專利名稱：一種配電變壓器容量序列等級優化方法
技術領域：
本發明涉及一種配電變壓器容量序列等級優化方法，屬于電力系統配電變壓器領域。
背景技術：
在1998年～2000年期間大規模城鄉電網改造中，我國大量采用了S9型配電變壓器，約占據系統中在役配電變壓器的50％～60％。近年來，通過采用新技術、新材料、新結構、新工藝，國內新型節能配電變壓器的性能水平不斷提升，S11型配電變壓器成為新建與改造工程中的主流產品。配電變壓器的采購價格因采購規模大小而上下浮動，同容量同規格產品采購數量越大，采購價格越低。
依據國家標準GB/T 6451-2008《油浸式電力變壓器技術參數和要求》、GB/T 10228-2008《干式電力變壓器技術參數和要求》以及機械行業標準JB/T 3837《變壓器類產品型號編制方法》等相關標準的規定，10kV級S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器的容量范圍為30～1600kVA，共17個容量等級；10kV級SCB10型三相干式無勵磁調壓配電變壓器的容量范圍為30～2500kVA，共18個容量等級。配電變壓器容量序列等級較多，不利于電網應急物資和運行物資的儲備與調度，不利于降低電網運營成本和發揮整體規模優勢，同樣也不利于配電網主要設備的標準化和規范化。表1為10kV變壓器容量等級序列優化前后容量等級序列中的容量等級數據對比情況。
表110kV變壓器容量等級序列優化前后對比 由表1數據可以看出，通過采用配電變壓器容量序列等級優化方法進行優化，無論是單相變壓器還是三相變壓器，無論是油浸式變壓器還是干式變壓器，既滿足具有較好的總體節能效果，又滿足負荷及其發展需求，各類變壓器容量等級序列中的容量等級數量由12～18個，簡化至4～5個，有利于電網應急物資和運行物資的儲備與調度，降低電網運營成本和發揮整體規模優勢，同樣也利于配電網主要設備的標準化和規范化。
發明內容
本發明的目的是提供一種配電變壓器容量序列等級優化方法。城鄉電網中的絕大多數配電變壓器的負荷都不是均勻不變的，而是呈現出典型的日負荷變化特征或季節性負荷特征。高峰時期臺區配電變壓器處于滿載或過載運行狀態，而低谷時期臺區配電變壓器基本處于空載或輕載狀態。配電變壓器容量配置并不是正好滿足最大負荷需求就是最經濟的，而需要根據配電變壓器具體技術性能參數進行優化計算，合理配置。
配電變壓器自身具有電阻和電感，只要帶電運行，存在電磁變化，就存在自身損耗。配電變壓器的運行損耗在我國配電網中，尤其是在廣大的農村配電網中占據相當比重(約30％～70％)，成為整個配電網損耗的重要組成部分。重點考慮變壓器自身的變電運行成本，以滿足負荷需求和節能降損為原則，進行配電變壓器容量等級序列優化，以便于電網應急物資和運行物資的儲備與調度，降低電網運營成本，發揮整體規模優勢，有效推動配電網主要設備的標準化和規范化進程。
本發明提出了一種配電變壓器容量序列等級優化方法，其特征在于 對同一負荷各平均負載率的情況下，對相近容量等級序列進行優化，依據下式進行優化計算 (其中k＝1，2，3……) (1) Pik＝AVERAGE[P0i+Ktβik2Pki+C(Q0i+Ktβik2Qki)] (2) 式(1)和(2)中 Sn-分組中選定的基準容量； Si-分組中的第i個等級容量； βik-配電變壓器容量為Si時相對基準容量Sn各負載率下的折算負載率； βnk-配電變壓器容量基準容量Sn時的負載率； Pik-配電變壓器容量序列組合中的平均負載率βnk下的變壓器平均綜合損耗； P0i-配電變壓器容量為Si的額定空載有功損耗，單位為kW； Kt-負載波動損耗系數，一般取1.05； Pki-配電變壓器容量為Si的額定負載有功損耗，單位為kW； Qki-配電變壓器容量為Si的額定空載無功損耗，單位為kvar； C-無功經濟當量，kW/kvar；此處無功經濟當量取0.1； 針對某種型號的配電變壓器進行容量等級序列優化，首先應根據相關現有標準所規定的額定容量自最小容量等級開始分組計算 分組就是自標準容量序列中的最小容量等級開始，一般4～6個為一組，如果計算中發現直到分組中的最大容量等級平均綜合損耗曲線也沒有出現拐點，可繼續增加分組中的容量等級個數。具體計算方法可對(2)式進行分解 其中 Sn為分組中的基準容量等級，設基準容量的負載率為βn； Si為分組的其他容量等級，βi為同樣負荷折算到該容量等級的負載率； Pi1＝P0i+Ktβi(0.1)2Pki+k(Q0i+Ktβi(0.1)2Qki) Pi2＝P0i+Ktβi(0.2)2Pki+k(Q0i+Ktβi(0.2)2Qki) ● ● ● Pi＝AVERAGE(Pik) (其中k＝1，2，……) 依據各分組容量等級各負載率下的平均綜合損耗，制作各分組容量等級的平均綜合損耗曲線，橫坐標為容量等級，單位kVA；縱坐標為平均綜合損耗，單位為kW。如果平均綜合損耗曲線出現明顯拐點，發生拐點的容量等級則是該分組容量等級序列的平均綜合損耗最小的最佳容量等級，再以拐點的下一容量等級為起點，繼續進行容量等級序列分組，按照上述步驟依次優化計算，直至出現拐點，選出該組平均綜合損耗最小的最佳容量等級；然后按照以上的分組和優化計算方法，直至計算到標準中規定的最高容量等級，各組中保留的拐點容量等級組成優化后的新的容量等級序列。
其中，將上述方法細化為以下步驟 (1)對標準容量等級由低到高進行分組，以4～6個容量等級為一組，首先確定第一組，以最低容量等級為基準容量等級，可按照式(3)式計算其不同負載率下的負荷大小，其中Sn為分組中選定的基準容量；βnk為配電變壓器容量基準容量Sn時的負載率，k＝1，2，3……；Ssjnk為基準容量等級不同負載率下的實際負荷大小 Ssjnk＝βnkSn(3) (2)按照(4)式計算基準容量下不同負載率下的綜合損耗及其平均值 Pnk＝AVERAGE[P0n+Ktβnk2Pkn+C(Q0n+Ktβnk2Qkn)] (4) 其中 Pnk-配電變壓器容量序列組合中基準容量等級平均負載率βnk下的平均綜合損耗； P0n-配電變壓器基準容量Sn的額定空載有功損耗，單位為kW； Kt-負載波動損耗系數，一般取1.05； Pkn-配電變壓器基準容量Sn的額定負載有功損耗，單位為kW； Qkn-配電變壓器基準容量Sn的額定空載無功損耗，單位為kvar； C-無功經濟當量，kW/kvar；此處無功經濟當量取0.1； (3)計算分組中的比基準容量等級高一容量等級的折算負載率，設分組中比基準容量等級高一等級的容量為Sn+1，則該容量等級相對基準容量等級的折算負載率可按照(5)式計算 (4)按照(6)式計算分組中的比基準容量等級高一容量等級折算負載率下的綜合損耗及其平均值 P(n+1)k＝AVERAGE[P0(n+1)+Ktβ(n+1)k2Pk(n+1)+C(Q0(n+1)+Ktβ(n+1)k2Qk(n+1))] (6) 其中 P(n+1)k-配電變壓器容量序列組合中比基準容量高一容量等級平均負載率β(n+1)k下的平均綜合損耗； P0(n+1)一比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定空載有功損耗，單位為kW； Pk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定負載有功損耗，單位為kW； Qk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定空載無功損耗，單位為kvar； (5)計算分組中的比基準容量等級再高一容量等級的折算負載率，設分組中比基準容量等級再高一等級的容量為Sn+2，則該容量等級相對基準容量等級的折算負載率可按照(7)計算 (6)按照(8)式計算分組中的比基準容量等級再高一容量等級折算負載率下的綜合損耗及其平均值 P(n+2)k＝AVERAGE[P0(n+2)+Ktβ(n+2)k2Pk(n+2)+C(Q0(n+2)+Ktβ(n+2)k2Qk(n+2))] (8) 其中 P(n+2)k-配電變壓器容量序列組合中比基準容量再高一容量等級平均負載率β(n+2)k下的平均綜合損耗； P0(n+2)-比配電變壓器基準容量再高一等級容量Sn+2的額定空載有功損耗，單位為kW； Pk(n+2)-比配電變壓器基準容量再高一等級容量Sn+2的額定負載有功損耗，單位為kW； Qk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+2的額定空載無功損耗，單位為kvar； (7)依次計算直到該分組中的綜合損耗平均值出現拐點，選定拐點處對應的容量等級為該分組的優化后保留的容量等級； (8)以拐點的下一個容量等級為新的基準容量，由低到高進行重新分組，首先計算基準容量等級不同負載率下的負荷大小； (9)重復步驟(2)～(8)，再進入下一個循環，直到最大標準容量等級計算完畢，最后一組容量等級如果沒有拐點出現，則確定最大標準容量等級為該組的優化容量等級； (10)計算完成各分組所保留的容量等級形成新的容量等級序列，即為優化容量等級序列。
本發明的有益效果是現有相關配電變壓器技術標準所規定的容量等級序列較多，對同規格配電變壓器產品不容易形成規模采購，采購成本較高。基于負荷需求和節能降損而優化后的配電變壓器容量等級序列，一般僅為3～5個容量等級，相對于原有的12～18個容量等級序列來說，極易形成規模采購，可有效降低配電變壓器的初始投資成本。
為了使本發明的內容被更清楚的理解，并便于具體實施方式
的描述，下面給出與本發明相關的
如下 圖1是同一負荷在30kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖； 圖2是同一負荷在80kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖； 圖3是同一負荷在200kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖； 圖4是同一負荷在500kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖； 圖5是同一負荷在1000kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖。
具體實施例方式 下面是本發明的優選實施例，以下結合本附圖對本發明實現的技術方案做進一步說明。
圖1是同一負荷在30kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖；圖1中的A、B、C、D、E點為第一分組中容量分別為30kVA、50kVA、63kVA、80kVA、100kVA的平均綜合損耗，其中容量為50kVA的平均綜合損耗最低，圖中表現為B點，即為該組平均綜合損耗曲線的拐點。
圖2是同一負荷在80kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖；圖2中的A、B、C、D、E點為第二分組中容量分別為63kVA、80kVA、100kVA、125kVA、160kVA的平均綜合損耗，其中容量為100kVA的平均綜合損耗最低，圖中表現為C點，即為該組平均綜合損耗曲線的拐點。
圖3是同一負荷在200kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖；圖3中的A、B、C、D、E點為第三分組中容量分別為125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA的平均綜合損耗，其中容量為250kVA的平均綜合損耗最低，圖中表現為D點，即為該組平均綜合損耗曲線的拐點。
圖4是同一負荷在500kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖；圖4中的A、B、C、D點為第四分組中容量分別為315kVA、400kVA、500kVA、630kVA、800kVA的平均綜合損耗，其中容量為630kVA的平均綜合損耗最低，圖中表現為D點，即為該組平均綜合損耗曲線的拐點。
圖5是同一負荷在1000kVA及其相近容量等級和折算負載率下的平均綜合損耗比較圖。圖5中的A、B、C、D點為第五分組中容量分別為800kVA、1000kVA、1250、1600kVA的平均綜合損耗，容量為1600kVA的平均綜合損耗最低，圖中表現為D點，但不是該組平均綜合損耗曲線的拐點，1600kVA已經是10kV級S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器技術標準中規定的最高容量等級，則選擇1600kVA為該組的最優容量等級。
以S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器為例，10kV級S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器的容量范圍為30～1600kVA，共17個容量等級，其技術性能參數具體如表2所示。
表2S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器技術性能參數
依據表2S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器性能參數計算對于同一負荷在不同平均負載率下的綜合損耗情況。
首先以30kVA為基準容量等級，同一負荷在30kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗如表3所示。
表3同一負荷在30kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗
表3為第一分組具體計算數據，圖1為第一分組中各額定容量下的平均綜合損耗曲線。由表3數據和圖1比較情況可以看出，相對于30kVA基準額定容量，從總體節能效果和滿足負荷及其發展需求考慮，50kVA優于其他容量等級。
再以63kVA為基準容量等級，同一負荷在63kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗如表4所示。
表4同一負荷在63kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗
表4為第二分組具體計算數據，圖2為第二分組中各額定容量下的平均綜合損耗曲線。由表4數據和圖2比較情況可以看出，相對于基準63kVA額定容量，從總體節能效果和滿足負荷及其發展需求考慮，100kVA優于其他容量等級。
以125kVA為基準容量等級，同一負荷在125kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗如表5所示。
表5同一負荷在125kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗
表5為第三分組具體計算數據，圖3為第三分組中各額定容量下的平均綜合損耗曲線。由表5數據和圖3比較情況可以看出，相對于125kVA基準額定容量，從總體節能效果和滿足負荷及其發展需求考慮，250kVA優于其他容量等級。
以315kVA為基準容量等級，同一負荷在315kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗如表6所示。
表6同一負荷在315kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗
表6為第四分組具體計算數據，圖4為第四分組中各額定容量下的平均綜合損耗曲線。由表6數據和圖4比較情況可以看出，相對于315kVA基準額定容量，從總體節能效果和滿足負荷及其發展需求考慮，630kVA優于其他容量等級。
以800kVA為基準容量等級，同一負荷在800kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗如表7所示。
表7同一負荷在800kVA及其相近容量等級和折算負載率下的綜合損耗
表7為第五分組具體計算數據，圖5為第五分組中各額定容量下的平均綜合損耗曲線。由表7數據和圖5比較情況可以看出，相對于800kVA基準額定容量，從總體節能效果和滿足負荷及其發展需求考慮，1600kVA優于其他容量等級。
綜合以上分析計算情況，10kV S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器變壓器優化后，新的容量等級序列為50kVA、100kVA、250kVA、630kVA和1600kVA。
由此可見，10kV S11型三相油浸式雙繞組無勵磁調壓配電變壓器變壓器標準規定原容量等級為17個，采用該優化方法進行優化后為5個容量等級，形成了新的更加科學合理的容量等級序列。
此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來說在不脫離本發明的范圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發明的范圍的限制，本發明的范圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1.一種配電變壓器容量序列等級優化方法，其特征在于
對同一負荷各平均負載率下，對相近容量等級序列進行優化，依據下式進行優化計算
(其中k＝1，2，3……)(1)
Pik＝AVERAGE[P0i+Ktβik2Pki+C(Q0i+Ktβik2Qki)](2)
式(1)和(2)中
Sn-分組中選定的基準容量；
Si-分組中的第i個等級容量；
βik-配電變壓器容量為Si時相對基準容量Sn各負載率下的折算負載率；
βnk-配電變壓器容量基準容量Sn時的負載率；
Pik-配電變壓器容量序列組合中的平均負載率βnk下的變壓器平均綜合損耗；
P0i-配電變壓器容量為Si的額定空載有功損耗，單位為kW；
Kt-負載波動損耗系數，一般取1.05；
Pki-配電變壓器容量為Si的額定負載有功損耗，單位為kW；
Qki-配電變壓器容量為Si的額定空載無功損耗，單位為kvar；
C-無功經濟當量，kW/kvar；此處無功經濟當量取0.1；
針對某種型號的配電變壓器進行容量等級序列優化，首先應根據相關現有標準所規定的額定容量自最小容量等級開始分組計算
分組就是自標準容量序列中的最小容量等級開始，一般4～6個為一組，如果計算中發現直到分組中的最大容量等級平均綜合損耗曲線也沒有出現拐點，可繼續增加分組中的容量等級個數。具體計算方法可對(2)式進行分解
其中
Sn為分組中的基準容量等級，設基準容量的負載率為βn；
Si為分組的其他容量等級，βi為同樣負荷折算到該容量等級的負載率；
Pi1＝P0i+Ktβi(0.1)2Pki+k(Q0i+Ktβi(0.1)2Qki)
Pi2＝P0i+Ktβi(0.2)2Pki+k(Q0i+Ktβi(0.2)2Qki)
Pi＝AVERAGE(Pik)(其中k＝1，2，3……)
依據各分組容量等級在其折算負載率下的平均綜合損耗，制作各分組容量等級的平均綜合損耗曲線，橫坐標為容量等級，單位kVA；縱坐標為平均綜合損耗，單位為kW。如果平均綜合損耗曲線出現明顯拐點，發生拐點的容量等級則是該分組容量等級序列的平均綜合損耗最小的最佳容量等級，再以拐點的下一容量等級為起點，繼續進行容量等級序列分組，按照上述步驟依次優化計算，直至出現拐點，選出該分組平均綜合損耗最小的最佳容量等級；然后按照以上的分組和優化計算方法，直至計算到標準中規定的最高容量等級，各組中保留的拐點容量等級組成優化后的新的容量等級序列。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于將權利要求1的方法細化為以下步驟
(1)對標準容量等級由低到高進行分組，以4～6個容量等級為一組，首先確定第一組，以最低容量等級為基準容量等級，可按照式(3)式計算其不同負載率下的負荷大小，其中Sn為分組中選定的基準容量；βnk為配電變壓器容量基準容量Sn時的負載率，k＝1，2，3……；Ssjnk為基準容量等級不同負載率下的實際負荷大小
Ssjnk＝βnkSn(3)
(2)按照(4)式計算基準容量下不同負載率下的綜合損耗及其平均值
Pnk＝AVERAGE[P0n+Ktβnk2Pkn+C(Q0n+Ktβnk2Qkn)](4)
其中
Pnk-配電變壓器容量序列組合中基準容量等級平均負載率βnk下的平均綜合損耗；
P0n-配電變壓器基準容量Sn的額定空載有功損耗，單位為kW；
Kt-負載波動損耗系數，一般取1.05；
Pkn-配電變壓器基準容量Sn的額定負載有功損耗，單位為kW；
Qkn-配電變壓器基準容量Sn的額定空載無功損耗，單位為kvar；
C-無功經濟當量，kW/kvar；此處無功經濟當量取0.1；
(3)計算分組中的比基準容量等級高一容量等級的折算負載率，設分組中比基準容量等級高一等級的容量為Sn+1，則該容量等級相對基準容量等級的折算負載率可按照(5)式計算
(4)按照(6)式計算分組中的比基準容量等級高一容量等級折算負載率下的綜合損耗及其平均值
P(n+1)k＝AVERAGE[P0(n+1)+Ktβ(n+1)k2Pk(n+1)+C(Q0(n+1)+Ktβ(n+1)k2Qk(n+1))] (6)
其中
P(n+1)k-配電變壓器容量序列組合中比基準容量高一容量等級平均負載率β(n+1)k下的平均綜合損耗；
P0(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定空載有功損耗，單位為kW；
Pk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定負載有功損耗，單位為kW；
Qk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+1的額定空載無功損耗，單位為kvar；
(5)計算分組中的比基準容量等級再高一容量等級的折算負載率，設分組中比基準容量等級再高一等級的容量為Sn+2，則該容量等級相對基準容量等級的折算負載率可按照(7)式計算
(6)按照(8)式計算分組中的比基準容量等級再高一容量等級折算負載率下的綜合損耗及其平均值
P(n+2)k＝AVERAGE[P0(n+2)+Ktβ(n+2)k2Pk(n+2)+C(Q0(n+2)+Ktβ(n+2)k2Qk(n+2))] (8)
其中
P(n+2)k-配電變壓器容量序列組合中比基準容量再高一容量等級平均負載率β(n+2)k下的平均綜合損耗；
P0(n+2)-比配電變壓器基準容量再高一等級容量Sn+2的額定空載有功損耗，單位為kW；
Pk(n+2)-比配電變壓器基準容量再高一等級容量Sn+2的額定負載有功損耗，單位為kW；
Qk(n+1)-比配電變壓器基準容量高一等級容量Sn+2的額定空載無功損耗，單位為kvar；
(7)依次計算直到該分組中的綜合損耗平均值出現拐點，選定拐點處對應的容量等級為該分組的優化后保留的容量等級；
(8)以拐點的下一個容量等級為新的基準容量，由低到高進行重新分組，首先計算基準容量等級不同負載率下的負荷大小；
(9)重復步驟(2)～(8)，再進入下一個循環，直到最大標準容量等級計算完畢，最后一組容量等級如果沒有拐點出現，則確定最大標準容量等級為該組的優化容量等級；
(10)計算完成各分組所保留的容量等級形成新的容量等級序列，即為優化容量等級序列。
全文摘要
本發明提供了一種配電變壓器容量序列等級優化方法，屬于電力系統配電變壓器領域。首先根據相關現有標準所規定的額定容量自最小容量等級序列開始分組計算，直到變壓器平均綜合損耗曲線出現明顯拐點，發生拐點的容量等級則是該分組容量等級序列的平均綜合損耗最小的最佳容量等級，再以下一容量等級為起點，繼續進行容量等級序列分組，按照上述步驟依次優化計算，直至出現拐點，選出該組平均綜合損耗最小的最佳容量等級。然后依次類推，最終形成優化后的新的容量等級序列。可有效降低配電變壓器的初始投資成本，利于電網應急物資和運行物資的儲備與調度，降低電網運營成本和發揮整體規模優勢，同樣也利于配電網主要設備的標準化和規范化。
文檔編號H02J3/38GK101741097SQ20091024413
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者王金麗, 盛萬興, 梁英, 宋祺鵬 申請人:中國電力科學研究院