電力變壓器經濟運行策略的研究

摘要：本文著重分析了通過調整電力變壓器的分接頭和其低壓母線的無功補償量實現電力變壓器經濟運行的原理，在此基礎上介紹了“五區圖”控制策略。

關鍵詞：電力變壓器經濟運行策略五區圖

1 電力變壓器經濟運行策略研究的目的和意義

在整個電力系統中，電力變壓器廣泛應用于發、供、用各個環節，它在電網中處于極為重要的地位，是保證電網安全可靠經濟運行和人們生產及生活用電的關鍵設備。一般來說，從發電供電一直到用電需要經過3-5次的變壓過程，在變壓和傳遞電功率的過程中，其自身要產生有功功率損耗和無功功率損耗。由于電力變壓器總臺數多，總容量大，其總的電能損耗約占整個電力系統電能損耗的30-40%。

因此，全面開展電力變壓器經濟運行通過電力變壓器節能降耗，是電力系統經濟運行的重要環節，也是電網節能降耗的重要方面，能有效的提高電力的使用效率和經濟效益。開展電力變壓器經濟運行策略的研究在電力系統經濟運行中意義重大。

2 電力變壓器的經濟運行

電力變壓器的經濟運行是在確保電力變壓器安全運行和供電質量的基礎上，充分利用現有設備，通過擇優選擇變壓器經濟運行方式，負載調整的優化，變壓器運行位置的優化組合，改善變壓器運行條件等技術措施，最大限度地降低變壓器的電能損耗。

由于供用電系統的用電負載功率經常發生變化，而發電和用電又要保持相對的平衡，所以發電的功率要隨著負載的變化而變化。當負載曲線出現較大尖峰負載功率時，發電設備的容量可能滿足不了負載的需要，而造成電力系統頻率下降，對用戶造成很大影響，甚至產生巨大損失。為此，通過調整用戶的用電負載和時間，把尖峰負載壓下去，以充分發揮發電設備的潛力，使電力系統的發電輸出與用電負載相適應。

電力變壓器負載的經濟分配，就是通過各臺變壓器負載分配的調整，使變壓器的有功功率損耗、無功功率消耗和綜合功率損耗達到最小，從而實現變壓器及變壓器間負載的經濟分配，亦即電網間負載的經濟分配。

電網間負載的經濟調度主要包括兩個方面：一是時間上對負載進行調整，包括提高負載率和削峰填谷，使電網中負載曲線接近平衡；二是在空間上對負載進行調整，使電網中變壓器間實現經濟分配，從而降低電網損耗。

2.1 雙繞組電力變壓器提高負荷率的經濟運行原理

從圖(1)有功功率負載特性曲線ΔP=f(S)出發，做定性分析，由于ΔP=f(S)是一個二次遞增函數，任意兩個自變量的S1、S3平均值為：

S2=(S1-S3)/2

函數ΔP2=f(S2)的值小于該兩個自變量的函數ΔP1=f(S1)和ΔP3=f(S3)的平均值，即：

ΔP2<(ΔP1+ΔP3)/2

由此可知，在保持電力變壓器某一段時間內的供電量不變時，通過調整年、月、日負載曲線，使方均根值更趨于平均值，就可以減少電力變壓器的功率損耗。此分析同樣適用于對電力變壓器無功消耗的負載特性，即調載可以減少電力變壓器的無功消耗。

2.2 三繞組電力變壓器提高負荷率的節電原理

三繞組電力變壓器提高負荷率節電的基本原理與雙繞組電力變壓器相同，這是因為三繞組電力變壓器負載功率損耗也是與其負載的二次方成正比。通過調整三繞組電力變壓器的二次側和三次側年、月、日的負載曲線，使其二次側、三次側和一次側的負荷率都有所提高，從而降低了三繞組電力變壓器的有功功率損耗和無功功率消耗，實現其經濟運行。

3 基于“五區圖”的電力變壓器電壓和無功優化調整

“五區圖”法，通過對每種運行狀態（不動作、升變壓器檔位、降變壓器檔位、投電容、切電容）進行操作優劣距離比較，同時兼顧閉鎖約束條件的限制以及采取電容操作優先等原則，選擇最優的一個作為操作執行命令。“五區圖”控制原理是一種直接以裝置動作為控制對象的，面向操作動作的控制思想。

3.1 “五區圖”的控制原理與分析

根據具體操作動作性質的不同，任何一種VQC裝置的最基本操作動作分為：不動作、升變壓器檔位、降變壓器檔位、投電容、切電容。根據所給的控制目標，同時兼顧閉鎖約束條件，判斷選擇5種操作動作中最優的一個作為實際執行命令，這就形成了直接以裝置動作為控制對象，面向操作動作的控制思想，即“五區圖”控制原理。

將VQC的五種操作動作在U－Q平面上當前工作點處矢量化，可以得到VQC的操作動作矢量圖及其邊界示意圖，如圖(2)所示。圖中tanθ=UC/QC。

0為不動作矢量f0(Q，U)=(Q，U)；

1為升檔矢量f1(Q，U)=(Q，U+dU)；

2為降檔矢量f2(Q，U)=(Q，U-dU)；

3為投C矢量f3(Q，U)=(Q-QC，U+dUC)；

4為切C矢量f4(Q，U)=(Q+QC，U-dUC)。

設目標工作點為MP(QP，UP)，當前工作點為M(Q，U)。這樣，電壓無功綜合控制問題可以看成是：通過選擇最優操作動作矢量fi(i=0，1，2，3，4)的動作，使當前工作點M(Q，U)不斷的向最優控制目標工作點MP(QP，UP)逼近。當執行完第i項操作后，工作點移動到Mi(Qi，Ui)，定義Mi(Qi，Ui)到目標工作點MP(QP，UP)的距離的平方和為操作優劣距離：

Ri=|Mi，MP|２＝（Ｕi-ＵＰ）2+(Qi-QP)2

以Ri最小為最優控制目標，形成以操作優劣距離最短為判據來確定最優操作動作的控制策略，控制動作選擇既明確又合理。

3.2 “五區圖”控制原理的優點

面向對象操作的“五區圖”控制原理，與傳統的“九區圖”控制相比，以VQC裝置實際操作動作為控制對象，具有明顯的優越之處。首先，面向操作動作而不是面向“U-Q”的劃分方式，使得“五區圖”的動作區間劃分更合理，基于操作優劣距離比較的判據使得動作選擇根合理；其次，其軟件實現簡易，控制規則簡單可靠，可移植性強，便于聯網實現全網優化。

電壓無功控制問題的未來發展有兩個不可忽略的重要趨勢，一是調節能力更強的無級調節機構的出現；二是基于全網無功優化的網絡化無功綜合控制。“五區圖”原理與未來的無級調壓機構或無級電容精確的微調能力相配合，可以實現電壓去公綜合控制有離散的開環系統向連續化的閉環系統演進。在未來基于全網無功優化的方向上，引入面向操作的“五區圖”控制思想，可以更方便的實現優化的全網控制邏輯。理想工作點和啟動區上、下限制可由全網武功優化軟件給出，在軟件中可更方便的實現全局優化。

4 結論

本文從調整電力變壓器的分接頭和其低壓母線的無功補償量可以實現電力變壓器經濟運行的理論基礎出發，引入“五區圖”控制原理，根據優劣距離的大小得出電力變壓器分接頭的動作命令或其低壓母線無功補償量的控制命令，實現電力變壓器的經濟運行的結論。與此同時我們也可以看到，“五區圖”控制原理與未來的無級調壓機構或無級電容精確的微調能力之間的配合調控，以及將“五區圖”控制引入基于全網無功優化的控制方向上，都可以展開深入研究。

參考文獻：

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[2]胡景生.變壓器能效與電技術.機械工業出版社.2007.