配电变压器负荷精细化管控系统在电网中的应用

陈方瑞, 郑世松, 钟绍山

1. 国家电网上海市电力公司 奉贤供电公司 上海 201499 2. 国家电网黑龙江省电力有限公司 哈尔滨供电公司 哈尔滨 150000



配电变压器负荷精细化管控系统在电网中的应用

陈方瑞1, 郑世松2, 钟绍山1

1. 国家电网上海市电力公司 奉贤供电公司 上海 201499 2. 国家电网黑龙江省电力有限公司 哈尔滨供电公司 哈尔滨 150000

电网配电变压器负荷易受人口流动等因素影响，管控过程较为复杂。在配电变压器负荷数据实时监控系统的基础上，综合考虑实时数据的维护评估与监控机制，以及合理的配电变压器负荷管理目标值，建立了配电变压器负荷精细化管控系统。通过奉贤电网实践证明，这一系统能够使各变压器负荷率得到有效平衡，降低了设备全寿命周期成本与地区电网的碳排放量。

输配电； 变压器； 负荷

随着上海奉贤制造业的发展及轨道交通5号线南延伸段等重大项目建设的推进，奉贤地区吸引了大量外来人员的进入，导致地区配电变压器台区的负荷呈现出流动的态势，使配电变压器负荷管控要求更精细化。规范配电变压器负荷管控过程，准确统计实时负荷，有效提高配电变压器负荷的精细化管控水平，是提高供电企业经济效益和社会效益的重要途径[1]。

针对配电变压器负荷管控过程中因人员流动影响实时数据质量等关键问题，研究并建立了配电变压器负荷精细化管控系统，为实现配电变压器负荷的精细化管控、提高地区配电网的运行效率奠定了基础。

1 配电变压器负荷基本特征及存在的问题

节约电能资源、提高电能利用率是我国电力供应和使用的基本管理原则之一，也是世界各国所普遍关注的问题[2]，其中，降低线损率是提高电能利用率的重要措施。根据国家能源局南方监管局2013年度电力监管报告，南方电网2013年线损率为7.20%，比2012年有所降低，但仍然远高于同期德国电网的4.36%。除我国国土面积大、资源与负荷分布不均衡、远距离输电造成线损率升高等因素外，电网设备，尤其是10kV 配电网设备的能量损耗也是造成线损率高于发达国家的重要原因[3-4]。

在城市建设过程中，配电变压器的分布与容量配置具有很强的时效性[5]，随着城市发展和人口流动，会出现很大变化，这就要求在配电网建设时具有一定的前瞻性，并为后期升级改造留出空间[6]。10kV 配电网设备主要包括配电变压器、线路及开关设备，配电变压器是造成10kV配电网设备线损率高的主要因素[7-8]。配电变压器工作在重载、超载或轻载(依次指负载率高于80%、高于100%、低于20%)[9]的状态下，均会造成线损率上升[10]。变压器的损耗主要分为铜损和铁损，通过计算可以得出，当铁损等于铜损时变压器效率最高[11]。

在配电网的线损计算中，根据能量等值原则将配电变压器等值为一个电阻RT，这样，配电网的线损ΔET即为配电网总均方根电流Iif流过配电线路等值电阻RP和RT所产生的能量损耗，另加全部配电变压器的空载损耗[12-13]，即：

(1)

其中：P0i为第i台配变的空载损耗；m为所求配变的台数；T为运行时间。

均方根电流由T时段平均电流得到，即Iif=ksIpj，ks为首端电流波形因数，Ipj为平均电流。RT和RP的表达式如式(2)、式(3)所示[14]：

(2)

式中：ki为第i台配电变压器的负荷率；Si为第i

台配电变压器的额定容量；Pki为第i台配电变压器的额定负载损耗；U为配电网的额定电压。

(3)

式中：ri为第i个配电线路节段的电阻；kj为第j个配电线路节段之后所挂配电变压器的负载率；Sj为第j个配电线路节段之后所挂配电变压器的额定容量;n为全网配电线路节段数目；mi为第i个配电线路节段之后所挂配电变压器的台数。

为了便于比较配电变压器互换后的线损大小，选取有代表性的6台配电变压器与相关供电线路组成6个小配电网系统进行线损计算，对结果进行比较。各配电变压器小配电网系统的供电量见表1，应用上述公式计算所得各配电变压器损耗及线损率见表2。

表1 各配电变压器供电量

表2 配电变压器损耗计算结果比较

由表1、表2数据可见： 容量相对较大的变压器，其负载率越大，则线损率越小；容量相对较小的变压器，同样表现出负载率越大，线损率越小，但线损率的变化幅度有限。需要注意的是，小容量变压器过载能力有限，长期运行于满负荷状态，会严重影响使用寿命。

2 配电变压器负荷精细化管控系统架构

随着SG186营销系统的顺利上线，配电变压器负荷报表计算实现了由传统手工计算到营销系统自动计算的转变。伴随着用电信息采集系统的顺利上线，实现了自动化抄表，为开展配电变压器负荷精细化管控打下了基础。

在配电变压器负荷精细化管控系统中，供电单位以配电变压器台区为单元，结合用电信息采集系统和各类应用实时系统，基本框架如图1所示。搭建配电变压器负荷信息化统一数据平台，建立配电变压器负荷数据实时监控系统，通过对不同台区配电变压器负荷实时数据的比对分析，建立维护评估与监控机制，合理确定配电变压器负荷管理目标值，将负荷管理指标落实到具体配电变压器，对于偏离目标值的高低压配电变压器及时确定互换管理方案，从而使配电变压器负荷维持在正常水平。

图1 配电变压器负荷精细化管控系统基本框架

经配电变压器负荷精细化管控系统分析，在管理目标值确定的前提下，通过数次调整互换，使调整后的配电变压器运行于理想状态。考虑到实际电网的运行情况，具体调整时会在两台及两台以上配电变压器之间进行，调整过程中涉及的配电变压器越少，对实际电网的运行影响就越小。

配电变压器负荷精细化管控系统为配电变压器的负荷管控提供了有效数据支撑，同时也为电网其它生产业务系统提供了实时基础数据，形成企业内部统一的中低压安全数据源。

3 系统评价指标

3.1 设备全寿命周期成本

传统的设备管理主要是设备在役期间的运行维修，重点保证设备可靠性。现代意义上的设备全寿命周期成本管理指一个项目或系统在整个寿命周期内所需要的总费用，包括采办、使用、维修、保障和退役处理等费用。电力规划人员不仅要考虑设备投资，而且要考虑设备或系统寿命周期内的全部成本。国际上先进的电力公司在投资、设备选型，甚至在检修决策中，常常以全寿命周期为依据，以降低综合成本，提高设备的整体效益。笔者运用计及可靠性的电力设备全寿命周期成本模型[15]，分析配电变压器互换是否有利于设备全寿命周期成本管理。

电力设备全寿命周期成本等年值费用CLCC为设备投资费用、停电损失费用、残值与其它费用之和，其表达式为：

CLCC=CIA+CM+CL-CRA+CO

(4)

式中：CIA为设备投资费用等年值；CM为电力设备年运行维护费用；CL为电力设备年停电损失费；CRA为设备残值；CO为由偶然因素带来的费用。

当对多个方案进行全寿命周期成本比较时，CLCC相对小者，属于优选方案。因此，可直接通过计算CLCC来比较采用配电变压器负荷精细化管控系统后对地区电网的效益影响。

3.2 碳排放量

根据联合国政府间气候变化专门委员会手册提出的碳排放计算详细步骤，结合能源统计数据特点，采用如下公式计算碳排放量A：

(5)

式中：Bu为能源u的消费量，按标准煤计；Cu为能源u的碳排放因数，原煤取为0.7559；w为能源种类。

考虑到电力能源的主要一级来源为煤炭，以原煤作为衡量碳排放量的计算依据，公式(5)简化为A=0.7559B。通过计算碳排放量确定采用配电变压器负荷精细化管控系统后对地区环境的影响。

4 系统应用实例

配电变压器负荷率的选择原则上按变压器效率最高决定，同时综合考虑配电变压器的类型规格及负荷实际运行情况[16]。配电变压器的最佳负荷率一般介于40%～60%[17-18]，在实际运行中，负荷率随时间变化。从节能与提高配电变压器经济效益的角度考虑，要求管控后具体单台配电变压器运行于最佳负荷率区间的时间最长，选取负荷精细化管控系统调整后的两台配电变压器，研究负荷率的变化情况[19]。表3与表4为互换前后两台配电变压器的负荷率情况。

表3 互换前配电变压器情况

表4 互换后配电变压器情况

由表3与表4可得，互换后，轻工机械与建国七队两台配电变压器的整体线损率大大降低，且配电变压器的负荷率也更接近最佳负荷率区间。建国七队160kVA配电变压器由于负荷率由严重过载降至最佳负荷率附近，运行温度显著降低，使用寿命有效延长。

据初步估算，配电变压器负荷精细化管控系统在奉贤电网推广应用后，配合配电网停电检修，结合拆迁、改造等，2016年共对122对大小容量配电变压器进行调整，调整后配电变压器负荷均运行于目标值以内。采用系统评价指标对应用精细化管控系统后的效果进行分析，效果见表5。

表5 配电变压器负荷精细化管控效果

与此同时，总体线损率大大降低，每年可为奉贤地区节约电量213.74万kWh，按实际波峰与波谷用电比例进行计算，每年节省电费138.93万元，经济效益十分可观。

5 结束语

奉贤电网以用电信息采集系统和各类应用实时系统为平台，构建配电变压器负荷精细化管控系统，通过对不同台区配电变压器负荷实时数据的比对分析，建立维护评估与监控机制，同时合理设置配电变压器负荷管理目标值，对于偏离目标值的高低压配电变压器及时确定调整管理方案。

配电变压器负荷精细化管控系统应用于奉贤电网122对大小容量配电变压器，使各台区配电变压器负荷率有效平衡，减小了台区的线损，降低了设备全寿命周期成本，同时大大减少了地区电网的碳排放。配电变压器负荷精细化管控系统的应用，为电网企业的节能增效和经济运行提供了有效辅助决策依据。

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(编辑： 启 德)

The load of distribution transformer in power grid is subject to population flow and other factors, so that the control process is more complex. Based on the real-time monitoring system of the load data of distribution transformer, with comprehensive consideration of the maintenance and evaluation mechanism for real-time data and monitoring mechanism as well as the management target for reasonable load of distribution transformers, a fine load control system for distribution transformer was established. The practice in Fengxian grid has proved that this system can balance effectively the transformer’s load rate, cut the life cycle cost of the equipment and reduce the carbon emissions of regional power grid.

Transmission and Distribution； Transformer； Load

2016年10月

陈方瑞(1986— )，男，硕士，工程师，主要从事电力系统生产和企业管理等工作， E-mail： fangrui.ch@163.com

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