一种实用的居住区变压器经济投切策略

2015-03-02 06:45刘忠

电力需求侧管理 2015年3期

刘忠

（扬州江都供电公司，江苏扬州 225200）

随着中国城市化的推进，变电站在电力系统中的重要性逐渐提升。为了提高居民供电可靠性，并响应国家对于节能减排的要求，变压器经济运行越来越受到关注[1]。然而，由于系统中当前投入使用的变压器能效等级不一，各变电站安装容量利用率相差较大等因素，一些新建变电站若干大容量变压器低负荷率并联运行，部分老变电站变压器负荷率常年过高，因此变电站的经济效益还需进一步提高，并且大部分变电站并未根据负荷特性对变压器运行方式进行优化，造成大量的电能浪费。如何根据变电站的负荷变化情况合理调度变电站变压器运行方式，显得尤为重要

1 变压器的经济运行

提高变电站经济效益最重要的方面是合理利用变压器资源，对其并联组运行进行优化，以尽可能地在保证安全的前提下实现节能减排。

单台变压器的损耗可用公式（1）表示

式中：SN为变压器容量；S为变压器承担的视在功率负荷，即有功功率和无功功率的综合；P为变压器总损耗；P0为变压器空载损耗；Pk为变压器负载损耗。

当m台短路阻抗标幺值相等的变压器并联运行时，其中第i台变压器的损耗可用公式（2）表示

当不同的并联组合都可以承担相同的负荷时，就出现了变压器经济运行的问题[2—6]。

2 变压器经济投切的研究现状

在我国变电站中，变压器的种类和经济运行的情况有很大的差异性。一些变电站通过减少变压器并联台数来降低空载损耗，但因为使用中的变压器长期重载运行，造成短路损耗较大，并不经济。而一些变电站因所辖小区入住率较低，却仅从安全角度考虑，将所有变压器都并联运行，造成“大马拉小车”，空载损耗较大。

制定变压器经济运行策略是较为复杂的。除了要考虑不同变压器并联组合的经济效益，还要考虑负荷的大小、波动情况等。不仅要考虑经济效益，还要首先保证安全。如果为了防止“大马拉小车”，仅凭经验减少变压器并联台数而忽略了负荷非预期的陡增，就有可能出现变压器过载的情况。在安全之上，还必须考虑变压器一段时间内投切的次数和密度，降低操作中的故障率，防止电气设备因频繁操作而损坏，也同时符合变电站的运行惯例。

变压器经济投切属于变压器经济运行范畴。现有的变压器经济运行策略的分类和基本情况如下。

（1）基于24 h负荷预测的变压器经济投切[7—9]。此类方法基于日负荷曲线预测，理论上能使变压器经济运行，但存在两大弊端：一是频繁的投切加速电力设备的损坏；二是投切时刻不规律，降低了供电可靠性。

（2）基于月度及更长时段负荷预测的配电变压器经济投切。此类方法基于月度或季度负荷预测，所采用的负荷预测非常粗略，而当负荷波动较为剧烈时，此类方法实用度不高。

（3）基于数日乃至数星期的日负荷预测的配电变压器经济投切[10]。此类方法在预测周期上能够保证负荷预测的精确性，并兼顾变压器投切频度和投切时刻，但该方法研究较少。现有方法在投切操作制定过程中的安全预估、投切时刻和运行方式优化、在线安全校验和修正、投切方法计算量等方面还不足以满足工业应用的需要。

总而言之，在现有方法分类中基于数日乃至数星期的日负荷预测这一分类比其他2类有诸多优势，然而必须寻找一种新的方法来综合解决该类现有方法遇到的问题。

3 变压器经济投切策略

本论文研究的变压器经济投切方法，其目的在于对于7到14日内变压器投切从安全、经济和投切频次多方面进行综合优化。本方法根据负荷预测，首先考虑变压器容量约束，再使用最优路径搜索对节电经济效益、变压器投切次数和密度的约束进行综合优化，得到投切周期内变压器投切日和应采用的运行方式。本方法还包含了滚动安全校验和修正，以满足变压器在负荷短期突变的情况下运行的安全。

本策略流程如图1所示。本策略步骤如下：

（1）读入变压器参数和所有可以并联（每台变压器高低压侧电压相等、连接组标号相等、短路阻抗标幺值相等）的运行方式，简称“并联方式”。

（2）在投切安排日，根据负荷预测获取投切周期内每日（第j天）负荷峰值Spj，简称“峰荷”。预测峰荷的目的是防止变压器在峰荷下过载。

（3）对每日计算可承受峰荷的所有运行方式，简称“可用方式”。将一个投切周期内的每日可用方式计入矩阵A，其中A（i，j）表示第i天第j种可用运行方式。可用方式的评判方法为：对于某种并联方式，若其可提供的最大容量大于等于该日最大负荷，即SN＞Spj，则该运行方式可用，应当选入；反之则不可用，应当去除。因此A（i，j）中所有运行方式在预测峰值下是安全的。

图1 投切策略流程图

（4）使用枚举法搜索投切周期内由每日可用方式形成的所有序列，形成可用序列，将所有序列计入矩阵R，其中R（i，j）表示第i个可用序列在第j天的运行方式。计算方法为：将每日可用方式进行完全组合，并在一个投切周期内按时间顺序形成一个序列。该步骤将每日运行方式以整个投切周期为单位进行分析，以便全局优化。

（5）在可用序列集中筛选出满足变压器投切次数和密度约束的运行方式序列，形成投切频次适当的运行方式序列集，简称频次优化序列集，计入矩阵F。

其中所用约束条件为：在投切周期内，投切次数不应超过M次，相邻改变点间隔不应小于N天，M和N可根据变电站运行惯例整定。其中，变次数的值应分2种情况讨论。

·若投切安排日为该方法的初始化日，因为在本周期的起始日不产生投切操作，则只计入可用序列中的投切次数。

·若投切安排日不为该方法的初始化日，则需要分析上下周期连接处的投切操作。即可用序列中第一日的运行方式和投切安排日的运行方式不同，则应计入此次投切操作；若相同，则只需计入可用序列中的投切次数。

（6）应用最优路径搜索，评价出频次优化序列集中经济效益最优的序列作为投切周期经济最优运行方式序列，简称“最优序列”，记为列向量0（j）。最优路径搜索所使用的评价函数f为投切周期内变压器所产生的总损耗，计算公式如下

式中：Sav（j）为第j日的预测平均负荷；SN为变压器容量；P0为变压器空载损耗；Pk为变压器负载损耗；T=1天；H为投切周期的天数；ΔE（i，j）为第i个序列在第j日内产生的损耗电量；ΔE（j）为第i个序列在预测平均负荷下投切周期的损耗电量；n为某个序列某日的运行方式下的所有变压器数量。

如果仍有不止一个序列并列最优，则运行方式改变次数最小的优先。

由此即算出调度周期应采取的最优运行方式，该方式是预测峰荷下的满足安全性、投切频次和密度符合工程要求的损耗最小的方式。

由于本方法使用了时段长度较大的负荷预测数据，而负荷预测精度在时段长度增大中下降，因此在投切安排日对该周期靠后若干日的负荷预测精度相对较低，若峰值预测误差较大，则有在实际运行中过负荷的几率。因此，须将峰荷预测按每日刷新并进行滚动的安全性验证。

（7）在一个投切周期中的每日，通过负荷预测滚动刷新当日后2日的峰荷。

（8）在一个投切周期中的每日，使用刷新后的2日的峰荷滚动检验最优序列中对应2日运行方式的安全性，如有必要，则进行相应修正。判断修正必要性的方法为：对于预测日，2日刷新后的每日负荷峰值应小于最优序列中对应日运行方式所能提供的最大容量。所采用的修正方法如下：①将该预测日作为下一个投切周期的投切安排日；②重新开始一个投切周期的变压器经济投切分析。

该步骤解决了时段长度较大负荷预测精度下降造成的安全性问题，并使本方法具有自修复性和鲁棒性。

本策略能够同时整定7日内变压器投切时间和对应运行方式进行变压器经济投切。本策略能够满足变压器运行的安全性，同时控制变压器投切频次和密度，并符合变电站运行惯例。本方法启用了滚动安全校验和修正，在负荷短期内突变或者最大负荷预测出现较大误差的情况下也能保证变压器运行的安全。