基于传感器数据的配电网设备能效评估*

张星星，彭敏放，漆铭钧，朱 亮，冷 华

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007；3.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)



基于传感器数据的配电网设备能效评估*

张星星1，彭敏放1，漆铭钧2，朱 亮2，冷 华3

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007；3.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

在深入分析配电网设备上加装的各类传感器装置中数据获取情况的基础之上，综合考虑设备的能效影响因素，构建了基于传感器数据的配电网设备能效评估指标体系。根据每个指标在节能潜力、成本和难度方面对配电网设备能效的影响程度不同，构建了递阶层次结构模型，并采用层次分析法(AHP)进行指标权值计算。根据定量指标易于量化的特征，构建了对标函数，完成了定量指标能效指数的计算。从而实现对配电网设备的能效评估。并以某实际的配电变压器算例验证了所提方法的实用性和有效性。

传感器； 层次分析法； 指数计算； 配电网设备； 能效评估

0 引 言

随着我国经济的迅速发展，用电负荷每年都在增加，由于负荷增长速度快而配电网建设投资滞后，配电网在节能降耗方面有着很大的挖掘潜力，配电网设备的能效也有很大的提升空间[1～6]。

目前对配电网设备的全面能效评估尚缺乏准确、有效的技术手段。文献[8]在分析配电网节能指标现状的基础上，建立了农村低压配电网能效评价指标体系和综合评价模型，但对具体配电设备能效影响因素的考虑不够充分；文献[9]分析了不同的监管机制和财政激励措施对提高配电网能效的作用，但其局限于从管理层面提高配电网能效，未能从技术层面挖掘配电网设备的节能潜力；文献[10]和文献[11]分别从配电网节能潜力定量评估方面和基于能耗优化建模的电力节能管理方面研发了配电网能效评估软件系统，但其功能和适用范围还有待扩展。总的来看，已建立的评估指标体系及评估方法尚有待完善。

本文提出了基于传感器数据的配电网设备能效评估理论方法，构建了比较全面的能效评估指标体系，提出了基于层次分析法(AHP)与指数计算的配电网设备能效评估算法。

1 配电网设备能效评估指标体系构建

基于指标选取原则构建全面、完整的配电网设备能效评估指标体系，见图1。

图1 配电网设备能效评估指标体系Fig 1 Energy efficiency evaluation indicator system of distribution network equipment

2 配电网设备能效评估算法

配电网设备能效评估采用AHP与指数计算的算法，利用AHP计算指标权值，利用取基准值对标法计算定量指标的能效指数，最后利用加权法计算配电网设备的综合能效指数，实现对配电网设备的能效评估。

2.1 基于AHP的指标权值计算

层次分析法计算权值前，需要对评估对象进行分析，即分析评估对象所包含的因素及各因素之间的关系等，以便建立合理、有效的层次分析模型，提高评估的全面性和可行性[11,12]。

1)构造判断矩阵：构造判断矩阵是层次分析法的一个关键步骤，判断矩阵表示的是对上一层次中的某元素的重要程度，使用数量化的相对权值aij来描述。设共有n个元素参与比较，则A=(aij)m×n称为判断矩阵。判断矩阵中aij的取值可以按照表1中的规定取值。

2)权值计算和一致性校验：假设W=[w1,w2,…,wn]T，判断矩阵用A表示,具体计算是对于判断矩阵,计算满足

AW=λmaxW

(1)

式中 λmax为矩阵A的最大特征根；W为对应于λmax的正规化特征向量；W的分量wn即是相应元素单排序的权值。

判断矩阵通常是不一致的，但是为了能用它的对应于特征根的特征向量作为被比较因素的权向量，引入一致性

表1 判断矩阵的取值

指标，当一致性指标满足在一定的范围内，表明判断矩阵通过一致性校验。

3)合成权值和层次排序:一般地，若层次结构由k个层次(目标层算第一层)构成，则方案的优先程度的排序向量为

W=w(k)w(k-1)…w(2)

(2)

式中 W为总层次排序；w(k),w(k-1),…,w(2)分别为每层的单序排序。

2.2 基于对标法的指标能效指数计算

配电网设备能效评估指标体系中大部分指标属于定量指标，为了实现对定量指标的评估，采用取基准值对标的方法将能效指标实际值统一转换成能效指数，方法如下。

对于能效评估正向指标和逆向指标，其单项评估指标指数计算公式分别为

(3)

(4)

最终，正向指标对标计算公式为

(5)

逆向指标对标计算公式为

(6)

式中 Mi为第i项指标实际值；Hi为第i项指标基准值；Li为第i项指标极优值。

2.3 基于加权法的综合能效计算

利用加权法计算配电网设备的综合能效指数为

P=wi∑pi

(7)

式中 P为配电网设备综合能效指数；wi为第i项指标权值；pi为第i项指标能效指数。

3 算 例

在Windows系统的PC上设计算例，采用Matlab和Yaahp辅助软件为层次分析法的决策过程提供模型构造、计算和分析等方面的帮助。为验证所提方法的可行性和有效性，以某地区实际运行的某台型号为S11—50/10的公用配电变压器为测试对象，其具体参数为：额定容量Sn=0.05 MVA，高压侧额定电压UnH=10 kV，低压侧额定电压UnL=0.4 kV，额定空载损耗P0=0.13 kW，额定负载损耗Pk=0.98 kW，空载激磁电流百分数I0%=1.5。从该台变压器低压侧上加装的各类传感器装置中获取其在2014年10月1日00：00～23：00全天的运行数据，采样周期Tf=2 h，见表2。

表2 配电变压器原始运行数据

采用本文所提方法对该配变进行能效评估。首先应用2.1节所提方法计算该配变的各项能效指标的权值，以属于动态类型的各项指标为例建立递阶层次结构模型，见图2。静态指标权值计算方法相同。

图2 递阶层次结构模型Fig 2 Hierarchical structure model

然后根据专家意见构造判断矩阵，根据层次结构，由准则层各指标重要性等级决定目标层判断矩阵，由方案层各指标重要性等级决定准则层判断矩阵，目标层重要度判断矩阵及准则层以节能空间为例构造判断矩阵的取值分别见表3和表4。节能成本及节能难度的判断矩阵构造方法类似。

表3 重要度判断矩阵取值

表4 节能空间判断矩阵取值

借助Yaahp软件对模型进行求解得到指标权值，见表5。

表5 指标权值分布

最后借助Matlab软件，进行指标能效指数计算和加权评估综合能效。根据专家意见确定指标基准值和极优值，根据配电变压器手册确定各项静态指标值，根据配电变压器运行数据的日均值情况确定相应的动态指标值(如,功率因数日均值=(∑每两小时功率因数)/12，电压偏差率日均值=|电压日均值-额定电压|/额定电压×100 %)。配电变压器能效指数计算结果见表6。

根据配电变压器能效指数计算结果，与AHP得到的指标权值进行加权后可知，反映该配电变压器能效受自身参数影响情况的静态指标综合能效指数Pj=72.91，表明该配电变压器的设备参数比较良好，因其为新投入运行的配电

表6 配电变压器能效指数计算结果

变压器，故服役年限短，能效比较好，但因其型号为S11，较目前新一代的S13型号变压器的能效水平相对低一些；反映该配电变压器实际运行中能效状况的动态指标综合能效指数为Pd=73.68，表明该配电变压器运行状况也比较良好，但因其为重载运行、绕组发热较严重且功率因数不高，故其动态能效还有较大提升空间，需采取汇集周边负荷、调高绕组散热风扇转速和加装无功补偿装置等节能措施以优化其运行性能。同时由结果可知该配电变压器的综合能效指数Pz=73.37，表明其整体能效水平比较良好，但还有较大的能效提升空间，如采取相关节能措施改善用电功率因数、使无功就地平衡、检查其是否为考虑谐波畸变而留有格量等，或适当选用调压措施如串联补偿、加装有载调压装置、安装同期调相机或静电电容器等，均能有效提升该台配电变压器的能效。

同理，可用所提方法对配电导线进行能效评估，最终，完成配电网设备能效评估。

4 结束语

本文基于配电网设备上加装的各类传感器装置中的数据，所构建的配电网设备能效评估指标体系对设备各环节的能效影响因素考虑得比较全面，有利于设备节能潜力的深度挖掘；所提出的基于AHP与指数计算的配电网设备能效评估算法不仅在理论上科学合理而且在实践上易于实现。实际的案例分析表明：所提方法能够很好地反映配电网设备多方面能效影响因素的水平状况，便于能效异常排查，是助推电网节能建设、高效运行和可持续发展的有力工具。

[1] 蒋 玲.企业配电网能效分析评估与节能系统设计研究[D].长沙：湖南大学,2014.

[2] 张晓虎,罗隆福,李 勇,等.大功率工业整流系统能效在线监测系统及其远程校准算法[J].电力自动化设备,2014,34(12):123-130.

[3] 韦运杰.高耗能企业电力能效评估研究[D].南京：东南大学,2011.

[4] Ozkan Z,Hava A M.Energy conversion efficiency of single-phase transformerless PV inverters[C]∥International Conference onElectrical &Electronics Engineering,2013:283-287.

[5] De Keulenaer H,Chapman D,Fassbinder S.The scope for energy saving in the EU through the use of energy-efficient electricity distribution transformers[C]∥International Conference &Exhibition on Electricity Distribution,2001.

[6] 杨 建.配电网供电效能分析与节能降损测评技术研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[7] 韩晓慧,杜松怀,苏 娟,等.基于组合赋权法的农村低压配电网能效综合评价方法[J].农业工程学报,2014(16):195-202.

[8] Alvarez,F,Rudnick.Impact of energy efficiency incentives on electricity distribution companies[J].IEEE Transactions on Power Systems,2010(4):1865-1872.

[9] 张勇军,石 辉,许 亮,等.配电网节能潜力评估系统开发方案[J].电力系统自动化,2011,35(2):51-55.

[10] Li Dezhi,Xu Gaojie,Liu Yongshun,et al.Electric power energy efficient management system based on optimization of energy consumption modeling[C]∥International Conference on Electricity Distribution,IEEE,2012:1-6.

[11] 杨小彬,李和明,尹忠东,等.基于层次分析法的配电网能效指标体系[J].电力系统自动化,2013,37(21):146-150,195.

[12] Liu L,Liu C,Wang Y.Distribution grid efficiency assessment grading research based on AHP[C]∥International Conference on Electricity Distribution,IEEE,2014:1503-1506.

Distribution network equipment energy efficiency evaluation based on sensor data*

ZHANG Xing-xing1,PENG Min-fang1,QI Ming-jun2,ZHU Liang2,LENG Hua3

(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.State Grid Hunan Electric Power Company,Changsha 410007,China;3.Electric Power Research Institute,State Grid Hunan Electric Power Company Changsha 410007,China)

On the basis of in-depth analysis on data acquisition condition in all kinds of sensor device of distribution network equipment,comprehensively considering the influence factors of energy efficiency of the equipment,the index system of energy efficiency evaluation of distribution network equipment is established.According to each index has different energy efficiency influence degree on the distribution network equipment in the energy saving potential,cost and difficulty aspects,hierarchical structure model is established,and the analytic hierarchy process(AHP) is used to calculate index weights.According to the characteristics of the quantitative indicators,which are easy to quantify,the benchmarking function is established,the energy efficiency index calculation of quantitative indicators is completed.Thus,energy efficiency evaluation for distribution network equipment is achieved.And an actual distribution transformer example is taken to verify the practicability and effectiveness of the proposed method.

sensor;analytic hierarchy process(AHP);index calculation;distribution network equipment;energy efficiency evaluation

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0054—04

2016—01—07

国家自然科学基金资助项目(61173108，61472128)；湖南省自然科学基金资助重点项目(14JJ2150)；国家电网公司总部科技项目(5216A514001K)

TM 715

A

1000—9787(2016)11—0054—04

张星星(1988-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向为电气设备监测、诊断与评估。