基于中長期負荷預測的調(diào)容變壓器經(jīng)濟性分析

王倩 孟璐 牛雨 楊新勇

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

3.河南恩湃高科集團有限公司，河南鄭州 450000）

基于中長期負荷預測的調(diào)容變壓器經(jīng)濟性分析

王倩1孟璐2牛雨3楊新勇3

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

3.河南恩湃高科集團有限公司，河南鄭州 450000）

近年來，居民用電負荷特性發(fā)生明顯變化，特別是農(nóng)村，平時負荷低，春節(jié)等用電高峰負荷急劇攀升。為了應對這種情況，提升配電變壓器運行經(jīng)濟性，調(diào)容變壓器被研制開發(fā)和應用。但是，目前調(diào)容變壓器適用的負荷特性往往只是定性給出，而且沒有考慮調(diào)容變壓器壽命范圍內(nèi)負荷的增長。如果選擇不當，不僅造成投資的浪費，甚至還有可能造成損耗的增加。開展基于中長期負荷預測的調(diào)容變壓器適用性研究和節(jié)能評估，對指導配電網(wǎng)節(jié)能降損和精準投資有重要意義。

中長期負荷預測；調(diào)容變壓器；配變經(jīng)濟性分析模型；損耗成本模型

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

調(diào)容變壓器的產(chǎn)生就是針對像農(nóng)村電網(wǎng)這樣季節(jié)性峰谷差明顯的用電負荷。調(diào)容變壓器有2個額定容量，比值約3∶1，2個額定容量可以自動無縫切換，小容量在負荷小的時候用，大容量在負荷大的時候用，這樣可以降低配變的損耗［2］。但是，目前調(diào)容變壓器適用的負荷特性只是定性給出，沒有定量的適用范圍，如果容量切換點設置不當，不僅不能減少損耗，還可能增加損耗。另外，變壓器在選擇時還要考慮中長期負荷增長，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，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。研究配變的中長期負荷預測模型，基于中長期的負荷預測，分析壽命范圍內(nèi)調(diào)容變壓器的經(jīng)濟性，為調(diào)容變壓器的選擇提供指導。

1 調(diào)容變壓器

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

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行狀態(tài)時的損耗，即滿載時的損耗；因為負載損耗與電流的平方成正比，負載率等于實際電流與額定電流的比值，負載損耗等于負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為變壓器的負載率。

對于調(diào)容變壓器來說，根據(jù)負荷情況進行大小容量檔位的改變，是通過改變變壓器的額定容量達到節(jié)能的目的，大容量下調(diào)容變壓器的空載損耗和負載損耗相對較大，小容量下調(diào)容變壓器的空載損耗和負載損耗相對較小。2種容量下，損耗的計算公式相同，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應的空載損耗，P0L為變壓器在小額定容量檔位對應的空載損耗，PkH為變壓器在大額定容量檔位對應的短路損耗，PkL為變壓器在小額定容量檔位對應的短路損耗，βH為調(diào)容變壓器在大容量檔位的負載率，βL為調(diào)容變壓器在小容量檔位的負載率。

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個檔位，損耗曲線是根據(jù)容量切換點確定的兩部分組成。容量切換點設置不同，調(diào)容變壓器在同等負荷情況下?lián)p耗不同。小容量模式和大容量模式下?lián)p耗相等的負荷點為最佳切換點，在此處進行容量切換保證調(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；負荷在［0，最佳切換點］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行在［0，最佳切換點］區(qū)間內(nèi)節(jié)約的損耗量。

圖1 S11調(diào)容變壓器和S11普通變壓器負荷-損耗圖

2 配變的中長期負荷預測

近年來，配變在線監(jiān)測設備廣泛使用，配變負荷量測數(shù)據(jù)量逐步積累，為配變的負荷預測提供了大量的基礎數(shù)據(jù)。配變的中長期負荷預測是對未來幾年到數(shù)十年的負荷預測。準確的中長期負荷預測，為預測范圍電網(wǎng)的建設規(guī)模、建設布局、能源平衡、電網(wǎng)資金和人力資源的平衡提供依據(jù)。

2.1 配變中長期負荷預測的特征

與短期、超短期負荷預測相比，配網(wǎng)的中長期負荷預測：①非平穩(wěn)變化，中長期負荷預測是確定性變化和隨機變化雙重影響；②歷史數(shù)據(jù)有限，中長期負荷預測需要對歷史數(shù)據(jù)進行分析，分析中長期的變化規(guī)律，但是以前對配網(wǎng)不重視，自動采集裝置的缺失，導致歷史數(shù)據(jù)缺失；③負荷結構變化大，中長期負荷預測時間跨度大，在研究的時間范圍內(nèi)，用戶的構成和用電習慣都會發(fā)生較大的變化，不能用單一規(guī)律描述負荷變化趨勢；④影響因子多，配電網(wǎng)負荷除了本身的負荷特征外，受外界影響大，如天氣氣候、用戶的用電習慣、分布式能源等，這些因子項目影響，之間的關聯(lián)關系很難把握。

2.2 配變的中長期負荷預測算法

常用的中長期負荷預測模型有灰色預測模型、聚類分析法、模糊綜合評價等方法。由于配變中長期負荷預測的特點，由融合多種算法的組合預測模型能獲取更高的精確度。

2.2.1 灰色預測模型。灰色預測是將系統(tǒng)行為特征量的變化過程作為一個灰色系統(tǒng)，利用灰色理論的微分方程模型（Grey Model）進行預測。如用該模型對電力系統(tǒng)單一指標（如負荷）預測時，就是對該微分方程進行求解，其對應解的時間相應函數(shù)表達式即為灰色預測模型；其次，利用擬合值與真實值之間的統(tǒng)計情況對模型的精度進行校驗并修正后，即可據(jù)此模型預測未來的負荷。

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，個體之間通過協(xié)作和競爭實現(xiàn)全局搜索。粒子群優(yōu)化算法原理與遺傳算法類似，系統(tǒng)通過對一組初始化隨機解進行迭代搜索最優(yōu)值。但不同于遺傳算法那樣對個體進行選擇、交叉及變異操作，而是粒子通過追隨最優(yōu)粒子在解空間中搜尋。其優(yōu)勢在于操作方便，容易實現(xiàn)，簡潔的算法參數(shù)，并且調(diào)整簡單。目前，PSO已成為國際演化計算界研究的熱點。因此，短短幾年時間，PSO算法便取得了迅速的進展，并且在模糊系統(tǒng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡訓練、交通事故探測、電力系統(tǒng)優(yōu)化和多元函數(shù)的優(yōu)化等諸多領域受到了廣泛的關注與應用。

2.2.3 中長期專家系統(tǒng)預測法。專家系統(tǒng)預測法是對存儲的過去若干年的負荷相關影響因素進行分析，從而匯集有經(jīng)驗的負荷預測人員的知識，提取有關規(guī)則，按照一定的規(guī)則進行負荷預測。精確的負荷預測不僅需要高新技術的支撐，同時也需要融合人類自身的經(jīng)驗和智慧。因此，就會需要專家系統(tǒng)這樣的技術。專家系統(tǒng)法，是對人類的不可量化的經(jīng)驗進行轉化的一種較好的方法。

2.2.4 組合預測模型。當前國內(nèi)外對電力系統(tǒng)負荷預測都進行了相對深入的研究，但由于中長期負荷預測是相當繁瑣的電力工程，并受國民經(jīng)濟、人口、工業(yè)生產(chǎn)指標等諸多因素直接或間接的影響。因此，至今還沒有哪種預測模型能確保在所有情況下都能達到較高的預測精度。即對單個負荷預測模型的有利信息進行充分使用，創(chuàng)建電力負荷組合預測模型是一種較為可行的方法。

3 考慮配變負荷預測的調(diào)容變壓器經(jīng)濟性分析

變壓器的經(jīng)濟型分析模型是考慮負荷特性、變壓器壽命范圍內(nèi)的負荷增長和波動、變壓器的購置費用、運行維護費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)評估變壓器的經(jīng)濟性，可用于變壓器選型時提高投資的精準性，達到利益最大化。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)約損耗之間的關系。

3.1 配變的經(jīng)濟效益分析模型

由于本文是研究基于中長期負荷預測的變壓器經(jīng)濟性，所以采用全壽命模型：

式（6）中，Civ指變壓器的購置成本，包括變壓器及其維修設備的購置成本、員工培訓費用和數(shù)據(jù)記錄成本；Coc指變壓器的運行成本，包括變壓器的試驗、安裝、損耗、停運成本和人工費用等；Cmc指變壓器的維護成本，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，包括變壓器的報廢成本和殘值。

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

式（8）中，Cexc指變壓器的試驗費用，變壓器在投入運行前應進行一些必要的試驗，以完成設備技術標準的測試，如短路承受能力試驗、溫升試驗和局部放電試驗等，以及與此相關的額外試驗費用；Cenc指變壓器運行的損耗成本，變壓器在運行狀態(tài)下，始終在消耗著電能；Cinc指變壓器的安裝費用，包括安裝時花費的運輸、人工和調(diào)試的總費用；Cfc指變壓器的停運損失成本，在規(guī)定的壽命周期內(nèi)，因發(fā)生故障而停運及效率下降所造成的損失；Cmoc指人工費及其他成本，在變壓器的壽命周期內(nèi)，負責運行或管理的人員的工資，以及與變壓器運行有關的不包括上述費用的一切費用。

式（9）中，Coc指處置成本，Cbf指報廢成本，Ccz指變壓器殘值。

3.2 基于中長期負荷預測的調(diào)容變壓器損耗成本模型

式（10）中，E為該變壓器用戶的平均銷售電價，i表示變壓器壽命范圍內(nèi)運行的第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行時間，TLi為變壓器在小額定容量檔位的運行時間，βHi為變壓器在大額定容量檔位的平均負載率，βLi為變壓器在小額定容量檔位的平均負載率。

4 結語

基于中長期負荷預測的基礎上，對調(diào)容變壓器全壽命的成本進行分析，和普通配電變壓器進行對比分析，在配變選型時具有很強的指導作用，使選型更合理、更經(jīng)濟，利于投資利用率最大化。下一步工作要建立中長期負荷預測模型，用實例進行驗證。

［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)濟性分析及應用研究［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、節(jié)能降損技術；孟璐（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：配電網(wǎng)技術、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、節(jié)能降損技術。