一種實用的居住區(qū)變壓器經(jīng)濟投切策略

劉 忠

（揚州江都供電公司，江蘇 揚州 225200）

隨著中國城市化的推進，變電站在電力系統(tǒng)中的重要性逐漸提升。為了提高居民供電可靠性，并響應國家對于節(jié)能減排的要求，變壓器經(jīng)濟運行越來越受到關(guān)注[1]。然而，由于系統(tǒng)中當前投入使用的變壓器能效等級不一，各變電站安裝容量利用率相差較大等因素，一些新建變電站若干大容量變壓器低負荷率并聯(lián)運行，部分老變電站變壓器負荷率常年過高，因此變電站的經(jīng)濟效益還需進一步提高，并且大部分變電站并未根據(jù)負荷特性對變壓器運行方式進行優(yōu)化，造成大量的電能浪費。如何根據(jù)變電站的負荷變化情況合理調(diào)度變電站變壓器運行方式，顯得尤為重要

1 變壓器的經(jīng)濟運行

提高變電站經(jīng)濟效益最重要的方面是合理利用變壓器資源，對其并聯(lián)組運行進行優(yōu)化，以盡可能地在保證安全的前提下實現(xiàn)節(jié)能減排。

單臺變壓器的損耗可用公式（1）表示

式中：SN為變壓器容量；S為變壓器承擔的視在功率負荷，即有功功率和無功功率的綜合；P為變壓器總損耗；P0為變壓器空載損耗；Pk為變壓器負載損耗。

當m臺短路阻抗標幺值相等的變壓器并聯(lián)運行時，其中第i臺變壓器的損耗可用公式（2）表示

當不同的并聯(lián)組合都可以承擔相同的負荷時，就出現(xiàn)了變壓器經(jīng)濟運行的問題[2—6]。

2 變壓器經(jīng)濟投切的研究現(xiàn)狀

在我國變電站中，變壓器的種類和經(jīng)濟運行的情況有很大的差異性。一些變電站通過減少變壓器并聯(lián)臺數(shù)來降低空載損耗，但因為使用中的變壓器長期重載運行，造成短路損耗較大，并不經(jīng)濟。而一些變電站因所轄小區(qū)入住率較低，卻僅從安全角度考慮，將所有變壓器都并聯(lián)運行，造成“大馬拉小車”，空載損耗較大。

制定變壓器經(jīng)濟運行策略是較為復雜的。除了要考慮不同變壓器并聯(lián)組合的經(jīng)濟效益，還要考慮負荷的大小、波動情況等。不僅要考慮經(jīng)濟效益，還要首先保證安全。如果為了防止“大馬拉小車”，僅憑經(jīng)驗減少變壓器并聯(lián)臺數(shù)而忽略了負荷非預期的陡增，就有可能出現(xiàn)變壓器過載的情況。在安全之上，還必須考慮變壓器一段時間內(nèi)投切的次數(shù)和密度，降低操作中的故障率，防止電氣設備因頻繁操作而損壞，也同時符合變電站的運行慣例。

變壓器經(jīng)濟投切屬于變壓器經(jīng)濟運行范疇?，F(xiàn)有的變壓器經(jīng)濟運行策略的分類和基本情況如下。

（1）基于24 h負荷預測的變壓器經(jīng)濟投切[7—9]。此類方法基于日負荷曲線預測，理論上能使變壓器經(jīng)濟運行，但存在兩大弊端：一是頻繁的投切加速電力設備的損壞；二是投切時刻不規(guī)律，降低了供電可靠性。

（2）基于月度及更長時段負荷預測的配電變壓器經(jīng)濟投切。此類方法基于月度或季度負荷預測，所采用的負荷預測非常粗略，而當負荷波動較為劇烈時，此類方法實用度不高。

（3）基于數(shù)日乃至數(shù)星期的日負荷預測的配電變壓器經(jīng)濟投切[10]。此類方法在預測周期上能夠保證負荷預測的精確性，并兼顧變壓器投切頻度和投切時刻，但該方法研究較少?，F(xiàn)有方法在投切操作制定過程中的安全預估、投切時刻和運行方式優(yōu)化、在線安全校驗和修正、投切方法計算量等方面還不足以滿足工業(yè)應用的需要。

總而言之，在現(xiàn)有方法分類中基于數(shù)日乃至數(shù)星期的日負荷預測這一分類比其他2類有諸多優(yōu)勢，然而必須尋找一種新的方法來綜合解決該類現(xiàn)有方法遇到的問題。

3 變壓器經(jīng)濟投切策略

本論文研究的變壓器經(jīng)濟投切方法，其目的在于對于7到14日內(nèi)變壓器投切從安全、經(jīng)濟和投切頻次多方面進行綜合優(yōu)化。本方法根據(jù)負荷預測，首先考慮變壓器容量約束，再使用最優(yōu)路徑搜索對節(jié)電經(jīng)濟效益、變壓器投切次數(shù)和密度的約束進行綜合優(yōu)化，得到投切周期內(nèi)變壓器投切日和應采用的運行方式。本方法還包含了滾動安全校驗和修正，以滿足變壓器在負荷短期突變的情況下運行的安全。

本策略流程如圖1所示。本策略步驟如下：

（1）讀入變壓器參數(shù)和所有可以并聯(lián)（每臺變壓器高低壓側(cè)電壓相等、連接組標號相等、短路阻抗標幺值相等）的運行方式，簡稱“并聯(lián)方式”。

（2）在投切安排日，根據(jù)負荷預測獲取投切周期內(nèi)每日（第j天）負荷峰值Spj，簡稱“峰荷”。預測峰荷的目的是防止變壓器在峰荷下過載。

（3）對每日計算可承受峰荷的所有運行方式，簡稱“可用方式”。將一個投切周期內(nèi)的每日可用方式計入矩陣A，其中A（i，j）表示第i天第j種可用運行方式?？捎梅绞降脑u判方法為：對于某種并聯(lián)方式，若其可提供的最大容量大于等于該日最大負荷，即SN＞Spj，則該運行方式可用，應當選入；反之則不可用，應當去除。因此A（i，j）中所有運行方式在預測峰值下是安全的。

圖1 投切策略流程圖

（4）使用枚舉法搜索投切周期內(nèi)由每日可用方式形成的所有序列，形成可用序列，將所有序列計入矩陣R，其中R（i，j）表示第i個可用序列在第j天的運行方式。計算方法為：將每日可用方式進行完全組合，并在一個投切周期內(nèi)按時間順序形成一個序列。該步驟將每日運行方式以整個投切周期為單位進行分析，以便全局優(yōu)化。

（5）在可用序列集中篩選出滿足變壓器投切次數(shù)和密度約束的運行方式序列，形成投切頻次適當?shù)倪\行方式序列集，簡稱頻次優(yōu)化序列集，計入矩陣F。

其中所用約束條件為：在投切周期內(nèi)，投切次數(shù)不應超過M次，相鄰改變點間隔不應小于N天，M和N可根據(jù)變電站運行慣例整定。其中，變次數(shù)的值應分2種情況討論。

·若投切安排日為該方法的初始化日，因為在本周期的起始日不產(chǎn)生投切操作，則只計入可用序列中的投切次數(shù)。

·若投切安排日不為該方法的初始化日，則需要分析上下周期連接處的投切操作。即可用序列中第一日的運行方式和投切安排日的運行方式不同，則應計入此次投切操作；若相同，則只需計入可用序列中的投切次數(shù)。

（6）應用最優(yōu)路徑搜索，評價出頻次優(yōu)化序列集中經(jīng)濟效益最優(yōu)的序列作為投切周期經(jīng)濟最優(yōu)運行方式序列，簡稱“最優(yōu)序列”，記為列向量0（j）。最優(yōu)路徑搜索所使用的評價函數(shù)f為投切周期內(nèi)變壓器所產(chǎn)生的總損耗，計算公式如下

式中：Sav（j）為第j日的預測平均負荷；SN為變壓器容量；P0為變壓器空載損耗；Pk為變壓器負載損耗；T=1天；H為投切周期的天數(shù)；ΔE（i，j）為第i個序列在第j日內(nèi)產(chǎn)生的損耗電量；ΔE（j）為第i個序列在預測平均負荷下投切周期的損耗電量；n為某個序列某日的運行方式下的所有變壓器數(shù)量。

如果仍有不止一個序列并列最優(yōu)，則運行方式改變次數(shù)最小的優(yōu)先。

由此即算出調(diào)度周期應采取的最優(yōu)運行方式，該方式是預測峰荷下的滿足安全性、投切頻次和密度符合工程要求的損耗最小的方式。

由于本方法使用了時段長度較大的負荷預測數(shù)據(jù)，而負荷預測精度在時段長度增大中下降，因此在投切安排日對該周期靠后若干日的負荷預測精度相對較低，若峰值預測誤差較大，則有在實際運行中過負荷的幾率。因此，須將峰荷預測按每日刷新并進行滾動的安全性驗證。

（7）在一個投切周期中的每日，通過負荷預測滾動刷新當日后2日的峰荷。

（8）在一個投切周期中的每日，使用刷新后的2日的峰荷滾動檢驗最優(yōu)序列中對應2日運行方式的安全性，如有必要，則進行相應修正。判斷修正必要性的方法為：對于預測日，2日刷新后的每日負荷峰值應小于最優(yōu)序列中對應日運行方式所能提供的最大容量。所采用的修正方法如下：①將該預測日作為下一個投切周期的投切安排日；②重新開始一個投切周期的變壓器經(jīng)濟投切分析。

該步驟解決了時段長度較大負荷預測精度下降造成的安全性問題，并使本方法具有自修復性和魯棒性。

本策略能夠同時整定7日內(nèi)變壓器投切時間和對應運行方式進行變壓器經(jīng)濟投切。本策略能夠滿足變壓器運行的安全性，同時控制變壓器投切頻次和密度，并符合變電站運行慣例。本方法啟用了滾動安全校驗和修正，在負荷短期內(nèi)突變或者最大負荷預測出現(xiàn)較大誤差的情況下也能保證變壓器運行的安全。

4 仿真分析

為了驗證該策略的正確性，進行如下的仿真分析。江蘇省某地區(qū)共有3臺某廠商生產(chǎn)的S11-M型變壓器，短路阻抗相等。變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器參數(shù)

其可并聯(lián)運行方式如表2所示。

表2 變壓器可用運行方式

設預測得到的連續(xù)7日每日平均視在功率負荷Sav7（j）（kVA）和最大負荷Sp（j）（kVA）如表3所示。

表3 負荷預測結(jié)果kVA

根據(jù)每日峰值負荷預測，知每日可用方式矩陣A如表4所示。

表4 每日可用方式（矩陣A）

投切周期內(nèi)的可用序列矩陣R如表5所示。

考慮在一個投切周期，不超過2次運行方式改變，且相鄰改變點須有大于2日的間隔。頻次優(yōu)化序列矩陣F如表6所示。

表5 可用序列矩陣（矩陣R）

表6 頻次優(yōu)化序列（矩陣F）

由表5和表6可見經(jīng)過頻次優(yōu)化，序列數(shù)大為減少了。

計算投切周期的損耗，計算節(jié)能效益，損耗從低到高排列如表7所示。

表7 路徑選擇指標計算

最優(yōu)序列0（j）如表8所示。

表8 最優(yōu)序列（向量O（j））

5 結(jié)束語

本文研究了中時段變壓器經(jīng)濟投切策略。根據(jù)負荷預測首先考慮變壓器容量約束，再使用最優(yōu)路徑搜索對節(jié)電經(jīng)濟效益、變壓器投切次數(shù)和密度的約束進行綜合優(yōu)化，得到投切周期內(nèi)變壓器投切日和應采用的運行方式。本方法啟用了滾動安全校驗和修正，以滿足變壓器在負荷短期突變的情況下運行的安全。

由于用電量增長迅速，很多城市變電所都安裝了多臺變壓器，參數(shù)差異較大，運行方式繁多，降損空間大。本方法因其原理容易理解、對不同模型較好的通用性以及較好的安全性具有良好的應用價值。

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