王善生, 朱靈子, 甘凌霄

(1.華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510640; 2.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心, 貴州 貴陽(yáng) 550000;3.貴州電網(wǎng)公司貴陽(yáng)供電局, 貴州 貴陽(yáng) 550000)

基于智能搜索的配電變壓器綜合效益模型

王善生1, 朱靈子2, 甘凌霄3

(1.華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510640; 2.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心, 貴州 貴陽(yáng) 550000;3.貴州電網(wǎng)公司貴陽(yáng)供電局, 貴州 貴陽(yáng) 550000)

為了提高配電變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)性，研發(fā)了一種基于智能搜索的配電變壓器綜合效益模型；攜帶電能質(zhì)量分析儀FLUKE435對(duì)南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)某工礦企業(yè)進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，并通過(guò)較精確的計(jì)算方法將測(cè)得數(shù)據(jù)代入模型。在節(jié)能運(yùn)行方式下，模型計(jì)及變壓器負(fù)載系數(shù)、容量費(fèi)、空載損耗、負(fù)載損耗收期最小的配變?nèi)萘?；并與經(jīng)典節(jié)能改造方案進(jìn)行對(duì)比，證明基于智能搜索模型的新方案能夠兼顧企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)的節(jié)能效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和社會(huì)的雙贏。

配電變壓器；智能搜索；綜合效益模型；節(jié)能運(yùn)行方式；最優(yōu)投資回報(bào)率；雙贏

0 引 言

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，節(jié)能減排是我國(guó)當(dāng)前的重要國(guó)策和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的重要保證。經(jīng)過(guò)三十年的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，2010年中國(guó)已成為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，同時(shí)中國(guó)也已取代美國(guó)成為全球最大的二氧化碳排放國(guó)，我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)十分嚴(yán)重，環(huán)境約束凸顯[1]。合理用電，節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)計(jì)民生的重中之重。

變壓器是在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中是一種應(yīng)用極為廣泛的電氣設(shè)備。由于變壓器臺(tái)數(shù)多，總?cè)萘看?，所以在廣義電力系統(tǒng)(包括發(fā)、輸、配、送、用五個(gè)環(huán)節(jié))中，變壓器總的電能損耗約占整個(gè)電力系統(tǒng)損失的30%[2]。 而配電變壓器——主要指電壓等級(jí)在 35 kV、10 kV及以下,容量為 6 300 kVA以下的電力變壓器，盡管單臺(tái)能耗有限,但由于其分布范圍廣、數(shù)量眾多, 運(yùn)行中的總損耗卻相當(dāng)驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)上網(wǎng)運(yùn)行的配電變壓器總?cè)萘看蠹s是發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的 3倍,其總電能損耗約占全國(guó)總發(fā)電量的3%。可見(jiàn)配變?cè)陔娋W(wǎng)節(jié)能減排中具有巨大的潛力[3]。早在1997 年，國(guó)家就開(kāi)始全面推廣S9節(jié)能型變壓器用于取代 S7系列老產(chǎn)品[4]，電網(wǎng)公司也一直積極推進(jìn)對(duì)變壓器節(jié)能運(yùn)行方式的研究[5-6]，兩者均取得了顯著的節(jié)能效果。本文正是基于對(duì)配電變壓器節(jié)能的深入研究，采用方均根計(jì)算法對(duì)FLUKE435采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，接著利用智能搜索模型對(duì)某工礦企業(yè)的多臺(tái)配變進(jìn)行節(jié)能改造分析，并通過(guò)與經(jīng)典節(jié)能改造方案的對(duì)比，最終證明基于智能搜索模型的新方案取得良好效果，能夠兼顧企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)的節(jié)能效益。

1 變壓器損耗精確算法及企業(yè)電氣特點(diǎn)

1.1 變壓器損耗精確算法

變壓器的空載損耗是不隨負(fù)荷波動(dòng)而變化的，變壓器損耗的分析計(jì)算工作主要是變壓器的負(fù)載損耗?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的負(fù)載損耗計(jì)算方法，基本上可以分為五個(gè)類型：方均根負(fù)載計(jì)算法(即負(fù)載形狀系數(shù)法)、平均負(fù)載系數(shù)計(jì)算法、修正系數(shù)計(jì)算法、負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)計(jì)算法等[7]44。相對(duì)于方均根負(fù)載計(jì)算法，明顯其它的算法都會(huì)有一定的誤差及使用范圍，但都較方均根負(fù)載計(jì)算法更易實(shí)現(xiàn)[8]。所以，用于計(jì)算變壓器的節(jié)能效益精度較高的是方均根負(fù)載算法。

為了滿足方均根負(fù)載算法的測(cè)量要求，選用了美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的滿足A類精度的電能質(zhì)量分析儀——FlUKE435作為測(cè)量?jī)x器，測(cè)量間隔為ΔT=30 s，故可將全天T=24 h的變壓器損耗可分成2 880個(gè)微小時(shí)間段來(lái)計(jì)算，于是變壓器的負(fù)載率和變壓器節(jié)能量分別如(1)和(2)所示：

(1)

式中Pi—第i個(gè)采樣間隔的有功功率值

cosφi—第i個(gè)采樣間隔的功率因數(shù)值

(2)

1.2 企業(yè)的電氣特點(diǎn)

該企業(yè)由一條10 kV線路供電，電氣主接線方式為單母線接線，母線下接3臺(tái)10 kV/380 V變壓器和1臺(tái)10 kV高壓風(fēng)機(jī)。企業(yè)電氣主接線圖如圖1所示(紅色為測(cè)量點(diǎn))。同時(shí)也了解到該廠電氣設(shè)備較老，配電房?jī)?nèi)環(huán)境比較惡劣，布線凌亂。其中，1#和2#變布置于廠房西側(cè)，3#變單獨(dú)布置于廠房東側(cè)，兩側(cè)相距150 m左右。

圖1 企業(yè)電氣主接線

1.3 基于精確測(cè)算的變壓器負(fù)載系數(shù)

如圖1所示，將Fluke435先后安裝于3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，記錄各個(gè)變壓器的負(fù)荷情況，測(cè)量時(shí)間為24小時(shí)。圖2所示為1#變壓器一天24小時(shí)視在功率的負(fù)載曲線。

圖2 1#變壓器視在功率測(cè)量曲線

得到精確的變壓器數(shù)據(jù)后，將Fluke435的測(cè)量代入公式(1)，如表1所示。

表1 各變壓器的負(fù)載率

2 智能搜索模型的對(duì)比分析

1#、2#變壓器的型號(hào)為SJ1-320/10，3#變壓器的型號(hào)為S7-315/10，3臺(tái)變壓器均屬于國(guó)家強(qiáng)制淘汰的高能耗產(chǎn)品，推薦全部更換為目前技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較為廣泛的S15型非晶合金變壓器。在實(shí)際生產(chǎn)中，電網(wǎng)公司要向工業(yè)用戶收取配變的容量費(fèi)。因此，工業(yè)用戶的電價(jià)應(yīng)相應(yīng)地分為電力電價(jià)和電量電價(jià)兩部分。電費(fèi)R可以由公式(3)所示[9]：

R=ρp,dPd+ρw,dWd

(3)

式中ρp,d—電力電價(jià) (或容量電價(jià))，元/kVA；Pd—用戶容量，kVA；Wd—用電電量，kWh；ρw,d—電量電價(jià)，元/kWh。

基于電力電價(jià)和電量電價(jià)是一定的，我們把公式(3)微分化轉(zhuǎn)換為公式(4)，ΔR為電費(fèi)的變化量，即節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益：

ΔR=ρp,dΔPd+ρw,dΔWd

(4)

2.1 經(jīng)典節(jié)能方案

參照原設(shè)計(jì)方案，將1#、2#、3#變壓器替換為同等容量或者與之容量相近的新型變壓器。這也是最常用的傳統(tǒng)節(jié)能改造的方案，文獻(xiàn)[7、10—13]反映了多名學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)節(jié)能改成方案進(jìn)行了深入的研究。對(duì)于目前市場(chǎng)上技術(shù)比較成熟、節(jié)能效果優(yōu)良的非晶合金變壓器來(lái)說(shuō)，投資價(jià)差回收期限是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，它直接反映非晶合金變壓器應(yīng)用的可行性。由于投資的動(dòng)態(tài)回收期法考慮資金的時(shí)間價(jià)值，不確定因素太多，一般采用靜態(tài)投資回收期法進(jìn)行估算[14]。本文在計(jì)算投資回收期時(shí)也將延續(xù)這一思想。下面筆者將容量為315 kVA的S15型變壓器的各項(xiàng)參數(shù)代入公式(4)，容易得到經(jīng)典節(jié)能方案的年節(jié)能各項(xiàng)指標(biāo)，如表2所示。

表2 經(jīng)典節(jié)能方案年節(jié)能各項(xiàng)指標(biāo)

通過(guò)上表分析得知：2#變更換為S15-315/10變壓器后，雖然經(jīng)濟(jì)效益明顯，但是2#變的負(fù)載率升高至91.7%，遠(yuǎn)高于S15型變壓器的最優(yōu)負(fù)載率(大約為20%—30%)，造成變壓器本身大量的能量損耗，與社會(huì)節(jié)能減排趨勢(shì)相矛盾。3#變更換后，雖然變壓器自身的能耗降低，但是由于投資回收期較長(zhǎng)，企業(yè)出于自身利益的考慮，可能不愿意進(jìn)行節(jié)能投資。那么怎么才能兼顧企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益與社會(huì)節(jié)能減排效益。為此，筆者引入了一種智能搜索方案。

2.2 智能搜索方案1

將1#、2#、3#變壓器分別替換為3臺(tái)S15節(jié)能型變壓器。其配變?nèi)萘康葏?shù)由智能搜索模型自動(dòng)擇優(yōu)選擇。

公式(2)代入公式(4)，節(jié)能空間模型公式(5)為：

(5)

式中i=1、2、3分別對(duì)應(yīng)1#、2#、3#變壓器。

特別要注意的是當(dāng)變壓器容量改變后，其負(fù)載率要發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)負(fù)載率為 20%～30% 時(shí)，非晶合金配電變壓器的有功損耗率最低，效率最高。 但是總體來(lái)看，當(dāng)非晶合金配電變壓器負(fù)荷率≤60%時(shí)，有功損耗率相對(duì)較低，節(jié)能效果較好[15]。因此對(duì)每一臺(tái)變壓器尋求最優(yōu)：

(6)

式中Ci—最優(yōu)容量S15變壓器對(duì)應(yīng)的報(bào)價(jià)，元；Pyi—第i臺(tái)變壓器的原來(lái)的容量，kVA；Pi—第i臺(tái)變壓器更換后的容量，kVA；Poyi、Pyki—第i臺(tái)原來(lái)的空載和負(fù)載損耗；kW；P0i、Pki—第i臺(tái)更換后的空載和負(fù)載損耗；kW。

由上式可知，我們的搜索量是Pi、P0i、Pki、Ci，待求量是maxRi和minyear。對(duì)于S15非晶合金變壓器，每一個(gè)Pi就對(duì)應(yīng)一個(gè)P0i、Pki和Ci。所以就極大的減少了需要搜索的數(shù)據(jù)量，最后該問(wèn)題就簡(jiǎn)化為了在離散化的數(shù)據(jù)條件下尋求最優(yōu)化問(wèn)題。讀入智能搜索模型，如圖3所示。

圖3 1#、2#、3#變壓器智能搜索方案1

根據(jù)圖3所顯示的數(shù)據(jù)，反應(yīng)如表3所示。

表3 智能搜索方案1

將表3的數(shù)據(jù)與經(jīng)典節(jié)能方案作對(duì)比分析，可知：

(1)搜索方案1的1#、2#、3#配變均處于節(jié)能運(yùn)行方式，均滿足文獻(xiàn)[15]提出的：當(dāng)非晶合金配電變壓器負(fù)荷率≤60%時(shí)，節(jié)能效果較好；而經(jīng)典節(jié)能方案的2#變明顯不處于節(jié)能運(yùn)行方式。所以智能搜索方案1較經(jīng)典方案起到了較好的節(jié)能效果。

(2)分析圖3中部分“回收期為負(fù)”的原因：當(dāng)變壓器容量增加到一定程度時(shí)，所增加的容量費(fèi)遠(yuǎn)大于節(jié)能運(yùn)行所省下的電量費(fèi)，導(dǎo)致企業(yè)節(jié)能收益為負(fù)值，而不是投資回收期為負(fù)。

(3)3#配變?cè)谥悄芩阉鞣桨?下，每年多耗電能1 555 kWh，但是投資回收期從原來(lái)的13.02年下降到現(xiàn)在的3.13年，綜合效益明顯提升，極大的刺激了企業(yè)節(jié)能改造的積極性；1#變也是同樣的情況，不再贅述。

(4)2#配變?cè)谥悄芩阉鞣桨?下，年節(jié)能電量比經(jīng)典方案多出11 220 kWh，節(jié)能效益十分顯著，但是投資回收期延長(zhǎng)到10.63年。企業(yè)基于自身利益的考慮，可能不愿意進(jìn)行節(jié)能改造。所以在條件允許下，我們還需進(jìn)一步優(yōu)化2#變的改造方案。

2.3 智能搜索方案2

由于1#、2#變均布置在廠房東側(cè)，考慮將1#、2#變合并成一個(gè)大容量的S15型變壓器。3#變改造方案不變。把數(shù)據(jù)讀入智能搜索模型，如圖4所示。

圖4 1#、2#變壓器的負(fù)載合并后智能尋優(yōu)方案2

由搜索模型知：當(dāng)1#、2#變壓器的負(fù)載合并后，變壓器最優(yōu)為800 kVA，資本回收期為4.43年，年節(jié)能電量93 290 kWh。3#變與搜索方案1相同。

下面筆者采用投資決策中常用的加權(quán)平均回收期法[16]將三種方案的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比(如表4所示)。

表4 三種方案綜合效益對(duì)比分析

將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析：

(1)企業(yè)對(duì)三種方案投資差額的敏感性不高，均處于可以接受的范圍。

(2)搜索方案1比經(jīng)典方案節(jié)能效益更優(yōu)，但是加權(quán)投資回收期也相對(duì)長(zhǎng)一些。部分企業(yè)會(huì)可能出于短期經(jīng)濟(jì)行為而不選擇方案1，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，方案1的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益仍然優(yōu)于經(jīng)典方案。

(3)搜索方案2在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面均優(yōu)于經(jīng)典方案，并且隨著變壓器技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，大容量變壓器有逐年降價(jià)的趨勢(shì)；而工業(yè)電價(jià)如果上調(diào)，這將使得選擇大容量變壓器進(jìn)行節(jié)能改造的工礦企業(yè)占得成本先機(jī)。所以推薦該企業(yè)采用方案2進(jìn)行節(jié)能改造。方案2在一定意義上兼顧了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與其所承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，使企業(yè)與社會(huì)在節(jié)能減排過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了雙贏。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)在國(guó)家“十二五”節(jié)能減排的大背景下，工礦企業(yè)應(yīng)該把節(jié)能減排、提高能效放在首要位置，企業(yè)不能僅僅基于自身利益的最大化，更要積極的詮釋其義不容辭的社會(huì)責(zé)任。

(2)電網(wǎng)公司作為中央企業(yè)，更應(yīng)該積極的指導(dǎo)與協(xié)作工礦企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排。通過(guò)智能搜索表明，如果電網(wǎng)公司能把變壓器容量費(fèi)降低到一定程度，由于經(jīng)濟(jì)杠桿作用，工礦企業(yè)會(huì)主動(dòng)的選擇大容量變電器，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏。

(3)工礦企業(yè)由于技術(shù)力量有限，其進(jìn)行的節(jié)能改造往往帶有一定的盲目性和沖動(dòng)性?；谥悄芩阉鞯呐潆娮儔浩髂Ｐ涂梢栽谝欢ǔ潭壬蠌浹a(bǔ)了我國(guó)工礦企業(yè)在能效評(píng)估方面的相對(duì)不足，對(duì)于建設(shè)可持續(xù)的綠色現(xiàn)代工業(yè)有著積極的推動(dòng)作用。

[1] 胡少?gòu)?qiáng),甘凌霄.引入合同能源管理的高耗能企業(yè)電氣節(jié)能可行性方案探討[J] .節(jié)能技術(shù),2011,29(6):537-540.

[2] 胡景生.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 周曉虹,陳叔濤.配電變壓器的節(jié)能[J].華東電力,2010,38(9):1475-1479.

[4] 單曉紅,曾令通,王亞忠.節(jié)能型變壓器節(jié)能運(yùn)行方式的探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(8):104-107.

[5] 侯元文,張青峰.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在變電站的實(shí)踐[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(10):147-150.

[6] 王亞忠.雙繞組變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載系數(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(17):60-63.

[7] 張祿亮,余濤,曾江,等.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變壓器節(jié)能效益精確測(cè)算方法及實(shí)例研究[J].電氣應(yīng)用,2010,29(22):44-47.

[8] 胡景生.變壓器能效與節(jié)電技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[9] 于爾鏗.電力市場(chǎng)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,1998.

[10] ZHANG ZHI GANG,LIU LIAN XIAO,LI ZHI YONG, et al. Analysis of the economic benefit to new energy-saving distribution transformers [C].//China International Conference on Electricity Distribution(CIECD) 2008:1-3.

[11] 王金麗,盛萬(wàn)興,向馳.非晶合金配電變壓器的應(yīng)用及其節(jié)能分析[J]．電網(wǎng)技術(shù),2008,32(18):25-29.

[12] 劉桂濤,白敬中.農(nóng)網(wǎng)中S11-MR型節(jié)能配電變壓器替代S7型后節(jié)能效益研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2010,52(1):130-134.

[13] HAO WEN,HUI ZOU,CHENG OUYANG, et al .Exploration on energy-savingeffect of amorphous transformers extended in Nanning based on theoretical analysis and Total Owning Cost methods(TOC) [C]. //China International Conference on Electricity Distribution(CIECD) 2008:1-8.

[14] 楊中地,武穎.非晶合金變壓器[J].變壓器,2007,44(7):1-8.

[15] 王金麗,盛萬(wàn)興,楊紅磊,等.非晶合金配電變壓器的技術(shù)性能分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(10):32-35.

[16] 何向華.加權(quán)平均回收期法的拓展及其在投資決策中的應(yīng)用[J]. 財(cái)經(jīng)問(wèn)題研究,1997,19(8):61-63

A Comprehensive Benefit Model for Distribution Transformers Based on Intelligent Search

Wang Shansheng1, Zhu Lingzi2, Gan Lingxiao3

(1. Architectural Design & Research Institute, SCUT, Guangzhou Guangdong 510640, China;2. Guizhou Power Grid Co. Power Dispatch and Control Center, Guiyang Guizhou 550000, China;3. Guizhou Power Grid Co. Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang Guizhou 550000, China)

To improve comprehensive economy of distribution transformers, this paper develops a comprehensive benefit model for distribution transformers based on intelligent search. Power quality analyzer FLUKE435 is used for uninterrupted monitoring of an industrial/mining enterprise in the area of China Southern Power Grid on the 24-hour base, and measured data are taken into the model in a quite precious calculation method. In the energy-saving operational mode, the model completes computation of the capacity of distribution and transformation under consideration of transformer load factor, capacity fee, zero-load loss, load loss and optimal return on investment. A comparison with classical energy-saving modification schemes verifies that this novel scheme based on intelligent search can balance enterprise's economic benefit and social energy-saving effect to create win-win situation between the enterprise and the society.

distribution transformers; intelligent search; comprehensive benefit model; energy-saving operation mode; optimal return on investment; win-win

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.026

TM744

A

1000-3886(2016)05-0082-04

王善生(1984-),男，山東臨沂人，碩士，工程師，注冊(cè)電氣工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)計(jì)與電氣節(jié)能。 朱靈子(1987-)，女，貴州凱里人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、穩(wěn)定與控制。 甘凌霄(1987-)，男，貴州貴陽(yáng)人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與節(jié)能減排。

定稿日期: 2016-03-25