配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

陳方瑞, 鄭世松, 鐘紹山

1. 國家電網(wǎng)上海市電力公司 奉賢供電公司 上海 201499 2. 國家電網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 哈爾濱供電公司 哈爾濱 150000

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配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

陳方瑞1, 鄭世松2, 鐘紹山1

1. 國家電網(wǎng)上海市電力公司 奉賢供電公司 上海 201499 2. 國家電網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 哈爾濱供電公司 哈爾濱 150000

電網(wǎng)配電變壓器負(fù)荷易受人口流動等因素影響，管控過程較為復(fù)雜。在配電變壓器負(fù)荷數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合考慮實時數(shù)據(jù)的維護評估與監(jiān)控機制，以及合理的配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，建立了配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)。通過奉賢電網(wǎng)實踐證明，這一系統(tǒng)能夠使各變壓器負(fù)荷率得到有效平衡，降低了設(shè)備全壽命周期成本與地區(qū)電網(wǎng)的碳排放量。

輸配電； 變壓器； 負(fù)荷

隨著上海奉賢制造業(yè)的發(fā)展及軌道交通5號線南延伸段等重大項目建設(shè)的推進，奉賢地區(qū)吸引了大量外來人員的進入，導(dǎo)致地區(qū)配電變壓器臺區(qū)的負(fù)荷呈現(xiàn)出流動的態(tài)勢，使配電變壓器負(fù)荷管控要求更精細(xì)化。規(guī)范配電變壓器負(fù)荷管控過程，準(zhǔn)確統(tǒng)計實時負(fù)荷，有效提高配電變壓器負(fù)荷的精細(xì)化管控水平，是提高供電企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的重要途徑[1]。

針對配電變壓器負(fù)荷管控過程中因人員流動影響實時數(shù)據(jù)質(zhì)量等關(guān)鍵問題，研究并建立了配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)，為實現(xiàn)配電變壓器負(fù)荷的精細(xì)化管控、提高地區(qū)配電網(wǎng)的運行效率奠定了基礎(chǔ)。

1 配電變壓器負(fù)荷基本特征及存在的問題

節(jié)約電能資源、提高電能利用率是我國電力供應(yīng)和使用的基本管理原則之一，也是世界各國所普遍關(guān)注的問題[2]，其中，降低線損率是提高電能利用率的重要措施。根據(jù)國家能源局南方監(jiān)管局2013年度電力監(jiān)管報告，南方電網(wǎng)2013年線損率為7.20%，比2012年有所降低，但仍然遠(yuǎn)高于同期德國電網(wǎng)的4.36%。除我國國土面積大、資源與負(fù)荷分布不均衡、遠(yuǎn)距離輸電造成線損率升高等因素外，電網(wǎng)設(shè)備，尤其是10kV 配電網(wǎng)設(shè)備的能量損耗也是造成線損率高于發(fā)達國家的重要原因[3-4]。

在城市建設(shè)過程中，配電變壓器的分布與容量配置具有很強的時效性[5]，隨著城市發(fā)展和人口流動，會出現(xiàn)很大變化，這就要求在配電網(wǎng)建設(shè)時具有一定的前瞻性，并為后期升級改造留出空間[6]。10kV 配電網(wǎng)設(shè)備主要包括配電變壓器、線路及開關(guān)設(shè)備，配電變壓器是造成10kV配電網(wǎng)設(shè)備線損率高的主要因素[7-8]。配電變壓器工作在重載、超載或輕載(依次指負(fù)載率高于80%、高于100%、低于20%)[9]的狀態(tài)下，均會造成線損率上升[10]。變壓器的損耗主要分為銅損和鐵損，通過計算可以得出，當(dāng)鐵損等于銅損時變壓器效率最高[11]。

在配電網(wǎng)的線損計算中，根據(jù)能量等值原則將配電變壓器等值為一個電阻RT，這樣，配電網(wǎng)的線損ΔET即為配電網(wǎng)總均方根電流Iif流過配電線路等值電阻RP和RT所產(chǎn)生的能量損耗，另加全部配電變壓器的空載損耗[12-13]，即：

(1)

其中：P0i為第i臺配變的空載損耗；m為所求配變的臺數(shù)；T為運行時間。

均方根電流由T時段平均電流得到，即Iif=ksIpj，ks為首端電流波形因數(shù)，Ipj為平均電流。RT和RP的表達式如式(2)、式(3)所示[14]：

(2)

式中：ki為第i臺配電變壓器的負(fù)荷率；Si為第i

臺配電變壓器的額定容量；Pki為第i臺配電變壓器的額定負(fù)載損耗；U為配電網(wǎng)的額定電壓。

(3)

式中：ri為第i個配電線路節(jié)段的電阻；kj為第j個配電線路節(jié)段之后所掛配電變壓器的負(fù)載率；Sj為第j個配電線路節(jié)段之后所掛配電變壓器的額定容量;n為全網(wǎng)配電線路節(jié)段數(shù)目；mi為第i個配電線路節(jié)段之后所掛配電變壓器的臺數(shù)。

為了便于比較配電變壓器互換后的線損大小，選取有代表性的6臺配電變壓器與相關(guān)供電線路組成6個小配電網(wǎng)系統(tǒng)進行線損計算，對結(jié)果進行比較。各配電變壓器小配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電量見表1，應(yīng)用上述公式計算所得各配電變壓器損耗及線損率見表2。

表1 各配電變壓器供電量

表2 配電變壓器損耗計算結(jié)果比較

由表1、表2數(shù)據(jù)可見： 容量相對較大的變壓器，其負(fù)載率越大，則線損率越??；容量相對較小的變壓器，同樣表現(xiàn)出負(fù)載率越大，線損率越小，但線損率的變化幅度有限。需要注意的是，小容量變壓器過載能力有限，長期運行于滿負(fù)荷狀態(tài)，會嚴(yán)重影響使用壽命。

2 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)架構(gòu)

隨著SG186營銷系統(tǒng)的順利上線，配電變壓器負(fù)荷報表計算實現(xiàn)了由傳統(tǒng)手工計算到營銷系統(tǒng)自動計算的轉(zhuǎn)變。伴隨著用電信息采集系統(tǒng)的順利上線，實現(xiàn)了自動化抄表，為開展配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控打下了基礎(chǔ)。

在配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)中，供電單位以配電變壓器臺區(qū)為單元，結(jié)合用電信息采集系統(tǒng)和各類應(yīng)用實時系統(tǒng)，基本框架如圖1所示。搭建配電變壓器負(fù)荷信息化統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，建立配電變壓器負(fù)荷數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)，通過對不同臺區(qū)配電變壓器負(fù)荷實時數(shù)據(jù)的比對分析，建立維護評估與監(jiān)控機制，合理確定配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，將負(fù)荷管理指標(biāo)落實到具體配電變壓器，對于偏離目標(biāo)值的高低壓配電變壓器及時確定互換管理方案，從而使配電變壓器負(fù)荷維持在正常水平。

圖1 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)基本框架

經(jīng)配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)分析，在管理目標(biāo)值確定的前提下，通過數(shù)次調(diào)整互換，使調(diào)整后的配電變壓器運行于理想狀態(tài)。考慮到實際電網(wǎng)的運行情況，具體調(diào)整時會在兩臺及兩臺以上配電變壓器之間進行，調(diào)整過程中涉及的配電變壓器越少，對實際電網(wǎng)的運行影響就越小。

配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)為配電變壓器的負(fù)荷管控提供了有效數(shù)據(jù)支撐，同時也為電網(wǎng)其它生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成企業(yè)內(nèi)部統(tǒng)一的中低壓安全數(shù)據(jù)源。

3 系統(tǒng)評價指標(biāo)

3.1 設(shè)備全壽命周期成本

傳統(tǒng)的設(shè)備管理主要是設(shè)備在役期間的運行維修，重點保證設(shè)備可靠性。現(xiàn)代意義上的設(shè)備全壽命周期成本管理指一個項目或系統(tǒng)在整個壽命周期內(nèi)所需要的總費用，包括采辦、使用、維修、保障和退役處理等費用。電力規(guī)劃人員不僅要考慮設(shè)備投資，而且要考慮設(shè)備或系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的全部成本。國際上先進的電力公司在投資、設(shè)備選型，甚至在檢修決策中，常常以全壽命周期為依據(jù)，以降低綜合成本，提高設(shè)備的整體效益。筆者運用計及可靠性的電力設(shè)備全壽命周期成本模型[15]，分析配電變壓器互換是否有利于設(shè)備全壽命周期成本管理。

電力設(shè)備全壽命周期成本等年值費用CLCC為設(shè)備投資費用、停電損失費用、殘值與其它費用之和，其表達式為：

CLCC=CIA+CM+CL-CRA+CO

(4)

式中：CIA為設(shè)備投資費用等年值；CM為電力設(shè)備年運行維護費用；CL為電力設(shè)備年停電損失費；CRA為設(shè)備殘值；CO為由偶然因素帶來的費用。

當(dāng)對多個方案進行全壽命周期成本比較時，CLCC相對小者，屬于優(yōu)選方案。因此，可直接通過計算CLCC來比較采用配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)后對地區(qū)電網(wǎng)的效益影響。

3.2 碳排放量

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會手冊提出的碳排放計算詳細(xì)步驟，結(jié)合能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)特點，采用如下公式計算碳排放量A：

(5)

式中：Bu為能源u的消費量，按標(biāo)準(zhǔn)煤計；Cu為能源u的碳排放因數(shù)，原煤取為0.7559；w為能源種類。

考慮到電力能源的主要一級來源為煤炭，以原煤作為衡量碳排放量的計算依據(jù)，公式(5)簡化為A=0.7559B。通過計算碳排放量確定采用配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)后對地區(qū)環(huán)境的影響。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

配電變壓器負(fù)荷率的選擇原則上按變壓器效率最高決定，同時綜合考慮配電變壓器的類型規(guī)格及負(fù)荷實際運行情況[16]。配電變壓器的最佳負(fù)荷率一般介于40%～60%[17-18]，在實際運行中，負(fù)荷率隨時間變化。從節(jié)能與提高配電變壓器經(jīng)濟效益的角度考慮，要求管控后具體單臺配電變壓器運行于最佳負(fù)荷率區(qū)間的時間最長，選取負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)調(diào)整后的兩臺配電變壓器，研究負(fù)荷率的變化情況[19]。表3與表4為互換前后兩臺配電變壓器的負(fù)荷率情況。

表3 互換前配電變壓器情況

表4 互換后配電變壓器情況

由表3與表4可得，互換后，輕工機械與建國七隊兩臺配電變壓器的整體線損率大大降低，且配電變壓器的負(fù)荷率也更接近最佳負(fù)荷率區(qū)間。建國七隊160kVA配電變壓器由于負(fù)荷率由嚴(yán)重過載降至最佳負(fù)荷率附近，運行溫度顯著降低，使用壽命有效延長。

據(jù)初步估算，配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)在奉賢電網(wǎng)推廣應(yīng)用后，配合配電網(wǎng)停電檢修，結(jié)合拆遷、改造等，2016年共對122對大小容量配電變壓器進行調(diào)整，調(diào)整后配電變壓器負(fù)荷均運行于目標(biāo)值以內(nèi)。采用系統(tǒng)評價指標(biāo)對應(yīng)用精細(xì)化管控系統(tǒng)后的效果進行分析，效果見表5。

表5 配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控效果

與此同時，總體線損率大大降低，每年可為奉賢地區(qū)節(jié)約電量213.74萬kWh，按實際波峰與波谷用電比例進行計算，每年節(jié)省電費138.93萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。

5 結(jié)束語

奉賢電網(wǎng)以用電信息采集系統(tǒng)和各類應(yīng)用實時系統(tǒng)為平臺，構(gòu)建配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)，通過對不同臺區(qū)配電變壓器負(fù)荷實時數(shù)據(jù)的比對分析，建立維護評估與監(jiān)控機制，同時合理設(shè)置配電變壓器負(fù)荷管理目標(biāo)值，對于偏離目標(biāo)值的高低壓配電變壓器及時確定調(diào)整管理方案。

配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)應(yīng)用于奉賢電網(wǎng)122對大小容量配電變壓器，使各臺區(qū)配電變壓器負(fù)荷率有效平衡，減小了臺區(qū)的線損，降低了設(shè)備全壽命周期成本，同時大大減少了地區(qū)電網(wǎng)的碳排放。配電變壓器負(fù)荷精細(xì)化管控系統(tǒng)的應(yīng)用，為電網(wǎng)企業(yè)的節(jié)能增效和經(jīng)濟運行提供了有效輔助決策依據(jù)。

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(編輯： 啟 德)

The load of distribution transformer in power grid is subject to population flow and other factors, so that the control process is more complex. Based on the real-time monitoring system of the load data of distribution transformer, with comprehensive consideration of the maintenance and evaluation mechanism for real-time data and monitoring mechanism as well as the management target for reasonable load of distribution transformers, a fine load control system for distribution transformer was established. The practice in Fengxian grid has proved that this system can balance effectively the transformer’s load rate, cut the life cycle cost of the equipment and reduce the carbon emissions of regional power grid.

Transmission and Distribution； Transformer； Load

2016年10月

陳方瑞(1986— )，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)和企業(yè)管理等工作， E-mail： fangrui.ch@163.com

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