居民臺區供電方案選擇及其運行方式探討

李泓澤，王 寶，張培森

（華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206）

居民臺區供電方案選擇及其運行方式探討

李泓澤，王 寶，張培森

（華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206）

在分析居民臺區負荷特性的基礎上，綜合考慮負荷增長、配電變壓器運行損耗、投資成本以及資源有效利用，提出了大小配電變壓器配合運行的居民臺區供電方案及其運行方式安排，計算了運行損耗成本，并對現行方案和該方案的經濟性進行了比較。實例結果表明：該方案在成本費用節約上優于現行居民供電方案，為供電公司在居民臺區供電方案選擇上提供一定的參考價值。

居民臺區；配電變壓器；供電方案；運行方式

近年來，城鄉居民生活中的電氣化水平不斷提高，居民臺區負荷保持著較快的增長速度，供電公司為滿足負荷快速增長的需要，縮短了居民臺區配電變壓器更換周期。更換下來的大部分小容量配電變壓器往往不能適應其他臺區的負荷需求而被閑置，積壓在物資庫中，一方面不僅造成了資源的浪費，而且增加了物資管理費用支出，另一方面，更換新型大容量配電變壓器投資較高，從而降低了供電公司資源利用率，造成投資費用增加。

先前相關研究大多關注配電變壓器的經濟運行和容量選擇。文獻[1]指出，變壓器經濟運行是指其運行時功率損耗最小且運行成本費用最低，并分析了變壓器經濟負荷容量與其內部損耗和額定容量間的關系。文獻[2]探討了通過選擇節能配電變壓器、合理安排配電變壓器容量、適當的無功補償以及調節配電變壓器分接頭開關等方式來實現配電變壓器的經濟運行。文獻[3]基于年有功損耗最小原則，探討了選擇配電變壓器的節能性和經濟性問題。文獻[4]在確定變壓器最小負載系數、最小功率損耗及經濟負荷系數的基礎上探討了配電變壓器容量選擇以實現配電變壓器經濟運行。文獻[5]探討了考慮臺區負荷增長情況下實現經濟運行的配電變壓器容量選擇問題。而綜合考慮供電公司投資成本、負荷增長、配電變壓器運行損耗以及運行方式安排等多種因素下臺區供電方案選擇的相關研究甚少。

對于居民臺區而言，日夜負荷峰谷差極大，夜間低谷時更換的大容量配電變壓器損耗大，不符合經濟運行的要求，且負荷季節特性明顯，峰谷規律性較強[6]。因此可考慮在居民臺區增加一臺小容量配電變壓器，與現有配電變壓器配合使用，通過加裝自動投切斷路器改變2臺配電變壓器日運行方式以滿足居民臺區負荷需求。這樣不僅可以避免大容量配電變壓器購入投資，而且可以增加小容量配電變壓器的利用效率。

1 居民臺區負荷特性分析

城鄉居民臺區用電負荷的主要特征為日夜負荷峰谷差極大，存在較大的季節性負荷差異，主要是春秋季節與夏冬季節負荷差異較大；但負荷峰谷往往具有較強的規律性，用電高峰時段一般出現在中午和晚間，用電低谷時段出現在深夜。圖1繪制出了某市經濟技術開發區的某道路2號居民臺區公用變壓器日負荷曲線圖。

圖1 某居民臺區公用變壓器日負荷曲線圖

由圖1可知：該居民臺區用電負荷高峰出現在2個時段：中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，歷時8 h，占全天運行時間的33%，負荷率為83.9%。用電低谷出現在當日23：00～次日7：00，歷時8 h，負荷率為15.4%，剩余8 h為平段，負荷率為37.5%。

該臺區夏季最大負荷達到173 kW，以負荷年增速為8.5%計，則下一年度的最大負荷為187.7 kW，考慮到功率因數和配電變壓器效率因素，該居民臺區S9-200/10型配電變壓器將不能滿足該臺區下一年度的最大負荷需求，但仍能滿足臺區未來5年的平段和谷段的負荷需求。現行的居民供電方案大多是一個臺區配置一臺配電變壓器，配電變壓器容量按滿足臺區3～5年的最大負荷而選定。按此原則，該居民臺區需要更換大容量的配電變壓器。

2 居民臺區供電方案及其運行方式

當負荷需求增速較快的臺區配電變壓器即將無法滿足最大負荷要求時，依據現行的居民供電方案，需要更換大容量配電變壓器。這樣，供電公司就需要投入資金購入新的大容量配電變壓器，而更換下來的小容量配電變壓器往往因不能單獨滿足其他臺區3～5年的用電最大負荷需求而被閑置在物資庫中。事實上，根據居民臺區負荷特性，這些小容量配電變壓器一般能夠滿足該臺區未來3～5年的平段和谷段負荷需求，從而資源得不到有效充分利用。

考慮到節約投資、有效利用資源以及配電變壓器運行損耗因素，對現有的即將不能滿足居民臺區最大負荷需求的配電變壓器不進行大容量配電變壓器更換，而是增加物資庫中閑置的僅滿足未來3～5年低谷負荷需求的更小的配電變壓器（滿足并列運行條件[7]），并安裝自動投切斷路器，按如下的方式調整居民臺區配電變壓器的運行方式：負荷高峰時段2臺配電變壓器并列運行，共同承擔臺區負荷；平段斷開小容量配電變壓器的斷路器，僅大容量配電變壓器運行；低谷時段斷開大容量配電變壓器的斷路器，僅小容量配電變壓器運行，這種運行方式既能滿足居民臺區最大負荷需求，又可為供電公司節省投資（自動投切斷路器購置費一般遠小于大容量配電變壓器），提高資源利用效率，同時滿足配電變壓器運行經濟性要求。由于配電變壓器空載損耗成本遠小于自動投切斷路器購置費，因而僅在2臺配電變壓器低壓側各配置一臺自動投切斷路器以節省投資。圖2繪制出了居民臺區2臺配電變壓器供電方案圖。根據居民臺區負荷特性，通過自動投切斷路器合理調整臺區2臺配電變壓器運行方式，能夠實現配電變壓器經濟運行，且減少供電公司投資。

圖2 居民臺區2臺配電變壓器供電方案圖

3 居民臺區配電變壓器運行損耗成本計算及選擇方案比較

3.1 配電變壓器運行損耗成本計算

配電變壓器運行損耗包括空載有功損耗、空載無功損耗、短路有功損耗和短路無功損耗，其中空載有功損耗P0和短路有功損耗Pk可直接查看配電變壓器銘牌參數；空載無功損耗Q0可根據配電變壓器容量SN和空載電流百分值I0%計算得到：Q0=(I0%/100)SN；短路無功損耗Qk可根據SN和短路電壓百分值Uk%計算得到：（Uk%/100）SN。配電變壓器有功損耗ΔP與空載有功損耗、短路有功損耗和負載率β有關，β=PL/(SNcosφ)，PL和cosφ分別表示有功負荷和負荷功率因數，ΔP=P0+β2Pk，同理，配電變壓器無功損耗ΔQ=Q0+β2Qk。考慮到無功經濟當量K，即配電變壓器中每千乏無功功率損耗引起的有功功率損耗，配電變壓器綜合功率損耗ΔPC=ΔP+KΔQ。無功經濟當量K計算式如式（1），假定配電變壓器運行電壓接近額定電壓，代入參數得K如式（2）。

在負荷功率因數保持不變的情況下，ΔP、K和ΔQ均為臺區有功負荷PL的函數，因而配電變壓器綜合功率損耗ΔPC是臺區有功負荷PL的函數，配電變壓器綜合損耗隨各時段負荷需求的變化而變化，即：ΔPC=ΔPC（PL）。

假定某居民臺區基準年各日負荷曲線為PLt，臺區負荷年增速為rL，該臺區容量為SN1的配電變壓器即將不能滿足最大負荷需求。為滿足未來n年的臺區負荷需求，通常情況下供電公司需要對現有配電變壓器進行大容量配電變壓器更換，新購置的大容量配電變壓器容量為SN3，基于上述配電變壓器損耗分析，可知新換的配電變壓器第i年第t日的運行綜合損耗PLossit0計算如式（3），基準年居民銷售電價為Ptariff，電價年增長率為rP，折現率為I，一年總天數為T，則新更換的大容量配電變壓器未來n年的運行損耗成本現值TCP0如式（4）

如按照本文提出的供電方案，即不購置大容量配電變壓器更換現有配電變壓器，而從供電公司物資庫中選擇合適的滿足與現有配電變壓器并列運行條件的更小容量配電變壓器，與現有配電變壓器并列安裝，并在2臺配電變壓器低壓側各裝設一臺自動投切斷路器以根據居民臺區負荷規律性來適時改變2臺配電變壓器運行方式，則：低谷時小容量配電變壓器承擔全部負荷，平段時現有配電變壓器承擔全部負荷，高峰時2臺配電變壓器并列運行共同承擔負荷。若小容量配電變壓器（容量為SN2）與現有配電變壓器（容量為VN1）同型號，且阻抗電壓相等時，并列運行時按各自容量分配臺區負荷，此情況下配電變壓器第i年第t日的運行綜合損耗PLossit計算如式（5），則臺區配電變壓器在未來n年的運行損耗成本現值TCP與式（4）類似。

3.2 居民臺區供電方案比較

按照現行居民供電方案，更換大容量配電變壓器時，既要滿足未來n年的臺區最大負荷需求，即SN3＞max（PLt）（1+rL）n/（ηcosφ），η為配電變壓器運行效率，又要顧及大容量配電變壓器的購置費用。若基于此原則，供電公司為該居民臺區更換的大容量配電變壓器購置費用為IP0，n年內該配電變壓器運行綜合損耗成本現值為TCP0，則供電公司更換大容量配電變壓器而付出的總成本費用現值為IP0+TCP0。

基于本文的供電方案，供電公司直接從物資庫中取出閑置的小容量配電變壓器，無需花費購置費，且減少了物資管理成本，只需要購入2臺自動投切斷路器。設每臺自動投切斷路器購置費為IP，n年內臺區配電變壓器運行綜合損耗成本現值為TCP，則在不計物資管理成本減少的情況下，供電公司需要付出的總成本費用現值為2IP+TCP。

供電公司購置大容量配電變壓器時一般會選擇低損耗型配電變壓器，而臺區現有配電變壓器是幾年前更換的，因而其損耗較新型的更高，且為節省斷路器投資，任一配電變壓器即使不帶負荷，也存在空載損耗（如上文圖2所示）。因此本文方案下，未來n年內臺區運行損耗成本較現行方案要高，但自動投切斷路器購置費要低于大容量配電變壓器，因而本文的配電變壓器選擇方案可能會優于現行居民供電方案，供電公司可能會存在一定的成本費用節約量，數值為[(IP0+TCP0)-(2IP+TCP)]，同時增加資源利用效率。

4 實例

以某市經濟技術開發區的某道路2號居民臺區為例，圖3給出了基準年該居民臺區典型日負荷曲線。基準年最大負荷已達到173 kW，負荷功率因數cosφ=0.95，配電變壓器效率η=0.93，臺區負荷年增速為8.5%，則下一年該臺區所需配電變壓器容量至少為213 kVA，現有S9-200/10型配電變壓器不能滿足下一年度臺區最大負荷需求。

圖3 某居民臺區典型日負荷曲線

按照現行的居民供電方案，供電公司考慮更換大容量S11?M新型節能配電變壓器，以滿足未來5年該臺區的最大負荷需求。經計算，大容量配電變壓器容量至少為295 kVA。供電公司決定為該居民臺區更換一臺S11?M.R-315/10型配電變壓器，購置費用為37 360元。一年春秋季節和夏冬季節總天數分別為183天和182天，現行居民銷售電價為0.58元/kWh，預計居民銷售電價年增速為1%，折現率取8%，S11?M.R-315/10型配電變壓器參數為：P0=0.48 kW，Pk=3.65 kW，I0%=1.1，Uk%=4。據式（3）和式（4）計算得到該大容量配電變壓器未來5年運行損耗成本現值為20 406元，則供電公司為該居民臺區更換大容量新型配電變壓器而付出的總成本費用現值為57 766元。

按照本文提出的方案，首先根據該居民臺區負荷特性，將全天各時段劃分為高峰段、平段和低谷段，高峰段為中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，低谷段為當日23：00～次日7：00，剩余為平段，基準年的峰平谷各段最大負荷分別為173 kW、92 kW和50 kW，未來5年峰平谷各段最大負荷將分別升至260 kW、138 kW和75 kW。考慮到負荷功率因數和配電變壓器效率因素后，未來5年峰平谷各段所需的配電變壓器容量分別至少為294 kVA、157 kVA和85 kVA。現有S9?200/10型配電變壓器能夠滿足臺區平段最大負荷需求，綜合考慮低谷和高峰最大負荷，可從物資庫中選擇S9?125/10型小容量配電變壓器，與現有配電變壓器并列安裝，并在2臺配電變壓器低壓側各裝設一臺自動投切斷路器，每臺購置費為8 500元。S9?200/10型配電變壓器參數為：P01=0.48 kW，Pk1=2.6 kW，I01%=1.3，Uk1%=4；S9?125/10 型配電變壓器參數為：P02=0.34 kW，Pk2=1.8 kW，I02%=1.5，Uk2%=4，2臺配電變壓器短路電壓值相等，接線組別相同，變比相等，且容量比小于3，滿足并列運行條件[7]。調用自行編寫的2臺配電變壓器損耗成本Matlab求解程序，得出5年內2臺配電變壓器運行損耗成本現值為29 857元，比現行居民供電方案高出9 451元，這是因為2臺配電變壓器較新型大容量配電變壓器而言，節能效果相對較差，且為節省斷路器投資，2臺配電變壓器不帶負荷也存在著空載損耗。按照本文提出的方案，供電公司需要付出的總成本費用現值為46 857元，較現行居民供電方案而言，節約成本費用現值為10 909元，成本費用節約率為18.9%。

圖4繪制出了不同折現率下的供電公司節約成本費用現值和成本費用節約率情況。顯然，折現率越大，節約成本費用現值和成本費用節約率越大，折現率處于8%～12%的合理區間時，供電公司存在顯著的成本費用節約收益。

圖4 不同折現率對應的節約成本費用現值和成本費用節約率

5 結束語

居民臺區用電負荷因居民電氣化水平的不斷提升而保持著較快的增速，從而縮短了居民臺區配電變壓器更換周期。現行居民供電方案下，供電公司不僅需要支付較高的新型大容量配電變壓器購置費，且更換下來的小容量配電變壓器因大部分不能單獨滿足其他臺區負荷而被閑置在物資庫中，造成資源浪費和投資增加。在分析居民臺區負荷特性的基礎上，本文提出了大小容量配電變壓器配合運行以滿足居民臺區負荷增長需求的供電方案及其運行方式安排，對現行居民供電方案和該方案進行了運行損耗成本計算以及經濟性比較，并結合實例加以說明分析，得出本文提出的配電變壓器選擇方案能夠給供電公司帶來較顯著的成本費用節約收益，可為供電公司在居民臺區供電方案決策上提供一定的參考。

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[1]張名忠.變壓器經濟運行與容量選擇分析[J].煤炭技術,2009,28(9)：43-45.

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[3]翁雙安,劉建林,王輝.配電變壓器容量選擇的經濟評價[J].電氣應用,2007(1)：18-21.

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Study on power supply scheme selection and operation mode arrangement of residential district

LI Hong?ze,WANG Bao,ZHANG Pei?sen
(North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

Based on the analysis of residential district’s load characteristic,considering comprehensively load growth,distribu?tion transformer’s operation loss,investment cost and efficient utili?zation of existing resources,this paper proposes a residential dis?trict’s power supply scheme and its corresponding operation mode arrangement in which distribution transformer with large capacity and that with small capacity operation coordinately,calculates oper?ation loss cost and makes an economic comparison between the ex?isting scheme and the proposed one.The results of the example demonstrate that the proposed scheme is superior to the existing scheme in cost saving.The work in this paper provides a certain reference value for power supply companies in selecting residential district’s power supply scheme.

residential district;distribution transformer;power supply scheme;operation mode

TM421；F407.61

A

1009-1831（2012）06-0015-04

2012-06-04

李泓澤(1970)，男，吉林遼源人，副教授，研究方向為電力市場、電價及電力系統經濟運行；王寶(1986)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為電力市場；張培森(1985)，男，天津人，碩士研究生，研究方向為工業工程。

（

杜先波 徐文紅）