综述智慧配电系统中负荷调配对变压器的影响

马霄鹏， 汤纪元， 杨少平

(1. 中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2. 福建兆翔机场建设有限公司，厦门 361000)

0 引言

近年来，随着智慧城市建设的不断深化，智慧配电系统的研究越来越被关注。 电力系统不仅要为用户提供安全、可靠、高质的用电环境，还要充分考虑电力运行的经济性、灵活性、可持续性。 在传统的智能配电系统的基础上需要增加系统更多的主动性和自适应性，从智能向智慧转化，不再是简单的数据读取和统计，而更多的是实现配电系统的智慧调配。

在智慧配电系统的研究中，笔者对既有建筑进行了部分回访，发现民用建筑在实际运行中存在的几个问题。

(1)变压器负载率偏低是普遍存在的现象。 参考悉地国际某团队对全国公共建筑运行情况的调研(见图1)，可以看到，大部分建筑的用电指标平均在45W/m2左右，有的只有7W/m2，也从侧面佐证了各个建筑变压器长期处于低负载率运行的现象，造成大量资源浪费。

图1 公共建筑负荷密度统计

(2)成组运行的两台变压器负荷分配不均匀。其中一台变压器负载率远高于另一台变压器，而运维人员又不能对两台变压器进行负荷调配。

(3)未设置独立变压器的季节性负荷(如空调)，随着季节的变化，变压器的负载率波动大。

(4)由于传统的电力监控系统向运维人员提供的运行数据有限，运维人员很难根据实际运行情况进行电力调度。

如何有效解决上述问题，这就需要深度挖掘负荷与变压器之间的关系，并为智慧配电系统提供算法支持和预设的解决方案。 通过智慧配电系统的超强计算能力和自适应能力，根据负载运行情况实现自动调配，优化系统配置，使变压器始终处于最佳经济运行状态，最大限度的利用现有资源，同时又能保证重要负荷的供电可靠性，这也是智慧配电系统功能研究的方向之一。

1 负荷与变压器的关系

1.1 根据计算负荷功率确定变压器容量

进行负荷调配首先要了解负荷与变化器的关系。

根据负荷功率取值不同，负荷分为计算负荷和实际负荷。 狭义的计算负荷又称最大负荷或需要负荷，通过需要系数法计算得到，是用来选取变压器容量的主要依据。 而实际负荷是实际接入电网的各类电气负荷的叠加，根据运行情况不同，其值也是随机变化的。 通常计算负荷值与实际变动负荷产生的最大热效应相等。 通过需要系数法获取的最大负荷是设备组的设备功率乘以需要系数得出需要功率，再对多组负荷的需要功率叠加后乘以同时系数获得。 因此需要系数和同时系数的选取至关重要，系数选取过小，变压器负载率过高，会增加变压器的负载损耗，引起变压器温度快速升高，加速设备老化，抗负荷波动能力低；系数选取过大，变压器负载率低，其自身损耗占总功率的比例过高，造成资源浪费。 系数的选取受计算者的主观因素较大，也是造成设计值与实际运行值偏差大的主要原因。 无论系数选取过大或过小都是不可取的。

需要指出的是，这里的计算负荷又分为两种情况，一种是正常电力运行状态下，单台变压器所带全部负荷的计算功率，另一种是在一路电源或变压器发生故障情况下，另一台变压器需要保证持续供电的重要负荷的计算功率。 通常一般负荷和重要负荷(又叫保障性负荷)，是根据供电需求划分的，GB 51348－2019《民用建筑电气设计标准》中规定，负荷分为三个等级，即三级负荷、二级负荷、一级负荷，其中一级负荷中又包含一级特别重要负荷。 一般负荷属于三级负荷，对供电无特殊要求，而二级及以上负荷均属于重要负荷，要求成组供电的两台变压器，任一台变压器容量应能满足本组所带负荷的全部二级及以上负荷供电(冷水机组为二级负荷时除外)。 因此重要负荷的计算功率也是确定变压器容量的重要参考指标。

通常情况下，一般民用建筑中，三级负荷的计算功率远大于二级及以上负荷的计算功率总和，因此重要负荷的计算功率不会对变压器容量的选取造成影响，但是对于特殊功能建筑，如五星级酒店、Ⅲ类以上民用机场、国际会议中心、三级医院等含有大量二级及以上重要负荷的建筑，其重要负荷的计算功率总和对变压器容量的选取有较大影响，此时变压器负载率需控制在50%左右。 在此种情况下，如果需要系数选取不当，就会出现变压器过载，或负载率长期处于过低的情况，有的甚至不到20%。

1.2 变压器负载率对变压器运行参数的影响

变压器平均负载率是指在一定时间内，变压器平均输出的视在功率与变压器额定功率之比。 通常，变压器负载率对变压器的运行参数会造成以下影响。

(1)变压器负载率过高影响变压器的使用寿命

变压器的寿命和运行时间不是简单的线性关系，而是由变压器的预期寿命和综合使用时间来确定的，综合使用时间与变压器的热点温升有关，而变压器的热点温升与变压器负载率成指数关系，见式(1)。

式中，ΔθHSn为给定负载下绕组热点温升；β为给定的负载率；q为自然冷却(AN)取1.6，强迫冷却(AF)取2；Z 为假定为1.25；Δθwr为额定负载下绕组的平均温升。

由于室内安装的变压器大都选用强制风冷型的变压器，根据式(1)可计算出强制风冷型的变压器负载率与额定温升的关系，见表1。

变压器负载率与额定温升的关系 表1

从表1 中可以看出，变压器的温升与负载率的平方成正比。 负载率的变化对变压器的温升影响巨大，尤其是当超负载运行时。

变压器的预期寿命与变压器的热点(指绕组中的最热点)温度直接相关，热点温度升高会加速绝缘材料老化、性能失效，是变压器寿命缩短的主要原因。表2 给出了变压器器过载倍数与过载时间的关系。

变压器过载倍数与过载时间的关系 表2

可见，变压器的过载运行时间与其过载的倍数关系特别大。 当然如果在变压器过载时，通过降温措施，使其热点温度仍然满足额定温度要求，则变压器可长期持续运行。

(2)变压器负载率与变压器损耗的关系

变压器综合负载损耗包括空载损耗和负载损耗，空载损耗与负载无关，而负载损耗是参考温度下，变压器绕组的电阻损耗，和变压器负载率的平方成正比，详见式(2)。

式中，KT为负载波动损耗系数；β为变压器负载系数。

根据式(2)可以看出，变压器的综合损耗除与变压器的固有损耗有关外，与变压器的负载系数关系密切。

(3)变压器经济运行区的划分

变压器在某一负载范围内运行时，可以使自身的损耗降到最小，从而达到节能的目的，这个范围叫变压器的经济运行区。 变压器的损耗直接影响其经济运作。

说到经济运行区，就要引入一个经济负荷系数βJZ的概念。 对于双绕组变压器，在其运行中，综合功率损耗率随负载系数呈非线性变化，在其非线性曲线中，最低点即为综合功率经济负荷系数，见公式(3)。

式中，POZ为变压器综合功率空载损耗，kW；PKZ为变压器综合功率负载功率损耗，kW；KT为负载波动损耗系数。

变压器经济运行区间的负载系数应在综合功率经济负载系数的平方(βJZ2)至1 之间，根据式(3)可绘制出图2 所示曲线，变压器负载率在75%时，为最佳运行区上限，最佳运行区下限为1.33βJZ

图2 变压器综合功率损耗率与平均负载系数β 的函数关系

变压器综合功率运行区间的范围划分:经济运行区为βJZ2≤β≤1；最佳经济运行区为1.33βJZ2≤β≤0.75；非经济运行区0≤β≤βJZ2。 表3 为SCB13型干式变压器经济运行负载率及最佳经济运行区范围。

SCB13 型干式变压器经济运行负载率及最佳经济运行区范围 表3

从表3 中可以看到，变压器负载率在25%～75%之间均处于最佳经济运行区，但需要注意的是，这里的经济运行范围是实际运行负载率，由于设计值与实际值存在偏差，因此设计人员在实际设计过程中尽量靠近经济运行负载系数。 鉴于目前设计人员在需要系数和同期系数选取时较为保守，设计负载率应略高于经济运行负载系数。

2 两台变压器最佳运行负载率的调配

基于对负载率与变压器运行关系的分析，提出变压器最佳运行负载率的调配方案，并以此作为智慧配电系统后台运行的预设方案。

针对如何合理选择变压器容量，使变压器的容量得到有效利用，不至于让变压器负荷率平时过低，又能让变压器在一台退出运行后，另一台还能作为保障性负荷供电保障的问题。 笔者重点研究了在民用建筑中最常见的两台变压器的运行模式。

2.1 两台变压器的运行模式分析

两台变压器组合运行方式有三种，分别是两台变压器分别单独运行(组合方式1)、两台变压器并列运行(组合方式2)、两台变压器分列运行(组合方式3)。 对于变压器单独运行的情况，只要满足上述负载率区间的要求，即可达到最佳运行。 当两台变压器同时运行时，整体负荷在临界负荷和75%额定负荷之间时，两台变压器均在最佳经济运行区。

2.2 两台双绕组变压器并列运行

在选择运行方式前，应绘出各种组合方式(两台变压器容量的组合)综合功率损耗的负载特性曲线ΔPZ＝f(s)。 Ⅰ表示组合方式1 的综合功率损耗的负载特性曲线，Ⅱ表示组合方式2 的综合功率损耗的负载特性曲线，见图3。

图3 不同方式负荷特性曲线

若两种组合方式的曲线没有交叉点时，则选择空载损耗较小的变压器组合方式运行，若组合方式有交叉点时，称交点处为临界负荷，临界负荷可通过式(4)计算:

式中，P0Z为空载损耗组合参数；PKZ为负载损耗组合参数；SNZ为组合变压器容量；KT 为负载波动算好系数；I 和II 分别为变压器两种不同的运行方式。

对于小于临界负荷的负载，应选择空载损耗较小的变压器组合方式运行，对于大于临界负荷的负载，应选用额定负载损耗值较小的变压器组合方式运行。

2.3 两台变压器分列运行

对二次侧有联络的分列运行的双绕组变压器，在总的供电负载不变的情况下，应对共用一台或两台变压器分列运行进行比较(前提是共用一台满足负荷等级要求)。 在采用一台变压器满足总供电负载和供电要求的情况下，应对两台分列运行变压器的空载损耗和额定负载损耗进行比较，选择总损耗最低的共用变压器。 再对选定共用变压器与两台变压器分列运行方式进行比较，选择出综合功率损耗最小的运行方式。

3 变压器的负荷调配需遵循的基本原则

(1)掌握变压器运行容量，可以有效控制负荷容量的增加，优化其维护时间段，对于季节性调配负荷，可以考虑停歇处理，减少空载损耗。

(2)当变压器有冗余容量时，使其得到充分的利用，当变压器一台故障另一台可带载一些三级负荷，使其供电得到保障。

(3)当负荷率较低时，利用变压器满载可长期运行特点，通过智慧配电系统平台统计结果，当一台变压器故障，另一台变压器允许带载全部负荷时，投切时不用卸载，保障了所有负荷供电的连续性。

(4)在满足最佳节能效果的情况下，充分利用变压器的有效负载，最大化地提高变压器的利用率，有利于降低建筑物单位面积的装机容量。

(5)变压器的温升随着变压器负载率的变化而变化，在合理的温升范围内，最大化地提高变压器的利用率，不至于一味提高变压器的负载率而降低提变压器的使用寿命。

(6)需要注意的是，变压器带负载前需要完成空载合闸，并安全运行24h 以上方可投入负载，一般变压器可承受80%的突加负载。

为使变压器得到充分有效的利用，除在设计阶段考虑各类负荷的搭配，充分利用错峰运行的负荷、季节性负荷、间歇性负荷、不同重要性负荷的特点，最大化的有效利用变压器，同时在运行阶段，尚需依靠智慧配电系统超强计算能力，对大量的运行数据进线统筹运算和比对，方能提供有效的调配方案。