CN102664462A - 实时主变节电运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

实时主变节电运行的控制方法，两台相同容量变压器的运行方式，单台变压器带全部负载运行与两台变压器并列运行时，得到总的有功功率损耗相等时的临界负载S′，设实际负荷为S，当S＜S′时，单台变压器带全部负载运行的总有功功率损耗小于两台变压器并列运行的总有功功率损耗；当S＞S′时，则两台变压器并列运行较为经济；对总有功功率损耗的检测；当S＞S′时变压器负载进行切换成两台变压器并列运行。两台不同容量变压器的运行时，由一台变压器运行和两台并列运行，则其运行方式可以是A台或B台变压器单独运行或是AB两台变压器并列运行，本发明变压器经济运行是在确保变压器安全运行，进行负载调整的优化。

Description

实时主变节电运行的控制方法

一、技术领域

本发明属于电力系统调度自动化领域，用来对变电站变压器运行方式最优化的一种策略计算和评估。尤其是涉及基于SCADA调度自动化系统的实时主变节电运行的（控制）方法。

二、背景技术

随着我国十一五规划“建设节约型社会，实现可持续发展”战略的提出，主变的经济运行成为不容忽视的重要问题。主变经济运行节能技术是在电网安全、经济合理的条件下，充分利用现有的设备，经过技术论证，通过选取最佳运行方式、调整负荷、提高功率因数、调整或更换变压器等技术手段，在传输相同电量的基础上达到减少系统损耗，从而提高综合经济效益。

传统的主变经济运行采用离线的方式，通过变压器损耗-负载曲线图通过人工辅助对照检查确定是否要改变主变运行方式，这样既麻烦消耗人力又容易出错。

变压器经济运行是在确保变压器安全运行及满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用现有设备,通过择优选取变压器最佳运行方式、负载调整的优化,变压器运行位置最佳组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大限度地降低变压器的电能损失和提高其电源侧的功率因数，所以变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。变压器经济运行节电技术是把变压器经济运行的优化理论及定量化的计算方法与变压器各种实际运行工况密切结合的一项应用技术。

三、发明内容

本发明目的是：基于SCADA调度自动化系统平台上对传统主变经济运行进行改进，使其能够实现根据变电站实时的负荷情况判断变电站现在最佳的运行方式，并自集合调度自动化系统实现自动运行方式调整或提示调度员手功调整。

本发明的技术方案是：主变节电运行的方法，变压器铭牌给出了空载损耗P₀和额定负载损耗P_k，所以，变压器在一定负载为S时总的有功功率损耗可用下式表示：

P=P₀+(S/S_e)2P_k式中S_e-变压器的额定容量

两台相同容量变压器的运行方式，此方式可以是单台变压器运行(条件是变压器的负载不大于其中一台变压器的容量)和两台变压器并列运行。假设变压器单台运行时，变压器的负载为S，则此时改为两台变压器并列运行时变压器的总有功功率损耗为：

P_2T=2P₀+(1/4)(S/S_e))2P_k

如果两台变压器的负载由一台变压器单独运行，另一台备用，则此时变压器的有功功率损耗为：

P_1T=P₀+(S/S_e)²P_k

令P_1T=P_2T，则可求得单台变压器带全部负载运行与两台变压器并列运行时，总的有功功率损耗相等时的临界负载S′为：

空载损耗P₀、S_e-变压器的额定容量，额定负载损耗P_k

设实际负荷为S，当S＜S′时，单台变压器带全部负载运行的总有功功率损耗小于两台变压器并列运行的总有功功率损耗；当S＞S′时，则两台变压器并列运行较为经济；

两台不同容量变压器的运行方式

此方式可以是由一台变压器运行(条件是负载不大于较小一台变压器的容量)和两台并列运行，假设变压器一台运行时负载为S，两台变压器容量分别为SAe和SBe，且SBe＞SAe，其对应的损耗分别如PA或PB表示，则其运行方式可以是A台或B台变压器单独运行或是AB两台变压器并列运行，其总的有功功率损耗分别为：

$P_A=P_{A0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Ae}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{AK}}$

$P_B=P_{B0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Be}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{BK}}$

$P_{\mathrm{AB}}=P_{\mathrm{AB}0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{ABe}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ABK}}$

P_A——A台单独运行的总有功功率损耗

P_B——B台单独运行的总有功功率损耗

P_AB—AB两台运行的总有功功率损耗

P_AB0＝P_A0+P_B0，P_ABk＝P_Ak+P_Bk，S_ABe＝S_Ae|S_Be。

根据上式可以得出：

(1)A台单独运行转B台单独运行的临界负载为：

$S_{A-B}=\sqrt{(P_{B0}-P_{A0})/(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}-\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2})}$

(2)A台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{A-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{B0}/\left(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2}\right)}$

(3)B台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{B-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{A0}/(\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2}-\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2})}$

当SA-AB＞SAe时，则A台单独运行转A、B两台并列运行就无意义。所以，当负载S＜SA-B时，则由A台单独运行，当SA-B＜S＜SB-AB时，则由B台单独运行，当S＞SB-AB时则由两台并列运行，就能够减少变压器的有功功率损耗。例如，我局某110kV变电所，两台变压器的型号和技术参数分别为：A台为SF7-20000/110，PA0=25kW，PAK=98kW,UAK%=10.1%，B台为SF7-31500/110，Pb0=32kW，PBK=146.5kW,UBK%=10.1%，代入上式可求得：SA-B=15200kVA，SA-AB=14500kVA，SB-AB=21200kVA，即当负载小于15000kVA左右时，可由A台变压器单独运行，B台变压器作为备用；当负载大于15000kVA而小于21200kVA时，则可以选择B台单独运行，A台作为备用或A、B两台变压器并列运行；而当负载大于21200kVA时，则应选择A、B两台变压器并列运行，这样才能使变压器总的有功功率损耗较小。

本发明的有益效果是：本发明方法是一节电技术，不用投资，在某些情况下还能节约投资(节约电容器投资和减少变压器投资)。所以，变压器经济运行节电技术属于知识经济范畴，是向智力挖潜、向管理挖潜实施内涵节电的一种科学方法。本发明变压器经济运行是在确保变压器安全运行及满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用现有设备,通过择优选取变压器最佳运行方式、负载调整的优化变压器运行位置最佳组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大限度地降低变压器的电能损失和提高其电源侧的功率因数，所以变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。变压器经济运行节电技术是把变压器经济运行的优化理论及定量化的计算方法与变压器各种实际运行工况密切结合的一项应用技术。

四、附图说明

图1是本发明系统软件结构图

图2是本发明主变损耗-负载曲线示意图

表1是本发明效益分析中变电站变压器技术参数和负荷情况表。

五、具体实现方式

1原理和算法

变压器作为电力系统运行的主要设备，在变换电压及传递功率的过程中，自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器的有功功率和无功功率损耗又与变压器的技术特性有关，同时又随着负载的变化而产生非线性的变化，变压器的损耗在电网中的线损所占的比例较大，尤其是轻负荷时占的比例更大。据统计，变压器的损耗在中低压电网中线损约占2%～3%，电网中存在一定数量轻载运行的变压器，所谓"大马拉小车"的现象，对降损节能不利。因此，必须根据变压器的有关技术参数，通过合理地选择运行方式，加强变压器的运行管理，充分利用现有的设备条件，以达到节约电能的目的。本发明就变压器的经济运行理论来分析变压器的有功功率损耗，确定其节电运行方式。

2变压器的负载与损耗的关系

变压器的有功功率损耗是由空载损耗和负载损耗两部分组成的，空载损耗是一个常数，它不随变压器负载的变化而变化。而负载损耗则与变压器负载的平方成正比，在一定的负载下，变压器的有功功率损耗可用下式表示：

P=P₀+P_f

式中P--总的有功功率损耗

P₀--空载有功功率损耗

P_f--在一定负载下的负载有功功率损耗

变压器铭牌给出了空载损耗P₀和额定负载损耗P_k，所以，可知变压器在一定负载为S时总的有功功率损耗可用下式表示：

P=P₀+(S/S_e)2P_k

式中S_e-变压器的额定容量

3不同运行方式下变压器有功功率损耗的比较

3．1两台相同容量变压器的运行方式

此方式可以是单台变压器运行(条件是变压器的负载不大于其中一台变压器的容量)和两台变压器并列运行。假设变压器单台运行时，变压器的负载为S，则此时改为两台变压器并列运行时变压器的总有功功率损耗为：

P_2T=2P₀+(1/4)(S/S_e))2P_k

如果两台变压器的负载由一台变压器单独运行，另一台备用，则此时变压器的有功功率损耗为：

P_1T=P₀+(S/S_e)²P_k

令P_1T=P_2T，则可求得单台变压器带全部负载运行与两台变压器并列运行时，总的有功功率损耗相等时的临界负载S′为：

$S^{\′}=S_e\sqrt{2P_0/P_K}$

设实际负荷为S，当S＜S′时，单台变压器带全部负载运行的总有功功率损耗小于两台变压器并列运行的总有功功率损耗；当S＞S′时，则两台变压器并列运行较为经济。例如我局某35kV变电所，两台变压器的型号和技术参数都为：S7-6300/35，P0=8.1kW，Pk=41kW，代入上式可求得S′=3960kVA。即当负载达到4000kVA时，投入两台变压器并列运行较为经济。

3.2两台不同容量变压器的运行方式

此方式可以是由一台变压器运行(条件是负载不大于较小一台变压器的容量)和两台并列运行，假设变压器一台运行时负载为S，两台变压器容量分别为SAe和SBe，且SBe＞SAe，其对应的损耗分别如PA或PB表示，则其运行方式可以是A台或B台变压器单独运行或是AB两台变压器并列运行，其总的有功功率损耗分别为：

$P_A=P_{A0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Ae}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{AK}}$

$P_B=P_{B0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Be}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{BK}}$

$P_{\mathrm{AB}}=P_{\mathrm{AB}0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{ABe}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ABK}}$

P_A——A台单独运行的总有功功率损耗

P_B——B台单独运行的总有功功率损耗

P_AB——AB两台运行的总有功功率损耗

P_AB0＝P_A0+P_B0，P_ABk＝P_Ak+P_Bk，S_ABe＝S_Ae|S_Be。

根据上式可以得出：

(1)A台单独运行转B台单独运行的临界负载为：

$S_{A-B}=\sqrt{(P_{B0}-P_{A0})/(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}-\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2})}$

(2)A台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{A-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{B0}/\left(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2}\right)}$

(3)B台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{B-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{A0}/(\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2}-\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2})}$

经过上面的分析可知当SA-AB＞SAe时，则A台单独运行转A、B两台并列运行就无意义。所以，当负载S＜SA-B时，则由A台单独运行，当SA-B＜S＜SB-AB时，则由B台单独运行，当S＞SB-AB时则由两台并列运行，就能够减少变压器的有功功率损耗。例如，我局某110kV变电所，两台变压器的型号和技术参数分别为：A台为SF7-20000/110，PA0=25kW，PAK=98kW,UAK%=10.1%，B台为SF7-31500/110，Pb0=32kW，PBK=146.5kW,UBK%=10.1%，代入上式可求得：SA-B=15200kVA，SA-AB=14500kVA，SB-AB=21200kVA，即当负载小于15000kVA左右时，可由A台变压器单独运行，B台变压器作为备用；当负载大于15000kVA而小于21200kVA时，则可以选择B台单独运行，A台作为备用或A、B两台变压器并列运行；而当负载大于21200kVA时，则应选择A、B两台变压器并列运行，这样才能使变压器总的有功功率损耗较小。

4原理和算法总结

主变经济运行就是由变电所内各变压器的运行技术参数及实时负载，根据负载与损耗的关系，作出该变电站各主变相互组合成的各种运行方式的负载与损耗曲线，并算出这些曲线之间的临界交叉点，然后根据实时负载判断当前损耗最小的运行方式，即最经济的运行方式；再读取当前实际的运行方式，看是否是属于该最经济运行方式，如果不是，则给出告警提示用户改变运行方式。

5系统软件结构图（图1）

6、系统功能模块

系统由数据库、分析模块、曲线显示、告警显示、系统设置、历史告警查询等模块组成。

6.1数据库模块

本系统数据库分为两卷变压器参数库、三卷变压器参数库、变压器库、母线库、母联开关库。

6.2分析模块

分析模块即是系统的算法实现部分，也是系统的核心模块。它包括每个厂站的初始参数读取、实时数据读取、拓朴分析、运行方式分析、曲线方程组生成、实时判别等部分。

6.2.1初始参数读取

读取数据库中变压器表、母线表、母联开关表、变压器参数表以及系统设置中一些计算运行参数，为进一步分析与计算做好准备。

6.2.2实时数据读取

根据变压器表、母线表、母联开关表中的关联遥测、遥信厂点号，从SCAD调度自动化系统中读取实时数据，为拓朴分析和运行方式分析做好准备。

6.2.3拓朴分析

根据变压器表、母线表及母联开关表中的相互关联关系，得到各变电所变压器的拓朴连接关系；并根据各相关开关的遥信状态得到实时的运行方式。

6.2.4运行方式分析

根据各变电所主变之间的拓朴连接关系，分析出主变之间的各种运行方式，生成各变电所的运行方式列表。

6.2.5曲线方程组生成

根据各变电所的运行方式列表，对每一种运行方式根据变压器负载与损耗曲线关系生成曲线方程，从而组成曲线方程组。

6.2.6实时判别

根据各变电所的曲线方程组得到曲线方程之间的交点，组成交点列表。根据交点列表化分负载区域，并根据曲线方程，得到各负载区域的损耗最小曲线，即得到损耗最小运行方式；读取实时的负载和实时的运行方式，判别该变电所是否运行在最经济的状态，如果不是最经济状态，则向告警显示提交告警语句且保存告警记录到数据库中。

实时判别模块在系统中是周期运行的，其运行周期是由用户在系统设置中设定的。用户也可以根据需要停止某一厂站或全部厂站的实时判别模块。

6.3曲线显示模块

为了直观地显示变电所内各主变之前的各种运行方式的负载与损耗关系，系统提供了曲线显示模块，用来显示各种运行方式负载损耗曲线图。曲线按厂站分开，每个厂站一个坐标系，用不同颜色（深浅）画出每种运行方式的曲线，并标明不同的负载区域及该区域所对应的最小运行方式。如图2所示。

6.4告警显示模块

告警显示模块向用户提示显示变电站需要改变运行方式的地方，并给出一定的数据供用户参考，如该调整可以预算节省多少功率及累计一月可以节省多少电量，让用户可以直观明确地计算出系统所带来的经济效益。

6.5系统设置模块

系统设置模块主要是设置一些计算参数，如：计算周期、数据单位等。

4.6历史告警查询模块

历史告警查询即查询历史上系统曾经是显示的告警记录，可以按厂站查询。

7系统运行环境

7.1系统硬件环境

在SCADA调度自动化系统中增设一台主变经济运行工作站。配置要求：

处理器：Pentium 4

内存：512M及以上

硬盘：80G及以上

7.2系统软件环境

操作系统：Windows XP

数据库：MS SQL 2000

8系统效益分析

某公司有8座35KV变电所，都是配备了两台主变。我们选取一座典型的变电站来分析。

该变电站的变压器参数如下表所示：

表1

该变电所某时刻负载：有功2500kw；无功500kvar

此时该变电所B变压器单独运行。这时B变压器的有功损为：

先计算其视在负载:

$\mathrm{Sk}=\sqrt{{\mathrm{Pk}}^2+{\mathrm{Qk}}^2}=\sqrt{2500\×2500+500\×500}=2549.5\mathrm{Kva}$

再根据视在负载Sk计算B变压器的有功损耗：

dPB=PoB+(Sk²/SeB²)xPkB=22.1+(2549.5²/31500²)*124.145=22.1+0.8132=22.91kw

如果由A变压器单独运行，计算A变压器的有功损耗：

dPA=PoA+(Sk²/SeA²)xPkA=14.7+(2549.5²/20000²)*87.039=14.7+1.414=16.11kw

这样由A变压器运行即可节省损耗：

dPB-dPA=22.91-16.11=6.8kw；

dPA、dPB：A变压器、B变压器有功损耗，单位：kw；

PoA、PoB：A变压器、B变压器空载损耗，即铁芯损耗，单位：kw；

Sk：视在负载，其值等于有功负载和无功负载的平方和的平方根，单位：KAV；

SeA、SeB：A变压器、B变压器额定容量，单位：KAV；

PkA、PkB：A变压器、B变压器负载损耗，即额定铜损，单位：kw；

系统根据上述计算分析，运行方式应该由B变压器单独运行调整到A变压器单独运行，这样可以节省变压器损耗6.8Kw。这种情况平均每天会出现4个小时（因为峰谷差比较大，峰时只能选取B变压器运行，而到夜里低谷的时候就出现这种情况，保守估计有4个小时左右），如果调度员按系统提示调整运行方式，一天就可以节省损耗电量6.8x4=27.2kwh，一年就可节省损耗6.8x4x365=9928kwh。如果公司8座35KV变电站都有类似情况，都根据系统提示调整运行方式一年就可节省损耗电量9928x8=79424kwh。按市电0.52元/kwh计算一年可以节省79424x0.52=41300.48元人民币。具体如下表所示：

由上表可见，主变经济运行所带来的经济效益是可以预算的，也是很直接的，很可观的。

Claims (2)

1.实时主变节电运行的控制方法，其特征是两台相同容量变压器的运行方式，单台变压器带全部负载运行与两台变压器并列运行时，得到总的有功功率损耗相等时的临界负载S′为：

空载损耗P₀、S_e为变压器的额定容量，额定负载损耗P_k

设实际负荷为S，当S＜S′时，单台变压器带全部负载运行的总有功功率损耗小于两台变压器并列运行的总有功功率损耗；当S＞S′时，则两台变压器并列运行较为经济；对总有功功率损耗的检测；当S＞S′时变压器负载进行切换成两台变压器并列运行。

2.主变节电运行的控制方法，两台不同容量变压器的运行时，其特征是由一台变压器运行和两台并列运行，假设变压器一台运行时负载为S，两台变压器容量分别为SAe和SBe，且SBe＞SAe，其对应的损耗分别如PA或PB表示，则其运行方式可以是A台或B台变压器单独运行或是AB两台变压器并列运行，其总的有功功率损耗分别为：

$P_A=P_{A0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Ae}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{AK}}$

$P_B=P_{B0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{Be}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{BK}}$

$P_{\mathrm{AB}}=P_{\mathrm{AB}0}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{ABe}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ABK}}$

P_A——A台单独运行的总有功功率损耗

P_B——B台单独运行的总有功功率损耗

P_AB——AB两台运行的总有功功率损耗

P_AB0＝P_A0+P_B0·P_ABk＝P_Ak+P_Bk，S_ABe＝S_Ae|S_Be。

根据上式可以得出：

(1)A台单独运行转B台单独运行的临界负载为：

$S_{A-B}=\sqrt{(P_{B0}-P_{A0})/(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}-\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2})}$

(2)A台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{A-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{B0}/(\frac{P_{\mathrm{AK}}}{S_{\mathrm{Ae}}^2}-\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2})}$

(3)B台单独运行转A、B两台并列运行的临界负载为：

$S_{B-\mathrm{AB}}=\sqrt{P_{A0}/(\frac{P_{\mathrm{BK}}}{S_{\mathrm{Be}}^2}-\frac{P_{\mathrm{ABK}}}{S_{\mathrm{ABe}}^2})}$

当SA-AB＞SAe时，则A台单独运行，转A、B两台并列运行就无意义；

所以，当负载S＜SA-B时，则由A台单独运行，当SA-B＜S＜SB-AB时，则由B台单独运行，当S＞SB-AB时则由两台并列运行，就能够减少变压器的有功功率损耗；对检测；S＜SA-B当S＞S′时变压器负载进行切换。

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