基于層次分析法的變電站能效評估方法研究

張鑫 段明輝 劉力卿 王偉

摘 要：本文通過調研各類變電站站用電構成，分析了影響變電站能效的主要因素，建立了主要耗能設備能效計算方法。在此基礎上，基于層次分析法建立了變電站能效評估模型，實現了站域能效的定量評估，并通過變電站實例數據，驗證了方法的有效性。

關鍵詞：變電站;層次分析法;能效評估

中圖分類號：TM727文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）32-0145-03

Research on Substation Energy Efficiency Assessment Method

Based on Analytic Hierarchy Process

ZHANG Xin DUAN Minghui LIU Liqing WANG Wei

（Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384）

Abstract： This paper analyzed the main factors affecting the energy efficiency of substations by investigating the energy consumption of various substations， and established the energy efficiency calculation method for main energy-consuming equipmentin substation. Based on the analytic hierarchy process （AHP）， the substation energy efficiency assessment model was established， and the quantitative evaluation of substation energy efficiency was realized. The effectiveness of the method was verified by the substation instance data.

Keywords： substation;analytic hierarchy process （AHP）;energy efficiency assessment

變電站是電力系統中變換電壓、接受和分配電能、控制電能流向和調整電壓的場所，是電力系統網狀結構中的關鍵節點。在電壓變換、電能分配的過程中，會有一部分電能損耗在變電站中，用于維持變電站的正常運行。據粗略統計，變電站站內能耗在電能網損中占比三分之一左右。因此，著力降低變電站能耗是降低企業成本、推動電力生產經營轉型的重要舉措[1，2]。

在變電站節能設計或評估方面，國內外學者開展了大量研究。在變電站設備層面，Luo Lijian等[3]對比分析了非晶合金鐵心變壓器和硅鋼片鐵心變壓器的全壽命周期成本，論證了配置更高能效變電設備的必要性。在能效評估方面，李濤[4]通過模糊熵權法建立了節能評估模型，實現了對變電站建設項目的能效分析評價。

在上述研究的基礎上，本文從變電站主要耗能設備入手，分析影響變電站能效水平的主要因素，提出一種變電站能效評估方法。

1 變電站能效現狀分析

作為能量傳遞樞紐，變電站內存在一定的能量損耗是正常的，是保證變電站正常運轉的必然存在。但是，變電站能量損耗中有相當一部分是由于能效過低、管理粗放而浪費的。隨著變電站數量、規模不斷擴大，變電站傳輸電量的日益增長，變電站站內能量損耗已經成為不可忽視的方面。

經過調研分析，造成變電站能效過低、能量損耗過大的原因主要有以下幾方面。

1.1 設計理念落后

長期以來，變電站能量損耗直接計入網損，變電站能耗問題沒有引起重視。因此，在變電站設計之初，包括房屋建設設計、主設備選型、站用電負荷配置、運維管理方式的設定等各方面均未考慮過變電站能效問題。

1.2 設備設施老舊

由于變電站設計運行壽命較長，目前在運的變電站站內存在大量的老舊用電設備。這些設備技術水平落后、運行維護不當，在沒有合理更替計劃的情況下長期運行，造成大量電能損耗。同時，某些老舊建筑的保溫技術落后、密封性較差，導致在控制和保持室內溫濕度方面損耗了大量電能。

1.3 管理方式粗放

大部分變電站對站內能耗沒有進行準確統計，缺少站內用電電能表計，對各類負荷的能耗情況不了解。由于缺少相應的宣傳和考核督查制度，部分站內運維人員節能意識淡薄，“長流水、長明燈”的情況仍然大量存在;運維制度不夠細致，存在變壓器過度冷卻、室內過度通風等情況，造成不必要的浪費。

1.4 新能源新技術應用滯后

隨著分布式電源技術的成熟，風機發電、光伏發電等新能源發電形式和儲能裝置在商業、住宅、廠區的應用日益廣泛，但在變電站中卻鮮少應用。同時，建筑物能量管理、冷熱電多能互補等先進和科學的節能方法在變電站應用相對滯后。

1.5 調度運行中缺少對節能的考慮

在電網調度運行中，更多地考慮可靠性而忽視經濟性。應在滿足潮流控制和可靠性的前提下，進行優化變壓器經濟運行和無功電壓控制，主動降低變電站能耗。

2 變電站能耗構成

變電站站內能耗構成復雜，具體組成情況如圖1所示。

一般來說，站內電能消耗主要包括以下幾方面：①主變壓器、電容器/電抗器、站用變壓器等一次設備電能損耗;②變壓器冷卻、通風、空調、照明、直流、UPS 電源、通信電源等站用電系統模塊的電能損耗;③對于有人值守變電站、運維班組駐地的中心站（基地站），還存在一定的生活和辦公用電。

根據北方某城市供電公司2017年線損理論計算分析報告可知，夏季最大負荷日該電網供電量為230 555.1MWh，220kV及以下變電站的損失電量理論計算值為1 917MWh。損失電量主要包括變壓器損耗、電容器/電抗器損耗、站用電量，各部分占比見圖2。

3 變電站主要能耗計算

3.1 一次設備能耗分析

3.1.1 主變壓器損耗。主變壓器損耗包括空載損耗和負載損耗。空載損耗是變壓器工作時鐵心產生的損耗，主要由鐵心材質和結構決定，與負載情況關系不大。變壓器投入運行后，其空載損耗基本保持不變。負載損耗主要指電流通過繞組時產生的損耗，負載電流增大時負載損耗會顯著增大，損耗值與負載率的平方成正比。

主變壓器能耗值可通過式（1）計算：

[W=T×P0+S%2Pk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，[P0]為變壓器空載損耗，[Pk]為變壓器額定容量下的負載損耗，[S%]為變壓器平均負載率，[T]為運行時間。

3.1.2 電容器、電抗器損耗。無功補償裝置包括電容器和電抗器，可以為電力系統提供無功功率，提高電力系統的穩定性。電容器損耗主要是由內部泄漏電流和介質極化引起的。電抗器損耗主要指電流通過繞組電阻引起的發熱損耗，對于鐵心電抗器，還應考慮鐵心磁滯損耗和渦流損耗。

在無功補償裝置進線處加裝電能表計，可以準確計量無功補償裝置的總能耗。對于未安裝電能表計的，電容器和電抗器的能耗值可以通過公式（2）近似計算

[WC=T×QC×tanδWL=T×PL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[QC]為電容器容量，[tanδ]為電容器平均介質損耗因數，[PL]為電抗器額定功率損耗，T為無功補償裝置運行時間。

3.2 站用電能耗分析

3.2.1 主變壓器冷卻系統。對于采用風冷或強迫油循環系統的變壓器，冷卻系統是一項重要的耗能設備。每臺主變壓器均配有若干組冷卻器，冷卻器由風扇與油泵組成。冷卻系統的用電量與冷卻器開啟組數相關，當變壓器負載率增加、油溫升高時，會隨之增加冷卻器開啟組數。

在冷卻器供電電源處加裝電能表計，可以準確計量冷卻系統的總能耗。對于未安裝電能表計的，可以通過式（3）近似計算。

[W=i=1nPi×Ti]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，n為冷卻器組數，[Pi]為第i組冷卻器的損耗，[Ti]為第i組冷卻器的運行時間。

3.2.2 直流系統。直流系統主要由充電柜、電池組、監測系統等組成。直流系統主要用于對電池組充電以及對儀表設備、計算機設備等直流設備提供直流電源。調研與測量數據顯示，直流系統屬于較為穩定的負荷，短期波動較小，功率曲線平直，進行電量計算時可將其近似視作固定負荷。

直流系統的能耗水平可以用直流系統充電柜的典型充電電壓和充電電流的乘積來近似評價：

[W=T×i=1nUDC_i×IDC_i]? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中，n為變電站站內直流系統充電柜數量;[UDC_i]、[IDC_i]為第i臺直流系統充電柜的典型充電電壓、充電電流。

3.2.3 斷路器、隔離開關操作電源。斷路器、隔離開關動作后，操作機構會自動儲能。由于斷路器、隔離開關動作次數較少，每次儲能電機工作時間較短，由此產生的總耗電量一般較低。

[W=i=1nWi×Ni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，n為斷路器或隔離開關數量;[Wi]為第i臺斷路器操作機構儲能電量，[Ni]為第i臺斷路器的動作次數。

4 能效評估體系

層次分析法可以確定多個影響因素的層級從屬關系，并科學確定指標權重。指標體系包括目標層和一級指標、二級指標和三級指標，如圖3所示。

指標的選取和評價標準的確定是變電站能效評估的重要環節，根據變電站站用電的相應特征和影響因素，指標選取將遵循完整性、系統性、可操作性和先進性等原則。

結合德爾菲法專家評價結果和調研分析結果，制定變電站能效評估指標體系和權重，如表1所示。

本指標體系采用扣分法，最終得分越高，說明變電站能耗越高，能效水平越低。

5 結論

變電站內能耗主要由一次設備能耗、站用電能耗和（中心站的）生活辦公能耗構成。經過對主要能耗計算方法的研究，可結合層次分析法建立變電站能效水平的評估體系，實現能效的定量評估。

參考文獻：

[1]王先佐，張科屹，張宏宇，等.變電站運行能耗監管實踐研究[J].變壓器，2017（5）：56-59.

[2]羅志坤，劉瀟瀟，陳星鶯，等.變電站能效評估指標體系及建模方法[J].電力自動化設備，2017（3）：132-138.

[3]Luo Lijian，Huang Shaofeng，Jiang Qingkai. Framework design of intelligent primary equipment in smart substation[J]. Electric Power Automation Equipment，2011（11）：120-124.

[4]李濤，賈冰蕾，張東寅.基于層次分析和熵權值的變電站能效評估方法研究[J].湖北電力，2016（9）：11-15.