淺談變電站經濟運行與控制

摘要：本文通過對變電站中變壓器運行方式和損耗的分析，介紹了變電站經濟運行的意義，并提出了將變電站電壓無功綜合控制和變壓器經濟運行控制兩個系統合為一體，來達到整體電網中變電站的經濟運行與控制，并建立了變電站經濟運行與控制的數學模型。

關鍵詞：變壓器變電站經濟運行全枚舉法

0 引言

當今世界“能源的發展是以電力為中心的”，電力應用于國民生產及生活的各個領域，但是在自身運行時，會產生非常大的損耗。所以使得既是重要的能源生產部門，還是耗能大戶，因此降低電力系統損耗是節約能源的重要方法。

1 研究變電站經濟運行的意義[1-5]

作為變壓、功率傳輸的重要設備變壓器，雖然效率高達96~99.7%，但仍要產生一定的有功功率損耗和無功功率損耗，特別在電力系統中從發電、供電、到用電要有3~5次變壓過程，加之整個系統中用到了眾多的大容量變壓器，使得發電量的10%左右都被變壓器給損耗掉了，這個損耗約是整個系統線路損耗的50%左右，是農村電網損耗60~70%，相當驚人，就意味著變電站經濟運行就是降低變壓器電能損耗。通過對現有變壓器改造和更新、研發，采用經濟調度方式，最終實現變壓器高效率經濟運行。

變壓器的結構材質有很大不同，有的是冷軋硅鋼片，有的是熱軋硅鋼片，還有的是新型節能的，而在我國現行的電網中正是各種類型，各種技術特性的變壓器更替期，處于混合狀態，并且大部分都是依靠習慣性認識或做法選擇運行方式。以至于在某些情況下不但不經濟反而浪費電能。針對現有情況要在對已有的設備進行合理充分利用的基礎上，借助對變壓器運行位置的優化組合，一方面，實現安全運行和高質量供電，另一方面，改善變壓器的運行條件，來實現變壓器的經濟運行，進而實現變電站經濟運行。

2 變電站經濟運行與控制一體化

電力系統供電時，變電站的電壓會隨著電力系統運行狀態和負荷的變化而變化，為保證供電質量就要進行調壓。目前變電站所普遍采用的調壓手段是有載調壓變壓器和補償電容器，通過調節變壓器的分接頭、投切電容器組來實現調整電壓和降低損耗的目的。還現場投運了根據變電站采集的運行狀態數據和利用變電站運行狀態九區圖，來實現對電壓和無功的控制的電壓和無功微機實時控制系統[6]，或微機電壓無功綜合控制裝置[7]。

電網的負荷特別在農村電網波動幅度特別大。為保證供電質量，我們通常會在變電站并聯運行兩臺以上（包含兩臺）變壓器。但是，當電網中的負荷變小時，鐵芯損耗在變壓器總損耗中占很大比例。如果能保證部分變壓器不過負荷，而切除部分變壓器，鐵芯損耗可大大減少，變壓器總損耗也會減少，起到降損節能的重要作用。正是考慮到這些因素，人們對變壓器分接頭位置和變壓器經濟運行之間的關系進行了深入研究，其成果變壓器投退的臨界電流和功率的解析表達式[8-9]，已被廣泛應用。

目前變電站變壓器經濟運行和電壓無功綜合控制是相互的獨立的系統并存在電網中。調度中心控制變壓器經濟運行，變電站運行電壓無功綜合控制裝置。事實上我們可以根據SCADA系統采集到的運行參數，將原本獨立并存的兩個系統合而為一，使得變電站的一體化的經濟運行與控制得以實現，而且還幾乎不用增加硬件設施。只是一體化后，變壓器經濟運行和電壓無功控制算法與獨立并存時各個系統的算法會有所不同。

3 變電站經濟運行與控制的數學建模

現以農網35kV變電站（雙繞組并聯運行的變電站）為例，進行分析，此分析可適用三繞組變電站。

見圖3-1所示有NT臺雙繞組主變與NC組并聯補償電容器。問題：在現有負荷水平，并滿足功率因數、電壓質量、主變容量限制等約束條件下，要使功率損耗達到最小，NT臺主變分接頭的位置、主變的投退方式和電容器組的投切量，該如何取值。如果所有約束條件實在無法都滿足，則選擇其中最優方案。

圖3-1所示，等值電路歸算到低壓側參數為[10]：

RTi=(Ω)(3.1)

XTi=(Ω)(3.2)

YTi==-j(S) (3.3)

g0Ti=×10-3(S) (3.4)

b0Ti=××10-3(S) (3.5)

y0Ti=g0Ti-jb0Ti(S) (3.6)

其中△Pki──第i臺主變短路損耗值（kW）；Vki%── 第i臺主變短路電壓百分比；I0Ti%──第i臺主變空載電流百分比；△P0Ti──第i臺主變空載損耗值（kW）；SNi──第i臺主變容量值（MVA）；V2N── 第i臺主變低壓側額定電壓（kV）。

并聯運行的所有主變變比相同，計算公式：

V1t=xtiV1ti（kV）（3.7）

xti =1 （3.8）

kt=（3.9）

式中，Nt——主變分接頭的數目；V1ti——分接頭第i個檔位對應的電壓（kV）；V1t——所選擇的分接頭檔位對應的電壓（kV）；xti——其中i=1，2，……，Nt；0-1邏輯變量，其對應主變分接頭檔位，xti=1表示選中第i個檔位，xti=0表示第i個檔位未選中，為了保證在一個決策方案中只有一個檔位被選中，須滿足式（3.8）；kt——所選變壓器的變化。

歸算到高壓側的變壓器參數：

YT=xTiYTi=GT+jBT(S)(3.10)

ZT==-j=RT+jXT(Ω)(3.11)

yT=xTiy0Ti=g0T+jb0T(S) (3.12)

xTi≠0(3.13)

式中，xTi（i =1，2，……，NT）是0-1邏輯變量，其與并聯的變壓器對應，xTi=1則第i臺主變投入運行，xTi=0則第i臺主變退出運行，必需滿足式（3.13），使得在決策方案中至少有一個主變運行；NT

無功補償量（并聯電容器組）：

Qc=xCiQCi（Mvar） （3.14）

式中，QCi為第i組電容器的容量， xCi（i=1，2，……，NC）是0-1邏輯變量，其相對應的是并聯電容器組，xCi代表第i組電容器的運行狀態，其中邏輯0代表退出運行，邏輯1則代表投入運行。

變壓器的功率損耗：

△=△P+j△Q=RT+jXT+g0TVS2-jb0TVS2(MVA) （3.15）

變壓器串聯支路首端功率：

△=PS+jQS=PL+j(QL-QC)+RT+jXT(MVA)（3.16）

變壓器低壓側歸算至高壓側的電壓為：

V'L=（kV）(3.17)

變壓器低壓側電壓為：

VL=（kV） （3.18）

設并聯電容器組、變壓器分接頭、變壓器所對應的0-1邏輯變量向量是：

XC=[xC1，xC2，……xCNC]

Xt=[xt1，xt2，……xtNt]

XT=[xT1，xT2，……xTNT]

綜上可知，XC，Xt，XT與（3.15）中的有功損耗、（3.18）變壓器低壓側電壓均是函數關系。因此，為可以用以下的組合優化問題描述變電站經濟運行與控制：

obj.△P(xT，xC，xt)

s.t.VLmin≤VL(XT，XC，Xt)≤VLmaxxTi≠0xti=1XT，XC，Xt∈0，1

需要時還可加入對主變不過負荷和無功補償量（通過功率因數）的約束。

當因為低壓側電壓允許的上下界差值較小，調整無法滿足要求時，用如下優化模型：

obj.minVL(xT，xC，xt)-V，V（xT，xC，xt）-V

s.t.xTi≠0xti=1 (3.20)XT，XC，Xt∈0，1

最接近最優電壓約束的決策方案。

式（3.19）和式（3.20）所示的優化問題是0-1組合優化問題，XT，XC，Xt的全部排列組合方案數目是：

N=Nt×× （3.21）

一般采用傳統的諸如0-1整數規劃的分支定界法和現代的模擬退火算法[11]、遺傳算法[12-13]等求解0-1組合優化問題。如果問題規模比較大，求解會十分困難，還可能得不到最優解。其實式（3.21）組合數目不大，因此采用十分有效的全權舉方法求解，保證能夠得到全局最優解。

4 全枚舉模塊流程

全枚舉法模塊的流程圖如圖3-2所示。

參考文獻：

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