CN102184465A - 一种变电站能效评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于熵权法和层次分析法的变电站节能评估方法，将层次分析法和熵权法应用到既有变电站的能效评估中，涵盖了主观、客观因素对变电站能效评估的影响，对于既有变电站现场能效评估具有较大的参考作用，能够成为指导变电站设计、运行工作人员进行能效评估较为可靠、实用的评估方法，将填补国内外变电站能效评估技术的空白，将极大地提高现有变电站经济运行水平。同时，本编变电站能效评估指标体系可以很好地解决变电站能效评估中的一系列实际问题，在实际的设计和经济运行中可以指导科学合理的变电站新建和节能改造项目，保证变电站安全经济运行，由此将带来巨大的经济效益。

Description

一种变电站能效评估方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于熵权法和层次分析法的变电站节能评估方法，特别涉及110kV电压等级以下的变电站节能评估方法。

背景技术

作为输配电的关键环节，数量众多的变电站节能减排工作具有重要的意义。变电站节能评估是针对规划、设计和运行等不同阶段的变电站，结合国家对产品的能效限定值和节能评价值的规定，采用现代系统分析理论，制定相应的变电站节能评估方法、评估标准，形成统一的评估体系和规范。在此基础上，对不同阶段变电站开展系统科学的分析评估，得到的综合评估结果将为变电站规划、设计和运行提供能源节约方面的技术支撑手段，有助于提高变电站资金利用效率和能源利用效率，使变电站真正实现节能减排和可持续发展。变电站节能评估主要包括建筑物、设备以及系统三方面的综合评估，同时考虑了变电站运行可靠性统计指标，以及变电站建设改造项目的优先顺序的建议等。评估方法由定性转为定量，具有很高的可操作性。

根据查新报告，变电站节能评估方法在国内尚属空白，目前尚无变电站节能评估方法的研究成果。

发明内容

本发明是针对目前尚缺乏变电站节能评估方法的现状，提出了基于熵权法和层次分析法的变电站能效评估方法。在国家节能减排战略和国网公司挖潜增效的背景下，建立变电站能效评估体系，该体系构建了变电站能效评估指标集，该指标集能比较科学、完整地综合反映变电站能源消耗的各属性要素；层次分析法和熵权法的结合既考虑了决策者的影响，又尽可能降低主观权重的影响。

本发明的技术方案是：一种变电站能效评估方法，包括以下步骤：

(1)收集变电站基础资料，并把变电站覆盖供电区域的用电性质和被管辖范围分割为若干小区域，对各系统运行功率记录和实测数据进行分析，得出各系统在站用电中的比例；

所述变电站基础资料包括变电站名称、地理位置、隶属关系、建筑结构围护、变压器、暖通空调系统、照明系统和交流屏系统的系统运行记录数据和实测数据；

(2)基于层次分析法建立变电站能效评估指标体系结构；

(3)根据变电站能效评估的目标，采集变电站能效评估指标体系中所需要的数据，并对定量数据和定性数据进行分析和处理；一方面，定性数据采用静态评估方法，按照各耗能设备的设计参数和国家相关能耗限定值标准比较，采集变电站的运行统计数据，定性评价变电站设备和系统的安全节能水平；另一方面，根据采集运行数据分析评估动态运行能效水平，分析主变是否经济运行，功率因数是否符合国家相关规定等情况，确定变电站综合能效水平；

(4)对相同电压等级的不同变电站耗能设备系统采用静态评估和动态评估的方法进行能效评估，形成多个评估结果；静态评估采用铭牌对标法，即现场考察采集耗能设备铭牌参数，根据铭牌参数的能耗数据和国家相关产品能耗限定值数据比较，确定静态评估能效水平；动态评估采用实测数据公式计算变压器运行电能损耗与无功补偿容量，与变压器负载损耗和无功补偿容量的理论值相比较，确定能效水平和节能改造方向；

其中，所述变压器运行电能损耗与无功补偿容量的内容包括

变压器空载损耗电能计算公式：

${\mathrm{\ΔA}}_T={\mathrm{\ΔP}}_0*{\left(\frac{U_{\mathrm{av}}}{U_f}\right)}^2*T---\left(1\right)$

其中，ΔA_T-铁芯的损耗电能，kWh；ΔP₀-变压器空载损耗功率，kW；T-变压器运行小时数，h；U_f-变压器的分接头电压，kV；U_av-平均电压，kV；

变压器负载损耗电能计算公式：

${\mathrm{\ΔA}}_R={\mathrm{\ΔP}}_k*{\left(\frac{I_{\mathrm{eff}}}{I_N}\right)}^2*T---\left(2\right)$

其中，ΔA_R-负载损耗电能，kWh；ΔP_k-变压器的短路损耗功率，kW；I_N-变压器的额定电流，应取与负荷电流同一电压侧的数值，A；

变压器综合功率损耗计算公式：

${\mathrm{\ΔP}}_Z=P_{0Z}{\left(\frac{U_{\mathrm{av}}}{U_t}\right)}^2+\frac{P^2+Q^2}{S_N^2}{P}_{\mathrm{KZ}}---\left(3\right)$

其中，P、Q-实际运行状态下的有功功率和无功功率；U_AV-一段时间内变压器的平均电压；U_t-变压器的档位电压；P_0Z-变压器的空载损耗；P_KZ-变压器的负载损耗；

变压器的动态无功补偿容量计算公式：

Q_c＝K×I₀％×Se/100        (4)

其中，I₀-变压器空载电流百分数；Se-配变容量(kVA)；K-补偿系数，一股取0.9；

(5)基于熵权法确定变电站能效评估指标的客观权重系数，对多个评估子结果进行综合处理，得出多个变电站的能效评价结论。

其中，所述层次分析法是一种定性与定量相结合的决策分析方法，具体是把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按照支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定各个因素相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总排序；

应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，先在各因素之间进行简单地比较和计算，然后通过计算得出最底层因素相对目标的重要程度；

其具体步骤如下：

第一步：构建层次分析结构，第一层为节能降损总目标，第二层为节能评估子系统系统层，最下面的一层为具体的节能评估指标层；

第二步：构造判断矩阵，建立了层次分析结构后，在各层元素中两两进行重要性比较，根据现场调查测试情况、专家咨询和分析，根据以下表1的原则构造比较判断矩阵；

表1 判断矩阵构建原则表

第三步：层次单排序，根据判断矩阵计算对于上层次而言本层各元素之间重要性的权值；

第四步：判断矩阵的一致性检验，一致性指标C.I.的值越大，说明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，C.I.的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性；一股只要C.I.≤0.1，就认为判断矩阵的一致性可以接受，否则需要对判断矩阵进行调整，当维数n很大时，判断的一致性较差，这时要引入随机性指标修正值R.I.；对于各层判断矩阵，均需要满足C.R.＝C.I./R.I.＜0.1，则认为判断矩阵具有可以接受的一致性；

一致性指标C.I.的计算公式：

$C.I.=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}.---\left(5\right)$

其中，λ_max-判断矩阵的最大特征根；n-判断矩阵的行向量个数；

第五步：层次总排序，沿递阶层次由上而下逐层计算，计算最低层因素相对于最高层的相对重要性排序。

其中，考虑到层次分析的主观因素对权重系数的影响，为了降低这种影响程度，特引入熵权法进行客观权重系数的确定：

设选定m个相同电压等级的被评估变电站对应n个能效评价指标，其中m、n为自然数，构成评价指标值矩阵R＝(r_ij)_m×n，第j个指标下的第i个变电站的评价比重P_ij为：

$P_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}$ (j＝1、2、3·····，n)       (6)

第j个指标的熵值为：

$e_j=-\frac{1}{\ln \left(m\right)}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ij}}{\×\ln P}_{\mathrm{ij}}$ (j＝1、2、3·····，n)   (7)

第j个指标的客观权重为：

${\mathrm{\θ}}_j=(1-e_j)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({1-e}_j\right)$ (j＝1、2、3·····，n)     (8)

权值θ_j取决于各评估变电站的基本信息和运行信息；

对于多目标决策，需要考虑决策者的经验判断，故引入一个主观判断的权值w_j与客观权值θ_j(j＝1、2、··，n)相结合，最终确定各指标的权重系数r_j，计算公式如下：

$r_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_j{w}_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_j{w}_j}$ (j＝1、2、3·····，n)     (9)

设评价指标值矩阵R的各列最大值为

即对该矩阵的所有元素作标准化处理可得：

记被评估变电站的综合评价系数(熵权评价值)为λ_i，可得：

${\mathrm{\λ}}_i=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j{d}_{\mathrm{ij}}$ (i＝1、2、3·····，m)       (10)

λ_i越小，说明变电站的整体能耗越小，能效越高；反之，λ_i越大说明变电站的整体能耗越大，能效越低，从而根据λ_i值的大小评定变电站的能效等级序列。

本发明的有益效果在于：本发明将对现场具体变电站能效评估具有较大的参考作用，能为变电站规划设计、建设运行以及改造的工作人员提供实用可靠的能效评估方法，将极大地提高变电站规划运行及改造综合决策工作水平。同时本变电站能效评估方法能够很好地解决变电站综合评估的一系列实际问题，在实际的规划运行评估工作中指导合理地变电站建设和改造项目，保证变电站安全可靠经济运行，由此带来的经济效益将是巨大的。

附图说明

图1是本发明基于熵权法和层次分析法的变电站能效评估方法中变电站能效评估指标体系示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明将提出的基于熵权法和层次分析法的变电站能效评估方法应用在110kV变电站能效评估中。考虑到我国幅员辽阔，不同地区的变电站能耗受当地气候条件及社会经济发展现状的影响较大，分别在河北廊坊市和湖南邵阳市选择具有典型性的三个变电站进行了周期为一年的试点负荷数据分析。

(1)试点变电站能效静态评估结果

表2 试点变电站能效静态评估表

表2 为三试点供电企业中低压配电网静态评估指标统计体系表，其中的静态指标和相应的权值为依据电网能效的各种参量以及专家系统所给出；各地区在对本领域的技术人员来说在进行适当的替换或修改将是显而易见的。

(2)试点变电站能效动态指标统计分析

对于三个试点110kV变电站动态分析能效指标，试点变电站能效评估结果如下。

表3 试点变电站能效动态评估表

表3为试点变电站动态评估指标统计表，其中的动态指标和相应的权值为依据电网能效的各种参量给出。

(3)基于熵权法确定变电站能效评估指标的客观权重系数，对多个评估子结果进行综合处理，得出能效评估结论。

运用本发明提出的变电站能效评估指标体系对试点变电站进行能效评估，计算变电站的能效分值并进行排序，其结果见表4。

表4 变电站能效评估结果

被评价对象	能效分值	排序
			变电站A	0.896	3
变电站B	0.932	2
			变电站C	0.974	1

根据表4中三个变电站的能效评估结果可知，变电站C的能效分值最高，能耗最小。同时，针对其他两个变电站能耗高的现状，分析找出重点耗能设备和系统，提出相应的节能改造方法，为变电站的节能减排提供了技术依据。

本发明不仅考虑决策者的主观因素，而且有效地考虑客观权重的确定方法，克服了主观因素和客观因素的矛盾，客观地反映了变电站的能耗情况。实例证明，本发明方法可以有效指导变电站的能效评估和节能改造工作。

Claims (3)

1.一种变电站能效评估方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)收集变电站基础资料，并把变电站覆盖供电区域的用电性质和被管辖范围分割为若干小区域，对各系统运行功率记录和实测数据进行分析，得出各系统在站用电中的比例；

所述变电站基础资料包括变电站名称、地理位置、隶属关系、建筑结构围护、变压器、暖通空调系统、照明系统和交流屏系统的系统运行记录数据和实测数据；

(2)基于层次分析法建立变电站能效评估指标体系结构；

(3)根据变电站能效评估的目标，采集变电站能效评估指标体系中所需要的数据，并对定量数据和定性数据进行分析和处理；一方面，定性数据采用静态评估方法，按照各耗能设备的设计参数和国家相关能耗限定值标准比较，采集变电站的运行统计数据，定性评价变电站设备和系统的安全节能水平；另一方面，根据采集运行数据分析评估动态运行能效水平，分析主变是否经济运行，功率因数是否符合国家相关规定等情况，确定变电站综合能效水平；

(4)对相同电压等级的不同变电站耗能设备系统采用静态评估和动态评估的方法进行能效评估，形成多个评估结果；静态评估采用铭牌对标法，即现场考察采集耗能设备铭牌参数，根据铭牌参数的能耗数据和国家相关产品能耗限定值数据比较，确定静态评估能效水平；动态评估采用实测数据公式计算变压器运行电能损耗与无功补偿容量，与变压器负载损耗和无功补偿容量的理论值相比较，确定能效水平和节能改造方向；

其中，所述变压器运行电能损耗与无功补偿容量的内容包括

变压器空载损耗电能计算公式：

${\mathrm{\ΔA}}_T={\mathrm{\ΔP}}_0*{\left(\frac{U_{\mathrm{av}}}{U_f}\right)}^2*T---\left(1\right)$

其中，ΔA_T-铁芯的损耗电能，kWh；ΔP₀-变压器空载损耗功率，kW；T-变压器运行小时数，h；U_f-变压器的分接头电压，kV；U_av-平均电压，kV；

变压器负载损耗电能计算公式：

${\mathrm{\ΔA}}_R={\mathrm{\ΔP}}_k*{\left(\frac{I_{\mathrm{eff}}}{I_N}\right)}^2*T---\left(2\right)$

其中，ΔA_R-负载损耗电能，kWh；ΔP_k-变压器的短路损耗功率，kW；I_N-变压器的额定电流，应取与负荷电流同一电压侧的数值，A；

变压器综合功率损耗计算公式：

${\mathrm{\ΔP}}_Z=P_{0Z}{\left(\frac{U_{\mathrm{av}}}{U_t}\right)}^2+\frac{P^2+Q^2}{S_N^2}{P}_{\mathrm{KZ}}---\left(3\right)$

其中，P、Q-实际运行状态下的有功功率和无功功率；U_AV-一段时间内变压器的平均电压；U_t-变压器的档位电压；P_0Z-变压器的空载损耗；P_KZ-变压器的负载损耗；

变压器的动态无功补偿容量计算公式：

Q_c＝K×I₀％×Se/100     (4)

其中，I₀-变压器空载电流百分数；Se-配变容量(kVA)；K-补偿系数，一股取0.9；

(5)基于熵权法确定变电站能效评估指标的客观权重系数，对多个评估子结果进行综合处理，得出多个变电站的能效评价结论。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于其中所述层次分析法是一种定性与定量相结合的决策分析方法，具体是把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按照支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定各个因素相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总排序；

应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，先在各因素之间进行简单地比较和计算，然后通过计算得出最底层因素相对目标的重要程度；

其具体步骤如下：

第一步：构建层次分析结构，第一层为节能降损总目标，第二层为节能评估子系统系统层，最下面的一层为具体的节能评估指标层；

第二步：构造判断矩阵，建立了层次分析结构后，在各层元素中两两进行重要性比较，根据现场调查测试情况、专家咨询和分析，根据以下表1的原则构造比较判断矩阵；

表1 判断矩阵构建原则表

第三步：层次单排序，根据判断矩阵计算对于上层次而言本层各元素之间重要性的权值；

第四步：判断矩阵的一致性检验，一致性指标C.I.的值越大，说明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，C.I.的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性；一股只要C.I.≤0.1，就认为判断矩阵的一致性可以接受，否则需要对判断矩阵进行调整，当维数n很大时，判断的一致性较差，这时要引入随机性指标修正值R.I.；对于各层判断矩阵，均需要满足C.R.＝C.I./R.I.＜0.1，则认为判断矩阵具有可以接受的一致性；

一致性指标C.I.的计算公式：

$C.I.=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}.---\left(5\right)$

其中，λ_max-判断矩阵的最大特征根；n-判断矩阵的行向量个数；

第五步：层次总排序，沿递阶层次由上而下逐层计算，计算最低层因素相对于最高层的相对重要性排序。

3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于考虑到层次分析的主观因素对权重系数的影响，为了降低这种影响程度，特引入熵权法进行客观权重系数的确定：

设选定m个相同电压等级的被评估变电站对应n个能效评价指标，其中m、n为自然数，构成评价指标值矩阵R＝(r_ij)_m×n，第j个指标下的第i个变电站的评价比重P_ij为：

$P_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}$ (j＝1、2、3·····，n)      (6)

第j个指标的熵值为：

$e_j=-\frac{1}{\ln \left(m\right)}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ij}}{\×\ln P}_{\mathrm{ij}}$ (j＝1、2、3·····，n)      (7)

第j个指标的客观权重为：

${\mathrm{\θ}}_j=(1-e_j)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({1-e}_j\right)$ (j＝1、2、3·····，n)      (8)

权值θ_j取决于各评估变电站的基本信息和运行信息；

对于多目标决策，需要考虑决策者的经验判断，故引入一个主观判断的权值w_j与客观权值θ_j(j＝1、2、··，n)相结合，最终确定各指标的权重系数r_j，计算公式如下：

$r_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_j{w}_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_j{w}_j}$ (j＝1、2、3·····，n)         (9)

设评价指标值矩阵R的各列最大值为

即

对该矩阵的所有元素作标准化处理可得：

记被评估变电站的综合评价系数(熵权评价值)为λ_i，可得：

${\mathrm{\λ}}_i=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j{d}_{\mathrm{ij}}$ (i＝1、2、3·····，m)       (10)

λ_i越小，说明变电站的整体能耗越小，能效越高；反之，λ_i越大说明变电站的整体能耗越大，能效越低，从而根据λ_i值的大小评定变电站的能效等级序列。

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