居民台区供电方案选择及其运行方式探讨

李泓泽，王 宝，张培森

（华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

居民台区供电方案选择及其运行方式探讨

李泓泽，王 宝，张培森

（华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

在分析居民台区负荷特性的基础上，综合考虑负荷增长、配电变压器运行损耗、投资成本以及资源有效利用，提出了大小配电变压器配合运行的居民台区供电方案及其运行方式安排，计算了运行损耗成本，并对现行方案和该方案的经济性进行了比较。实例结果表明：该方案在成本费用节约上优于现行居民供电方案，为供电公司在居民台区供电方案选择上提供一定的参考价值。

居民台区；配电变压器；供电方案；运行方式

近年来，城乡居民生活中的电气化水平不断提高，居民台区负荷保持着较快的增长速度，供电公司为满足负荷快速增长的需要，缩短了居民台区配电变压器更换周期。更换下来的大部分小容量配电变压器往往不能适应其他台区的负荷需求而被闲置，积压在物资库中，一方面不仅造成了资源的浪费，而且增加了物资管理费用支出，另一方面，更换新型大容量配电变压器投资较高，从而降低了供电公司资源利用率，造成投资费用增加。

先前相关研究大多关注配电变压器的经济运行和容量选择。文献[1]指出，变压器经济运行是指其运行时功率损耗最小且运行成本费用最低，并分析了变压器经济负荷容量与其内部损耗和额定容量间的关系。文献[2]探讨了通过选择节能配电变压器、合理安排配电变压器容量、适当的无功补偿以及调节配电变压器分接头开关等方式来实现配电变压器的经济运行。文献[3]基于年有功损耗最小原则，探讨了选择配电变压器的节能性和经济性问题。文献[4]在确定变压器最小负载系数、最小功率损耗及经济负荷系数的基础上探讨了配电变压器容量选择以实现配电变压器经济运行。文献[5]探讨了考虑台区负荷增长情况下实现经济运行的配电变压器容量选择问题。而综合考虑供电公司投资成本、负荷增长、配电变压器运行损耗以及运行方式安排等多种因素下台区供电方案选择的相关研究甚少。

对于居民台区而言，日夜负荷峰谷差极大，夜间低谷时更换的大容量配电变压器损耗大，不符合经济运行的要求，且负荷季节特性明显，峰谷规律性较强[6]。因此可考虑在居民台区增加一台小容量配电变压器，与现有配电变压器配合使用，通过加装自动投切断路器改变2台配电变压器日运行方式以满足居民台区负荷需求。这样不仅可以避免大容量配电变压器购入投资，而且可以增加小容量配电变压器的利用效率。

1 居民台区负荷特性分析

城乡居民台区用电负荷的主要特征为日夜负荷峰谷差极大，存在较大的季节性负荷差异，主要是春秋季节与夏冬季节负荷差异较大；但负荷峰谷往往具有较强的规律性，用电高峰时段一般出现在中午和晚间，用电低谷时段出现在深夜。图1绘制出了某市经济技术开发区的某道路2号居民台区公用变压器日负荷曲线图。

图1 某居民台区公用变压器日负荷曲线图

由图1可知：该居民台区用电负荷高峰出现在2个时段：中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，历时8 h，占全天运行时间的33%，负荷率为83.9%。用电低谷出现在当日23：00～次日7：00，历时8 h，负荷率为15.4%，剩余8 h为平段，负荷率为37.5%。

该台区夏季最大负荷达到173 kW，以负荷年增速为8.5%计，则下一年度的最大负荷为187.7 kW，考虑到功率因数和配电变压器效率因素，该居民台区S9-200/10型配电变压器将不能满足该台区下一年度的最大负荷需求，但仍能满足台区未来5年的平段和谷段的负荷需求。现行的居民供电方案大多是一个台区配置一台配电变压器，配电变压器容量按满足台区3～5年的最大负荷而选定。按此原则，该居民台区需要更换大容量的配电变压器。

2 居民台区供电方案及其运行方式

当负荷需求增速较快的台区配电变压器即将无法满足最大负荷要求时，依据现行的居民供电方案，需要更换大容量配电变压器。这样，供电公司就需要投入资金购入新的大容量配电变压器，而更换下来的小容量配电变压器往往因不能单独满足其他台区3～5年的用电最大负荷需求而被闲置在物资库中。事实上，根据居民台区负荷特性，这些小容量配电变压器一般能够满足该台区未来3～5年的平段和谷段负荷需求，从而资源得不到有效充分利用。

考虑到节约投资、有效利用资源以及配电变压器运行损耗因素，对现有的即将不能满足居民台区最大负荷需求的配电变压器不进行大容量配电变压器更换，而是增加物资库中闲置的仅满足未来3～5年低谷负荷需求的更小的配电变压器（满足并列运行条件[7]），并安装自动投切断路器，按如下的方式调整居民台区配电变压器的运行方式：负荷高峰时段2台配电变压器并列运行，共同承担台区负荷；平段断开小容量配电变压器的断路器，仅大容量配电变压器运行；低谷时段断开大容量配电变压器的断路器，仅小容量配电变压器运行，这种运行方式既能满足居民台区最大负荷需求，又可为供电公司节省投资（自动投切断路器购置费一般远小于大容量配电变压器），提高资源利用效率，同时满足配电变压器运行经济性要求。由于配电变压器空载损耗成本远小于自动投切断路器购置费，因而仅在2台配电变压器低压侧各配置一台自动投切断路器以节省投资。图2绘制出了居民台区2台配电变压器供电方案图。根据居民台区负荷特性，通过自动投切断路器合理调整台区2台配电变压器运行方式，能够实现配电变压器经济运行，且减少供电公司投资。

图2 居民台区2台配电变压器供电方案图

3 居民台区配电变压器运行损耗成本计算及选择方案比较

3.1 配电变压器运行损耗成本计算

配电变压器运行损耗包括空载有功损耗、空载无功损耗、短路有功损耗和短路无功损耗，其中空载有功损耗P0和短路有功损耗Pk可直接查看配电变压器铭牌参数；空载无功损耗Q0可根据配电变压器容量SN和空载电流百分值I0%计算得到：Q0=(I0%/100)SN；短路无功损耗Qk可根据SN和短路电压百分值Uk%计算得到：（Uk%/100）SN。配电变压器有功损耗ΔP与空载有功损耗、短路有功损耗和负载率β有关，β=PL/(SNcosφ)，PL和cosφ分别表示有功负荷和负荷功率因数，ΔP=P0+β2Pk，同理，配电变压器无功损耗ΔQ=Q0+β2Qk。考虑到无功经济当量K，即配电变压器中每千乏无功功率损耗引起的有功功率损耗，配电变压器综合功率损耗ΔPC=ΔP+KΔQ。无功经济当量K计算式如式（1），假定配电变压器运行电压接近额定电压，代入参数得K如式（2）。

在负荷功率因数保持不变的情况下，ΔP、K和ΔQ均为台区有功负荷PL的函数，因而配电变压器综合功率损耗ΔPC是台区有功负荷PL的函数，配电变压器综合损耗随各时段负荷需求的变化而变化，即：ΔPC=ΔPC（PL）。

假定某居民台区基准年各日负荷曲线为PLt，台区负荷年增速为rL，该台区容量为SN1的配电变压器即将不能满足最大负荷需求。为满足未来n年的台区负荷需求，通常情况下供电公司需要对现有配电变压器进行大容量配电变压器更换，新购置的大容量配电变压器容量为SN3，基于上述配电变压器损耗分析，可知新换的配电变压器第i年第t日的运行综合损耗PLossit0计算如式（3），基准年居民销售电价为Ptariff，电价年增长率为rP，折现率为I，一年总天数为T，则新更换的大容量配电变压器未来n年的运行损耗成本现值TCP0如式（4）

如按照本文提出的供电方案，即不购置大容量配电变压器更换现有配电变压器，而从供电公司物资库中选择合适的满足与现有配电变压器并列运行条件的更小容量配电变压器，与现有配电变压器并列安装，并在2台配电变压器低压侧各装设一台自动投切断路器以根据居民台区负荷规律性来适时改变2台配电变压器运行方式，则：低谷时小容量配电变压器承担全部负荷，平段时现有配电变压器承担全部负荷，高峰时2台配电变压器并列运行共同承担负荷。若小容量配电变压器（容量为SN2）与现有配电变压器（容量为VN1）同型号，且阻抗电压相等时，并列运行时按各自容量分配台区负荷，此情况下配电变压器第i年第t日的运行综合损耗PLossit计算如式（5），则台区配电变压器在未来n年的运行损耗成本现值TCP与式（4）类似。

3.2 居民台区供电方案比较

按照现行居民供电方案，更换大容量配电变压器时，既要满足未来n年的台区最大负荷需求，即SN3＞max（PLt）（1+rL）n/（ηcosφ），η为配电变压器运行效率，又要顾及大容量配电变压器的购置费用。若基于此原则，供电公司为该居民台区更换的大容量配电变压器购置费用为IP0，n年内该配电变压器运行综合损耗成本现值为TCP0，则供电公司更换大容量配电变压器而付出的总成本费用现值为IP0+TCP0。

基于本文的供电方案，供电公司直接从物资库中取出闲置的小容量配电变压器，无需花费购置费，且减少了物资管理成本，只需要购入2台自动投切断路器。设每台自动投切断路器购置费为IP，n年内台区配电变压器运行综合损耗成本现值为TCP，则在不计物资管理成本减少的情况下，供电公司需要付出的总成本费用现值为2IP+TCP。

供电公司购置大容量配电变压器时一般会选择低损耗型配电变压器，而台区现有配电变压器是几年前更换的，因而其损耗较新型的更高，且为节省断路器投资，任一配电变压器即使不带负荷，也存在空载损耗（如上文图2所示）。因此本文方案下，未来n年内台区运行损耗成本较现行方案要高，但自动投切断路器购置费要低于大容量配电变压器，因而本文的配电变压器选择方案可能会优于现行居民供电方案，供电公司可能会存在一定的成本费用节约量，数值为[(IP0+TCP0)-(2IP+TCP)]，同时增加资源利用效率。

4 实例

以某市经济技术开发区的某道路2号居民台区为例，图3给出了基准年该居民台区典型日负荷曲线。基准年最大负荷已达到173 kW，负荷功率因数cosφ=0.95，配电变压器效率η=0.93，台区负荷年增速为8.5%，则下一年该台区所需配电变压器容量至少为213 kVA，现有S9-200/10型配电变压器不能满足下一年度台区最大负荷需求。

图3 某居民台区典型日负荷曲线

按照现行的居民供电方案，供电公司考虑更换大容量S11⁃M新型节能配电变压器，以满足未来5年该台区的最大负荷需求。经计算，大容量配电变压器容量至少为295 kVA。供电公司决定为该居民台区更换一台S11⁃M.R-315/10型配电变压器，购置费用为37 360元。一年春秋季节和夏冬季节总天数分别为183天和182天，现行居民销售电价为0.58元/kWh，预计居民销售电价年增速为1%，折现率取8%，S11⁃M.R-315/10型配电变压器参数为：P0=0.48 kW，Pk=3.65 kW，I0%=1.1，Uk%=4。据式（3）和式（4）计算得到该大容量配电变压器未来5年运行损耗成本现值为20 406元，则供电公司为该居民台区更换大容量新型配电变压器而付出的总成本费用现值为57 766元。

按照本文提出的方案，首先根据该居民台区负荷特性，将全天各时段划分为高峰段、平段和低谷段，高峰段为中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，低谷段为当日23：00～次日7：00，剩余为平段，基准年的峰平谷各段最大负荷分别为173 kW、92 kW和50 kW，未来5年峰平谷各段最大负荷将分别升至260 kW、138 kW和75 kW。考虑到负荷功率因数和配电变压器效率因素后，未来5年峰平谷各段所需的配电变压器容量分别至少为294 kVA、157 kVA和85 kVA。现有S9⁃200/10型配电变压器能够满足台区平段最大负荷需求，综合考虑低谷和高峰最大负荷，可从物资库中选择S9⁃125/10型小容量配电变压器，与现有配电变压器并列安装，并在2台配电变压器低压侧各装设一台自动投切断路器，每台购置费为8 500元。S9⁃200/10型配电变压器参数为：P01=0.48 kW，Pk1=2.6 kW，I01%=1.3，Uk1%=4；S9⁃125/10 型配电变压器参数为：P02=0.34 kW，Pk2=1.8 kW，I02%=1.5，Uk2%=4，2台配电变压器短路电压值相等，接线组别相同，变比相等，且容量比小于3，满足并列运行条件[7]。调用自行编写的2台配电变压器损耗成本Matlab求解程序，得出5年内2台配电变压器运行损耗成本现值为29 857元，比现行居民供电方案高出9 451元，这是因为2台配电变压器较新型大容量配电变压器而言，节能效果相对较差，且为节省断路器投资，2台配电变压器不带负荷也存在着空载损耗。按照本文提出的方案，供电公司需要付出的总成本费用现值为46 857元，较现行居民供电方案而言，节约成本费用现值为10 909元，成本费用节约率为18.9%。

图4绘制出了不同折现率下的供电公司节约成本费用现值和成本费用节约率情况。显然，折现率越大，节约成本费用现值和成本费用节约率越大，折现率处于8%～12%的合理区间时，供电公司存在显著的成本费用节约收益。

图4 不同折现率对应的节约成本费用现值和成本费用节约率

5 结束语

居民台区用电负荷因居民电气化水平的不断提升而保持着较快的增速，从而缩短了居民台区配电变压器更换周期。现行居民供电方案下，供电公司不仅需要支付较高的新型大容量配电变压器购置费，且更换下来的小容量配电变压器因大部分不能单独满足其他台区负荷而被闲置在物资库中，造成资源浪费和投资增加。在分析居民台区负荷特性的基础上，本文提出了大小容量配电变压器配合运行以满足居民台区负荷增长需求的供电方案及其运行方式安排，对现行居民供电方案和该方案进行了运行损耗成本计算以及经济性比较，并结合实例加以说明分析，得出本文提出的配电变压器选择方案能够给供电公司带来较显著的成本费用节约收益，可为供电公司在居民台区供电方案决策上提供一定的参考。

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[1]张名忠.变压器经济运行与容量选择分析[J].煤炭技术,2009,28(9)：43-45.

[2]刘海峰.配电变压器经济运行分析[J].电力需求侧管理,2009,11(5)：48-51.

[3]翁双安,刘建林,王辉.配电变压器容量选择的经济评价[J].电气应用,2007(1)：18-21.

[4]曹阳.配电变压器容量选择方法探讨[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2010,6(1)：51-53.

[5]李泓泽,王宝,郭森.计及负荷增长的台区配电变压器容量最优选择[J].电工技术,2012(4)：22-24.

[6]杨建萍.南京市居民用电负荷特性分析与思考[J].电力需求侧管理,2002,4(2)：24-27.

[7]楚清河,马建华,聂贞.不同容量双绕组变压器并列经济运行方式的探究[J].变压器,2011,48(7)：66-69.

Study on power supply scheme selection and operation mode arrangement of residential district

LI Hong⁃ze,WANG Bao,ZHANG Pei⁃sen
(North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

Based on the analysis of residential district’s load characteristic,considering comprehensively load growth,distribu⁃tion transformer’s operation loss,investment cost and efficient utili⁃zation of existing resources,this paper proposes a residential dis⁃trict’s power supply scheme and its corresponding operation mode arrangement in which distribution transformer with large capacity and that with small capacity operation coordinately,calculates oper⁃ation loss cost and makes an economic comparison between the ex⁃isting scheme and the proposed one.The results of the example demonstrate that the proposed scheme is superior to the existing scheme in cost saving.The work in this paper provides a certain reference value for power supply companies in selecting residential district’s power supply scheme.

residential district;distribution transformer;power supply scheme;operation mode

TM421；F407.61

A

1009-1831（2012）06-0015-04

2012-06-04

李泓泽(1970)，男，吉林辽源人，副教授，研究方向为电力市场、电价及电力系统经济运行；王宝(1986)，男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为电力市场；张培森(1985)，男，天津人，硕士研究生，研究方向为工业工程。

（

杜先波 徐文红）