居民臺區(qū)供電方案選擇及其運行方式探討

李泓澤，王 寶，張培森

（華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206）

居民臺區(qū)供電方案選擇及其運行方式探討

李泓澤，王 寶，張培森

（華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206）

在分析居民臺區(qū)負荷特性的基礎上，綜合考慮負荷增長、配電變壓器運行損耗、投資成本以及資源有效利用，提出了大小配電變壓器配合運行的居民臺區(qū)供電方案及其運行方式安排，計算了運行損耗成本，并對現(xiàn)行方案和該方案的經(jīng)濟性進行了比較。實例結(jié)果表明：該方案在成本費用節(jié)約上優(yōu)于現(xiàn)行居民供電方案，為供電公司在居民臺區(qū)供電方案選擇上提供一定的參考價值。

居民臺區(qū)；配電變壓器；供電方案；運行方式

近年來，城鄉(xiāng)居民生活中的電氣化水平不斷提高，居民臺區(qū)負荷保持著較快的增長速度，供電公司為滿足負荷快速增長的需要，縮短了居民臺區(qū)配電變壓器更換周期。更換下來的大部分小容量配電變壓器往往不能適應其他臺區(qū)的負荷需求而被閑置，積壓在物資庫中，一方面不僅造成了資源的浪費，而且增加了物資管理費用支出，另一方面，更換新型大容量配電變壓器投資較高，從而降低了供電公司資源利用率，造成投資費用增加。

先前相關研究大多關注配電變壓器的經(jīng)濟運行和容量選擇。文獻[1]指出，變壓器經(jīng)濟運行是指其運行時功率損耗最小且運行成本費用最低，并分析了變壓器經(jīng)濟負荷容量與其內(nèi)部損耗和額定容量間的關系。文獻[2]探討了通過選擇節(jié)能配電變壓器、合理安排配電變壓器容量、適當?shù)臒o功補償以及調(diào)節(jié)配電變壓器分接頭開關等方式來實現(xiàn)配電變壓器的經(jīng)濟運行。文獻[3]基于年有功損耗最小原則，探討了選擇配電變壓器的節(jié)能性和經(jīng)濟性問題。文獻[4]在確定變壓器最小負載系數(shù)、最小功率損耗及經(jīng)濟負荷系數(shù)的基礎上探討了配電變壓器容量選擇以實現(xiàn)配電變壓器經(jīng)濟運行。文獻[5]探討了考慮臺區(qū)負荷增長情況下實現(xiàn)經(jīng)濟運行的配電變壓器容量選擇問題。而綜合考慮供電公司投資成本、負荷增長、配電變壓器運行損耗以及運行方式安排等多種因素下臺區(qū)供電方案選擇的相關研究甚少。

對于居民臺區(qū)而言，日夜負荷峰谷差極大，夜間低谷時更換的大容量配電變壓器損耗大，不符合經(jīng)濟運行的要求，且負荷季節(jié)特性明顯，峰谷規(guī)律性較強[6]。因此可考慮在居民臺區(qū)增加一臺小容量配電變壓器，與現(xiàn)有配電變壓器配合使用，通過加裝自動投切斷路器改變2臺配電變壓器日運行方式以滿足居民臺區(qū)負荷需求。這樣不僅可以避免大容量配電變壓器購入投資，而且可以增加小容量配電變壓器的利用效率。

1 居民臺區(qū)負荷特性分析

城鄉(xiāng)居民臺區(qū)用電負荷的主要特征為日夜負荷峰谷差極大，存在較大的季節(jié)性負荷差異，主要是春秋季節(jié)與夏冬季節(jié)負荷差異較大；但負荷峰谷往往具有較強的規(guī)律性，用電高峰時段一般出現(xiàn)在中午和晚間，用電低谷時段出現(xiàn)在深夜。圖1繪制出了某市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的某道路2號居民臺區(qū)公用變壓器日負荷曲線圖。

圖1 某居民臺區(qū)公用變壓器日負荷曲線圖

由圖1可知：該居民臺區(qū)用電負荷高峰出現(xiàn)在2個時段：中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，歷時8 h，占全天運行時間的33%，負荷率為83.9%。用電低谷出現(xiàn)在當日23：00～次日7：00，歷時8 h，負荷率為15.4%，剩余8 h為平段，負荷率為37.5%。

該臺區(qū)夏季最大負荷達到173 kW，以負荷年增速為8.5%計，則下一年度的最大負荷為187.7 kW，考慮到功率因數(shù)和配電變壓器效率因素，該居民臺區(qū)S9-200/10型配電變壓器將不能滿足該臺區(qū)下一年度的最大負荷需求，但仍能滿足臺區(qū)未來5年的平段和谷段的負荷需求?，F(xiàn)行的居民供電方案大多是一個臺區(qū)配置一臺配電變壓器，配電變壓器容量按滿足臺區(qū)3～5年的最大負荷而選定。按此原則，該居民臺區(qū)需要更換大容量的配電變壓器。

2 居民臺區(qū)供電方案及其運行方式

當負荷需求增速較快的臺區(qū)配電變壓器即將無法滿足最大負荷要求時，依據(jù)現(xiàn)行的居民供電方案，需要更換大容量配電變壓器。這樣，供電公司就需要投入資金購入新的大容量配電變壓器，而更換下來的小容量配電變壓器往往因不能單獨滿足其他臺區(qū)3～5年的用電最大負荷需求而被閑置在物資庫中。事實上，根據(jù)居民臺區(qū)負荷特性，這些小容量配電變壓器一般能夠滿足該臺區(qū)未來3～5年的平段和谷段負荷需求，從而資源得不到有效充分利用。

考慮到節(jié)約投資、有效利用資源以及配電變壓器運行損耗因素，對現(xiàn)有的即將不能滿足居民臺區(qū)最大負荷需求的配電變壓器不進行大容量配電變壓器更換，而是增加物資庫中閑置的僅滿足未來3～5年低谷負荷需求的更小的配電變壓器（滿足并列運行條件[7]），并安裝自動投切斷路器，按如下的方式調(diào)整居民臺區(qū)配電變壓器的運行方式：負荷高峰時段2臺配電變壓器并列運行，共同承擔臺區(qū)負荷；平段斷開小容量配電變壓器的斷路器，僅大容量配電變壓器運行；低谷時段斷開大容量配電變壓器的斷路器，僅小容量配電變壓器運行，這種運行方式既能滿足居民臺區(qū)最大負荷需求，又可為供電公司節(jié)省投資（自動投切斷路器購置費一般遠小于大容量配電變壓器），提高資源利用效率，同時滿足配電變壓器運行經(jīng)濟性要求。由于配電變壓器空載損耗成本遠小于自動投切斷路器購置費，因而僅在2臺配電變壓器低壓側(cè)各配置一臺自動投切斷路器以節(jié)省投資。圖2繪制出了居民臺區(qū)2臺配電變壓器供電方案圖。根據(jù)居民臺區(qū)負荷特性，通過自動投切斷路器合理調(diào)整臺區(qū)2臺配電變壓器運行方式，能夠?qū)崿F(xiàn)配電變壓器經(jīng)濟運行，且減少供電公司投資。

圖2 居民臺區(qū)2臺配電變壓器供電方案圖

3 居民臺區(qū)配電變壓器運行損耗成本計算及選擇方案比較

3.1 配電變壓器運行損耗成本計算

配電變壓器運行損耗包括空載有功損耗、空載無功損耗、短路有功損耗和短路無功損耗，其中空載有功損耗P0和短路有功損耗Pk可直接查看配電變壓器銘牌參數(shù)；空載無功損耗Q0可根據(jù)配電變壓器容量SN和空載電流百分值I0%計算得到：Q0=(I0%/100)SN；短路無功損耗Qk可根據(jù)SN和短路電壓百分值Uk%計算得到：（Uk%/100）SN。配電變壓器有功損耗ΔP與空載有功損耗、短路有功損耗和負載率β有關，β=PL/(SNcosφ)，PL和cosφ分別表示有功負荷和負荷功率因數(shù)，ΔP=P0+β2Pk，同理，配電變壓器無功損耗ΔQ=Q0+β2Qk。考慮到無功經(jīng)濟當量K，即配電變壓器中每千乏無功功率損耗引起的有功功率損耗，配電變壓器綜合功率損耗ΔPC=ΔP+KΔQ。無功經(jīng)濟當量K計算式如式（1），假定配電變壓器運行電壓接近額定電壓，代入?yún)?shù)得K如式（2）。

在負荷功率因數(shù)保持不變的情況下，ΔP、K和ΔQ均為臺區(qū)有功負荷PL的函數(shù)，因而配電變壓器綜合功率損耗ΔPC是臺區(qū)有功負荷PL的函數(shù)，配電變壓器綜合損耗隨各時段負荷需求的變化而變化，即：ΔPC=ΔPC（PL）。

假定某居民臺區(qū)基準年各日負荷曲線為PLt，臺區(qū)負荷年增速為rL，該臺區(qū)容量為SN1的配電變壓器即將不能滿足最大負荷需求。為滿足未來n年的臺區(qū)負荷需求，通常情況下供電公司需要對現(xiàn)有配電變壓器進行大容量配電變壓器更換，新購置的大容量配電變壓器容量為SN3，基于上述配電變壓器損耗分析，可知新?lián)Q的配電變壓器第i年第t日的運行綜合損耗PLossit0計算如式（3），基準年居民銷售電價為Ptariff，電價年增長率為rP，折現(xiàn)率為I，一年總天數(shù)為T，則新更換的大容量配電變壓器未來n年的運行損耗成本現(xiàn)值TCP0如式（4）

如按照本文提出的供電方案，即不購置大容量配電變壓器更換現(xiàn)有配電變壓器，而從供電公司物資庫中選擇合適的滿足與現(xiàn)有配電變壓器并列運行條件的更小容量配電變壓器，與現(xiàn)有配電變壓器并列安裝，并在2臺配電變壓器低壓側(cè)各裝設一臺自動投切斷路器以根據(jù)居民臺區(qū)負荷規(guī)律性來適時改變2臺配電變壓器運行方式，則：低谷時小容量配電變壓器承擔全部負荷，平段時現(xiàn)有配電變壓器承擔全部負荷，高峰時2臺配電變壓器并列運行共同承擔負荷。若小容量配電變壓器（容量為SN2）與現(xiàn)有配電變壓器（容量為VN1）同型號，且阻抗電壓相等時，并列運行時按各自容量分配臺區(qū)負荷，此情況下配電變壓器第i年第t日的運行綜合損耗PLossit計算如式（5），則臺區(qū)配電變壓器在未來n年的運行損耗成本現(xiàn)值TCP與式（4）類似。

3.2 居民臺區(qū)供電方案比較

按照現(xiàn)行居民供電方案，更換大容量配電變壓器時，既要滿足未來n年的臺區(qū)最大負荷需求，即SN3＞max（PLt）（1+rL）n/（ηcosφ），η為配電變壓器運行效率，又要顧及大容量配電變壓器的購置費用。若基于此原則，供電公司為該居民臺區(qū)更換的大容量配電變壓器購置費用為IP0，n年內(nèi)該配電變壓器運行綜合損耗成本現(xiàn)值為TCP0，則供電公司更換大容量配電變壓器而付出的總成本費用現(xiàn)值為IP0+TCP0。

基于本文的供電方案，供電公司直接從物資庫中取出閑置的小容量配電變壓器，無需花費購置費，且減少了物資管理成本，只需要購入2臺自動投切斷路器。設每臺自動投切斷路器購置費為IP，n年內(nèi)臺區(qū)配電變壓器運行綜合損耗成本現(xiàn)值為TCP，則在不計物資管理成本減少的情況下，供電公司需要付出的總成本費用現(xiàn)值為2IP+TCP。

供電公司購置大容量配電變壓器時一般會選擇低損耗型配電變壓器，而臺區(qū)現(xiàn)有配電變壓器是幾年前更換的，因而其損耗較新型的更高，且為節(jié)省斷路器投資，任一配電變壓器即使不帶負荷，也存在空載損耗（如上文圖2所示）。因此本文方案下，未來n年內(nèi)臺區(qū)運行損耗成本較現(xiàn)行方案要高，但自動投切斷路器購置費要低于大容量配電變壓器，因而本文的配電變壓器選擇方案可能會優(yōu)于現(xiàn)行居民供電方案，供電公司可能會存在一定的成本費用節(jié)約量，數(shù)值為[(IP0+TCP0)-(2IP+TCP)]，同時增加資源利用效率。

4 實例

以某市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的某道路2號居民臺區(qū)為例，圖3給出了基準年該居民臺區(qū)典型日負荷曲線?；鶞誓曜畲筘摵梢堰_到173 kW，負荷功率因數(shù)cosφ=0.95，配電變壓器效率η=0.93，臺區(qū)負荷年增速為8.5%，則下一年該臺區(qū)所需配電變壓器容量至少為213 kVA，現(xiàn)有S9-200/10型配電變壓器不能滿足下一年度臺區(qū)最大負荷需求。

圖3 某居民臺區(qū)典型日負荷曲線

按照現(xiàn)行的居民供電方案，供電公司考慮更換大容量S11?M新型節(jié)能配電變壓器，以滿足未來5年該臺區(qū)的最大負荷需求。經(jīng)計算，大容量配電變壓器容量至少為295 kVA。供電公司決定為該居民臺區(qū)更換一臺S11?M.R-315/10型配電變壓器，購置費用為37 360元。一年春秋季節(jié)和夏冬季節(jié)總天數(shù)分別為183天和182天，現(xiàn)行居民銷售電價為0.58元/kWh，預計居民銷售電價年增速為1%，折現(xiàn)率取8%，S11?M.R-315/10型配電變壓器參數(shù)為：P0=0.48 kW，Pk=3.65 kW，I0%=1.1，Uk%=4。據(jù)式（3）和式（4）計算得到該大容量配電變壓器未來5年運行損耗成本現(xiàn)值為20 406元，則供電公司為該居民臺區(qū)更換大容量新型配電變壓器而付出的總成本費用現(xiàn)值為57 766元。

按照本文提出的方案，首先根據(jù)該居民臺區(qū)負荷特性，將全天各時段劃分為高峰段、平段和低谷段，高峰段為中午11：00～13：00和晚上17：00～23：00，低谷段為當日23：00～次日7：00，剩余為平段，基準年的峰平谷各段最大負荷分別為173 kW、92 kW和50 kW，未來5年峰平谷各段最大負荷將分別升至260 kW、138 kW和75 kW?？紤]到負荷功率因數(shù)和配電變壓器效率因素后，未來5年峰平谷各段所需的配電變壓器容量分別至少為294 kVA、157 kVA和85 kVA?，F(xiàn)有S9?200/10型配電變壓器能夠滿足臺區(qū)平段最大負荷需求，綜合考慮低谷和高峰最大負荷，可從物資庫中選擇S9?125/10型小容量配電變壓器，與現(xiàn)有配電變壓器并列安裝，并在2臺配電變壓器低壓側(cè)各裝設一臺自動投切斷路器，每臺購置費為8 500元。S9?200/10型配電變壓器參數(shù)為：P01=0.48 kW，Pk1=2.6 kW，I01%=1.3，Uk1%=4；S9?125/10 型配電變壓器參數(shù)為：P02=0.34 kW，Pk2=1.8 kW，I02%=1.5，Uk2%=4，2臺配電變壓器短路電壓值相等，接線組別相同，變比相等，且容量比小于3，滿足并列運行條件[7]。調(diào)用自行編寫的2臺配電變壓器損耗成本Matlab求解程序，得出5年內(nèi)2臺配電變壓器運行損耗成本現(xiàn)值為29 857元，比現(xiàn)行居民供電方案高出9 451元，這是因為2臺配電變壓器較新型大容量配電變壓器而言，節(jié)能效果相對較差，且為節(jié)省斷路器投資，2臺配電變壓器不帶負荷也存在著空載損耗。按照本文提出的方案，供電公司需要付出的總成本費用現(xiàn)值為46 857元，較現(xiàn)行居民供電方案而言，節(jié)約成本費用現(xiàn)值為10 909元，成本費用節(jié)約率為18.9%。

圖4繪制出了不同折現(xiàn)率下的供電公司節(jié)約成本費用現(xiàn)值和成本費用節(jié)約率情況。顯然，折現(xiàn)率越大，節(jié)約成本費用現(xiàn)值和成本費用節(jié)約率越大，折現(xiàn)率處于8%～12%的合理區(qū)間時，供電公司存在顯著的成本費用節(jié)約收益。

圖4 不同折現(xiàn)率對應的節(jié)約成本費用現(xiàn)值和成本費用節(jié)約率

5 結(jié)束語

居民臺區(qū)用電負荷因居民電氣化水平的不斷提升而保持著較快的增速，從而縮短了居民臺區(qū)配電變壓器更換周期?，F(xiàn)行居民供電方案下，供電公司不僅需要支付較高的新型大容量配電變壓器購置費，且更換下來的小容量配電變壓器因大部分不能單獨滿足其他臺區(qū)負荷而被閑置在物資庫中，造成資源浪費和投資增加。在分析居民臺區(qū)負荷特性的基礎上，本文提出了大小容量配電變壓器配合運行以滿足居民臺區(qū)負荷增長需求的供電方案及其運行方式安排，對現(xiàn)行居民供電方案和該方案進行了運行損耗成本計算以及經(jīng)濟性比較，并結(jié)合實例加以說明分析，得出本文提出的配電變壓器選擇方案能夠給供電公司帶來較顯著的成本費用節(jié)約收益，可為供電公司在居民臺區(qū)供電方案決策上提供一定的參考。

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Study on power supply scheme selection and operation mode arrangement of residential district

LI Hong?ze,WANG Bao,ZHANG Pei?sen
(North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

Based on the analysis of residential district’s load characteristic,considering comprehensively load growth,distribu?tion transformer’s operation loss,investment cost and efficient utili?zation of existing resources,this paper proposes a residential dis?trict’s power supply scheme and its corresponding operation mode arrangement in which distribution transformer with large capacity and that with small capacity operation coordinately,calculates oper?ation loss cost and makes an economic comparison between the ex?isting scheme and the proposed one.The results of the example demonstrate that the proposed scheme is superior to the existing scheme in cost saving.The work in this paper provides a certain reference value for power supply companies in selecting residential district’s power supply scheme.

residential district;distribution transformer;power supply scheme;operation mode

TM421；F407.61

A

1009-1831（2012）06-0015-04

2012-06-04

李泓澤(1970)，男，吉林遼源人，副教授，研究方向為電力市場、電價及電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行；王寶(1986)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為電力市場；張培森(1985)，男，天津人，碩士研究生，研究方向為工業(yè)工程。

（

杜先波 徐文紅）