變電站主要站用負荷用電規律及其節電策略研究

鄭扶民，郜幔幔，楊家豪，歐陽森，李鳳珍

（1.廣東電網公司惠州供電局，廣東　惠州　516001；2.華南理工大學電力學院，廣州　510640；3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州　510640）

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變電站主要站用負荷用電規律及其節電策略研究

鄭扶民1，郜幔幔2，楊家豪2，歐陽森2，李鳳珍3

（1.廣東電網公司惠州供電局，廣東惠州516001；2.華南理工大學電力學院，廣州510640；3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州510640）

摘要：變電站空調、照明系統用電量大，分布區域廣，由于缺乏對不同區域空調、照明系統用電規律的深入研究，導致目前的空調、照明系統節電改造方案較粗糙，難以實現資源最優配置。首先對變電站不同區域的空調、照明系統用電規律進行細致研究，并據此將空調、照明系統分別劃分為4類和6類；其次，以各類空調、照明系統的用電規律為依據，按照改造后年節約電量的大小，分別提出空調、照明系統的高、中、低潛力3種改造方案；空調、照明系統各改造方案的組合即可得到滿足不同變電站需求的多種改造方案，通過計算各改造方案的投資成本、節電率、回收期等，為變電站空調、照明系統的改造提供合理的數據參考和指導；最后以某500 kV和110 kV變電站節電改造計算為實例，驗證該改造方案的正確性和實用性。

關鍵詞：變電站；節電改造；空調系統；照明系統

變電站節能是電網降損工作的重要環節，其對電網的節能評估和規劃、降低電網運營成本、提升電網企業效益大有裨益［1—4］。變電站站用電負荷主要由主變冷卻、通風散熱、空調、照明以及機房通信等構成，而由于站用電負荷結構特點及改造技術的限制，目前變電站節電研究主要集中在用電量較大且易于實施改造的空調、照明系統［5—10］。但是，現有文獻均僅是對變電站空調、照明系統整體用電規律的分析，未能針對變電站不同區域的空調、照明用電規律作更為細致深入的研究。基于以上情況，目前的節電策略僅能對變電站空調、照明系統提出整體改造方案或者依靠主觀經驗選擇部分空調、照明系統進行改造，由于未考慮不同區域空調、照明系統的用電規律、設備利用率等因素，導致改造方案較為粗糙，缺乏科學依據，難以在有限的資源下獲得最大收益及實現資源的最優配置。因此，如何確定優先改造的空調或照明設備，制訂合理的改造方案，有效利用資源以獲得最大的節電收益是迫切需要解決的問題。

本文在分析變電站空調、照明系統整體用電規律的基礎上，深入研究變電站不同區域空調、照明系統的用電規律，并據此將空調、照明系統分別劃分為4類和6類；其次，以各類空調、照明系統的用電規律為依據，以優先改造開啟時間長、額定功率大、用電量大的設備為改造方案設計原則，根據改造后年節約電量的大小，分別提出空調、照明系統的高、中、低潛力3種改造方案，變電站對空調、照明系統的改造則可由各方案任意組合得到15種改造方案，通過計算各改造方案的投資成本、節電率、回收期等，為變電站空調、照明系統改造提供合理的數據參考和指導；最后，分別以某500 kV和110 kV變電站為例，進行空調、照明系統的節電潛力計算。實例證明，變電站空調、照明系統節電潛力巨大，在不同投資和改造規模下，依據設備改造的優先級，制定合理的改造方案，可獲得可觀的節電收益及實現資源最優配置。

1　變電站空調、照明系統整體用電規律

變電站空調、照明系統分布廣、用電量大，且大多沒有統一的啟停規律，具有巨大的節電改造空間。表1是某供電局7個變電站的空調、照明系統用電量及其所占比例，其中變電站1是500 kV變電站，變電站2—4為220 kV變電站，5—7為110 kV變電站。

從表1可以看出，對于不同電壓等級的變電站，空調、照明系統用電比例都非常大，其中500 kV變電站的空調、照明系統用電比例在50%以上，220 kV 及110 kV變電站的空調、照明系統用電比例基本在80%左右，故對變電站的空調、照明系統的節電研究意義重大。

表1　變電站空調、照明系統用電統計表

2　各區域空調、照明系統用電規律

2.1不同區域的空調用電規律

空調系統主要分布在主控室、繼保室、通信室、高壓室、電容電抗器室、蓄電池室、配變室、辦公室、會議室、接待室、休息室、警傳室等場所，分布在不同區域的空調系統，其功率、數量、用電規律等都有較大的差別。本文對大量變電站的各區域空調系統進行調研分析，依據各區域空調的用電規律、用途等將其分為4類，并以每類空調系統用電量占空調系統總用電量的比例大小將其劃分為大、中、小3個等級，以便對各類空調系統用電量的相對大小有更加清晰直觀的認識；空調系統分類及用電規律如表2。

表2　空調系統分類及用電規律

2.2不同區域的照明用電規律

照明系統主要分布在戶外、辦公室、會議室、接待室、主控室、繼保室、高壓室、電容電抗器室、蓄電池室、走道、衛生間、休息室、警傳室、等場所；分布在不同區域的照明系統，其功率、數量、類型、用電規律等都有較大的差別，在對大量變電站的各區域照明系統進行調研分析的基礎上，依據各區域照明系統的特點、用電規律等將其劃分為6類，各類照明系統用電規律及特點如表3。

表3　照明系統分類及用電規律

3　節電策略及改造方案設計

3.1空調系統節電策略及改造方案設計

文獻［5］、文獻［9］—文獻［12］介紹了空調系統的多種節電策略，本文主要考慮目前較為主流且節電效果易于評估計算的節電策略，包括使用中央空調、變頻空調和更換新型制冷劑等。

各變電站可依據空調系統的不同現狀、擬投入改造資金、改造規模、變電站空間等采用不同的改造手段及改造方案。本文依據不同改造方案下年節約電量的大小，提出高、中、低潛力3種方案，3種方案的改造規模、初始投資都依次減小，可滿足不同變電站的需求。

改造方案制定原則為：在改造資金有限的情況下，依據變電站各類空調系統用電規律，優先改造開啟時間較長、用電量較大的空調以獲得最大的節電效益。

（1）變電站空調較老舊，屬于國家淘汰的高能耗產品

這種情況下，更換制冷劑并不能從根本上解決設備老舊、能效低、機組故障率高的缺點，主要考慮更換變頻空調和中央空調進行節電改造，但是，中央空調對變電站空間要求較高，一般來說，更換變頻空調更具有可行性。

高潛力方案：變電站全部空調更換為變頻空調或者中央空調。

中潛力方案：更換Ⅰ和Ⅱ類空調系統，包括主控室等主要設備室空調和蓄電池室等一般設備室空調。

低潛力方案：僅更換Ⅰ類空調系統，包括主控室、繼保室、高壓室、通信室等主要設備室空調。

（2）變電站僅部分空調屬于高能耗產品

高潛力方案：變電站全部空調更換為變頻空調或者中央空調。

中潛力方案：①更換所有高能耗空調；②更換Ⅰ類空調系統，包括主控室、繼保室等主要設備室空調；③對其他空調實行更換制冷劑改造。

低潛力方案：①更換所有高能耗空調；②更換Ⅰ類空調系統，包括主控室、繼保室等主要設備室空調。

3.2照明系統節電策略及改造方案設計

變電站照明按區域分為室內照明和室外照明，目前變電站室內照明以T8燈管為主，而圍墻、樓頂、電場等室外照明主要使用大功率高壓鈉燈。本文照明系統節電策略主要采用新型綠色光源LED燈替換目前使用的T8熒光燈，無極燈替換高壓鈉燈。

由于變電站的照明系統現狀較為類似，因此，對照明系統統一制定按改造規模、初始投資、年節約電量依次減少的高、中、低潛力3種改造方案。改造方案制定原則和空調系統改造方案原則相同，但對于Ⅱ類照明系統即走道、衛生間等公共區域燈具，經調研，多數變電站采用節能燈具，雖然其用電量較大，但進行改造的必要性不大。

高潛力方案：所有T8燈具更換為LED燈，高壓鈉燈更換為無極燈。

中潛力方案：①更換Ⅰ類照明系統，包括圍墻、電場等戶外照明燈具；②更換Ⅲ類照明系統，包括主控室、繼保室等主要設備室照明燈具；③對于220 kV及以上變電站還應更換Ⅳ類照明系統，即辦公室、會議室等辦公場所燈具。

低潛力方案：僅更換Ⅰ類照明系統，包括圍墻、電場等戶外照明燈具。

3.3改造方案設計及效益計算

（1）改造方案設計

上文提出了空調系統、照明系統的高、中、低3種改造方案，變電站進行改造時，可根據擬投入資金、改造規模、空調照明系統現狀等合理選擇空調、照明系統的改造方案。一般有以下15種方案可供選擇，見表4。

（2）效益計算

空調、照明系統改造可獲得巨大的綜合效益：①經濟效益包括節電效益、舊設備殘余價值、維護成本的下降、故障風險的減少等；②社會效益主要表現為：運行損耗降低帶動減少發電所需的煤等化石能源的消耗以及CO2等氣體的排放。

本文主要從經濟效益考慮，計算其節電效益、舊設備殘余價值、回收期等。

具體節電率k計算公式如下

式中：S1為改造空調、照明系統的年節約電量，計算空調系統的節約電量時，更換變頻空調或中央空調取主流節電率30%，更換新型制冷劑節電率取20%［5］；S為變電站年站用負荷電量。

靜態回收期T

式中：Vb為初始投資成本，不同類型、不同功率的空調及照明燈具單價取市場主流價格；Vr為舊設備殘余價值，取設備成本的5%；p為電價，本文統一采用0.8元/kWh。

按照更換后的空調及照明系統經濟運行10年計算，其10年總收益V10為：

V10=S10×p+Vr-Vb（3）

式中：S10為改造空調、照明系統的10年總節約電量。

表4　變電站空調、照明系統改造方案

4　實例分析

4.1某500 kV變電站節電改造

某500 kV變電站共有3臺主變，總容量為3× 1 000 MVA。2013年該變電站總站用負荷電量為770 609 kWh，其中空調、照明系統年用電量達到394 443.7 kWh，超過站用負荷電量的一半。

（1）空調、照明系統現狀

該變電站主要采用分體式空調，能耗等級多為5級；室內照明多采用40 W的T8燈管、節能燈及部分鈉燈，戶外照明全部采用高壓鈉燈。該變電站空調、照明系統分布及用電量分別如表5、表6。

表5　變電站空調系統分布

表6　變電站照明系統分布

由表5、表6可以看出：變電站各類空調、照明系統用電量大小及其占比和本文表2、表3基本一致，即Ⅰ類空調/照明系統用電量最大，其占比超過50%，其次是Ⅱ、Ⅲ類空調系統及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類照明系統，占比在10%～50%之間。本例中Ⅱ類照明系統由于大量使用節能燈，用電占比稍小于10%；不同變電站的各類空調/照明系統的用電占比存在微小差異及誤差。

（2）節電改造效益計算

由于該變電站空調系統較為老舊，故對空調系統采用3.1節中第一種改造方案，照明系統采用3.2節中改造方案。根據光通量相等得到照明燈具替換原則如表7。

表7　燈具等效替換原則W

變電站空調、照明系統各改造方案效益計算如表8。

表8　500 kV變電站空調、照明系統改造效益

由表8可見：

（1）對500 kV變電站空調、照明系統改造可獲得巨大的節電收益，除方案4—6（即僅改造照明系統）外，節電率基本都超過10%，10年總收益達到50萬元以上，且在3年以內即可以節約電費的形式回收成本。

（2）15種改造方案的投資成本、改造規模、節電收益等都有差別。其中，方案1—3和方案4—6分別是僅改造空調系統和僅改造照明系統，方案7—15為空調、照明系統協調改造。對比發現，空調和照明系統協調改造較僅對空調或照明系統進行改造效果更好。

（3）綜合考慮投資、回收期、節電率及10年總收益，推薦選擇改造方案11，即空調、照明系統均采用中潛力方案，該方案10年總收益僅比改造方案7 或8少1萬～2萬元，但投資卻僅需20.09萬元，較方案7或8少10多萬元；回收期較短，僅需2.01年。

4.2某110 kV變電站節電改造

某110 kV變電站2013年站用負荷電量為220 100 kWh，其中空調、照明系統年用電量達到169 000 kWh，超過站用負荷電量的80%。

應用同樣的方法對該變電站空調、照明系統進行節電改造分析，限于篇幅，僅列出各改造方案的改造效益如表9。

由表9可知：

（1）由于110 kV變電站空調、照明系統用電占比較高，對其進行改造，除方案4—6即僅改造照明系統外，節電率都在20%左右，較500 kV變電站節電率高，但回收期多在3～4年，較500 kV變電站回收期長。

（2）對比方案1—6和方案7—15，整體上，方案7—15（即空調和照明系統協調改造）較方案1—6僅對空調或照明系統進行改造效果更好。

（3）綜合考慮投資、回收期、節電率及10年總收益，推薦選擇改造方案12，即空調、照明系統分別采用中潛力方案和低潛力方案，該方案10年總收益僅次于改造方案9，但投資卻僅需12.78萬元，回收期較短，僅需3.05年。

5　結論

（1）對變電站不同區域的空調、照明系統用電規律進行深入細致研究并據此將空調系統、照明系統分別劃分為4類和6類，為電力工作者更好的認識和挖掘變電站空調、照明系統的節電潛力提供理論支持。

（2）以變電站各類空調、照明系統的用電規律為改造方案設計依據，結合變電站空調、照明系統現狀，分別提出了空調、照明系統的高、中、低潛力3種方案，并通過組合得到適應不同變電站需求的15種改造方案，為交流變電站的節電改造提供一定的理論參考和指導。

表9　110 kV變電站空調、照明系統改造效益

（3）分別對500 kV和110 kV變電站的15種改造方案進行效益計算，綜合投資成本、節約電量、回收期等因素，分別推薦改造方案11和方案12，其投資相對較小，但10年總收益、年節約電量等都較大，且回收期短。

（4）交流變電站空調、照明系統節電潛力巨大，合理制定改造方案，可獲得可觀的經濟效益和社會效益，且可在短期內回收資本。

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The e1ectricity using ru1es of main power 1oad and the strategy of e1ectricity-saving for substation

ZHENG Fu-min1，GAO Man-man2，YANG Jia-hao2，OUYANG Sen2，LI Feng-zhen3
（1. Huizhou Power Supp1y Bureau，Huizhou 516001，China；2. Schoo1 of E1ectric Power，South China University of Techno1ogy，Guangzhou 510640，China；3. Guangzhou Ben1iu Power E1ectric Techno1ogy Co.，Ltd.，Guangzhou 510640，China）

Abstract：The air-conditioning and 1ighting equipment in substation were wide1y distributed and consumed a 1arge amount of e1ectricity，the 1ack of in-depth study for the e1ectricity using ru1e of airconditioning and 1ighting distributed in different areas 1ed to rough e1ectricity-saving strategy，which made it difficu1t to rea1ize resource optima1 a11ocation. In order to so1ve the prob1em. First of a11，this paper did deep ana1ysis on the e1ectricity using ru1es of air-conditioning and 1ighting equipment distributed in different p1aces and divided airconditioning and 1ighting into 4 c1asses and 6 c1asses. Second1y，it designed high，medium and 1ow potentia1 retrofit scheme for air-conditioning and 1ighting separate1y based on the e1ectricity using ru1es. The combination of the retrofit scheme of air-conditioning and 1ighting provided a variety of retrofit schemes to meet the need of different substations. It provided reasonab1e data reference and guidance for reform of e1ectricity-saving by ca1cu1ating the investment cost，power saving rate，payback period of the retrofit schemes. Fina11y，it took the 500 kV and 110 kV substation as examp1e and ca1cu1ated the profit under different investment，which proved the correctness and practicabi1ity of the proposed reform scheme in this paper.

Key Words：substation；reform of e1ectricity-saving；air-conditioning system；1ighting system

作者簡介：鄭扶民（1974），男，廣東惠州人，高級工程師，主要從事電網規劃工作與研究；郜幔幔（1993），女，河南周口人，碩士研究生，主要從事電能質量分析方向的研究；楊家豪（1990），男，福建廈門人，碩士研究生，研究方向為電能質量分析與控制；歐陽森（1974），男，博士，副研究員，主要從事電能質量與節能研究工作。

收稿日期：2015-06-05；修回日期：2015-10-09

中圖分類號：F407.61；TK018

文獻標志碼：C