王善生, 朱灵子, 甘凌霄

(1.华南理工大学 建筑设计研究院, 广东 广州 510640; 2.贵州电网公司电力调度控制中心, 贵州 贵阳 550000;3.贵州电网公司贵阳供电局, 贵州 贵阳 550000)

基于智能搜索的配电变压器综合效益模型

王善生1, 朱灵子2, 甘凌霄3

(1.华南理工大学 建筑设计研究院, 广东 广州 510640; 2.贵州电网公司电力调度控制中心, 贵州 贵阳 550000;3.贵州电网公司贵阳供电局, 贵州 贵阳 550000)

为了提高配电变压器的综合经济性，研发了一种基于智能搜索的配电变压器综合效益模型；携带电能质量分析仪FLUKE435对南方电网区域内某工矿企业进行24小时不间断监测，并通过较精确的计算方法将测得数据代入模型。在节能运行方式下，模型计及变压器负载系数、容量费、空载损耗、负载损耗收期最小的配变容量；并与经典节能改造方案进行对比，证明基于智能搜索模型的新方案能够兼顾企业的经济效益与社会的节能效益，实现企业和社会的双赢。

配电变压器；智能搜索；综合效益模型；节能运行方式；最优投资回报率；双赢

0 引 言

我国是能源消耗大国，节能减排是我国当前的重要国策和实现可持续性发展的重要保证。经过三十年的经济高速发展，2010年中国已成为全球第二大经济体，同时中国也已取代美国成为全球最大的二氧化碳排放国，我国环境污染问题已经十分严重，环境约束凸显[1]。合理用电，节能减排已经成为国计民生的重中之重。

变压器是在整个国民经济中是一种应用极为广泛的电气设备。由于变压器台数多，总容量大，所以在广义电力系统(包括发、输、配、送、用五个环节)中，变压器总的电能损耗约占整个电力系统损失的30%[2]。 而配电变压器——主要指电压等级在 35 kV、10 kV及以下,容量为 6 300 kVA以下的电力变压器，尽管单台能耗有限,但由于其分布范围广、数量众多, 运行中的总损耗却相当惊人。据统计,全国上网运行的配电变压器总容量大约是发电机装机容量的 3倍,其总电能损耗约占全国总发电量的3%。可见配变在电网节能减排中具有巨大的潜力[3]。早在1997 年，国家就开始全面推广S9节能型变压器用于取代 S7系列老产品[4]，电网公司也一直积极推进对变压器节能运行方式的研究[5-6]，两者均取得了显著的节能效果。本文正是基于对配电变压器节能的深入研究，采用方均根计算法对FLUKE435采集到的实测数据进行整理，接着利用智能搜索模型对某工矿企业的多台配变进行节能改造分析，并通过与经典节能改造方案的对比，最终证明基于智能搜索模型的新方案取得良好效果，能够兼顾企业的经济效益与社会的节能效益。

1 变压器损耗精确算法及企业电气特点

1.1 变压器损耗精确算法

变压器的空载损耗是不随负荷波动而变化的，变压器损耗的分析计算工作主要是变压器的负载损耗。基于实测数据的负载损耗计算方法，基本上可以分为五个类型：方均根负载计算法(即负载形状系数法)、平均负载系数计算法、修正系数计算法、负载波动损耗系数计算法等[7]44。相对于方均根负载计算法，明显其它的算法都会有一定的误差及使用范围，但都较方均根负载计算法更易实现[8]。所以，用于计算变压器的节能效益精度较高的是方均根负载算法。

为了满足方均根负载算法的测量要求，选用了美国福禄克公司生产的满足A类精度的电能质量分析仪——FlUKE435作为测量仪器，测量间隔为ΔT=30 s，故可将全天T=24 h的变压器损耗可分成2 880个微小时间段来计算，于是变压器的负载率和变压器节能量分别如(1)和(2)所示：

(1)

式中Pi—第i个采样间隔的有功功率值

cosφi—第i个采样间隔的功率因数值

(2)

1.2 企业的电气特点

该企业由一条10 kV线路供电，电气主接线方式为单母线接线，母线下接3台10 kV/380 V变压器和1台10 kV高压风机。企业电气主接线图如图1所示(红色为测量点)。同时也了解到该厂电气设备较老，配电房内环境比较恶劣，布线凌乱。其中，1#和2#变布置于厂房西侧，3#变单独布置于厂房东侧，两侧相距150 m左右。

图1 企业电气主接线

1.3 基于精确测算的变压器负载系数

如图1所示，将Fluke435先后安装于3个测量点，记录各个变压器的负荷情况，测量时间为24小时。图2所示为1#变压器一天24小时视在功率的负载曲线。

图2 1#变压器视在功率测量曲线

得到精确的变压器数据后，将Fluke435的测量代入公式(1)，如表1所示。

表1 各变压器的负载率

2 智能搜索模型的对比分析

1#、2#变压器的型号为SJ1-320/10，3#变压器的型号为S7-315/10，3台变压器均属于国家强制淘汰的高能耗产品，推荐全部更换为目前技术比较成熟、应用较为广泛的S15型非晶合金变压器。在实际生产中，电网公司要向工业用户收取配变的容量费。因此，工业用户的电价应相应地分为电力电价和电量电价两部分。电费R可以由公式(3)所示[9]：

R=ρp,dPd+ρw,dWd

(3)

式中ρp,d—电力电价 (或容量电价)，元/kVA；Pd—用户容量，kVA；Wd—用电电量，kWh；ρw,d—电量电价，元/kWh。

基于电力电价和电量电价是一定的，我们把公式(3)微分化转换为公式(4)，ΔR为电费的变化量，即节能的经济效益：

ΔR=ρp,dΔPd+ρw,dΔWd

(4)

2.1 经典节能方案

参照原设计方案，将1#、2#、3#变压器替换为同等容量或者与之容量相近的新型变压器。这也是最常用的传统节能改造的方案，文献[7、10—13]反映了多名学者对传统节能改成方案进行了深入的研究。对于目前市场上技术比较成熟、节能效果优良的非晶合金变压器来说，投资价差回收期限是一个重要的经济技术指标，它直接反映非晶合金变压器应用的可行性。由于投资的动态回收期法考虑资金的时间价值，不确定因素太多，一般采用静态投资回收期法进行估算[14]。本文在计算投资回收期时也将延续这一思想。下面笔者将容量为315 kVA的S15型变压器的各项参数代入公式(4)，容易得到经典节能方案的年节能各项指标，如表2所示。

表2 经典节能方案年节能各项指标

通过上表分析得知：2#变更换为S15-315/10变压器后，虽然经济效益明显，但是2#变的负载率升高至91.7%，远高于S15型变压器的最优负载率(大约为20%—30%)，造成变压器本身大量的能量损耗，与社会节能减排趋势相矛盾。3#变更换后，虽然变压器自身的能耗降低，但是由于投资回收期较长，企业出于自身利益的考虑，可能不愿意进行节能投资。那么怎么才能兼顾企业经济利益与社会节能减排效益。为此，笔者引入了一种智能搜索方案。

2.2 智能搜索方案1

将1#、2#、3#变压器分别替换为3台S15节能型变压器。其配变容量等参数由智能搜索模型自动择优选择。

公式(2)代入公式(4)，节能空间模型公式(5)为：

(5)

式中i=1、2、3分别对应1#、2#、3#变压器。

特别要注意的是当变压器容量改变后，其负载率要发生相应的变化。当负载率为 20%～30% 时，非晶合金配电变压器的有功损耗率最低，效率最高。 但是总体来看，当非晶合金配电变压器负荷率≤60%时，有功损耗率相对较低，节能效果较好[15]。因此对每一台变压器寻求最优：

(6)

式中Ci—最优容量S15变压器对应的报价，元；Pyi—第i台变压器的原来的容量，kVA；Pi—第i台变压器更换后的容量，kVA；Poyi、Pyki—第i台原来的空载和负载损耗；kW；P0i、Pki—第i台更换后的空载和负载损耗；kW。

由上式可知，我们的搜索量是Pi、P0i、Pki、Ci，待求量是maxRi和minyear。对于S15非晶合金变压器，每一个Pi就对应一个P0i、Pki和Ci。所以就极大的减少了需要搜索的数据量，最后该问题就简化为了在离散化的数据条件下寻求最优化问题。读入智能搜索模型，如图3所示。

图3 1#、2#、3#变压器智能搜索方案1

根据图3所显示的数据，反应如表3所示。

表3 智能搜索方案1

将表3的数据与经典节能方案作对比分析，可知：

(1)搜索方案1的1#、2#、3#配变均处于节能运行方式，均满足文献[15]提出的：当非晶合金配电变压器负荷率≤60%时，节能效果较好；而经典节能方案的2#变明显不处于节能运行方式。所以智能搜索方案1较经典方案起到了较好的节能效果。

(2)分析图3中部分“回收期为负”的原因：当变压器容量增加到一定程度时，所增加的容量费远大于节能运行所省下的电量费，导致企业节能收益为负值，而不是投资回收期为负。

(3)3#配变在智能搜索方案1下，每年多耗电能1 555 kWh，但是投资回收期从原来的13.02年下降到现在的3.13年，综合效益明显提升，极大的刺激了企业节能改造的积极性；1#变也是同样的情况，不再赘述。

(4)2#配变在智能搜索方案1下，年节能电量比经典方案多出11 220 kWh，节能效益十分显著，但是投资回收期延长到10.63年。企业基于自身利益的考虑，可能不愿意进行节能改造。所以在条件允许下，我们还需进一步优化2#变的改造方案。

2.3 智能搜索方案2

由于1#、2#变均布置在厂房东侧，考虑将1#、2#变合并成一个大容量的S15型变压器。3#变改造方案不变。把数据读入智能搜索模型，如图4所示。

图4 1#、2#变压器的负载合并后智能寻优方案2

由搜索模型知：当1#、2#变压器的负载合并后，变压器最优为800 kVA，资本回收期为4.43年，年节能电量93 290 kWh。3#变与搜索方案1相同。

下面笔者采用投资决策中常用的加权平均回收期法[16]将三种方案的主要参数进行对比(如表4所示)。

表4 三种方案综合效益对比分析

将以上数据进行如下分析：

(1)企业对三种方案投资差额的敏感性不高，均处于可以接受的范围。

(2)搜索方案1比经典方案节能效益更优，但是加权投资回收期也相对长一些。部分企业会可能出于短期经济行为而不选择方案1，但是从长远来看，方案1的经济和社会效益仍然优于经典方案。

(3)搜索方案2在经济效益和社会效益方面均优于经典方案，并且随着变压器技术的不断进步与成熟，大容量变压器有逐年降价的趋势；而工业电价如果上调，这将使得选择大容量变压器进行节能改造的工矿企业占得成本先机。所以推荐该企业采用方案2进行节能改造。方案2在一定意义上兼顾了企业经济效益与其所承担的社会责任，使企业与社会在节能减排过程中实现了双赢。

3 结束语

(1)在国家“十二五”节能减排的大背景下，工矿企业应该把节能减排、提高能效放在首要位置，企业不能仅仅基于自身利益的最大化，更要积极的诠释其义不容辞的社会责任。

(2)电网公司作为中央企业，更应该积极的指导与协作工矿企业进行节能减排。通过智能搜索表明，如果电网公司能把变压器容量费降低到一定程度，由于经济杠杆作用，工矿企业会主动的选择大容量变电器，实现经济效益与社会效益的双赢。

(3)工矿企业由于技术力量有限，其进行的节能改造往往带有一定的盲目性和冲动性。基于智能搜索的配电变压器模型可以在一定程度上弥补了我国工矿企业在能效评估方面的相对不足，对于建设可持续的绿色现代工业有着积极的推动作用。

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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，山东临沂人，硕士，工程师，注册电气工程师，主要研究方向为电气设计与电气节能。 朱灵子(1987-)，女，贵州凯里人，硕士，工程师。主要研究方向为电力系统运行、稳定与控制。 甘凌霄(1987-)，男，贵州贵阳人，硕士，工程师。主要研究方向为电力系统规划与节能减排。

定稿日期: 2016-03-25