基于負荷均衡調優的主變經濟運行控制策略

南京易司拓電力科技股份有限公司 陳 瑞

我國已是碳排放量大國，不能完全依靠無限制增加能源供應來解決能量需求問題，急需開拓節能手段，實現技術降損、降低能量損耗率，從而降低能源供應。線損率是在一定時期內電能損耗量占供電量的比率，是綜合反映電力系統規劃設計、生產運行和經營管理的關鍵技術經濟指標。盡管設備損耗是不可避免的，但是卻可以通過相關的技術措施，使之保持在一個合理的水平上。在電網安全穩定運行的前提下，電網運行的主要目標是盡量減少電網運行中輸、變、配電設備的電能損耗，實現電網經濟合理的運行，降低電網企業的生產成本。深入開展技術降損工作，進一步提高設備利用效率、降低運行損耗，對于促進挖潛增效、降損增益具有重要意義。

隨著城市集中化的不斷建設，城區中心的變電站供電容量已逐漸無法滿足實際用電負荷增長的需求，但受城區中心地理位置局限性，變電站新增擴建及布點工作的實施難度大，導致城區中心變電站的變壓器（簡稱主變）容載比在逐年降低。城區外圍的變電站布點進度不斷加速，但因周邊產業園區及配套設施尚未完全發展起來，用電負荷尚未達到預期規劃值，導致城區外圍主變負載率普遍偏低。用電負荷受季節性影響較大，部分主變負載率呈現春秋季輕空載、夏冬季重過載的問題。

同時，為確保電網運行可靠性，電網設備全年均采用全方式運行，造成負荷低谷期主變輕空載損耗嚴重。因此城區電網潮流分布不均衡，主變負載率“中心重、四周輕”現象突出，電網運行方式不經濟，既影響設備使用壽命又增加電網損耗。在保障重要用戶供電可靠性的前提下，結合地區負荷變化的特點，在負荷高峰和低谷時段，通過優化電網運行方式、合理均衡調優主變的負荷，改善主變負載率，達到降低主變損耗、提高經濟效益的目的。

1 主變經濟運行的理論分析

變電站的變壓器（簡稱主變）損耗主要由鐵損和銅損兩部分構成。其中鐵損是指變壓器在額定電壓下（二次開路）鐵芯中消耗的功率，包括激磁損耗與渦流損耗，僅和變壓器的鐵芯大小、材料、電網電壓有關，與負荷大小無關，約等于變壓器設備銘牌上的空載損耗功率P0。銅損是指變壓器一、二次電流流過變壓器線圈電阻所消耗功率之和，與負荷電流大小的平方成正比；由于線圈多用銅導線制成，故稱銅損，變壓器供帶額定負載的銅損約等于設備銘牌上的短路損耗功率Pk。主變損耗功率可以表示為ΔP=P0+β2Pk，其中負載率系數β=I/Ie，即負荷電流和額定電流的比值[1]。

參照表1中變壓器不同負載率下的傳輸功率損耗，變壓器在輕載（β負載率低）時的空載損耗（P0鐵損）遠大于負載損耗（Pk銅損），因此在變壓器輕載時，變壓器的空載損耗占總損耗的比重較大。隨著變壓器負載率的逐漸提升，由于主變負載損耗隨著主變負載率的提升呈二次方提升的關系，導致主變負載損耗將隨著主變負載率的提高而快速提升，在主變負載率達到一定程度時，主變的負載損耗將占較大比重[2]。

表1 某型號變壓器不同負載率下的傳輸功率損耗（P0鐵損19.327kW）

1.1 兩臺同型號變壓器的經濟運行臨界負載率

當一臺變壓器運行時，變壓器損耗功率為ΔP1=P0+β2Pk；當兩臺變壓器運行時，變壓器損耗功率為ΔP12=2P0+2(0.5β)2Pk=2P0+0.5β2Pk。經濟運行臨界負載率為一臺變壓器運行損耗與兩臺變壓器運行損耗相等條件下的負載率，即βc2=2P0/Pk。式中：ΔP1為一臺變壓器運行有功損耗，kW；ΔP12為兩臺變壓器并列運行有功損耗，kW；βc為變壓器臨界負載率。

通過計算可知，當變壓器負載率超過臨界負載率時，采用兩臺變壓器運行的方式較為經濟；當變壓器負載率小于臨界負載率時，采用一臺變壓器運行的方式較為經濟。參照表1中變壓器不同負載率下的傳輸功率損耗，當雙主變運行變電站的兩臺變壓器負載率平均小于30%時，經負荷均衡調整后停運一臺主變，變電站單臺變壓器運行時的損耗小于兩臺變壓器運行時的總損耗，有效降低變壓器損耗，提升主變經濟運行[3]。

1.2 多臺同型號變壓器的經濟運行臨界負載率

當(n-1)臺變壓器運行時，主變損耗功率為ΔP(n-1)=(n-1)P0+(n-1)(1/(n-1)β)2Pk；當n臺變壓器運行時，主變損耗功率為ΔPn=nP0+n(1/nβ)2Pk。經濟運行臨界負載率為(n-1)臺變壓器運行損耗與n臺變壓器運行損耗相等條件下的負載率，即βnc2=n(n-1)P0/Pk。以上諸式中：ΔP(n-1)為(n-1)臺變壓器運行有功損耗，kW；ΔPn為n臺變壓器并列運行有功損耗，kW；βnc為變壓器臨界負載率；n為變壓器數量。

通過計算可知，當變壓器負載率超過臨界負載率時，采用n臺變壓器運行的方式較為經濟；當變壓器負載率小于臨界負載率時，采用(n-1)臺變壓器運行的方式較為經濟。因此可以參考變壓器經濟運行臨界負載率，通過調配輕重載變壓器負荷、輪停站內變壓器等經濟運行優化手段均衡各變壓器的負載率，從而降低電網內變壓器的電能損耗。

2 主變經濟運行控制策略研究

對于安裝有多臺主變的變電站，在保證電網安全運行及可靠性的基礎上，合理均衡主變負荷，提升主變運行經濟性，具體策略如下：

負荷高峰期，主變負載率高于70%時，將該主變下部分負荷轉移至負載率較低變壓器；負荷低谷期，主變負載率低于30%時，將該主變下帶負荷轉移至周圍其他變壓器后，拉停該臺主變，具體流程如圖1所示；避免因負荷增降而多次投停備用主變，優先選擇容量較大、設備狀況較好的主變投入運行。容量較小、設備狀況較差的主變作為機動備用主變。

圖1 主變經濟運行控制流程

在單主變運行過程中，如果運行主變發生重載（負載率高于80%時），應立即投入備用主變；負荷轉移、停役輕載主變等電網運行方式的同時，需統籌制定特殊運行方式下變電站全停預案，并做好單線、單主變運行變電站的特巡和保供電工作。

無法以遠方遙控方式及時將備用主變投入運行的變電站，內橋接線變電站或主變各側只有隔離開關、熔斷器的的變電站，不參與主變經濟運行；如遇臺風或極寒等特殊天氣、單線及單主變帶供六級及以上電網運行風險的負荷、法定節假日特殊保電期間、城區重要用戶以及高危用戶供電的變電站，取消主變經濟運行模式，電網恢復正常運行方式。

2.1 運行可靠性與經濟性雙平衡

為解決電網供電可靠性與主變運行經濟性雙平衡的問題，通過加裝“備自投”裝置、“一鍵順控”快速復電、配電自動化自動轉供的三種技術措施，在保障運行方式調整時可靠性的基礎上，實施主變方式優化調整、負荷均衡調優，從而實現主變技術降損。

常規手動投停變壓器，難以快速響應在運設備故障時快速切換備用設備，存在電網供電可靠性隱患。主變備自投裝置自動監測在運設備狀態，可通過控制變壓器母聯斷路器備投實現故障時負荷自動轉供，避免單主變運行方式下故障后負荷全部損失的問題，在降低變壓器空載損耗的基礎上，既提升主變供電經濟性又保證了供電可靠性[4]。

為避免備自投裝置動作失敗情況下負荷大量損失，融合調度自動化、配電自動化等多專業協同分析的系統高級應用，通過“一鍵順控”、網絡備自投、配網負荷自動轉供等多種方式的保障措施，確保事故發生后負荷能夠快速轉供。“一鍵順控”可輔助變電站調控人員根據故障點及發生原因，按照事故發生后的處置方案快速操作變電站進線電源開關，實現事故發生后精準快速恢復供電。配電自動化高級應用實時分析變電站內全部停電事件，對因上級電源失電造成的停電配電線路，站內線路關口開關斷開的同時，合上配電線路的聯絡開關，精確轉供負荷，快速恢復用戶供電，有效提升電網供電可靠性。

2.2 主變經濟運行節能效益綜合評估

主變實時損耗功率ΔP=P0+β2PK，其中P0為空載損耗功率，PK為短路損耗功率，β為負載率系數，即負荷電流和額定電流的比值（實際計算時取有功功率和額定容量的比值）。現以110kV某變電站為例，兩臺變壓器型號均為SZ11-63000/110，1號主變空載損耗為36.39kW，額定負載損耗為219.5kW；2號主變空載損耗為36.39kW，額定負載損耗為219.5kW。全站最高負荷小于單臺（容量較大的）主變容量的70%，主變長期處于輕載非經濟運行狀態，導致兩臺主變運行損耗較大。

經主變經濟運行調整策略綜合評估后，將2號主變下帶負荷轉移至1號主變，停運2號主變，優化主變經濟運行方式；根據技術降損能效分析，計算兩臺主變運行方式調整前后的主變損耗，主變投停節能成效如表2所示。每年可節約電量17.86萬kWh，按照平均購電價0.35元/kWh測算，年節能收益6.25萬元。

表2 主變投停節能成效

兩臺主變分列運行，兩臺變壓器的功率損耗分別為：ΔP1=P0+β2PK=36.39+0.185×0.185×219.5=43.9kW，ΔP2=P0+β2PK=36.39+0.197×0.197×219.5=44.91kW；停運2號主變，則1號主變的功率損耗為：ΔP1′=P0+β2PK=36.39+0.382×0.382×219.5=68.42kW。

年節省損耗電量為：P1=(ΔP1+ΔP2-ΔP1′)，Tk=(43.9+44.91-68.42)×8760=17.86萬kWh，式中：ΔP1為方式調整前1號主變運行過程中產生的功率損耗；ΔP2為方式調整前2號主變運行過程中產生的功率損耗；ΔP1′為方式調整后2號主變運行過程中產生的功率損耗；P1為方式調整后節省電量；P0為設備銘牌上的空載損耗功率；PK為設備銘牌上的額定負載損耗功率；β為負載率系數；Tk為主變壓器經濟性停運的累積時間。

3 結語

按照技術降損的“先方式、后項目”原則，合理均衡調優主變的負荷、投停輕空載主變，實現主變經濟運行，有效減少主變損耗。為解決供電可靠性與運行經濟性平衡問題，通過加裝“備自投”裝置、“一鍵順控”快速復電、配電自動化自動轉供的技術措施，在保障運行方式調整時可靠性的基礎上，實施主變負荷均衡調優，從而實現主變技術降損。

經對主變功率傳輸損耗率的特性分析，還可以結合主變負荷特性補償主變無功消耗，提高主變功率因素，將主變負載率控制在經濟運行負荷率區間內，從而降低變壓器損耗率。后期可考慮在主變方式優化調整、負荷均衡調優基礎上，采取補償主變無功消耗，實現通過提高主變功率因素來降低變壓器損耗率及提升主變運行經濟性。