基于负荷均衡调优的主变经济运行控制策略

南京易司拓电力科技股份有限公司 陈 瑞

我国已是碳排放量大国，不能完全依靠无限制增加能源供应来解决能量需求问题，急需开拓节能手段，实现技术降损、降低能量损耗率，从而降低能源供应。线损率是在一定时期内电能损耗量占供电量的比率，是综合反映电力系统规划设计、生产运行和经营管理的关键技术经济指标。尽管设备损耗是不可避免的，但是却可以通过相关的技术措施，使之保持在一个合理的水平上。在电网安全稳定运行的前提下，电网运行的主要目标是尽量减少电网运行中输、变、配电设备的电能损耗，实现电网经济合理的运行，降低电网企业的生产成本。深入开展技术降损工作，进一步提高设备利用效率、降低运行损耗，对于促进挖潜增效、降损增益具有重要意义。

随着城市集中化的不断建设，城区中心的变电站供电容量已逐渐无法满足实际用电负荷增长的需求，但受城区中心地理位置局限性，变电站新增扩建及布点工作的实施难度大，导致城区中心变电站的变压器（简称主变）容载比在逐年降低。城区外围的变电站布点进度不断加速，但因周边产业园区及配套设施尚未完全发展起来，用电负荷尚未达到预期规划值，导致城区外围主变负载率普遍偏低。用电负荷受季节性影响较大，部分主变负载率呈现春秋季轻空载、夏冬季重过载的问题。

同时，为确保电网运行可靠性，电网设备全年均采用全方式运行，造成负荷低谷期主变轻空载损耗严重。因此城区电网潮流分布不均衡，主变负载率“中心重、四周轻”现象突出，电网运行方式不经济，既影响设备使用寿命又增加电网损耗。在保障重要用户供电可靠性的前提下，结合地区负荷变化的特点，在负荷高峰和低谷时段，通过优化电网运行方式、合理均衡调优主变的负荷，改善主变负载率，达到降低主变损耗、提高经济效益的目的。

1 主变经济运行的理论分析

变电站的变压器（简称主变）损耗主要由铁损和铜损两部分构成。其中铁损是指变压器在额定电压下（二次开路）铁芯中消耗的功率，包括激磁损耗与涡流损耗，仅和变压器的铁芯大小、材料、电网电压有关，与负荷大小无关，约等于变压器设备铭牌上的空载损耗功率P0。铜损是指变压器一、二次电流流过变压器线圈电阻所消耗功率之和，与负荷电流大小的平方成正比；由于线圈多用铜导线制成，故称铜损，变压器供带额定负载的铜损约等于设备铭牌上的短路损耗功率Pk。主变损耗功率可以表示为ΔP=P0+β2Pk，其中负载率系数β=I/Ie，即负荷电流和额定电流的比值[1]。

参照表1中变压器不同负载率下的传输功率损耗，变压器在轻载（β负载率低）时的空载损耗（P0铁损）远大于负载损耗（Pk铜损），因此在变压器轻载时，变压器的空载损耗占总损耗的比重较大。随着变压器负载率的逐渐提升，由于主变负载损耗随着主变负载率的提升呈二次方提升的关系，导致主变负载损耗将随着主变负载率的提高而快速提升，在主变负载率达到一定程度时，主变的负载损耗将占较大比重[2]。

表1 某型号变压器不同负载率下的传输功率损耗（P0铁损19.327kW）

1.1 两台同型号变压器的经济运行临界负载率

当一台变压器运行时，变压器损耗功率为ΔP1=P0+β2Pk；当两台变压器运行时，变压器损耗功率为ΔP12=2P0+2(0.5β)2Pk=2P0+0.5β2Pk。经济运行临界负载率为一台变压器运行损耗与两台变压器运行损耗相等条件下的负载率，即βc2=2P0/Pk。式中：ΔP1为一台变压器运行有功损耗，kW；ΔP12为两台变压器并列运行有功损耗，kW；βc为变压器临界负载率。

通过计算可知，当变压器负载率超过临界负载率时，采用两台变压器运行的方式较为经济；当变压器负载率小于临界负载率时，采用一台变压器运行的方式较为经济。参照表1中变压器不同负载率下的传输功率损耗，当双主变运行变电站的两台变压器负载率平均小于30%时，经负荷均衡调整后停运一台主变，变电站单台变压器运行时的损耗小于两台变压器运行时的总损耗，有效降低变压器损耗，提升主变经济运行[3]。

1.2 多台同型号变压器的经济运行临界负载率

当(n-1)台变压器运行时，主变损耗功率为ΔP(n-1)=(n-1)P0+(n-1)(1/(n-1)β)2Pk；当n台变压器运行时，主变损耗功率为ΔPn=nP0+n(1/nβ)2Pk。经济运行临界负载率为(n-1)台变压器运行损耗与n台变压器运行损耗相等条件下的负载率，即βnc2=n(n-1)P0/Pk。以上诸式中：ΔP(n-1)为(n-1)台变压器运行有功损耗，kW；ΔPn为n台变压器并列运行有功损耗，kW；βnc为变压器临界负载率；n为变压器数量。

通过计算可知，当变压器负载率超过临界负载率时，采用n台变压器运行的方式较为经济；当变压器负载率小于临界负载率时，采用(n-1)台变压器运行的方式较为经济。因此可以参考变压器经济运行临界负载率，通过调配轻重载变压器负荷、轮停站内变压器等经济运行优化手段均衡各变压器的负载率，从而降低电网内变压器的电能损耗。

2 主变经济运行控制策略研究

对于安装有多台主变的变电站，在保证电网安全运行及可靠性的基础上，合理均衡主变负荷，提升主变运行经济性，具体策略如下：

负荷高峰期，主变负载率高于70%时，将该主变下部分负荷转移至负载率较低变压器；负荷低谷期，主变负载率低于30%时，将该主变下带负荷转移至周围其他变压器后，拉停该台主变，具体流程如图1所示；避免因负荷增降而多次投停备用主变，优先选择容量较大、设备状况较好的主变投入运行。容量较小、设备状况较差的主变作为机动备用主变。

图1 主变经济运行控制流程

在单主变运行过程中，如果运行主变发生重载（负载率高于80%时），应立即投入备用主变；负荷转移、停役轻载主变等电网运行方式的同时，需统筹制定特殊运行方式下变电站全停预案，并做好单线、单主变运行变电站的特巡和保供电工作。

无法以远方遥控方式及时将备用主变投入运行的变电站，内桥接线变电站或主变各侧只有隔离开关、熔断器的的变电站，不参与主变经济运行；如遇台风或极寒等特殊天气、单线及单主变带供六级及以上电网运行风险的负荷、法定节假日特殊保电期间、城区重要用户以及高危用户供电的变电站，取消主变经济运行模式，电网恢复正常运行方式。

2.1 运行可靠性与经济性双平衡

为解决电网供电可靠性与主变运行经济性双平衡的问题，通过加装“备自投”装置、“一键顺控”快速复电、配电自动化自动转供的三种技术措施，在保障运行方式调整时可靠性的基础上，实施主变方式优化调整、负荷均衡调优，从而实现主变技术降损。

常规手动投停变压器，难以快速响应在运设备故障时快速切换备用设备，存在电网供电可靠性隐患。主变备自投装置自动监测在运设备状态，可通过控制变压器母联断路器备投实现故障时负荷自动转供，避免单主变运行方式下故障后负荷全部损失的问题，在降低变压器空载损耗的基础上，既提升主变供电经济性又保证了供电可靠性[4]。

为避免备自投装置动作失败情况下负荷大量损失，融合调度自动化、配电自动化等多专业协同分析的系统高级应用，通过“一键顺控”、网络备自投、配网负荷自动转供等多种方式的保障措施，确保事故发生后负荷能够快速转供。“一键顺控”可辅助变电站调控人员根据故障点及发生原因，按照事故发生后的处置方案快速操作变电站进线电源开关，实现事故发生后精准快速恢复供电。配电自动化高级应用实时分析变电站内全部停电事件，对因上级电源失电造成的停电配电线路，站内线路关口开关断开的同时，合上配电线路的联络开关，精确转供负荷，快速恢复用户供电，有效提升电网供电可靠性。

2.2 主变经济运行节能效益综合评估

主变实时损耗功率ΔP=P0+β2PK，其中P0为空载损耗功率，PK为短路损耗功率，β为负载率系数，即负荷电流和额定电流的比值（实际计算时取有功功率和额定容量的比值）。现以110kV某变电站为例，两台变压器型号均为SZ11-63000/110，1号主变空载损耗为36.39kW，额定负载损耗为219.5kW；2号主变空载损耗为36.39kW，额定负载损耗为219.5kW。全站最高负荷小于单台（容量较大的）主变容量的70%，主变长期处于轻载非经济运行状态，导致两台主变运行损耗较大。

经主变经济运行调整策略综合评估后，将2号主变下带负荷转移至1号主变，停运2号主变，优化主变经济运行方式；根据技术降损能效分析，计算两台主变运行方式调整前后的主变损耗，主变投停节能成效如表2所示。每年可节约电量17.86万kWh，按照平均购电价0.35元/kWh测算，年节能收益6.25万元。

表2 主变投停节能成效

两台主变分列运行，两台变压器的功率损耗分别为：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；停运2号主变，则1号主变的功率损耗为：ΔP1′=P0+β2PK=36.39+0.382×0.382×219.5=68.42kW。

年节省损耗电量为：P1=(ΔP1+ΔP2-ΔP1′)，Tk=(43.9+44.91-68.42)×8760=17.86万kWh，式中：ΔP1为方式调整前1号主变运行过程中产生的功率损耗；ΔP2为方式调整前2号主变运行过程中产生的功率损耗；ΔP1′为方式调整后2号主变运行过程中产生的功率损耗；P1为方式调整后节省电量；P0为设备铭牌上的空载损耗功率；PK为设备铭牌上的额定负载损耗功率；β为负载率系数；Tk为主变压器经济性停运的累积时间。

3 结语

按照技术降损的“先方式、后项目”原则，合理均衡调优主变的负荷、投停轻空载主变，实现主变经济运行，有效减少主变损耗。为解决供电可靠性与运行经济性平衡问题，通过加装“备自投”装置、“一键顺控”快速复电、配电自动化自动转供的技术措施，在保障运行方式调整时可靠性的基础上，实施主变负荷均衡调优，从而实现主变技术降损。

经对主变功率传输损耗率的特性分析，还可以结合主变负荷特性补偿主变无功消耗，提高主变功率因素，将主变负载率控制在经济运行负荷率区间内，从而降低变压器损耗率。后期可考虑在主变方式优化调整、负荷均衡调优基础上，采取补偿主变无功消耗，实现通过提高主变功率因素来降低变压器损耗率及提升主变运行经济性。