變壓器負荷智能調配方法探討

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(jù)學校多年運行經(jīng)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(jù)原有宿舍基礎負荷用電容量(約為1440kW)，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(jīng)濟運行最優(yōu)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(xiàn)有變壓器投運容量的前提下，在建筑內(nèi)增設學生集中淋浴池，且熱水來源確定采用數(shù)臺電熱水器加熱的方式，同時在開水間及衛(wèi)生間分別增設直飲水熱水器?生活熱水加熱器”，各加熱系統(tǒng)容量見表1。由于高校學生宿舍用電規(guī)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(xiàn)用電高峰，因此本課題考慮采用智能控制系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)的運行策略流程圖如圖1所示。

目前，國內(nèi)一些科研單位已研發(fā)出變壓器經(jīng)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(tǒng)。傳統(tǒng)的變壓器經(jīng)濟運行理論往往不能奏效，傳統(tǒng)負載控制系統(tǒng)可能需要安裝大量的專用控制設備。但是，要控制的負載數(shù)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(tài)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(tǒng)來切換被動性負荷的投入運行，以使變壓器在合理的經(jīng)濟運行范圍內(nèi)(75%~85%)，從而實現(xiàn)主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負荷運行的節(jié)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(wèi)生間熱水器用電回路?4條淋浴池熱水泵房用電回路。根據(jù)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(yōu)先級按類別設定，如圖2所示。2.1利用智能一體化控制系統(tǒng)平臺進行負載管理基于智能控制系統(tǒng)平臺的eP-DAS中央配電監(jiān)控和負荷信息發(fā)布系統(tǒng)，即通過實時監(jiān)測變壓器負載率，通過B總線將狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)主動的負荷控制。以本課題項目為例，其負荷控制系統(tǒng)圖及智能控制柜二次原理圖分別如圖3~4所示。從圖3~4中可以看出，智能一體化負荷控制系統(tǒng)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(jù)預先設定的控制算法及被動性負荷用電通電優(yōu)先級自動調整模組內(nèi)接觸器通斷，以實現(xiàn)負載調整，使得變壓器在合理的經(jīng)濟運行范圍內(nèi)(75%~85%)，進而實現(xiàn)主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負荷運行的節(jié)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?zhèn)鹘y(tǒng)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?guī)в锌芍睾祥l的電動操作機構，其供電系統(tǒng)示意圖及負荷控制系統(tǒng)圖分別如圖5~6所示。由圖5~6可以看出，此智能控制系統(tǒng)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(tǒng)，也不需要專門編輯軟件程序執(zhí)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(tài)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(yōu)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(yōu)先級遠程控制電路運行，使斷路器的瞬態(tài)功率回到限值以內(nèi)。

通過以上兩種方案可以看出，在不改變現(xiàn)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(jīng)濟運行范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)主動的負荷控制，起到移峰填谷及平穩(wěn)負荷運行的節(jié)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)智能模組實現(xiàn)負載回路的投切，對低壓配電柜內(nèi)斷路器壽命無影響，可更好地實現(xiàn)變壓器長期經(jīng)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(yōu)先級)外，還需要對最優(yōu)巡檢周期提出相應要求。故根據(jù)校方多年運行經(jīng)驗及現(xiàn)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(wěn)態(tài)運行有較大影響，故此項目不作考慮。

經(jīng)過模擬分析得出，新增加熱系統(tǒng)按優(yōu)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(xiàn)短時過載的時間最短，故10min為最優(yōu)巡檢周期。在此基礎上，筆者所在團隊綜合考慮校方淋浴池加熱系統(tǒng)實際使用情況，對淋浴池加熱系統(tǒng)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