电力变压器经济运行策略的研究

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摘要：本文着重分析了通过调整电力变压器的分接头和其低压母线的无功补偿量实现电力变压器经济运行的原理，在此基础上介绍了“五区图”控制策略。

关键词：电力变压器经济运行策略五区图

1 电力变压器经济运行策略研究的目的和意义

在整个电力系统中，电力变压器广泛应用于发、供、用各个环节，它在电网中处于极为重要的地位，是保证电网安全可靠经济运行和人们生产及生活用电的关键设备。一般来说，从发电供电一直到用电需要经过3-5次的变压过程，在变压和传递电功率的过程中，其自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。由于电力变压器总台数多，总容量大，其总的电能损耗约占整个电力系统电能损耗的30-40%。

因此，全面开展电力变压器经济运行通过电力变压器节能降耗，是电力系统经济运行的重要环节，也是电网节能降耗的重要方面，能有效的提高电力的使用效率和经济效益。开展电力变压器经济运行策略的研究在电力系统经济运行中意义重大。

2 电力变压器的经济运行

电力变压器的经济运行是在确保电力变压器安全运行和供电质量的基础上，充分利用现有设备，通过择优选择变压器经济运行方式，负载调整的优化，变压器运行位置的优化组合，改善变压器运行条件等技术措施，最大限度地降低变压器的电能损耗。

由于供用电系统的用电负载功率经常发生变化，而发电和用电又要保持相对的平衡，所以发电的功率要随着负载的变化而变化。当负载曲线出现较大尖峰负载功率时，发电设备的容量可能满足不了负载的需要，而造成电力系统频率下降，对用户造成很大影响，甚至产生巨大损失。为此，通过调整用户的用电负载和时间，把尖峰负载压下去，以充分发挥发电设备的潜力，使电力系统的发电输出与用电负载相适应。

电力变压器负载的经济分配，就是通过各台变压器负载分配的调整，使变压器的有功功率损耗、无功功率消耗和综合功率损耗达到最小，从而实现变压器及变压器间负载的经济分配，亦即电网间负载的经济分配。

电网间负载的经济调度主要包括两个方面：一是时间上对负载进行调整，包括提高负载率和削峰填谷，使电网中负载曲线接衡；二是在空间上对负载进行调整，使电网中变压器间实现经济分配，从而降低电网损耗。

2.1 双绕组电力变压器提高负荷率的经济运行原理

从图(1)有功功率负载特性曲线ΔP=f(S)出发，做定性分析，由于ΔP=f(S)是一个二次递增函数，任意两个自变量的S1、S3平均值为：

S2=(S1-S3)/2

函数ΔP2=f(S2)的值小于该两个自变量的函数ΔP1=f(S1)和ΔP3=f(S3)的平均值，即：

ΔP2

由此可知，在保持电力变压器某一段时间内的供电量不变时，通过调整年、月、日负载曲线，使方均根值更趋于平均值，就可以减少电力变压器的功率损耗。此分析同样适用于对电力变压器无功消耗的负载特性，即调载可以减少电力变压器的无功消耗。

2.2 三绕组电力变压器提高负荷率的节电原理

三绕组电力变压器提高负荷率节电的基本原理与双绕组电力变压器相同，这是因为三绕组电力变压器负载功率损耗也是与其负载的二次方成正比。通过调整三绕组电力变压器的二次侧和三次侧年、月、日的负载曲线，使其二次侧、三次侧和一次侧的负荷率都有所提高，从而降低了三绕组电力变压器的有功功率损耗和无功功率消耗，实现其经济运行。

3 基于“五区图”的电力变压器电压和无功优化调整

“五区图”法，通过对每种运行状态（不动作、升变压器档位、降变压器档位、投电容、切电容）进行操作优劣距离比较，同时兼顾闭锁约束条件的限制以及采取电容操作优先等原则，选择最优的一个作为操作执行命令。“五区图”控制原理是一种直接以装置动作为控制对象的，面向操作动作的控制思想。

3.1 “五区图”的控制原理与分析

根据具体操作动作性质的不同，任何一种VQC装置的最基本操作动作分为：不动作、升变压器档位、降变压器档位、投电容、切电容。根据所给的控制目标，同时兼顾闭锁约束条件，判断选择5种操作动作中最优的一个作为实际执行命令，这就形成了直接以装置动作为控制对象，面向操作动作的控制思想，即“五区图”控制原理。

将VQC的五种操作动作在U－Q平面上当前工作点处矢量化，可以得到VQC的操作动作矢量图及其边界示意图，如图(2)所示。图中tanθ=UC/QC。

0为不动作矢量f0(Q，U)=(Q，U)；

1为升档矢量f1(Q，U)=(Q，U+dU)；

2为降档矢量f2(Q，U)=(Q，U-dU)；

3为投C矢量f3(Q，U)=(Q-QC，U+dUC)；

4为切C矢量f4(Q，U)=(Q+QC，U-dUC)。

设目标工作点为MP(QP，UP)，当前工作点为M(Q，U)。这样，电压无功综合控制问题可以看成是：通过选择最优操作动作矢量fi(i=0，1，2，3，4)的动作，使当前工作点M(Q，U)不断的向最优控制目标工作点MP(QP，UP)逼近。当执行完第i项操作后，工作点移动到Mi(Qi，Ui)，定义Mi(Qi，Ui)到目标工作点MP(QP，UP)的距离的平方和为操作优劣距离：

Ri=|Mi，MP|２＝（Ｕi-ＵＰ）2+(Qi-QP)2

以Ri最小为最优控制目标，形成以操作优劣距离最短为判据来确定最优操作动作的控制策略，控制动作选择既明确又合理。

3.2 “五区图”控制原理的优点

面向对象操作的“五区图”控制原理，与传统的“九区图”控制相比，以VQC装置实际操作动作为控制对象，具有明显的优越之处。首先，面向操作动作而不是面向“U-Q”的划分方式，使得“五区图”的动作区间划分更合理，基于操作优劣距离比较的判据使得动作选择根合理；其次，其软件实现简易，控制规则简单可靠，可移植性强，便于联网实现全网优化。

电压无功控制问题的未来发展有两个不可忽略的重要趋势，一是调节能力更强的无级调节机构的出现；二是基于全网无功优化的网络化无功综合控制。“五区图”原理与未来的无级调压机构或无级电容精确的微调能力相配合，可以实现电压去公综合控制有离散的开环系统向连续化的闭环系统演进。在未来基于全网无功优化的方向上，引入面向操作的“五区图”控制思想，可以更方便的实现优化的全网控制逻辑。理想工作点和启动区上、下限制可由全网武功优化软件给出，在软件中可更方便的实现全局优化。

4 结论

本文从调整电力变压器的分接头和其低压母线的无功补偿量可以实现电力变压器经济运行的理论基础出发，引入“五区图”控制原理，根据优劣距离的大小得出电力变压器分接头的动作命令或其低压母线无功补偿量的控制命令，实现电力变压器的经济运行的结论。与此同时我们也可以看到，“五区图”控制原理与未来的无级调压机构或无级电容精确的微调能力之间的配合调控，以及将“五区图”控制引入基于全网无功优化的控制方向上，都可以展开深入研究。

参考文献：

[1]曹志平.大型电力变压器经济运行的研究.太原理工大学.2005.

[2]胡景生.变压器能效与电技术.机械工业出版社.2007.