變壓器負荷智能調配方法探討*

孫 宇， 侯文晶

(吉林省建苑設計集團有限公司，長春市 130000)

1 背景與意義

本課題基于某院校學生宿舍建設項目，地下1層，地上11層，根據學校多年運行經驗及學生宿舍用電的特殊性，變電所選用兩臺變壓器，容量均為800kVA。

根據原有宿舍基礎負荷用電容量(約為 1 440kW)，通過歸類分組計算得出兩臺變壓器負載率理論值均約為83%，接近變壓器經濟運行最優負載率上限值(85%)，然而在設計基本完成時，甲方提出“在不改變現有變壓器投運容量的前提下，在建筑內增設學生集中淋浴池，且熱水來源確定采用數臺電熱水器加熱的方式，同時在開水間及衛生間分別增設直飲水熱水器、生活熱水加熱器”，各加熱系統容量見表1。

新增加熱系統容量情況表 表1

由于高校學生宿舍用電規律的特殊性即宿舍基礎負荷用電僅在集中時間段(早6:00～8:00；晚17:00～22:00)出現用電高峰，因此本課題考慮采用智能控制系統根據變壓器負載率的實時變化來切換新增加熱設備(被動性負荷)的投入運行，系統的運行策略流程圖如圖1所示。

圖1 智能投切系統策略流程圖

目前，國內一些科研單位已研發出變壓器經濟投切的自動裝置，但電力負荷是一個隨機、時變、非線性系統。傳統的變壓器經濟運行理論往往不能奏效，傳統負載控制系統可能需要安裝大量的專用控制設備。但是，要控制的負載數量越多，單獨控制每個負載所需的電氣設施就越復雜，考慮到設計的復雜性及最終完成應用所需的額外設備可能加大初始投資成本，以及變壓器處在什么狀態時投切用電設備、加熱設備的投切順序、最佳巡檢周期等因素，本課題擬采取兩種智能控制系統來切換被動性負荷的投入運行，以使變壓器在合理的經濟運行范圍內(75%～85%)，從而實現主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩負荷運行的節能目標。

2 解決方案

本課題中低壓配電柜共配出4條開水間熱水器用電回路、6條衛生間熱水器用電回路、4條淋浴池熱水泵房用電回路。根據使用方用電及管理需求，當變壓器的實時負荷率<85%時，將被動性負荷用電設備通斷電優先級按類別設定，如圖2所示。

圖2 被動性負荷用電設備通斷電優先級

2.1 利用智能一體化控制系統平臺進行負載管理

基于智能控制系統平臺的eP-DAS中央配電監控和負荷信息發布系統，即通過實時監測變壓器負載率，通過B總線將狀態監測信號接入eP-DAS柜，讓終端設備能夠自行調整負載，從而實現主動的負荷控制。以本課題項目為例，其負荷控制系統圖及智能控制柜二次原理圖分別如圖3～4所示。

圖3 智能一體化負荷控制系統圖

圖4 智能控制柜二次原理圖

從圖3～4中可以看出，智能一體化負荷控制系統采用將智能控制模組集成于eP-DAS一體化控制柜中，在項目實際運行過程中通過B總線將采集到的變壓器實時負載率傳輸至eP-DAS一體化控制柜中，根據預先設定的控制算法及被動性負荷用電通電優先級自動調整模組內接觸器通斷，以實現負載調整，使得變壓器在合理的經濟運行范圍內(75%～85%)，進而實現主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩負荷運行的節能目標。

2.2 利用新型智能斷路器進行負載管理

以本課題研究項目為例，利用新型智能空氣斷路器代替傳統的空氣斷路器，同時被動性負荷低壓配電回路配帶有通訊功能的塑殼斷路器且帶有可重合閘的電動操作機構，其供電系統示意圖及負荷控制系統圖分別如圖5～6所示。

圖5 新型智能斷路器控制系統供電系統示意圖

由圖5～6可以看出，此智能控制系統是將通信元件集成在智能斷路器的電子脫扣器中，因此，既不需要搭建復雜的控制系統，也不需要專門編輯軟件程序執行。其功率控制器的算法為：計算→同步→評估→負載管理。算法基于瞬態功率P，通過判斷P/COSφ*SNT<75%是否滿足要求，若滿足要求，控制器便會按照用戶定義的通電優先級遠程控制電路運行，可由用戶按照確定的時間間隔進行設定；當主斷路器的功率P滿足P/COSφ*SNT>85%時，控制器同樣也按照用戶定義的斷電優先級遠程控制電路運行，使斷路器的瞬態功率回到限值以內。

通過以上兩種方案可以看出，在不改變現有變壓器投運容量的情況下，采取上述兩種智能控制方案都可以切換被動性負荷的投入運行，使得變壓器在合理的經濟運行范圍內，從而實現主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩負荷運行的節能目標。但是第二種方案相較于第一種方案進行負載管理的缺點在于，若采用此種控制方案，當負荷波動頻繁時，低壓配電柜內斷路器會進行多次操作，從而會縮短相關設備的壽命，對系統的安全造成威脅，難以達到預期效果。而第一種方案則是通過智能化一體柜控制系統內智能模組實現負載回路的投切，對低壓配電柜內斷路器壽命無影響，可更好地實現變壓器長期經濟、安全運行。

3 實驗分析

在實際設計過程中，除了對智能設備廠家提出基本的控制需求(如負荷投切負載率限值、投切優先級)外，還需要對最優巡檢周期提出相應要求。故根據校方多年運行經驗及現場采集的各個時間段的基礎用電負荷負載使用情況，巡檢周期T分別按10min、15min、20min進行模擬分析，其結果分別如圖7～9所示。考慮到巡檢周期若為5min，負荷投切頻率較高，對設備壽命及負荷穩態運行有較大影響，故此項目不作考慮。

圖7 巡檢周期T=10min的變壓器負載率

圖9 巡檢周期T=20min的變壓器負載率

經過模擬分析得出，新增加熱系統按優先級全部投切用時見表2。同時，由圖7～9可以看出，當巡檢周期T=10min時，變壓器出現短時過載的時間最短，故10min為最優巡檢周期。

新增加熱系統在不同巡檢周期下全部投切用時 表2

在此基礎上，筆者所在團隊綜合考慮校方淋浴池加熱系統實際使用情況，對淋浴池加熱系統運行時間進行干預，即在早高峰(6:00～8:00)和晚高峰(16:30～22:00)用電時間段不投入運行，在此情況下進一步模擬分析，其結果見圖10。

由圖10可以看出，在巡檢周期T=10min時，對淋浴池加熱系統運行時間進行干預后，變壓器出現短時過載的時間縮短，且基本運行在經濟、合理狀態。至此，對智能設備廠家可以提出較為全面的技術參數。

圖10 巡檢周期T=10min下對淋浴池加熱系統運行時間進行干預的變壓器負載率

4 結束語