīng)用。同時(shí)，建筑物能量管理、冷熱電多能互補(bǔ)等先進(jìn)和科學(xué)的節(jié)能方法在變電站應(yīng)用相對(duì)滯后。

1.5 調(diào)度運(yùn)行中缺少對(duì)節(jié)能的考慮

在電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中，更多地考慮可靠性而忽視經(jīng)濟(jì)性。應(yīng)在滿足潮流控制和可靠性的前提下，進(jìn)行優(yōu)化變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和無(wú)功電壓控制，主動(dòng)降低變電站能耗。

2 變電站能耗構(gòu)成

變電站站內(nèi)能耗構(gòu)成復(fù)雜，具體組成情況如圖1所示。

一般來(lái)說(shuō)，站內(nèi)電能消耗主要包括以下幾方面：①主變壓器、電容器/電抗器、站用變壓器等一次設(shè)備電能損耗;②變壓器冷卻、通風(fēng)、空調(diào)、照明、直流、UPS 電源、通信電源等站用電系統(tǒng)模塊的電能損耗;③對(duì)于有人值守變電站、運(yùn)維班組駐地的中心站（基地站），還存在一定的生活和辦公用電。

根據(jù)北方某城市供電公司2017年線損理論計(jì)算分析報(bào)告可知，夏季最大負(fù)荷日該電網(wǎng)供電量為230 555.1MWh，220kV及以下變電站的損失電量理論計(jì)算值為1 917MWh。損失電量主要包括變壓器損耗、電容器/電抗器損耗、站用電量，各部分占比見(jiàn)圖2。

3 變電站主要能耗計(jì)算

3.1 一次設(shè)備能耗分析

3.1.1 主變壓器損耗。主變壓器損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗?？蛰d損耗是變壓器工作時(shí)鐵心產(chǎn)生的損耗，主要由鐵心材質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定，與負(fù)載情況關(guān)系不大。變壓器投入運(yùn)行后，其空載損耗基本保持不變。負(fù)載損耗主要指電流通過(guò)繞組時(shí)產(chǎn)生的損耗，負(fù)載電流增大時(shí)負(fù)載損耗會(huì)顯著增大，損耗值與負(fù)載率的平方成正比。

主變壓器能耗值可通過(guò)式（1）計(jì)算：

[W=T×P0+S%2Pk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，[P0]為變壓器空載損耗，[Pk]為變壓器額定容量下的負(fù)載損耗，[S%]為變壓器平均負(fù)載率，[T]為運(yùn)行時(shí)間。

3.1.2 電容器、電抗器損耗。無(wú)功補(bǔ)償裝置包括電容器和電抗器，可以為電力系統(tǒng)提供無(wú)功功率，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電容器損耗主要是由內(nèi)部泄漏電流和介質(zhì)極化引起的。電抗器損耗主要指電流通過(guò)繞組電阻引起的發(fā)熱損耗，對(duì)于鐵心電抗器，還應(yīng)考慮鐵心磁滯損耗和渦流損耗。

在無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)線處加裝電能表計(jì)，可以準(zhǔn)確計(jì)量無(wú)功補(bǔ)償裝置的總能耗。對(duì)于未安裝電能表計(jì)的，電容器和電抗器的能耗值可以通過(guò)公式（2）近似計(jì)算

[WC=T×QC×tanδWL=T×PL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[QC]為電容器容量，[tanδ]為電容器平均介質(zhì)損耗因數(shù)，[PL]為電抗器額定功率損耗，T為無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí)間。

3.2 站用電能耗分析

3.2.1 主變壓器冷卻系統(tǒng)。對(duì)于采用風(fēng)冷或強(qiáng)迫油循環(huán)系統(tǒng)的變壓器，冷卻系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的耗能設(shè)備。每臺(tái)主變壓器均配有若干組冷卻器，冷卻器由風(fēng)扇與油泵組成。冷卻系統(tǒng)的用電量與冷卻器開(kāi)啟組數(shù)相關(guān)，當(dāng)變壓器負(fù)載率增加、油溫升高時(shí)，會(huì)隨之增加冷卻器開(kāi)啟組數(shù)。

在冷卻器供電電源處加裝電能表計(jì)，可以準(zhǔn)確計(jì)量冷卻系統(tǒng)的總能耗。對(duì)于未安裝電能表計(jì)的，可以通過(guò)式（3）近似計(jì)算。

[W=i=1nPi×Ti]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，n為冷卻器組數(shù)，[Pi]為第i組冷卻器的損耗，[Ti]為第i組冷卻器的運(yùn)行時(shí)間。

3.2.2 直流系統(tǒng)。直流系統(tǒng)主要由充電柜、電池組、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。直流系統(tǒng)主要用于對(duì)電池組充電以及對(duì)儀表設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備等直流設(shè)備提供直流電源。調(diào)研與測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，直流系統(tǒng)屬于較為穩(wěn)定的負(fù)荷，短期波動(dòng)較小，功率曲線平直，進(jìn)行電量計(jì)算時(shí)可將其近似視作固定負(fù)荷。

直流系統(tǒng)的能耗水平可以用直流系統(tǒng)充電柜的典型充電電壓和充電電流的乘積來(lái)近似評(píng)價(jià)：

[W=T×i=1nUDC_i×IDC_i]? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中，n為變電站站內(nèi)直流系統(tǒng)充電柜數(shù)量;[UDC_i]、[IDC_i]為第i臺(tái)直流系統(tǒng)充電柜的典型充電電壓、充電電流。

3.2.3 斷路器、隔離開(kāi)關(guān)操作電源。斷路器、隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，操作機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)能。由于斷路器、隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)較少，每次儲(chǔ)能電機(jī)工作時(shí)間較短，由此產(chǎn)生的總耗電量一般較低。

[W=i=1nWi×Ni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，n為斷路器或隔離開(kāi)關(guān)數(shù)量;[Wi]為第i臺(tái)斷路器操作機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電量，[Ni]為第i臺(tái)斷路器的動(dòng)作次數(shù)。

4 能效評(píng)估體系

層次分析法可以確定多個(gè)影響因素的層級(jí)從屬關(guān)系，并科學(xué)確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)體系包括目標(biāo)層和一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)，如圖3所示。

指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定是變電站能效評(píng)估的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)變電站站用電的相應(yīng)特征和影響因素，指標(biāo)選取將遵循完整性、系統(tǒng)性、可操作性和先進(jìn)性等原則。

結(jié)合德?tīng)柗品▽＜以u(píng)價(jià)結(jié)果和調(diào)研分析結(jié)果，制定變電站能效評(píng)估指標(biāo)體系和權(quán)重，如表1所示。

本指標(biāo)體系采用扣分法，最終得分越高，說(shuō)明變電站能耗越高，能效水平越低。

5 結(jié)論

變電站內(nèi)能耗主要由一次設(shè)備能耗、站用電能耗和（中心站的）生活辦公能耗構(gòu)成。經(jīng)過(guò)對(duì)主要能耗計(jì)算方法的研究，可結(jié)合層次分析法建立變電站能效水平的評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)能效的定量評(píng)估。

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