提高主變負載率的大型用戶變電站規(guī)劃方法

田 浩，孟慶海，程 林，李慶生，趙慶明

（1.北方工業(yè)大學機電工程學院，北京100144；2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室，清華大學電機系，北京100084；3.貴州電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴陽550002）

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電負荷直線上升，導致各地區(qū)大范圍缺電的現(xiàn)象。為不影響經(jīng)濟發(fā)展和人們正常生活，保證大型用戶安全穩(wěn)定的用電，各地大型用戶都紛紛開始自備電廠的建設[1]，從一定程度上緩解了電力系統(tǒng)的供電壓力。

一方面，為保證企業(yè)的正常生產(chǎn)活動不受影響，自備電廠一般都依賴于電網(wǎng)向其提供輔助服務和備用容量，在自備電廠發(fā)生故障停機或者減少出力時，電力系統(tǒng)立即為企業(yè)提供缺額電力，這種情況下，企業(yè)出于自身供電安全性，在變電站建設時考慮了足夠的冗余，按照最大的容量選取變壓器，此時電力系統(tǒng)同樣需要提供等容量的備用。這就需要電力企業(yè)加大投資、增加備用容量的建設，保證在自備電廠出力變化時企業(yè)的安全可靠供電。

另一方面，隨著電力改革的深入，國家出臺了相關政策[2-3]，要求自備電廠企業(yè)向與其相聯(lián)接的電網(wǎng)支付相應的備用容量費用。按照這種方式自備電廠企業(yè)需要繳納高額的備用容量費，又給自備電廠企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟負擔。

目前有文獻[4-6]針對備用費的收取標準進行研究，使備用容量費收取盡量公平、公正。但還沒有從提高變電站利用率，從而減少電力系統(tǒng)等額備用容量角度進行的研究。因此，本文提出了提高大型用戶設備利用率的變電站設計方法。該方法即可以提高變電站利用率、降低備用容量，又可以為企業(yè)節(jié)省備用容量費。使電力企業(yè)與大型用戶達到“雙贏”的目標。

1 提高利用率的用戶變電站設計依據(jù)

1.1 變電站過載能力分析

根據(jù)《油浸式電力變壓器負載導則》[7]中規(guī)定的油浸式電力變壓器超銘牌額定值負載的限定條件選取變壓器的允許過載能力[8-10]。本文選取ON中型和大型電壓變壓器，在氣溫為20 ℃時為例進行分析，該變壓器正常壽命損失下的負荷條件曲線如圖1 所示。其中：k1為變壓器初始負載系數(shù)（負載系數(shù)為負載電流/額定電流）；k2為峰值負載系數(shù)；θa為環(huán)境溫度；t 為時間。

圖1 變壓器正常壽命損失下的負荷條件Fig.1 Transformer loading ability under standard life span

由圖1 可以看出，變壓器允許過負荷能力與過負荷持續(xù)時間和變壓器初始負載率有關。變壓器過負荷持續(xù)時間越長，峰值負載越低；變壓器初始負載越低，其在持續(xù)時間t 內的峰值負載越高。

因此，可利用變壓器允許短時過負荷運行的特點，在允許過負荷持續(xù)運行時間內將過載負荷切換到備用主變運行。

1.2 基于變壓器過載能力的容量選擇

考慮變壓器主變滿足N-1 需求，即一臺主變檢修或故障時，不造成其他主變過負荷，因此，變電站主變容量選擇S1[11-12]方法為

式中：P 為最大用電負荷；β 為滿足N-1 時的變電站負載率。

考慮變壓器峰值負載時，即一臺主變檢修或故障時，備用主變4 h 內運行，則其他主變允許過負荷運行4 h，此時變電站主變容量S2選擇為

式中，k2為峰值負載系數(shù)。則有

因此，在滿足變電站一臺主變檢修或故障時，允許其他主變過載k2倍，在4 h 內切換到備用主變運行，則變電站的利用率提高了k2倍。

則備用容量降低比率為

可以看出，變電站利用率和備用容量比例均與k2相關，大型用戶變壓器初始負載率越低，變壓器利用率提高比例越大，備用容量降低比例越大。

2 基于總擁有費用的變電站設計方法

2.1 總擁有費用法

對于大型用戶企業(yè)來說是以盈利為目標的，按照慮變壓器允許短時過載運行的特性選取變壓器容量，雖然提高了變壓器的利用率，但需要增加備用變壓器保證在時間t 內將備用變壓器投入運行，這就意味著加大了電網(wǎng)投資和運行成本，但與此同時又降低了備用容量，可以通過減少容量費來節(jié)約成本。

如何協(xié)調解決這一矛盾，需要通過成本/收益進行分析，確定由提高設備利用率而減少的備用容量費，帶來的何種效益才能進行變電站設計，如圖2 所示，當變電站投資成本與提高設備利用率帶來的效益（本文用減少的備用容量費來衡量）邊際曲線形成的總成本最低時（圖中的點Tm），變電站設計最佳方案。

在可成本/效益分析的基礎上，文中采用總擁有費用TOC（total owning cost）法[13]?？倱碛匈M用是指初始投資和其在使用期內產(chǎn)生的系統(tǒng)備用容量費之和。按照總擁有費用最低來確定變電站設計方案。

圖2 成本/效益分析曲線Fig.2 Cost/benefit curve

總擁有費用包括工程建設成本費用和備用容量費兩部分構成，成本費用由建設費用和運行費用構成，備用容量費指按照自備電廠用戶報裝容量繳納的費用，如圖3 所示。

圖3 總擁有費用結構Fig.3 Structure of total life span cost

總擁有費用評估公式為

式中：G 為最小年費用[14-17]（總擁有費用）；C 為變電站建設最小年費用；CR為變電站年運行費；CT為年備用容量費。

2.2 變電站建設最小年費用C

式中：Ti為所得稅稅率；y 為年折舊費；A 為投產(chǎn)還貸期的等年值。

銀行貸款實際年利率i，即

式中：i 為銀行貸款實際年利率；r 為名義利率；m為計息周期，次/a。

當全部資金都采用銀行貸款時，資金預期回報率I 為

改造設備的年折舊費y，即

式中：Nz為直線折舊法的折舊期；Y%為設備殘值。配電設備采用直線法折舊，即Nz年后保留殘值，其余折舊費用在Nz年均攤。

投產(chǎn)還貸期的等年值A，即

式中：Cu為投產(chǎn)還貸期內分攤的資金費用；Nd為銀行的貸款年限；Nj為工程建設期；F 為資金C 在貸款期末的終值；D 為固定資產(chǎn)在投產(chǎn)還貸期末的帳面價值。

2.3 變電站年運行費CR

變電站年運行費用CR主要包括一年中站內設備檢修維護費及變壓器電能損耗費用等。變電站的年運行費用基本都在其綜合投資的10%左右。

2.4 年備用容量費CT

繼2004 年9 月，國家發(fā)改委、國家電監(jiān)會就進一步落實差別電價及自備電廠收費政策有關問題發(fā)出通知之后，各地方發(fā)改委及物價部門根據(jù)通知的精神相繼制定了向自備電廠企業(yè)收取備用容量費的收費標準如表1 所示。

表1 部分地區(qū)備用容量費征收情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of auxiliary cost

通過比較當前各省市向自備電廠企業(yè)收取備用容量費的政策和收費辦法，可以發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)向企業(yè)收取備用容量費的大多數(shù)省份中大部分以變壓器容量為依據(jù)計算企業(yè)所應繳納的備用容量費用。

因此，年備用容量費用CT為

式中：f 為備用容量費（元/（kVA·月））；Sa為報裝容量，MVA。

3 大型用戶變電站設計應用

以待建的某石化企業(yè)為例，預計該企業(yè)的最大供電負荷為480 MW；有6 臺出力均為60 MW發(fā)電機組的自備電廠，正常方式下發(fā)電機最大出力300 MW，需系統(tǒng)供電負荷170 MW；N-1 方式下發(fā)電機最大出力260 MW，需系統(tǒng)供電負荷220 MW。該企業(yè)需要建設220 kV 變電站1 座。首先對變電站建設方案進行選取，再利用總擁有費用法對變電站進行優(yōu)化，以確定最優(yōu)的變電站建設方案。

3.1 基于備用容量費的變電站設計

文中選用ON 中型和大型電壓變壓器，氣溫按照20 ℃進行分析。

1）220 kV 變電站規(guī)劃方案（方案1）

220 kV 變電站規(guī)劃方案1 如圖4 所示。

圖4 220 kV 變電站設計方案1Fig.4 220 kV substation design scheme 1

采取方案1 時當變電站一臺主變檢修或故障，需要通過另一臺主變長期帶負荷運行，此時變電站過載能力如圖1 所示，t 為24 h、變壓器初始負載系數(shù)k1〈1 時峰值負載系數(shù)k2為1（即變電站負載率最高為100%，則變電站滿足N-1 時的負載率β 為50%）。

此時需系統(tǒng)供電負荷P 為220 MW，功率因數(shù)取0.95，代入式（1）可得S 為463 MVA，因此選取容量構成為2×240 MVA 的變電站。此時同樣需要系統(tǒng)提供480 MVA 的備用容量。

2）220 kV 變電站規(guī)劃方案（方案2）

220 kV 變電站設計方案2 如圖5 所示。

方案2 提出采用3 臺主變、3 段母線的建設方案，其中兩臺主變運行，一臺主變長期備用，同時裝設在線監(jiān)測和閉鎖裝置，確保只有兩臺斷路器同時閉合。

采取方案2 當一臺主變故障或檢修時備用主變在4 h 內投入運行，此時變電站過載能力如圖1所示，t 為4 h、變壓器初始負載系數(shù)k1〈0.7 時峰值負載系數(shù)1.3〈k2〈1.38。

圖5 220 kV 變電站設計方案2Fig.5 220 kV substation design scheme 2

此時需系統(tǒng)供電負荷P 為220 MW，功率因數(shù)取0.95，β 取k2/2，代入式（1）可得S 為463/k2MVA。

由于k1小于0.7 時k1在1.3～1.38 之間，則S的取值范圍在336～356 MVA 之間。因此選取3×180 MVA 的變電站，其中兩臺主變運行，運行容量為360 MW，一臺主變（3# 主變）長期處于備用狀態(tài)，不參與用戶報裝，當1#或2#主變故障或檢修時3#主變在4 h 內投入運行。此時需要系統(tǒng)提供360 MVA 的備用容量。

由式（4）可得，該方案與方案1 比較降低企業(yè)25%的備用容量需求。

3.2 基于備用容量費的變電站設計

1）變電站設計條件

變電站綜合建設費（包括土建、設備購置費等綜合費用）為560 元/kW；CR為總投資的10%；CT為23 元/（kW·月）；r 為6.21%；m 為按季度記息（每年4 次）；Nd為10 a；Nj為1 a；Y%為3%；Ti為33%；RC為總投資額的0.2%；IC為總投資額的0.13%；Nz為20 a。

2）變電站設計結果

兩種方案經(jīng)濟效益評估結果如表2 所示。

表2 兩種方案經(jīng)濟效益評估結果Tab.2 Cost Comparison of two configurations

可以看出，方案1 變電站建設最小年費用和年運行費用都低于方案2，但綜合考慮年備用容量費用，方案2 的最小年費用低于方案1。經(jīng)計算：

①當備用容量費用〈4.88 元/（kW·月）時，方案1 最優(yōu)，其最小年費用低于方案2；

②采取方案2 時變電站建設費用比方案1 多3 360 萬元，變電站運行費用每年多336 萬元；但方案2 備用容量費用每年將節(jié)省3 312 萬元。因此，采取方案2 的建設方案兩年就可收回多投資的成本。

4 結語

論文分析了變壓器短時允許過載能力，提出增加一臺冷備用主變壓器的大型用戶變電站設計方法，當變電站一臺主變故障或檢修時，在持續(xù)時間t 內將冷備用主變壓器投入運行并帶負荷，另一臺主變在持續(xù)時間t 內的峰值負載為允許負載的k2倍，則相應的提高變電站利用率，降低變電站備用容量。并利用總擁有費用法，綜合比較由增加備用變壓器所帶來的電網(wǎng)建設和運行費用與由設備利用率提高所降低備用容量費用，提出最優(yōu)的變電站設計方案。

最后論文以某企業(yè)為案例進行分析，在滿足供電安全約束的條件下，該企業(yè)采取3 臺主變、3段母線的建設方案，其中兩臺主變運行，一臺主變長期處于備用狀態(tài)，不參與用戶報裝，當一臺主變故障或檢修時備用主變可以在4 h 內投入運行。與兩臺主變的供電方案相比該方案在發(fā)電機N-1 方式下變電站利用率由48.25%提高到64.33%；最小年費用（G）節(jié)約2 609 萬元/a。

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