基于傳感器數據的配電網設備能效評估*

張星星，彭敏放，漆銘鈞，朱 亮，冷 華

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

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基于傳感器數據的配電網設備能效評估*

張星星1，彭敏放1，漆銘鈞2，朱 亮2，冷 華3

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

在深入分析配電網設備上加裝的各類傳感器裝置中數據獲取情況的基礎之上，綜合考慮設備的能效影響因素，構建了基于傳感器數據的配電網設備能效評估指標體系。根據每個指標在節能潛力、成本和難度方面對配電網設備能效的影響程度不同，構建了遞階層次結構模型，并采用層次分析法(AHP)進行指標權值計算。根據定量指標易于量化的特征，構建了對標函數，完成了定量指標能效指數的計算。從而實現對配電網設備的能效評估。并以某實際的配電變壓器算例驗證了所提方法的實用性和有效性。

傳感器； 層次分析法； 指數計算； 配電網設備； 能效評估

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展，用電負荷每年都在增加，由于負荷增長速度快而配電網建設投資滯后，配電網在節能降耗方面有著很大的挖掘潛力，配電網設備的能效也有很大的提升空間[1～6]。

目前對配電網設備的全面能效評估尚缺乏準確、有效的技術手段。文獻[8]在分析配電網節能指標現狀的基礎上，建立了農村低壓配電網能效評價指標體系和綜合評價模型，但對具體配電設備能效影響因素的考慮不夠充分；文獻[9]分析了不同的監管機制和財政激勵措施對提高配電網能效的作用，但其局限于從管理層面提高配電網能效，未能從技術層面挖掘配電網設備的節能潛力；文獻[10]和文獻[11]分別從配電網節能潛力定量評估方面和基于能耗優化建模的電力節能管理方面研發了配電網能效評估軟件系統，但其功能和適用范圍還有待擴展?？偟膩砜?，已建立的評估指標體系及評估方法尚有待完善。

本文提出了基于傳感器數據的配電網設備能效評估理論方法，構建了比較全面的能效評估指標體系，提出了基于層次分析法(AHP)與指數計算的配電網設備能效評估算法。

1 配電網設備能效評估指標體系構建

基于指標選取原則構建全面、完整的配電網設備能效評估指標體系，見圖1。

圖1 配電網設備能效評估指標體系Fig 1 Energy efficiency evaluation indicator system of distribution network equipment

2 配電網設備能效評估算法

配電網設備能效評估采用AHP與指數計算的算法，利用AHP計算指標權值，利用取基準值對標法計算定量指標的能效指數，最后利用加權法計算配電網設備的綜合能效指數，實現對配電網設備的能效評估。

2.1 基于AHP的指標權值計算

層次分析法計算權值前，需要對評估對象進行分析，即分析評估對象所包含的因素及各因素之間的關系等，以便建立合理、有效的層次分析模型，提高評估的全面性和可行性[11,12]。

1)構造判斷矩陣：構造判斷矩陣是層次分析法的一個關鍵步驟，判斷矩陣表示的是對上一層次中的某元素的重要程度，使用數量化的相對權值aij來描述。設共有n個元素參與比較，則A=(aij)m×n稱為判斷矩陣。判斷矩陣中aij的取值可以按照表1中的規定取值。

2)權值計算和一致性校驗：假設W=[w1,w2,…,wn]T，判斷矩陣用A表示,具體計算是對于判斷矩陣,計算滿足

AW=λmaxW

(1)

式中 λmax為矩陣A的最大特征根；W為對應于λmax的正規化特征向量；W的分量wn即是相應元素單排序的權值。

判斷矩陣通常是不一致的，但是為了能用它的對應于特征根的特征向量作為被比較因素的權向量，引入一致性

表1 判斷矩陣的取值

指標，當一致性指標滿足在一定的范圍內，表明判斷矩陣通過一致性校驗。

3)合成權值和層次排序:一般地，若層次結構由k個層次(目標層算第一層)構成，則方案的優先程度的排序向量為

W=w(k)w(k-1)…w(2)

(2)

式中 W為總層次排序；w(k),w(k-1),…,w(2)分別為每層的單序排序。

2.2 基于對標法的指標能效指數計算

配電網設備能效評估指標體系中大部分指標屬于定量指標，為了實現對定量指標的評估，采用取基準值對標的方法將能效指標實際值統一轉換成能效指數，方法如下。

對于能效評估正向指標和逆向指標，其單項評估指標指數計算公式分別為

(3)

(4)

最終，正向指標對標計算公式為

(5)

逆向指標對標計算公式為

(6)

式中 Mi為第i項指標實際值；Hi為第i項指標基準值；Li為第i項指標極優值。

2.3 基于加權法的綜合能效計算

利用加權法計算配電網設備的綜合能效指數為

P=wi∑pi

(7)

式中 P為配電網設備綜合能效指數；wi為第i項指標權值；pi為第i項指標能效指數。

3 算 例

在Windows系統的PC上設計算例，采用Matlab和Yaahp輔助軟件為層次分析法的決策過程提供模型構造、計算和分析等方面的幫助。為驗證所提方法的可行性和有效性，以某地區實際運行的某臺型號為S11—50/10的公用配電變壓器為測試對象，其具體參數為：額定容量Sn=0.05 MVA，高壓側額定電壓UnH=10 kV，低壓側額定電壓UnL=0.4 kV，額定空載損耗P0=0.13 kW，額定負載損耗Pk=0.98 kW，空載激磁電流百分數I0%=1.5。從該臺變壓器低壓側上加裝的各類傳感器裝置中獲取其在2014年10月1日00：00～23：00全天的運行數據，采樣周期Tf=2 h，見表2。

表2 配電變壓器原始運行數據

采用本文所提方法對該配變進行能效評估。首先應用2.1節所提方法計算該配變的各項能效指標的權值，以屬于動態類型的各項指標為例建立遞階層次結構模型，見圖2。靜態指標權值計算方法相同。

圖2 遞階層次結構模型Fig 2 Hierarchical structure model

然后根據專家意見構造判斷矩陣，根據層次結構，由準則層各指標重要性等級決定目標層判斷矩陣，由方案層各指標重要性等級決定準則層判斷矩陣，目標層重要度判斷矩陣及準則層以節能空間為例構造判斷矩陣的取值分別見表3和表4。節能成本及節能難度的判斷矩陣構造方法類似。

表3 重要度判斷矩陣取值

表4 節能空間判斷矩陣取值

借助Yaahp軟件對模型進行求解得到指標權值，見表5。

表5 指標權值分布

最后借助Matlab軟件，進行指標能效指數計算和加權評估綜合能效。根據專家意見確定指標基準值和極優值，根據配電變壓器手冊確定各項靜態指標值，根據配電變壓器運行數據的日均值情況確定相應的動態指標值(如,功率因數日均值=(∑每兩小時功率因數)/12，電壓偏差率日均值=|電壓日均值-額定電壓|/額定電壓×100 %)。配電變壓器能效指數計算結果見表6。

根據配電變壓器能效指數計算結果，與AHP得到的指標權值進行加權后可知，反映該配電變壓器能效受自身參數影響情況的靜態指標綜合能效指數Pj=72.91，表明該配電變壓器的設備參數比較良好，因其為新投入運行的配電

表6 配電變壓器能效指數計算結果

變壓器，故服役年限短，能效比較好，但因其型號為S11，較目前新一代的S13型號變壓器的能效水平相對低一些；反映該配電變壓器實際運行中能效狀況的動態指標綜合能效指數為Pd=73.68，表明該配電變壓器運行狀況也比較良好，但因其為重載運行、繞組發熱較嚴重且功率因數不高，故其動態能效還有較大提升空間，需采取匯集周邊負荷、調高繞組散熱風扇轉速和加裝無功補償裝置等節能措施以優化其運行性能。同時由結果可知該配電變壓器的綜合能效指數Pz=73.37，表明其整體能效水平比較良好，但還有較大的能效提升空間，如采取相關節能措施改善用電功率因數、使無功就地平衡、檢查其是否為考慮諧波畸變而留有格量等，或適當選用調壓措施如串聯補償、加裝有載調壓裝置、安裝同期調相機或靜電電容器等，均能有效提升該臺配電變壓器的能效。

同理，可用所提方法對配電導線進行能效評估，最終，完成配電網設備能效評估。

4 結束語

本文基于配電網設備上加裝的各類傳感器裝置中的數據，所構建的配電網設備能效評估指標體系對設備各環節的能效影響因素考慮得比較全面，有利于設備節能潛力的深度挖掘；所提出的基于AHP與指數計算的配電網設備能效評估算法不僅在理論上科學合理而且在實踐上易于實現。實際的案例分析表明：所提方法能夠很好地反映配電網設備多方面能效影響因素的水平狀況，便于能效異常排查，是助推電網節能建設、高效運行和可持續發展的有力工具。

[1] 蔣 玲.企業配電網能效分析評估與節能系統設計研究[D].長沙：湖南大學,2014.

[2] 張曉虎,羅隆福,李 勇,等.大功率工業整流系統能效在線監測系統及其遠程校準算法[J].電力自動化設備,2014,34(12):123-130.

[3] 韋運杰.高耗能企業電力能效評估研究[D].南京：東南大學,2011.

[4] Ozkan Z,Hava A M.Energy conversion efficiency of single-phase transformerless PV inverters[C]∥International Conference onElectrical &Electronics Engineering,2013:283-287.

[5] De Keulenaer H,Chapman D,Fassbinder S.The scope for energy saving in the EU through the use of energy-efficient electricity distribution transformers[C]∥International Conference &Exhibition on Electricity Distribution,2001.

[6] 楊 建.配電網供電效能分析與節能降損測評技術研究[D].北京：北京交通大學,2012.

[7] 韓曉慧,杜松懷,蘇 娟,等.基于組合賦權法的農村低壓配電網能效綜合評價方法[J].農業工程學報,2014(16):195-202.

[8] Alvarez,F,Rudnick.Impact of energy efficiency incentives on electricity distribution companies[J].IEEE Transactions on Power Systems,2010(4):1865-1872.

[9] 張勇軍,石 輝,許 亮,等.配電網節能潛力評估系統開發方案[J].電力系統自動化,2011,35(2):51-55.

[10] Li Dezhi,Xu Gaojie,Liu Yongshun,et al.Electric power energy efficient management system based on optimization of energy consumption modeling[C]∥International Conference on Electricity Distribution,IEEE,2012:1-6.

[11] 楊小彬,李和明,尹忠東,等.基于層次分析法的配電網能效指標體系[J].電力系統自動化,2013,37(21):146-150,195.

[12] Liu L,Liu C,Wang Y.Distribution grid efficiency assessment grading research based on AHP[C]∥International Conference on Electricity Distribution,IEEE,2014:1503-1506.

Distribution network equipment energy efficiency evaluation based on sensor data*

ZHANG Xing-xing1,PENG Min-fang1,QI Ming-jun2,ZHU Liang2,LENG Hua3

(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.State Grid Hunan Electric Power Company,Changsha 410007,China;3.Electric Power Research Institute,State Grid Hunan Electric Power Company Changsha 410007,China)

On the basis of in-depth analysis on data acquisition condition in all kinds of sensor device of distribution network equipment,comprehensively considering the influence factors of energy efficiency of the equipment,the index system of energy efficiency evaluation of distribution network equipment is established.According to each index has different energy efficiency influence degree on the distribution network equipment in the energy saving potential,cost and difficulty aspects,hierarchical structure model is established,and the analytic hierarchy process(AHP) is used to calculate index weights.According to the characteristics of the quantitative indicators,which are easy to quantify,the benchmarking function is established,the energy efficiency index calculation of quantitative indicators is completed.Thus,energy efficiency evaluation for distribution network equipment is achieved.And an actual distribution transformer example is taken to verify the practicability and effectiveness of the proposed method.

sensor;analytic hierarchy process(AHP);index calculation;distribution network equipment;energy efficiency evaluation

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0054—04

2016—01—07

國家自然科學基金資助項目(61173108，61472128)；湖南省自然科學基金資助重點項目(14JJ2150)；國家電網公司總部科技項目(5216A514001K)

TM 715

A

1000—9787(2016)11—0054—04

張星星(1988-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向為電氣設備監測、診斷與評估。