配电变压器经济运行控制方式比较

李正天，肖业湘，曹 蓓，辛建波，

(1.江西省电力科学研究院，江西南昌330096;2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002;3.南昌大学信息工程学院，江西南昌330031)

0 引言

配电变压器是配电网中传输和分配电能的重要设备，由于配电变压器数量巨大，在配电变压器运行时，其自身的损耗在整个电力系统传输网络中占有相当大的比例。由于变压器容量、技术特性可能存在差异，以及其有功和无功损耗随负载呈非线性变化，导致在向相同负载供电时，不同运行方式下的变压器损耗可能差别很大，配电变压器经济运行就要在确保电能质量和供电安全稳定的前提下，合理地投切变压器使其在功率损耗最少的方式下运行，以达到节能目的。但是需要特别考虑的是，若变压器投切的次数过于频繁，不但影响开关设备的寿命，而且也将影响整个配电变系统的安全稳定运行，所以必须研究采取合适的配电变压器经济运行控制策略。本文在PSCAD/EMTDC软件中建立了三台不同容量的配电变压器运行模型，仿真分析了配电变压器在分列运行、传统实时控制、多时段控制三种方式下的电能损耗和开关投切次数情况，仿真得出在后两种控制方式下节电效果明显，但实时控制方式下会使变压器的投切次数较多，操作过于频繁。

1 配电变压器经济运行基本理论

变压器的主要技术参数有:额定容量SN、空载电流IO、空载损耗PO、短路电压Uk、短路损耗Pk，其中IO、Uk主要反应无功损耗，PO、Pk主要反应有功损耗。由此根据相关公式可以推导出变压器有功损耗、无功损耗及综合功率损耗的计算式［1］。如双绕组变压器有功功率损耗ΔP和有功功率损耗率ΔP%的计算式为

式中:P1——变压器电源侧输入功率，kW;

cosφ——负载功率因数;

β——瞬态负载系数。

由式(1)和式(2)可作出变压器功率损耗和损耗率负载特性曲线如图1所示。

图1 变压器功率损耗和损耗率负载特性曲线

变压器的有功损耗率ΔP%是变压器负载系数β的二次函数，ΔP%先随着β的增大而下降，当负载系数等于，此时铜耗等于铁损。然后又随着β的增大而上升。βJP是最小损失率ΔPb%的负载系数，称为有功经济负载系数。

变压器技术特性是指变压器功率损耗随负载变压而呈非线性变化的曲线，在供应相同负载时，损耗小的变压器运行方式技术特性较优。它是判断变压器是否经济运行的重要数据［1］。

2 配电变压器经济运行控制方式

变压器分列运行是指在变电所内分列运行的变压器，或相距较近分列运行的变压器(中间有联络线)。在相同负载条件下，优选损耗小的运行方式，称为分列运行变压器的经济运行方式。

现行配电系统中变压器大多采用并列运行方式。并列运行方式下，配电变压器经济运行控制方式有传统实时控制方式和多时段控制方式。实时控制方式也称为单时段控制方式，它是完全根据负荷变化而实时投切变压器的控制策略，即通过计算得出变压器经济运行的区间，然后实时在线监测负荷情况，只要负荷在各经济运行区间内有跳跃，断路器就立刻动作投切变压器，改变变压器的运行方式以达到节电的目的。在实际运行中，一个配电变压器台区负荷的大小、负载性质随时间的变化呈现出一定的规律性，如果完全根据负荷变化，在负荷过临界投切点时立即投切变压器，则投切次数必然很多，频繁的投切变压器对系统运行的设备寿命是有影响的。而基于负荷预测的多时段控制方式是在变压器实际参数的基础上，根据历史数据预测未来一段时间内的负荷变化情况，再根据系统的实际情况事先设定好规定时间段内配电变压器动作的次数，以及每种运行方式的最短运行时间，以此来确定变压器的投切时间，以达到运行方式的最优化。基于负荷预测的多时段控制配电变压器经济运行控制结构框图如图2所示。

图2 基于负荷预测的配变经济运行控制结构框图

3 配电变压器经济运行仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建三台10/0.4kV的三台配电变压器运行模型如图3所示，三台变压器参数见表1。

图3 基于PSCAD/EMTDC配变运行模型

表1 变压器技术参数表(KQ=0.1)

由于PSCAD/EMTDC仿真刚启动时会有一个暂态过程，本文为减少这个过程对验证结果的影响，取1s至13s仿真模拟全天24小时某小区的变压器运行情况，每0.5s代表为1个小时。本文在MATLAB中编写各种控制方式的计算程序，根据实际的负荷数据在MATLAB中计算各种控制方式下各变压器的投切时间，各台变压器分列运行时实际负荷曲线如图4所示，据此在PSCAD/EMTDC中设置各变压器在每种控制方式下的投切时刻，以模拟实际运行时各种控制方式下运行的情况。

图4 各台变压器实际负荷曲线1-SA，2-SB，3-SC

在实时控制方式和多时段控制方式下，各台变压器的综合功率损耗曲线如图5和图6所示。分列运行、实时控制方式和多时段控制方式下三台变压器总的损耗曲线如图7所示。

图5 实时控制方式下各配变综合功率损耗曲线

图6 多时段控制方式下各配变综合损耗曲线

图7 三种控制方式下变压器损耗的总电量曲线

仿真结果分析:如图5和图6可知，实时控制方式的投切次数比多时段控制方式多(本例中实时控制方式需投切四次，而多时段控制方式只需投切两次)。由图7可知，实时控制方式和多时段控制方式下三台变压器损耗的总电量相差不多(实时控制方式下损耗量稍小)，但此二者与分列运行相比，三台变压器的总损耗量明显减少，每天节省的电量达到89.1kW·h，占原变压器综合电量损耗的41.06%。

4 结论

本文在配电变压器经济运行基本理论的基础上建立了基于PSCAD/EMTDC的三台配电变压器运行的模型，仿真分析了分列运行、实时控制方式和多时段控制方式下变压器运行的功率损耗情况。由仿真分析可知，变压器的损耗在实时控制方式和多时段控制方式下比分列运行方式下大大减少，实时控制方式比多时段控制方式的损耗稍少，但由于实时控制需要频繁地投切变压器，特别是在负荷变化剧烈的情况下更是如此，这种做法从配电网的安全稳定运行和变压器开关等设备的使用寿命来考虑，都是不允许的。因此，基于短期负荷预测的多时段控制方式在实际电网运行中更加实用。

［1］胡景生.变压器的经济运行［M］.北京:中国电力出版社，1998.

［2］陈道明.略论电力变压器的经济运行［J］.中国科技信息，2006，(12).

［3］王亚忠.双绕组变压器经济运行负载系数研究［J］.电力系统保护与控制，2008，(17).