馬霄鵬， 湯紀(jì)元， 楊少平

(1. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044；2. 福建兆翔機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司，廈門 361000)

0 引言

近年來(lái)，隨著智慧城市建設(shè)的不斷深化，智慧配電系統(tǒng)的研究越來(lái)越被關(guān)注。 電力系統(tǒng)不僅要為用戶提供安全、可靠、高質(zhì)的用電環(huán)境，還要充分考慮電力運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可持續(xù)性。 在傳統(tǒng)的智能配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上需要增加系統(tǒng)更多的主動(dòng)性和自適應(yīng)性，從智能向智慧轉(zhuǎn)化，不再是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)讀取和統(tǒng)計(jì)，而更多的是實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智慧調(diào)配。

在智慧配電系統(tǒng)的研究中，筆者對(duì)既有建筑進(jìn)行了部分回訪，發(fā)現(xiàn)民用建筑在實(shí)際運(yùn)行中存在的幾個(gè)問(wèn)題。

(1)變壓器負(fù)載率偏低是普遍存在的現(xiàn)象。 參考悉地國(guó)際某團(tuán)隊(duì)對(duì)全國(guó)公共建筑運(yùn)行情況的調(diào)研(見(jiàn)圖1)，可以看到，大部分建筑的用電指標(biāo)平均在45W/m2左右，有的只有7W/m2，也從側(cè)面佐證了各個(gè)建筑變壓器長(zhǎng)期處于低負(fù)載率運(yùn)行的現(xiàn)象，造成大量資源浪費(fèi)。

圖1 公共建筑負(fù)荷密度統(tǒng)計(jì)

(2)成組運(yùn)行的兩臺(tái)變壓器負(fù)荷分配不均勻。其中一臺(tái)變壓器負(fù)載率遠(yuǎn)高于另一臺(tái)變壓器，而運(yùn)維人員又不能對(duì)兩臺(tái)變壓器進(jìn)行負(fù)荷調(diào)配。

(3)未設(shè)置獨(dú)立變壓器的季節(jié)性負(fù)荷(如空調(diào))，隨著季節(jié)的變化，變壓器的負(fù)載率波動(dòng)大。

(4)由于傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)向運(yùn)維人員提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)有限，運(yùn)維人員很難根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行電力調(diào)度。

如何有效解決上述問(wèn)題，這就需要深度挖掘負(fù)荷與變壓器之間的關(guān)系，并為智慧配電系統(tǒng)提供算法支持和預(yù)設(shè)的解決方案。 通過(guò)智慧配電系統(tǒng)的超強(qiáng)計(jì)算能力和自適應(yīng)能力，根據(jù)負(fù)載運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)配，優(yōu)化系統(tǒng)配置，使變壓器始終處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，最大限度的利用現(xiàn)有資源，同時(shí)又能保證重要負(fù)荷的供電可靠性，這也是智慧配電系統(tǒng)功能研究的方向之一。

1 負(fù)荷與變壓器的關(guān)系

1.1 根據(jù)計(jì)算負(fù)荷功率確定變壓器容量

進(jìn)行負(fù)荷調(diào)配首先要了解負(fù)荷與變化器的關(guān)系。

根據(jù)負(fù)荷功率取值不同，負(fù)荷分為計(jì)算負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷。 狹義的計(jì)算負(fù)荷又稱最大負(fù)荷或需要負(fù)荷，通過(guò)需要系數(shù)法計(jì)算得到，是用來(lái)選取變壓器容量的主要依據(jù)。 而實(shí)際負(fù)荷是實(shí)際接入電網(wǎng)的各類電氣負(fù)荷的疊加，根據(jù)運(yùn)行情況不同，其值也是隨機(jī)變化的。 通常計(jì)算負(fù)荷值與實(shí)際變動(dòng)負(fù)荷產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)相等。 通過(guò)需要系數(shù)法獲取的最大負(fù)荷是設(shè)備組的設(shè)備功率乘以需要系數(shù)得出需要功率，再對(duì)多組負(fù)荷的需要功率疊加后乘以同時(shí)系數(shù)獲得。 因此需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)的選取至關(guān)重要，系數(shù)選取過(guò)小，變壓器負(fù)載率過(guò)高，會(huì)增加變壓器的負(fù)載損耗，引起變壓器溫度快速升高，加速設(shè)備老化，抗負(fù)荷波動(dòng)能力低；系數(shù)選取過(guò)大，變壓器負(fù)載率低，其自身?yè)p耗占總功率的比例過(guò)高，造成資源浪費(fèi)。 系數(shù)的選取受計(jì)算者的主觀因素較大，也是造成設(shè)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行值偏差大的主要原因。 無(wú)論系數(shù)選取過(guò)大或過(guò)小都是不可取的。

需要指出的是，這里的計(jì)算負(fù)荷又分為兩種情況，一種是正常電力運(yùn)行狀態(tài)下，單臺(tái)變壓器所帶全部負(fù)荷的計(jì)算功率，另一種是在一路電源或變壓器發(fā)生故障情況下，另一臺(tái)變壓器需要保證持續(xù)供電的重要負(fù)荷的計(jì)算功率。 通常一般負(fù)荷和重要負(fù)荷(又叫保障性負(fù)荷)，是根據(jù)供電需求劃分的，GB 51348－2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，負(fù)荷分為三個(gè)等級(jí)，即三級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷，其中一級(jí)負(fù)荷中又包含一級(jí)特別重要負(fù)荷。 一般負(fù)荷屬于三級(jí)負(fù)荷，對(duì)供電無(wú)特殊要求，而二級(jí)及以上負(fù)荷均屬于重要負(fù)荷，要求成組供電的兩臺(tái)變壓器，任一臺(tái)變壓器容量應(yīng)能滿足本組所帶負(fù)荷的全部二級(jí)及以上負(fù)荷供電(冷水機(jī)組為二級(jí)負(fù)荷時(shí)除外)。 因此重要負(fù)荷的計(jì)算功率也是確定變壓器容量的重要參考指標(biāo)。

通常情況下，一般民用建筑中，三級(jí)負(fù)荷的計(jì)算功率遠(yuǎn)大于二級(jí)及以上負(fù)荷的計(jì)算功率總和，因此重要負(fù)荷的計(jì)算功率不會(huì)對(duì)變壓器容量的選取造成影響，但是對(duì)于特殊功能建筑，如五星級(jí)酒店、Ⅲ類以上民用機(jī)場(chǎng)、國(guó)際會(huì)議中心、三級(jí)醫(yī)院等含有大量二級(jí)及以上重要負(fù)荷的建筑，其重要負(fù)荷的計(jì)算功率總和對(duì)變壓器容量的選取有較大影響，此時(shí)變壓器負(fù)載率需控制在50%左右。 在此種情況下，如果需要系數(shù)選取不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)變壓器過(guò)載，或負(fù)載率長(zhǎng)期處于過(guò)低的情況，有的甚至不到20%。

1.2 變壓器負(fù)載率對(duì)變壓器運(yùn)行參數(shù)的影響

變壓器平均負(fù)載率是指在一定時(shí)間內(nèi)，變壓器平均輸出的視在功率與變壓器額定功率之比。 通常，變壓器負(fù)載率對(duì)變壓器的運(yùn)行參數(shù)會(huì)造成以下影響。

(1)變壓器負(fù)載率過(guò)高影響變壓器的使用壽命

變壓器的壽命和運(yùn)行時(shí)間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是由變壓器的預(yù)期壽命和綜合使用時(shí)間來(lái)確定的，綜合使用時(shí)間與變壓器的熱點(diǎn)溫升有關(guān)，而變壓器的熱點(diǎn)溫升與變壓器負(fù)載率成指數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式(1)。

式中，ΔθHSn為給定負(fù)載下繞組熱點(diǎn)溫升；β為給定的負(fù)載率；q為自然冷卻(AN)取1.6，強(qiáng)迫冷卻(AF)取2；Z 為假定為1.25；Δθwr為額定負(fù)載下繞組的平均溫升。

由于室內(nèi)安裝的變壓器大都選用強(qiáng)制風(fēng)冷型的變壓器，根據(jù)式(1)可計(jì)算出強(qiáng)制風(fēng)冷型的變壓器負(fù)載率與額定溫升的關(guān)系，見(jiàn)表1。

變壓器負(fù)載率與額定溫升的關(guān)系 表1

從表1 中可以看出，變壓器的溫升與負(fù)載率的平方成正比。 負(fù)載率的變化對(duì)變壓器的溫升影響巨大，尤其是當(dāng)超負(fù)載運(yùn)行時(shí)。

變壓器的預(yù)期壽命與變壓器的熱點(diǎn)(指繞組中的最熱點(diǎn))溫度直接相關(guān)，熱點(diǎn)溫度升高會(huì)加速絕緣材料老化、性能失效，是變壓器壽命縮短的主要原因。表2 給出了變壓器器過(guò)載倍數(shù)與過(guò)載時(shí)間的關(guān)系。

變壓器過(guò)載倍數(shù)與過(guò)載時(shí)間的關(guān)系 表2

可見(jiàn)，變壓器的過(guò)載運(yùn)行時(shí)間與其過(guò)載的倍數(shù)關(guān)系特別大。 當(dāng)然如果在變壓器過(guò)載時(shí)，通過(guò)降溫措施，使其熱點(diǎn)溫度仍然滿足額定溫度要求，則變壓器可長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行。

(2)變壓器負(fù)載率與變壓器損耗的關(guān)系

變壓器綜合負(fù)載損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗，空載損耗與負(fù)載無(wú)關(guān)，而負(fù)載損耗是參考溫度下，變壓器繞組的電阻損耗，和變壓器負(fù)載率的平方成正比，詳見(jiàn)式(2)。

式中，KT為負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)；β為變壓器負(fù)載系數(shù)。

根據(jù)式(2)可以看出，變壓器的綜合損耗除與變壓器的固有損耗有關(guān)外，與變壓器的負(fù)載系數(shù)關(guān)系密切。

(3)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的劃分

變壓器在某一負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可以使自身的損耗降到最小，從而達(dá)到節(jié)能的目的，這個(gè)范圍叫變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。 變壓器的損耗直接影響其經(jīng)濟(jì)運(yùn)作。

說(shuō)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，就要引入一個(gè)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷系數(shù)βJZ的概念。 對(duì)于雙繞組變壓器，在其運(yùn)行中，綜合功率損耗率隨負(fù)載系數(shù)呈非線性變化，在其非線性曲線中，最低點(diǎn)即為綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)荷系數(shù)，見(jiàn)公式(3)。

式中，POZ為變壓器綜合功率空載損耗，kW；PKZ為變壓器綜合功率負(fù)載功率損耗，kW；KT為負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的負(fù)載系數(shù)應(yīng)在綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)的平方(βJZ2)至1 之間，根據(jù)式(3)可繪制出圖2 所示曲線，變壓器負(fù)載率在75%時(shí)，為最佳運(yùn)行區(qū)上限，最佳運(yùn)行區(qū)下限為1.33βJZ

圖2 變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β 的函數(shù)關(guān)系

變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)間的范圍劃分:經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為βJZ2≤β≤1；最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為1.33βJZ2≤β≤0.75；非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)0≤β≤βJZ2。 表3 為SCB13型干式變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載率及最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)范圍。

SCB13 型干式變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載率及最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)范圍 表3

從表3 中可以看到，變壓器負(fù)載率在25%～75%之間均處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，但需要注意的是，這里的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍是實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率，由于設(shè)計(jì)值與實(shí)際值存在偏差，因此設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量靠近經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載系數(shù)。 鑒于目前設(shè)計(jì)人員在需要系數(shù)和同期系數(shù)選取時(shí)較為保守，設(shè)計(jì)負(fù)載率應(yīng)略高于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載系數(shù)。

2 兩臺(tái)變壓器最佳運(yùn)行負(fù)載率的調(diào)配

基于對(duì)負(fù)載率與變壓器運(yùn)行關(guān)系的分析，提出變壓器最佳運(yùn)行負(fù)載率的調(diào)配方案，并以此作為智慧配電系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行的預(yù)設(shè)方案。

針對(duì)如何合理選擇變壓器容量，使變壓器的容量得到有效利用，不至于讓變壓器負(fù)荷率平時(shí)過(guò)低，又能讓變壓器在一臺(tái)退出運(yùn)行后，另一臺(tái)還能作為保障性負(fù)荷供電保障的問(wèn)題。 筆者重點(diǎn)研究了在民用建筑中最常見(jiàn)的兩臺(tái)變壓器的運(yùn)行模式。

2.1 兩臺(tái)變壓器的運(yùn)行模式分析

兩臺(tái)變壓器組合運(yùn)行方式有三種，分別是兩臺(tái)變壓器分別單獨(dú)運(yùn)行(組合方式1)、兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行(組合方式2)、兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行(組合方式3)。 對(duì)于變壓器單獨(dú)運(yùn)行的情況，只要滿足上述負(fù)載率區(qū)間的要求，即可達(dá)到最佳運(yùn)行。 當(dāng)兩臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，整體負(fù)荷在臨界負(fù)荷和75%額定負(fù)荷之間時(shí)，兩臺(tái)變壓器均在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

2.2 兩臺(tái)雙繞組變壓器并列運(yùn)行

在選擇運(yùn)行方式前，應(yīng)繪出各種組合方式(兩臺(tái)變壓器容量的組合)綜合功率損耗的負(fù)載特性曲線ΔPZ＝f(s)。 Ⅰ表示組合方式1 的綜合功率損耗的負(fù)載特性曲線，Ⅱ表示組合方式2 的綜合功率損耗的負(fù)載特性曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同方式負(fù)荷特性曲線

若兩種組合方式的曲線沒(méi)有交叉點(diǎn)時(shí)，則選擇空載損耗較小的變壓器組合方式運(yùn)行，若組合方式有交叉點(diǎn)時(shí)，稱交點(diǎn)處為臨界負(fù)荷，臨界負(fù)荷可通過(guò)式(4)計(jì)算:

式中，P0Z為空載損耗組合參數(shù)；PKZ為負(fù)載損耗組合參數(shù)；SNZ為組合變壓器容量；KT 為負(fù)載波動(dòng)算好系數(shù)；I 和II 分別為變壓器兩種不同的運(yùn)行方式。

對(duì)于小于臨界負(fù)荷的負(fù)載，應(yīng)選擇空載損耗較小的變壓器組合方式運(yùn)行，對(duì)于大于臨界負(fù)荷的負(fù)載，應(yīng)選用額定負(fù)載損耗值較小的變壓器組合方式運(yùn)行。

2.3 兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行

對(duì)二次側(cè)有聯(lián)絡(luò)的分列運(yùn)行的雙繞組變壓器，在總的供電負(fù)載不變的情況下，應(yīng)對(duì)共用一臺(tái)或兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行進(jìn)行比較(前提是共用一臺(tái)滿足負(fù)荷等級(jí)要求)。 在采用一臺(tái)變壓器滿足總供電負(fù)載和供電要求的情況下，應(yīng)對(duì)兩臺(tái)分列運(yùn)行變壓器的空載損耗和額定負(fù)載損耗進(jìn)行比較，選擇總損耗最低的共用變壓器。 再對(duì)選定共用變壓器與兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行方式進(jìn)行比較，選擇出綜合功率損耗最小的運(yùn)行方式。

3 變壓器的負(fù)荷調(diào)配需遵循的基本原則

(1)掌握變壓器運(yùn)行容量，可以有效控制負(fù)荷容量的增加，優(yōu)化其維護(hù)時(shí)間段，對(duì)于季節(jié)性調(diào)配負(fù)荷，可以考慮停歇處理，減少空載損耗。

(2)當(dāng)變壓器有冗余容量時(shí)，使其得到充分的利用，當(dāng)變壓器一臺(tái)故障另一臺(tái)可帶載一些三級(jí)負(fù)荷，使其供電得到保障。

(3)當(dāng)負(fù)荷率較低時(shí)，利用變壓器滿載可長(zhǎng)期運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)智慧配電系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)一臺(tái)變壓器故障，另一臺(tái)變壓器允許帶載全部負(fù)荷時(shí)，投切時(shí)不用卸載，保障了所有負(fù)荷供電的連續(xù)性。

(4)在滿足最佳節(jié)能效果的情況下，充分利用變壓器的有效負(fù)載，最大化地提高變壓器的利用率，有利于降低建筑物單位面積的裝機(jī)容量。

(5)變壓器的溫升隨著變壓器負(fù)載率的變化而變化，在合理的溫升范圍內(nèi)，最大化地提高變壓器的利用率，不至于一味提高變壓器的負(fù)載率而降低提變壓器的使用壽命。

(6)需要注意的是，變壓器帶負(fù)載前需要完成空載合閘，并安全運(yùn)行24h 以上方可投入負(fù)載，一般變壓器可承受80%的突加負(fù)載。

為使變壓器得到充分有效的利用，除在設(shè)計(jì)階段考慮各類負(fù)荷的搭配，充分利用錯(cuò)峰運(yùn)行的負(fù)荷、季節(jié)性負(fù)荷、間歇性負(fù)荷、不同重要性負(fù)荷的特點(diǎn)，最大化的有效利用變壓器，同時(shí)在運(yùn)行階段，尚需依靠智慧配電系統(tǒng)超強(qiáng)計(jì)算能力，對(duì)大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)線統(tǒng)籌運(yùn)算和比對(duì)，方能提供有效的調(diào)配方案。