基于层次分析法的变电站能效评估方法研究

张鑫 段明辉 刘力卿 王伟

摘 要：本文通过调研各类变电站站用电构成，分析了影响变电站能效的主要因素，建立了主要耗能设备能效计算方法。在此基础上，基于层次分析法建立了变电站能效评估模型，实现了站域能效的定量评估，并通过变电站实例数据，验证了方法的有效性。

关键词：变电站;层次分析法;能效评估

中图分类号：TM727文献标识码：A文章编号：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

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电能流向和调整电压的场所，是电力系统网状结构中的关键节点。在电压变换、电能分配的过程中，会有一部分电能损耗在变电站中，用于维持变电站的正常运行。据粗略统计，变电站站内能耗在电能网损中占比三分之一左右。因此，着力降低变电站能耗是降低企业成本、推动电力生产经营转型的重要举措[1，2]。

在變电站节能设计或评估方面，国内外学者开展了大量研究。在变电站设备层面，Luo Lijian等[3]对比分析了非晶合金铁心变压器和硅钢片铁心变压器的全寿命周期成本，论证了配置更高能效变电设备的必要性。在能效评估方面，李涛[4]通过模糊熵权法建立了节能评估模型，实现了对变电站建设项目的能效分析评价。

在上述研究的基础上，本文从变电站主要耗能设备入手，分析影响变电站能效水平的主要因素，提出一种变电站能效评估方法。

1 变电站能效现状分析

作为能量传递枢纽，变电站内存在一定的能量损耗是正常的，是保证变电站正常运转的必然存在。但是，变电站能量损耗中有相当一部分是由于能效过低、管理粗放而浪费的。随着变电站数量、规模不断扩大，变电站传输电量的日益增长，变电站站内能量损耗已经成为不可忽视的方面。

经过调研分析，造成变电站能效过低、能量损耗过大的原因主要有以下几方面。

1.1 设计理念落后

长期以来，变电站能量损耗直接计入网损，变电站能耗问题没有引起重视。因此，在变电站设计之初，包括房屋建设设计、主设备选型、站用电负荷配置、运维管理方式的设定等各方面均未考虑过变电站能效问题。

1.2 设备设施老旧

由于变电站设计运行寿命较长，目前在运的变电站站内存在大量的老旧用电设备。这些设备技术水平落后、运行维护不当，在没有合理更替计划的情况下长期运行，造成大量电能损耗。同时，某些老旧建筑的保温技术落后、密封性较差，导致在控制和保持室内温湿度方面损耗了大量电能。

1.3 管理方式粗放

大部分变电站对站内能耗没有进行准确统计，缺少站内用电电能表计，对各类负荷的能耗情况不了解。由于缺少相应的宣传和考核督查制度，部分站内运维人员节能意识淡薄，“长流水、长明灯”的情况仍然大量存在;运维制度不够细致，存在变压器过度冷却、室内过度通风等情况，造成不必要的浪费。

1.4 新能源新技术应用滞后

随着分布式电源技术的成熟，风机发电、光伏发电等新能源发电形式和储能装置在商业、住宅、厂区的应用日益广泛，但在变电站中却鲜少应用。同时，建筑物能量管理、冷热电多能互补等先进和科学的节能方法在变电站应用相对滞后。

1.5 调度运行中缺少对节能的考虑

在电网调度运行中，更多地考虑可靠性而忽视经济性。应在满足潮流控制和可靠性的前提下，进行优化变压器经济运行和无功电压控制，主动降低变电站能耗。

2 变电站能耗构成

变电站站内能耗构成复杂，具体组成情况如图1所示。

一般来说，站内电能消耗主要包括以下几方面：①主变压器、电容器/电抗器、站用变压器等一次设备电能损耗;②变压器冷却、通风、空调、照明、直流、UPS 电源、通信电源等站用电系统模块的电能损耗;③对于有人值守变电站、运维班组驻地的中心站（基地站），还存在一定的生活和办公用电。

根据北方某城市供电公司2017年线损理论计算分析报告可知，夏季最大负荷日该电网供电量为230 555.1MWh，220kV及以下变电站的损失电量理论计算值为1 917MWh。损失电量主要包括变压器损耗、电容器/电抗器损耗、站用电量，各部分占比见图2。

3 变电站主要能耗计算

3.1 一次设备能耗分析

3.1.1 主变压器损耗。主变压器损耗包括空载损耗和负载损耗。空载损耗是变压器工作时铁心产生的损耗，主要由铁心材质和结构决定，与负载情况关系不大。变压器投入运行后，其空载损耗基本保持不变。负载损耗主要指电流通过绕组时产生的损耗，负载电流增大时负载损耗会显著增大，损耗值与负载率的平方成正比。

主变压器能耗值可通过式（1）计算：

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

其中，[P0]为变压器空载损耗，[Pk]为变压器额定容量下的负载损耗，[S%]为变压器平均负载率，[T]为运行时间。

3.1.2 电容器、电抗器损耗。无功补偿装置包括电容器和电抗器，可以为电力系统提供无功功率，提高电力系统的稳定性。电容器损耗主要是由内部泄漏电流和介质极化引起的。电抗器损耗主要指电流通过绕组电阻引起的发热损耗，对于铁心电抗器，还应考虑铁心磁滞损耗和涡流损耗。

在无功补偿装置进线处加装电能表计，可以准确计量无功补偿装置的总能耗。对于未安装电能表计的，电容器和电抗器的能耗值可以通过公式（2）近似计算

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

式中，[QC]为电容器容量，[tanδ]为电容器平均介质损耗因数，[PL]为电抗器额定功率损耗，T为无功补偿装置运行时间。

3.2 站用电能耗分析

3.2.1 主变压器冷却系统。对于采用风冷或强迫油循环系统的变压器，冷却系统是一项重要的耗能设备。每台主变压器均配有若干组冷却器，冷却器由风扇与油泵组成。冷却系统的用电量与冷却器开启组数相关，当变压器负载率增加、油温升高时，会随之增加冷却器开启组数。

在冷却器供电电源处加装电能表计，可以准确计量冷却系统的总能耗。对于未安装电能表计的，可以通过式（3）近似计算。

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

其中，n为冷却器组数，[Pi]为第i组冷却器的损耗，[Ti]为第i组冷却器的运行时间。

3.2.2 直流系統。直流系统主要由充电柜、电池组、监测系统等组成。直流系统主要用于对电池组充电以及对仪表设备、计算机设备等直流设备提供直流电源。调研与测量数据显示，直流系统属于较为稳定的负荷，短期波动较小，功率曲线平直，进行电量计算时可将其近似视作固定负荷。

直流系统的能耗水平可以用直流系统充电柜的典型充电电压和充电电流的乘积来近似评价：

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

其中，n为变电站站内直流系统充电柜数量;[UDC_i]、[IDC_i]为第i台直流系统充电柜的典型充电电压、充电电流。

3.2.3 断路器、隔离开关操作电源。断路器、隔离开关动作后，操作机构会自动储能。由于断路器、隔离开关动作次数较少，每次储能电机工作时间较短，由此产生的总耗电量一般较低。

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

其中，n为断路器或隔离开关数量;[Wi]为第i台断路器操作机构储能电量，[Ni]为第i台断路器的动作次数。

4 能效评估体系

层次分析法可以确定多个影响因素的层级从属关系，并科学确定指标权重。指标体系包括目标层和一级指标、二级指标和三级指标，如图3所示。

指标的选取和评价标准的确定是变电站能效评估的重要环节，根据变电站站用电的相应特征和影响因素，指标选取将遵循完整性、系统性、可操作性和先进性等原则。

结合德尔菲法专家评价结果和调研分析结果，制定变电站能效评估指标体系和权重，如表1所示。

本指标体系采用扣分法，最终得分越高，说明变电站能耗越高，能效水平越低。

5 结论

变电站内能耗主要由一次设备能耗、站用电能耗和（中心站的）生活办公能耗构成。经过对主要能耗计算方法的研究，可结合层次分析法建立变电站能效水平的评估体系，实现能效的定量评估。

参考文献：

[1]王先佐，张科屹，张宏宇，等.变电站运行能耗监管实践研究[J].变压器，2017（5）：56-59.

[2]罗志坤，刘潇潇，陈星莺，等.变电站能效评估指标体系及建模方法[J].电力自动化设备，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]李涛，贾冰蕾，张东寅.基于层次分析和熵权值的变电站能效评估方法研究[J].湖北电力，2016（9）：11-15.