淺談電氣節(jié)能管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

徐 斯

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

在我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的情況下，使得企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，并加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，在這種情況下，怎樣減少維護(hù)配電網(wǎng)的費(fèi)用并降低運(yùn)行期間產(chǎn)生的損耗得到了企業(yè)廣泛的重視。從相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，現(xiàn)階段，我國每年在變壓器、并聯(lián)電容器以及斷路器上消耗的電量超過了1500 億kwh，此消耗量基本與電力系統(tǒng)總的發(fā)電量持平。所以對(duì)于用電需求量大且需要高質(zhì)量電能的企業(yè)來說，當(dāng)前急需解決的問題就是如何減少配電設(shè)備的電能損耗。

圖1 電氣節(jié)能管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1 電氣節(jié)能管理系統(tǒng)的構(gòu)成

在電氣節(jié)能管理系統(tǒng)中，主要包括三部分子系統(tǒng)，即無功優(yōu)化系統(tǒng)、檢修計(jì)劃系統(tǒng)以及變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)，圖1所顯示的就是該系統(tǒng)的具體方案。同時(shí)該系統(tǒng)主要采取的模式為集中優(yōu)化、分散控制，其性能指標(biāo)與特征主要有以下幾點(diǎn)：

1.1 壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行子系統(tǒng)

（1）為了對(duì)變壓器的投切次數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，筆者將短期負(fù)荷預(yù)測(cè)引入了其中。對(duì)于變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行來說，它屬于一個(gè)涵蓋諸多階段的決策性問題，假如其運(yùn)行僅僅依靠負(fù)荷波動(dòng)變化來實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致個(gè)別變壓器出現(xiàn)頻繁投切的情況，致使變壓器內(nèi)各側(cè)斷路器的使用壽命減少，進(jìn)而使得企業(yè)在設(shè)備上的投資不斷增加，從而影響到節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。所以通過將短期負(fù)荷預(yù)測(cè)引入其中，借助每日預(yù)測(cè)繪制的負(fù)荷曲線，對(duì)變壓器的投切次數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，能夠準(zhǔn)確的判斷出其投切次數(shù)是否在限定的范圍之內(nèi)，進(jìn)而有效的解決上述問題。

（2）借助動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的模式與投切時(shí)機(jī)進(jìn)行選取。假如在短期負(fù)荷預(yù)測(cè)之后，發(fā)現(xiàn)變壓器的投切次數(shù)在限定范圍之內(nèi)，那么就需要選擇符合當(dāng)前負(fù)荷波動(dòng)變化規(guī)律的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式；假如投切次數(shù)在限定范圍之外，那么就需要借助動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式進(jìn)行選取，并以此來判斷變壓器投切的最佳時(shí)機(jī)。

1.2 無功優(yōu)化子系統(tǒng)

（1）使配電網(wǎng)全局實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化。作為一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，配電網(wǎng)無功優(yōu)化的處理方法有很多，但是對(duì)于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法來說，并沒有對(duì)配電網(wǎng)固有的屬性進(jìn)行全面考慮，進(jìn)而降低了計(jì)算的效率及精度。通過為配電網(wǎng)特性所設(shè)計(jì)的改進(jìn)遺傳算法，能使全局搜索的效率及能力得到提升。

（2）對(duì)計(jì)算期間影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的約束條件進(jìn)行優(yōu)化，在計(jì)算目標(biāo)函數(shù)時(shí)引入無功補(bǔ)償裝置的損耗以及年度運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用，這樣不僅能夠避免為了減少電網(wǎng)的有功損耗而不斷調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定，同時(shí)也能夠延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（3）對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行靈活的設(shè)置?？梢詫⑾到y(tǒng)設(shè)置成以下三種模式：①開環(huán)建議模式；②開環(huán)不建議模式；③閉環(huán)模式。第一種模式指的是，系統(tǒng)在將優(yōu)化控制的建議命令發(fā)出之后，監(jiān)控人員根據(jù)此命令執(zhí)行相應(yīng)的人工控制；第二種模式指的是，系統(tǒng)不將優(yōu)化控制的建議命令發(fā)出；第三種模式指的是，系統(tǒng)直接將優(yōu)化控制設(shè)備的命令發(fā)出，不必對(duì)人工執(zhí)行命令的過程進(jìn)行干預(yù)。對(duì)于所有的控制設(shè)備來說，基本都具有運(yùn)行狀態(tài)、檢修狀態(tài)、故障狀態(tài)、熱備用狀態(tài)四種狀態(tài)。如果運(yùn)行狀態(tài)下的控制設(shè)備想要切實(shí)的參與到優(yōu)化過程中，那么必須要設(shè)置成開環(huán)建議模式或者閉環(huán)模式。

1.3 檢修計(jì)劃子系統(tǒng)

通過對(duì)檢修計(jì)劃的制定，不僅能夠防止重要設(shè)備發(fā)生故障，而且還可以減少檢修期間多余的環(huán)節(jié)，進(jìn)而使配電網(wǎng)更加經(jīng)濟(jì)可靠。作為一個(gè)包含多個(gè)目標(biāo)與多個(gè)約束條件的非線性規(guī)劃問題，檢修計(jì)劃的優(yōu)化方案可以通過改進(jìn)遺傳算法對(duì)檢修計(jì)劃模型進(jìn)行求解來制定。

2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行子系統(tǒng)

針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)的變壓器，需要同時(shí)對(duì)它的經(jīng)濟(jì)性與安全性進(jìn)行考慮，使變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案能夠動(dòng)態(tài)的對(duì)變壓器的負(fù)荷狀況進(jìn)行檢測(cè)，并且利用理論計(jì)算與分析，為變壓器組合出最合適的運(yùn)行方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要指的是，基于變壓器實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行并輸出了相同電量，借助當(dāng)前設(shè)備以及固有的資金，為變壓器擇優(yōu)選取最適合的運(yùn)行方式，并調(diào)整其負(fù)載形式等，進(jìn)而使變壓器的電能損耗量達(dá)到最低，并有效提升功率因數(shù)。從相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)前我國電網(wǎng)變壓器的總損耗量在發(fā)電量中所占的比重達(dá)到了2%～3%，而且配電變壓器的電能損耗更大，在額定容量中所占比重達(dá)3%～4%。現(xiàn)階段，對(duì)于那些損耗不高的變壓器來說，其最高效率基本能夠保持在99%以上，而且許多小型變壓器的效率同樣超過了97%。所以通過對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的優(yōu)化提升，能夠有效的使變壓器的損耗減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能降耗。

3 配電網(wǎng)全局無功優(yōu)化管理子系統(tǒng)

對(duì)于配電網(wǎng)的無功優(yōu)化而言，它是基于當(dāng)前的綜合自動(dòng)化，并在確保配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了安全可靠的運(yùn)行之后，按照相應(yīng)的負(fù)荷水平，對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有的無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行控制，并對(duì)其中的無功功率進(jìn)行合理調(diào)整，進(jìn)而使配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓能夠達(dá)到相應(yīng)的安全約束標(biāo)準(zhǔn)，并降低配電網(wǎng)的有功損耗，減少在補(bǔ)償設(shè)備方面所耗費(fèi)的資金。相對(duì)而言，配電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量不多，因此其無功出力與機(jī)端電壓的調(diào)整基本不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但由于配電網(wǎng)整體規(guī)模比較大，大部分負(fù)荷與網(wǎng)絡(luò)原件均需要對(duì)無功功率進(jìn)行消耗，假如這部分無功功率都由遠(yuǎn)端的發(fā)電機(jī)傳輸，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的損耗加大，因此這種方式不夠科學(xué)合理。所以為了避免這種情況，可以將無功補(bǔ)償裝置安裝到無功功率消耗比較大的位置上，讓補(bǔ)償裝置將相應(yīng)的無功功率輸送到負(fù)荷當(dāng)中，這也就是我們所說的無功補(bǔ)償。

基于配電網(wǎng)當(dāng)前的調(diào)度自動(dòng)化，通過控制調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量與有載變壓器分接頭的位置，借助遠(yuǎn)程控制與就地操作相結(jié)合的方式，確保同一種控制方式能夠在同一時(shí)刻達(dá)到既定的效果。對(duì)于各局部?jī)?yōu)化子系統(tǒng)而言，在對(duì)局部最優(yōu)控制策略進(jìn)行求解時(shí)，需要將所在區(qū)域電網(wǎng)的最優(yōu)控制當(dāng)作決策目標(biāo)，在調(diào)度中心運(yùn)行全局無功優(yōu)化管理，并按照規(guī)定的間隔時(shí)間或者負(fù)荷變化狀況，對(duì)全局優(yōu)化觸發(fā)并執(zhí)行一次，同時(shí)優(yōu)化管理配電網(wǎng)運(yùn)行期間發(fā)生的電壓與功率因數(shù)，以此來制定優(yōu)化決策以及相應(yīng)的控制命令，確保電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓能夠達(dá)標(biāo)，并與超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果相結(jié)合，實(shí)行動(dòng)態(tài)控制或制定相應(yīng)的調(diào)整策略，優(yōu)化控制全網(wǎng)的無功配置，使全網(wǎng)無功潮流的流向達(dá)到最佳，進(jìn)而降低無功補(bǔ)償?shù)挠昧?，并盡量減少有載變壓器分接檔位的運(yùn)行次數(shù)。已經(jīng)完成調(diào)度自動(dòng)化的變電站需要采取先開環(huán)后閉環(huán)的運(yùn)行方式，以此來緩解調(diào)度所值班人員的工作壓力。

4 配電網(wǎng)檢修計(jì)劃管理子系統(tǒng)

制定檢修計(jì)劃時(shí)，需要以檢修周期為依據(jù)，并與設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合來進(jìn)行。在社會(huì)生產(chǎn)力不斷發(fā)展、科技不斷進(jìn)步的情況下，設(shè)備的檢修方式也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。在第一次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)，檢修方式主要是故障檢修；而到了第二次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)，檢修方式已經(jīng)演變成了預(yù)防性檢修。對(duì)于故障檢修而言，其判斷依據(jù)是設(shè)備發(fā)生的功能性故障，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)此類故障并影響到正常運(yùn)行的情況下，不得不進(jìn)行檢修，此類檢修主要是為了對(duì)故障進(jìn)行消除。但是該檢修方式不僅需要花費(fèi)高昂的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)還會(huì)給設(shè)備以及工作人員的安全帶來巨大的威脅；對(duì)于預(yù)防性檢修而言，其判斷依據(jù)是設(shè)備當(dāng)前的工作情況，通過檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)其健康狀況進(jìn)行診斷，進(jìn)而判斷設(shè)備需不需要檢修或者檢修的最佳時(shí)機(jī)。此檢修方式主要是為了延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，使設(shè)備的可靠性與可用系數(shù)得到提升，減少檢修成本，提高設(shè)備的運(yùn)行水平，并使經(jīng)濟(jì)效益不斷增加。

檢修計(jì)劃管理指的是，基于設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、存在的不足以及用戶對(duì)于電量的需求，提前計(jì)劃?rùn)z修設(shè)備時(shí)停電的時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)不同的檢修時(shí)間，檢修計(jì)劃可以被劃分成日計(jì)劃、周計(jì)劃等。對(duì)于日計(jì)劃與周計(jì)劃來說，由于其檢修時(shí)間短，且存在諸多的不確定性，所以不適用于優(yōu)化安排，而由于月檢修計(jì)劃的周期相對(duì)比較長(zhǎng)，因此可以進(jìn)行優(yōu)化安排，同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工計(jì)劃。供電系統(tǒng)調(diào)度部門在安排本轄區(qū)內(nèi)設(shè)備的檢修時(shí)間時(shí)，需要以上級(jí)調(diào)度部門當(dāng)月制定的檢修計(jì)劃、負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果以及各個(gè)下屬供電部門提交的檢修計(jì)劃與年檢修計(jì)劃在當(dāng)月的執(zhí)行情況為依據(jù)，并使其變?yōu)闄z修月計(jì)劃。對(duì)于檢修計(jì)劃管理子系統(tǒng)而言，它主要具有兩大作用。

4.1 提升配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性

由于電力工業(yè)可同時(shí)生產(chǎn)與消費(fèi)電能，而電力設(shè)備的檢修往往能夠決定電力系統(tǒng)的運(yùn)行是否可靠。制定檢修計(jì)劃的主要目的在于使設(shè)備始終處于正常的工作環(huán)境中。在計(jì)劃的指導(dǎo)下進(jìn)行檢修，可以及時(shí)的將內(nèi)部安全隱患找出來，避免該問題不斷擴(kuò)大，進(jìn)而使得設(shè)備發(fā)生故障的間隔時(shí)間得到延長(zhǎng)。如此一來，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備故障，避免出現(xiàn)由于臨時(shí)檢修設(shè)備故障而導(dǎo)致停電的情況發(fā)生，進(jìn)而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全可靠。

4.2 減少檢修停電電量，增強(qiáng)企業(yè)的生產(chǎn)能力

通過檢修計(jì)劃，能夠給電力企業(yè)帶來以下兩個(gè)影響：一是為了確保供電的可靠性，供電部門往往需要投入大量的檢修資金；二是一旦發(fā)生停電，往往會(huì)給用戶帶來巨大的損失。檢修計(jì)劃的實(shí)行，不僅能夠使停電管理得到統(tǒng)一，同時(shí)還可以優(yōu)化與合并各專業(yè)停電計(jì)劃，也就是說，通過檢修計(jì)劃，能夠更好的檢修、改造以及解決輸電、配電與變電期間存在的隱患，促進(jìn)綜合檢修的順利進(jìn)行，盡可能地減少重復(fù)停電的情況。同時(shí)基于“應(yīng)修必修，修必修好”的檢修工作原則，能夠使故障停電得到更好的控制，防止出現(xiàn)臨時(shí)檢修的情況，進(jìn)而使經(jīng)濟(jì)損失降到最低。

5 結(jié) 語

本文以企業(yè)電氣綜合節(jié)能為主要研究?jī)?nèi)容，通過優(yōu)化配置無功功率、對(duì)設(shè)備的檢修計(jì)劃進(jìn)行合理安排并利用變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，同時(shí)使產(chǎn)品的成本得到了降低，并使得企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力得到了增強(qiáng)。