配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制方式比較

李正天，肖業(yè)湘，曹 蓓，辛建波，

(1.江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌330096;2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002;3.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330031)

0 引言

配電變壓器是配電網(wǎng)中傳輸和分配電能的重要設(shè)備，由于配電變壓器數(shù)量巨大，在配電變壓器運(yùn)行時(shí)，其自身的損耗在整個(gè)電力系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中占有相當(dāng)大的比例。由于變壓器容量、技術(shù)特性可能存在差異，以及其有功和無功損耗隨負(fù)載呈非線性變化，導(dǎo)致在向相同負(fù)載供電時(shí)，不同運(yùn)行方式下的變壓器損耗可能差別很大，配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就要在確保電能質(zhì)量和供電安全穩(wěn)定的前提下，合理地投切變壓器使其在功率損耗最少的方式下運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能目的。但是需要特別考慮的是，若變壓器投切的次數(shù)過于頻繁，不但影響開關(guān)設(shè)備的壽命，而且也將影響整個(gè)配電變系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以必須研究采取合適的配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略。本文在PSCAD/EMTDC軟件中建立了三臺(tái)不同容量的配電變壓器運(yùn)行模型，仿真分析了配電變壓器在分列運(yùn)行、傳統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、多時(shí)段控制三種方式下的電能損耗和開關(guān)投切次數(shù)情況，仿真得出在后兩種控制方式下節(jié)電效果明顯，但實(shí)時(shí)控制方式下會(huì)使變壓器的投切次數(shù)較多，操作過于頻繁。

1 配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基本理論

變壓器的主要技術(shù)參數(shù)有:額定容量SN、空載電流IO、空載損耗PO、短路電壓Uk、短路損耗Pk，其中IO、Uk主要反應(yīng)無功損耗，PO、Pk主要反應(yīng)有功損耗。由此根據(jù)相關(guān)公式可以推導(dǎo)出變壓器有功損耗、無功損耗及綜合功率損耗的計(jì)算式［1］。如雙繞組變壓器有功功率損耗ΔP和有功功率損耗率ΔP%的計(jì)算式為

式中:P1——變壓器電源側(cè)輸入功率，kW;

cosφ——負(fù)載功率因數(shù);

β——瞬態(tài)負(fù)載系數(shù)。

由式(1)和式(2)可作出變壓器功率損耗和損耗率負(fù)載特性曲線如圖1所示。

圖1 變壓器功率損耗和損耗率負(fù)載特性曲線

變壓器的有功損耗率ΔP%是變壓器負(fù)載系數(shù)β的二次函數(shù)，ΔP%先隨著β的增大而下降，當(dāng)負(fù)載系數(shù)等于，此時(shí)銅耗等于鐵損。然后又隨著β的增大而上升。βJP是最小損失率ΔPb%的負(fù)載系數(shù)，稱為有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)。

變壓器技術(shù)特性是指變壓器功率損耗隨負(fù)載變壓而呈非線性變化的曲線，在供應(yīng)相同負(fù)載時(shí)，損耗小的變壓器運(yùn)行方式技術(shù)特性較優(yōu)。它是判斷變壓器是否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)［1］。

2 配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制方式

變壓器分列運(yùn)行是指在變電所內(nèi)分列運(yùn)行的變壓器，或相距較近分列運(yùn)行的變壓器(中間有聯(lián)絡(luò)線)。在相同負(fù)載條件下，優(yōu)選損耗小的運(yùn)行方式，稱為分列運(yùn)行變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

現(xiàn)行配電系統(tǒng)中變壓器大多采用并列運(yùn)行方式。并列運(yùn)行方式下，配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制方式有傳統(tǒng)實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式。實(shí)時(shí)控制方式也稱為單時(shí)段控制方式，它是完全根據(jù)負(fù)荷變化而實(shí)時(shí)投切變壓器的控制策略，即通過計(jì)算得出變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的區(qū)間，然后實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)負(fù)荷情況，只要負(fù)荷在各經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)有跳躍，斷路器就立刻動(dòng)作投切變壓器，改變變壓器的運(yùn)行方式以達(dá)到節(jié)電的目的。在實(shí)際運(yùn)行中，一個(gè)配電變壓器臺(tái)區(qū)負(fù)荷的大小、負(fù)載性質(zhì)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如果完全根據(jù)負(fù)荷變化，在負(fù)荷過臨界投切點(diǎn)時(shí)立即投切變壓器，則投切次數(shù)必然很多，頻繁的投切變壓器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)備壽命是有影響的。而基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的多時(shí)段控制方式是在變壓器實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷變化情況，再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況事先設(shè)定好規(guī)定時(shí)間段內(nèi)配電變壓器動(dòng)作的次數(shù)，以及每種運(yùn)行方式的最短運(yùn)行時(shí)間，以此來確定變壓器的投切時(shí)間，以達(dá)到運(yùn)行方式的最優(yōu)化。基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的多時(shí)段控制配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的配變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)框圖

3 配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建三臺(tái)10/0.4kV的三臺(tái)配電變壓器運(yùn)行模型如圖3所示，三臺(tái)變壓器參數(shù)見表1。

圖3 基于PSCAD/EMTDC配變運(yùn)行模型

表1 變壓器技術(shù)參數(shù)表(KQ=0.1)

由于PSCAD/EMTDC仿真剛啟動(dòng)時(shí)會(huì)有一個(gè)暫態(tài)過程，本文為減少這個(gè)過程對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的影響，取1s至13s仿真模擬全天24小時(shí)某小區(qū)的變壓器運(yùn)行情況，每0.5s代表為1個(gè)小時(shí)。本文在MATLAB中編寫各種控制方式的計(jì)算程序，根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷數(shù)據(jù)在MATLAB中計(jì)算各種控制方式下各變壓器的投切時(shí)間，各臺(tái)變壓器分列運(yùn)行時(shí)實(shí)際負(fù)荷曲線如圖4所示，據(jù)此在PSCAD/EMTDC中設(shè)置各變壓器在每種控制方式下的投切時(shí)刻，以模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)各種控制方式下運(yùn)行的情況。

圖4 各臺(tái)變壓器實(shí)際負(fù)荷曲線1-SA，2-SB，3-SC

在實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式下，各臺(tái)變壓器的綜合功率損耗曲線如圖5和圖6所示。分列運(yùn)行、實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式下三臺(tái)變壓器總的損耗曲線如圖7所示。

圖5 實(shí)時(shí)控制方式下各配變綜合功率損耗曲線

圖6 多時(shí)段控制方式下各配變綜合損耗曲線

圖7 三種控制方式下變壓器損耗的總電量曲線

仿真結(jié)果分析:如圖5和圖6可知，實(shí)時(shí)控制方式的投切次數(shù)比多時(shí)段控制方式多(本例中實(shí)時(shí)控制方式需投切四次，而多時(shí)段控制方式只需投切兩次)。由圖7可知，實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式下三臺(tái)變壓器損耗的總電量相差不多(實(shí)時(shí)控制方式下?lián)p耗量稍小)，但此二者與分列運(yùn)行相比，三臺(tái)變壓器的總損耗量明顯減少，每天節(jié)省的電量達(dá)到89.1kW·h，占原變壓器綜合電量損耗的41.06%。

4 結(jié)論

本文在配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基本理論的基礎(chǔ)上建立了基于PSCAD/EMTDC的三臺(tái)配電變壓器運(yùn)行的模型，仿真分析了分列運(yùn)行、實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式下變壓器運(yùn)行的功率損耗情況。由仿真分析可知，變壓器的損耗在實(shí)時(shí)控制方式和多時(shí)段控制方式下比分列運(yùn)行方式下大大減少，實(shí)時(shí)控制方式比多時(shí)段控制方式的損耗稍少，但由于實(shí)時(shí)控制需要頻繁地投切變壓器，特別是在負(fù)荷變化劇烈的情況下更是如此，這種做法從配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和變壓器開關(guān)等設(shè)備的使用壽命來考慮，都是不允許的。因此，基于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的多時(shí)段控制方式在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中更加實(shí)用。

［1］胡景生.變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］陳道明.略論電力變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［J］.中國科技信息，2006，(12).

［3］王亞忠.雙繞組變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載系數(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，(17).