变电站主要站用负荷用电规律及其节电策略研究

郑扶民，郜幔幔，杨家豪，欧阳森，李凤珍

（1.广东电网公司惠州供电局，广东　惠州　516001；2.华南理工大学电力学院，广州　510640；3.广州市奔流电力科技有限公司，广州　510640）



变电站主要站用负荷用电规律及其节电策略研究

郑扶民1，郜幔幔2，杨家豪2，欧阳森2，李凤珍3

（1.广东电网公司惠州供电局，广东惠州516001；2.华南理工大学电力学院，广州510640；3.广州市奔流电力科技有限公司，广州510640）

摘要：变电站空调、照明系统用电量大，分布区域广，由于缺乏对不同区域空调、照明系统用电规律的深入研究，导致目前的空调、照明系统节电改造方案较粗糙，难以实现资源最优配置。首先对变电站不同区域的空调、照明系统用电规律进行细致研究，并据此将空调、照明系统分别划分为4类和6类；其次，以各类空调、照明系统的用电规律为依据，按照改造后年节约电量的大小，分别提出空调、照明系统的高、中、低潜力3种改造方案；空调、照明系统各改造方案的组合即可得到满足不同变电站需求的多种改造方案，通过计算各改造方案的投资成本、节电率、回收期等，为变电站空调、照明系统的改造提供合理的数据参考和指导；最后以某500 kV和110 kV变电站节电改造计算为实例，验证该改造方案的正确性和实用性。

关键词：变电站；节电改造；空调系统；照明系统

变电站节能是电网降损工作的重要环节，其对电网的节能评估和规划、降低电网运营成本、提升电网企业效益大有裨益［1—4］。变电站站用电负荷主要由主变冷却、通风散热、空调、照明以及机房通信等构成，而由于站用电负荷结构特点及改造技术的限制，目前变电站节电研究主要集中在用电量较大且易于实施改造的空调、照明系统［5—10］。但是，现有文献均仅是对变电站空调、照明系统整体用电规律的分析，未能针对变电站不同区域的空调、照明用电规律作更为细致深入的研究。基于以上情况，目前的节电策略仅能对变电站空调、照明系统提出整体改造方案或者依靠主观经验选择部分空调、照明系统进行改造，由于未考虑不同区域空调、照明系统的用电规律、设备利用率等因素，导致改造方案较为粗糙，缺乏科学依据，难以在有限的资源下获得最大收益及实现资源的最优配置。因此，如何确定优先改造的空调或照明设备，制订合理的改造方案，有效利用资源以获得最大的节电收益是迫切需要解决的问题。

本文在分析变电站空调、照明系统整体用电规律的基础上，深入研究变电站不同区域空调、照明系统的用电规律，并据此将空调、照明系统分别划分为4类和6类；其次，以各类空调、照明系统的用电规律为依据，以优先改造开启时间长、额定功率大、用电量大的设备为改造方案设计原则，根据改造后年节约电量的大小，分别提出空调、照明系统的高、中、低潜力3种改造方案，变电站对空调、照明系统的改造则可由各方案任意组合得到15种改造方案，通过计算各改造方案的投资成本、节电率、回收期等，为变电站空调、照明系统改造提供合理的数据参考和指导；最后，分别以某500 kV和110 kV变电站为例，进行空调、照明系统的节电潜力计算。实例证明，变电站空调、照明系统节电潜力巨大，在不同投资和改造规模下，依据设备改造的优先级，制定合理的改造方案，可获得可观的节电收益及实现资源最优配置。

1　变电站空调、照明系统整体用电规律

变电站空调、照明系统分布广、用电量大，且大多没有统一的启停规律，具有巨大的节电改造空间。表1是某供电局7个变电站的空调、照明系统用电量及其所占比例，其中变电站1是500 kV变电站，变电站2—4为220 kV变电站，5—7为110 kV变电站。

从表1可以看出，对于不同电压等级的变电站，空调、照明系统用电比例都非常大，其中500 kV变电站的空调、照明系统用电比例在50%以上，220 kV 及110 kV变电站的空调、照明系统用电比例基本在80%左右，故对变电站的空调、照明系统的节电研究意义重大。

表1　变电站空调、照明系统用电统计表

2　各区域空调、照明系统用电规律

2.1不同区域的空调用电规律

空调系统主要分布在主控室、继保室、通信室、高压室、电容电抗器室、蓄电池室、配变室、办公室、会议室、接待室、休息室、警传室等场所，分布在不同区域的空调系统，其功率、数量、用电规律等都有较大的差别。本文对大量变电站的各区域空调系统进行调研分析，依据各区域空调的用电规律、用途等将其分为4类，并以每类空调系统用电量占空调系统总用电量的比例大小将其划分为大、中、小3个等级，以便对各类空调系统用电量的相对大小有更加清晰直观的认识；空调系统分类及用电规律如表2。

表2　空调系统分类及用电规律

2.2不同区域的照明用电规律

照明系统主要分布在户外、办公室、会议室、接待室、主控室、继保室、高压室、电容电抗器室、蓄电池室、走道、卫生间、休息室、警传室、等场所；分布在不同区域的照明系统，其功率、数量、类型、用电规律等都有较大的差别，在对大量变电站的各区域照明系统进行调研分析的基础上，依据各区域照明系统的特点、用电规律等将其划分为6类，各类照明系统用电规律及特点如表3。

表3　照明系统分类及用电规律

3　节电策略及改造方案设计

3.1空调系统节电策略及改造方案设计

文献［5］、文献［9］—文献［12］介绍了空调系统的多种节电策略，本文主要考虑目前较为主流且节电效果易于评估计算的节电策略，包括使用中央空调、变频空调和更换新型制冷剂等。

各变电站可依据空调系统的不同现状、拟投入改造资金、改造规模、变电站空间等采用不同的改造手段及改造方案。本文依据不同改造方案下年节约电量的大小，提出高、中、低潜力3种方案，3种方案的改造规模、初始投资都依次减小，可满足不同变电站的需求。

改造方案制定原则为：在改造资金有限的情况下，依据变电站各类空调系统用电规律，优先改造开启时间较长、用电量较大的空调以获得最大的节电效益。

（1）变电站空调较老旧，属于国家淘汰的高能耗产品

这种情况下，更换制冷剂并不能从根本上解决设备老旧、能效低、机组故障率高的缺点，主要考虑更换变频空调和中央空调进行节电改造，但是，中央空调对变电站空间要求较高，一般来说，更换变频空调更具有可行性。

高潜力方案：变电站全部空调更换为变频空调或者中央空调。

中潜力方案：更换Ⅰ和Ⅱ类空调系统，包括主控室等主要设备室空调和蓄电池室等一般设备室空调。

低潜力方案：仅更换Ⅰ类空调系统，包括主控室、继保室、高压室、通信室等主要设备室空调。

（2）变电站仅部分空调属于高能耗产品

高潜力方案：变电站全部空调更换为变频空调或者中央空调。

中潜力方案：①更换所有高能耗空调；②更换Ⅰ类空调系统，包括主控室、继保室等主要设备室空调；③对其他空调实行更换制冷剂改造。

低潜力方案：①更换所有高能耗空调；②更换Ⅰ类空调系统，包括主控室、继保室等主要设备室空调。

3.2照明系统节电策略及改造方案设计

变电站照明按区域分为室内照明和室外照明，目前变电站室内照明以T8灯管为主，而围墙、楼顶、电场等室外照明主要使用大功率高压钠灯。本文照明系统节电策略主要采用新型绿色光源LED灯替换目前使用的T8荧光灯，无极灯替换高压钠灯。

由于变电站的照明系统现状较为类似，因此，对照明系统统一制定按改造规模、初始投资、年节约电量依次减少的高、中、低潜力3种改造方案。改造方案制定原则和空调系统改造方案原则相同，但对于Ⅱ类照明系统即走道、卫生间等公共区域灯具，经调研，多数变电站采用节能灯具，虽然其用电量较大，但进行改造的必要性不大。

高潜力方案：所有T8灯具更换为LED灯，高压钠灯更换为无极灯。

中潜力方案：①更换Ⅰ类照明系统，包括围墙、电场等户外照明灯具；②更换Ⅲ类照明系统，包括主控室、继保室等主要设备室照明灯具；③对于220 kV及以上变电站还应更换Ⅳ类照明系统，即办公室、会议室等办公场所灯具。

低潜力方案：仅更换Ⅰ类照明系统，包括围墙、电场等户外照明灯具。

3.3改造方案设计及效益计算

（1）改造方案设计

上文提出了空调系统、照明系统的高、中、低3种改造方案，变电站进行改造时，可根据拟投入资金、改造规模、空调照明系统现状等合理选择空调、照明系统的改造方案。一般有以下15种方案可供选择，见表4。

（2）效益计算

空调、照明系统改造可获得巨大的综合效益：①经济效益包括节电效益、旧设备残余价值、维护成本的下降、故障风险的减少等；②社会效益主要表现为：运行损耗降低带动减少发电所需的煤等化石能源的消耗以及CO2等气体的排放。

本文主要从经济效益考虑，计算其节电效益、旧设备残余价值、回收期等。

具体节电率k计算公式如下

式中：S1为改造空调、照明系统的年节约电量，计算空调系统的节约电量时，更换变频空调或中央空调取主流节电率30%，更换新型制冷剂节电率取20%［5］；S为变电站年站用负荷电量。

静态回收期T

式中：Vb为初始投资成本，不同类型、不同功率的空调及照明灯具单价取市场主流价格；Vr为旧设备残余价值，取设备成本的5%；p为电价，本文统一采用0.8元/kWh。

按照更换后的空调及照明系统经济运行10年计算，其10年总收益V10为：

V10=S10×p+Vr-Vb（3）

式中：S10为改造空调、照明系统的10年总节约电量。

表4　变电站空调、照明系统改造方案

4　实例分析

4.1某500 kV变电站节电改造

某500 kV变电站共有3台主变，总容量为3× 1 000 MVA。2013年该变电站总站用负荷电量为770 609 kWh，其中空调、照明系统年用电量达到394 443.7 kWh，超过站用负荷电量的一半。

（1）空调、照明系统现状

该变电站主要采用分体式空调，能耗等级多为5级；室内照明多采用40 W的T8灯管、节能灯及部分钠灯，户外照明全部采用高压钠灯。该变电站空调、照明系统分布及用电量分别如表5、表6。

表5　变电站空调系统分布

表6　变电站照明系统分布

由表5、表6可以看出：变电站各类空调、照明系统用电量大小及其占比和本文表2、表3基本一致，即Ⅰ类空调/照明系统用电量最大，其占比超过50%，其次是Ⅱ、Ⅲ类空调系统及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类照明系统，占比在10%～50%之间。本例中Ⅱ类照明系统由于大量使用节能灯，用电占比稍小于10%；不同变电站的各类空调/照明系统的用电占比存在微小差异及误差。

（2）节电改造效益计算

由于该变电站空调系统较为老旧，故对空调系统采用3.1节中第一种改造方案，照明系统采用3.2节中改造方案。根据光通量相等得到照明灯具替换原则如表7。

表7　灯具等效替换原则W

变电站空调、照明系统各改造方案效益计算如表8。

表8　500 kV变电站空调、照明系统改造效益

由表8可见：

（1）对500 kV变电站空调、照明系统改造可获得巨大的节电收益，除方案4—6（即仅改造照明系统）外，节电率基本都超过10%，10年总收益达到50万元以上，且在3年以内即可以节约电费的形式回收成本。

（2）15种改造方案的投资成本、改造规模、节电收益等都有差别。其中，方案1—3和方案4—6分别是仅改造空调系统和仅改造照明系统，方案7—15为空调、照明系统协调改造。对比发现，空调和照明系统协调改造较仅对空调或照明系统进行改造效果更好。

（3）综合考虑投资、回收期、节电率及10年总收益，推荐选择改造方案11，即空调、照明系统均采用中潜力方案，该方案10年总收益仅比改造方案7 或8少1万～2万元，但投资却仅需20.09万元，较方案7或8少10多万元；回收期较短，仅需2.01年。

4.2某110 kV变电站节电改造

某110 kV变电站2013年站用负荷电量为220 100 kWh，其中空调、照明系统年用电量达到169 000 kWh，超过站用负荷电量的80%。

应用同样的方法对该变电站空调、照明系统进行节电改造分析，限于篇幅，仅列出各改造方案的改造效益如表9。

由表9可知：

（1）由于110 kV变电站空调、照明系统用电占比较高，对其进行改造，除方案4—6即仅改造照明系统外，节电率都在20%左右，较500 kV变电站节电率高，但回收期多在3～4年，较500 kV变电站回收期长。

（2）对比方案1—6和方案7—15，整体上，方案7—15（即空调和照明系统协调改造）较方案1—6仅对空调或照明系统进行改造效果更好。

（3）综合考虑投资、回收期、节电率及10年总收益，推荐选择改造方案12，即空调、照明系统分别采用中潜力方案和低潜力方案，该方案10年总收益仅次于改造方案9，但投资却仅需12.78万元，回收期较短，仅需3.05年。

5　结论

（1）对变电站不同区域的空调、照明系统用电规律进行深入细致研究并据此将空调系统、照明系统分别划分为4类和6类，为电力工作者更好的认识和挖掘变电站空调、照明系统的节电潜力提供理论支持。

（2）以变电站各类空调、照明系统的用电规律为改造方案设计依据，结合变电站空调、照明系统现状，分别提出了空调、照明系统的高、中、低潜力3种方案，并通过组合得到适应不同变电站需求的15种改造方案，为交流变电站的节电改造提供一定的理论参考和指导。

表9　110 kV变电站空调、照明系统改造效益

（3）分别对500 kV和110 kV变电站的15种改造方案进行效益计算，综合投资成本、节约电量、回收期等因素，分别推荐改造方案11和方案12，其投资相对较小，但10年总收益、年节约电量等都较大，且回收期短。

（4）交流变电站空调、照明系统节电潜力巨大，合理制定改造方案，可获得可观的经济效益和社会效益，且可在短期内回收资本。

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The e1ectricity using ru1es of main power 1oad and the strategy of e1ectricity-saving for substation

ZHENG Fu-min1，GAO Man-man2，YANG Jia-hao2，OUYANG Sen2，LI Feng-zhen3
（1. Huizhou Power Supp1y Bureau，Huizhou 516001，China；2. Schoo1 of E1ectric Power，South China University of Techno1ogy，Guangzhou 510640，China；3. Guangzhou Ben1iu Power E1ectric Techno1ogy Co.，Ltd.，Guangzhou 510640，China）

Abstract：The air-conditioning and 1ighting equipment in substation were wide1y distributed and consumed a 1arge amount of e1ectricity，the 1ack of in-depth study for the e1ectricity using ru1e of airconditioning and 1ighting distributed in different areas 1ed to rough e1ectricity-saving strategy，which made it difficu1t to rea1ize resource optima1 a11ocation. In order to so1ve the prob1em. First of a11，this paper did deep ana1ysis on the e1ectricity using ru1es of air-conditioning and 1ighting equipment distributed in different p1aces and divided airconditioning and 1ighting into 4 c1asses and 6 c1asses. Second1y，it designed high，medium and 1ow potentia1 retrofit scheme for air-conditioning and 1ighting separate1y based on the e1ectricity using ru1es. The combination of the retrofit scheme of air-conditioning and 1ighting provided a variety of retrofit schemes to meet the need of different substations. It provided reasonab1e data reference and guidance for reform of e1ectricity-saving by ca1cu1ating the investment cost，power saving rate，payback period of the retrofit schemes. Fina11y，it took the 500 kV and 110 kV substation as examp1e and ca1cu1ated the profit under different investment，which proved the correctness and practicabi1ity of the proposed reform scheme in this paper.

Key Words：substation；reform of e1ectricity-saving；air-conditioning system；1ighting system

作者简介：郑扶民（1974），男，广东惠州人，高级工程师，主要从事电网规划工作与研究；郜幔幔（1993），女，河南周口人，硕士研究生，主要从事电能质量分析方向的研究；杨家豪（1990），男，福建厦门人，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制；欧阳森（1974），男，博士，副研究员，主要从事电能质量与节能研究工作。

收稿日期：2015-06-05；修回日期：2015-10-09

中图分类号：F407.61；TK018

文献标志码：C