變壓器負(fù)荷智能調(diào)配方法探討*

孫 宇， 侯文晶

(吉林省建苑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)春市 130000)

1 背景與意義

本課題基于某院校學(xué)生宿舍建設(shè)項(xiàng)目，地下1層，地上11層，根據(jù)學(xué)校多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及學(xué)生宿舍用電的特殊性，變電所選用兩臺(tái)變壓器，容量均為800kVA。

根據(jù)原有宿舍基礎(chǔ)負(fù)荷用電容量(約為 1 440kW)，通過(guò)歸類分組計(jì)算得出兩臺(tái)變壓器負(fù)載率理論值均約為83%，接近變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最優(yōu)負(fù)載率上限值(85%)，然而在設(shè)計(jì)基本完成時(shí)，甲方提出“在不改變現(xiàn)有變壓器投運(yùn)容量的前提下，在建筑內(nèi)增設(shè)學(xué)生集中淋浴池，且熱水來(lái)源確定采用數(shù)臺(tái)電熱水器加熱的方式，同時(shí)在開水間及衛(wèi)生間分別增設(shè)直飲水熱水器、生活熱水加熱器”，各加熱系統(tǒng)容量見表1。

新增加熱系統(tǒng)容量情況表 表1

由于高校學(xué)生宿舍用電規(guī)律的特殊性即宿舍基礎(chǔ)負(fù)荷用電僅在集中時(shí)間段(早6:00～8:00；晚17:00～22:00)出現(xiàn)用電高峰，因此本課題考慮采用智能控制系統(tǒng)根據(jù)變壓器負(fù)載率的實(shí)時(shí)變化來(lái)切換新增加熱設(shè)備(被動(dòng)性負(fù)荷)的投入運(yùn)行，系統(tǒng)的運(yùn)行策略流程圖如圖1所示。

圖1 智能投切系統(tǒng)策略流程圖

目前，國(guó)內(nèi)一些科研單位已研發(fā)出變壓器經(jīng)濟(jì)投切的自動(dòng)裝置，但電力負(fù)荷是一個(gè)隨機(jī)、時(shí)變、非線性系統(tǒng)。傳統(tǒng)的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論往往不能奏效，傳統(tǒng)負(fù)載控制系統(tǒng)可能需要安裝大量的專用控制設(shè)備。但是，要控制的負(fù)載數(shù)量越多，單獨(dú)控制每個(gè)負(fù)載所需的電氣設(shè)施就越復(fù)雜，考慮到設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及最終完成應(yīng)用所需的額外設(shè)備可能加大初始投資成本，以及變壓器處在什么狀態(tài)時(shí)投切用電設(shè)備、加熱設(shè)備的投切順序、最佳巡檢周期等因素，本課題擬采取兩種智能控制系統(tǒng)來(lái)切換被動(dòng)性負(fù)荷的投入運(yùn)行，以使變壓器在合理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)(75%～85%)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的負(fù)荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能目標(biāo)。

2 解決方案

本課題中低壓配電柜共配出4條開水間熱水器用電回路、6條衛(wèi)生間熱水器用電回路、4條淋浴池?zé)崴梅坑秒娀芈?。根?jù)使用方用電及管理需求，當(dāng)變壓器的實(shí)時(shí)負(fù)荷率<85%時(shí)，將被動(dòng)性負(fù)荷用電設(shè)備通斷電優(yōu)先級(jí)按類別設(shè)定，如圖2所示。

圖2 被動(dòng)性負(fù)荷用電設(shè)備通斷電優(yōu)先級(jí)

2.1 利用智能一體化控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行負(fù)載管理

基于智能控制系統(tǒng)平臺(tái)的eP-DAS中央配電監(jiān)控和負(fù)荷信息發(fā)布系統(tǒng)，即通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)載率，通過(guò)B總線將狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)接入eP-DAS柜，讓終端設(shè)備能夠自行調(diào)整負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的負(fù)荷控制。以本課題項(xiàng)目為例，其負(fù)荷控制系統(tǒng)圖及智能控制柜二次原理圖分別如圖3～4所示。

圖3 智能一體化負(fù)荷控制系統(tǒng)圖

圖4 智能控制柜二次原理圖

從圖3～4中可以看出，智能一體化負(fù)荷控制系統(tǒng)采用將智能控制模組集成于eP-DAS一體化控制柜中，在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)B總線將采集到的變壓器實(shí)時(shí)負(fù)載率傳輸至eP-DAS一體化控制柜中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制算法及被動(dòng)性負(fù)荷用電通電優(yōu)先級(jí)自動(dòng)調(diào)整模組內(nèi)接觸器通斷，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)整，使得變壓器在合理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)(75%～85%)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的負(fù)荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能目標(biāo)。

2.2 利用新型智能斷路器進(jìn)行負(fù)載管理

以本課題研究項(xiàng)目為例，利用新型智能空氣斷路器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣斷路器，同時(shí)被動(dòng)性負(fù)荷低壓配電回路配帶有通訊功能的塑殼斷路器且?guī)в锌芍睾祥l的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，其供電系統(tǒng)示意圖及負(fù)荷控制系統(tǒng)圖分別如圖5～6所示。

圖5 新型智能斷路器控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)示意圖

由圖5～6可以看出，此智能控制系統(tǒng)是將通信元件集成在智能斷路器的電子脫扣器中，因此，既不需要搭建復(fù)雜的控制系統(tǒng)，也不需要專門編輯軟件程序執(zhí)行。其功率控制器的算法為：計(jì)算→同步→評(píng)估→負(fù)載管理。算法基于瞬態(tài)功率P，通過(guò)判斷P/COSφ*SNT<75%是否滿足要求，若滿足要求，控制器便會(huì)按照用戶定義的通電優(yōu)先級(jí)遠(yuǎn)程控制電路運(yùn)行，可由用戶按照確定的時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)主斷路器的功率P滿足P/COSφ*SNT>85%時(shí)，控制器同樣也按照用戶定義的斷電優(yōu)先級(jí)遠(yuǎn)程控制電路運(yùn)行，使斷路器的瞬態(tài)功率回到限值以內(nèi)。

通過(guò)以上兩種方案可以看出，在不改變現(xiàn)有變壓器投運(yùn)容量的情況下，采取上述兩種智能控制方案都可以切換被動(dòng)性負(fù)荷的投入運(yùn)行，使得變壓器在合理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的負(fù)荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能目標(biāo)。但是第二種方案相較于第一種方案進(jìn)行負(fù)載管理的缺點(diǎn)在于，若采用此種控制方案，當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)頻繁時(shí)，低壓配電柜內(nèi)斷路器會(huì)進(jìn)行多次操作，從而會(huì)縮短相關(guān)設(shè)備的壽命，對(duì)系統(tǒng)的安全造成威脅，難以達(dá)到預(yù)期效果。而第一種方案則是通過(guò)智能化一體柜控制系統(tǒng)內(nèi)智能模組實(shí)現(xiàn)負(fù)載回路的投切，對(duì)低壓配電柜內(nèi)斷路器壽命無(wú)影響，可更好地實(shí)現(xiàn)變壓器長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了對(duì)智能設(shè)備廠家提出基本的控制需求(如負(fù)荷投切負(fù)載率限值、投切優(yōu)先級(jí))外，還需要對(duì)最優(yōu)巡檢周期提出相應(yīng)要求。故根據(jù)校方多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)采集的各個(gè)時(shí)間段的基礎(chǔ)用電負(fù)荷負(fù)載使用情況，巡檢周期T分別按10min、15min、20min進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果分別如圖7～9所示?？紤]到巡檢周期若為5min，負(fù)荷投切頻率較高，對(duì)設(shè)備壽命及負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有較大影響，故此項(xiàng)目不作考慮。

圖7 巡檢周期T=10min的變壓器負(fù)載率

圖9 巡檢周期T=20min的變壓器負(fù)載率

經(jīng)過(guò)模擬分析得出，新增加熱系統(tǒng)按優(yōu)先級(jí)全部投切用時(shí)見表2。同時(shí)，由圖7～9可以看出，當(dāng)巡檢周期T=10min時(shí)，變壓器出現(xiàn)短時(shí)過(guò)載的時(shí)間最短，故10min為最優(yōu)巡檢周期。

新增加熱系統(tǒng)在不同巡檢周期下全部投切用時(shí) 表2

在此基礎(chǔ)上，筆者所在團(tuán)隊(duì)綜合考慮校方淋浴池加熱系統(tǒng)實(shí)際使用情況，對(duì)淋浴池加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行干預(yù)，即在早高峰(6:00～8:00)和晚高峰(16:30～22:00)用電時(shí)間段不投入運(yùn)行，在此情況下進(jìn)一步模擬分析，其結(jié)果見圖10。

由圖10可以看出，在巡檢周期T=10min時(shí)，對(duì)淋浴池加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行干預(yù)后，變壓器出現(xiàn)短時(shí)過(guò)載的時(shí)間縮短，且基本運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)、合理狀態(tài)。至此，對(duì)智能設(shè)備廠家可以提出較為全面的技術(shù)參數(shù)。

圖10 巡檢周期T=10min下對(duì)淋浴池加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行干預(yù)的變壓器負(fù)載率

4 結(jié)束語(yǔ)