自動(dòng)投切裝置在變電站變壓器中的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

崔建軍

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

現(xiàn)階段，節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策，變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，科學(xué)的規(guī)劃對(duì)于降低電能損耗、減少運(yùn)維成本有著重要的作用。但目前而言，我國(guó)電網(wǎng)的自動(dòng)化水平較低，大部分變電站管理單位均采用人工投切的方式，極大地降低了電能利用率，同時(shí)，也造成了電網(wǎng)運(yùn)行成本的提高[1]。

1 某工業(yè)企業(yè)變電站變壓器節(jié)能運(yùn)行方案

某工業(yè)企業(yè)由1 臺(tái)630 kWA 和1 臺(tái)400 kWA 的變壓器供應(yīng)電力。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，該企業(yè)典型日電力負(fù)荷情況如圖1 所示，該企業(yè)變電站2 臺(tái)變壓器的運(yùn)行方式為并列運(yùn)行，在用電負(fù)荷較低時(shí)，變壓器會(huì)有較大的空載損耗，嚴(yán)重影響了用電的經(jīng)濟(jì)性。因此，本次改造提出改變變電站變壓器供電形式，將變電站內(nèi)部的630 kWA 變壓器更換為2 臺(tái)315 kWA 變壓器，并配置自動(dòng)投切裝置。根據(jù)該企業(yè)的電力應(yīng)用情況，在用電量較小時(shí)，1 臺(tái)變壓器投入使用。當(dāng)用電量處于中間段時(shí)，并列2 臺(tái)變壓器運(yùn)行。當(dāng)企業(yè)處于用電高峰時(shí)，3 臺(tái)變壓器以并列的方式運(yùn)行，以此滿足企業(yè)電力峰值的應(yīng)用需求。如果其中1 臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，能夠利用另外2 臺(tái)變壓器為企業(yè)供電，并對(duì)故障變壓器進(jìn)行維修。

圖1 典型日某企業(yè)電力負(fù)荷情況

2 變電站變壓器自動(dòng)投切裝置的設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分的設(shè)計(jì)

1）PZK-56（E）中央處理器，該處理器通信口為9個(gè)，其中，有2 個(gè)RS232 通信口，7 個(gè)RS485 通信口，能夠滿足自動(dòng)化電壓、電流監(jiān)控和自動(dòng)信號(hào)指令的傳輸需求。

2）采樣板。主要用于變壓器高低壓測(cè)的電流和電壓監(jiān)測(cè)，采樣板采用微型高精度電流輸出型互感器。

3）開(kāi)入開(kāi)出量板。該元件包括遙感信號(hào)的輸出和輸出，開(kāi)入量板留有16 路開(kāi)關(guān)位置，并無(wú)外源節(jié)電，節(jié)電容量為AC 220 V/5 A。

4）顯示板采用STC89C516RD 單片機(jī)，并配備有LCD 液晶顯示屏和LED 指示燈以及功能按鍵，可用于監(jiān)控電壓、電流數(shù)值的顯示。

2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

本次軟件部分的設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)裝置的控制分為主程序和子程序兩部分，不同的子程序獨(dú)立控制。其中，主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件的自檢、初始化，信號(hào)的采集、處理以及子程序的調(diào)用。子程序模塊主要包括通訊功能模塊、失壓保護(hù)功能模塊、單邊運(yùn)行功能模塊和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功能模塊。具體的軟件設(shè)計(jì)如下。

1）主程序的軟件邏輯設(shè)計(jì)：在裝置通電時(shí)，主程序運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通過(guò)采集板采集變壓器電壓、電流信號(hào)，將采集到的信號(hào)代入預(yù)先設(shè)定好的入決策程序中進(jìn)行處理，從而得出變壓器運(yùn)行功率，以此決定模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)變壓器的自動(dòng)投切。

2）失壓保護(hù)邏輯程序設(shè)計(jì)：在主程序檢測(cè)到變壓器出現(xiàn)失壓情況時(shí)，首先對(duì)進(jìn)線部分的斷路器位置進(jìn)行檢查，如果處于分閘位置，則檢測(cè)斷路器上樁是否有電壓。如果沒(méi)有電壓，則退出邏輯子程序并在顯示界面報(bào)警。如果上樁有電壓，則檢測(cè)下樁是否失壓。如果有壓，則退出邏輯子程序，并在顯示界面報(bào)警。如果下樁無(wú)壓，則對(duì)開(kāi)孤雁彈簧進(jìn)行檢測(cè)，查看其是否儲(chǔ)能。如果儲(chǔ)能，則執(zhí)行斷路器合閘操作。

3）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行軟件邏輯程序設(shè)計(jì)：在系統(tǒng)運(yùn)行到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘，同時(shí)，對(duì)低壓側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。如果無(wú)壓，則退出子程序，并根據(jù)分閘需要投切變壓器的高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。如果有壓，則控制變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)合閘，此時(shí)如果母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，則退出子程序。如果分閘，則將母聯(lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘后，結(jié)束子程序。如果單邊運(yùn)行投切完成后變壓器存在過(guò)載情況，則將母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，將兩組變壓器的高壓開(kāi)關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)兩組變壓器并列運(yùn)行。在運(yùn)行后依舊出現(xiàn)過(guò)載情況，則將最后一組變壓器并列其中，形成3臺(tái)變壓器并列運(yùn)行模式，之后退出程序。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行軟件邏輯程序合閘間隔時(shí)間需要工作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，為了避免變壓器的頻繁切換，在高峰時(shí)段8：00—19：00 只投入、不切斷。

3 自動(dòng)投切裝置實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

為了驗(yàn)證自動(dòng)投切裝置的可靠性，本次建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并將自動(dòng)投切裝置應(yīng)用其中。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為配電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)，實(shí)際變電站中的電器元件均由模擬原件代替。在本次實(shí)驗(yàn)中，共配置3 臺(tái)模擬變壓器，容量均為315 kWA。其中，1 號(hào)變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S1號(hào)按鈕、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S4 號(hào)按鈕。2 號(hào)變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S2 號(hào)按鈕、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S5 號(hào)按鈕。3號(hào)變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S3 號(hào)按鈕、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)S6 號(hào)按鈕。按鈕連通顯示燈光為綠色，斷開(kāi)顯示為紅色，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行程序合閘時(shí)間間隔設(shè)置為30 min。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 不同負(fù)載條件下自動(dòng)投切裝置執(zhí)行情況

由表1 可知，當(dāng)負(fù)載小于315 kW 時(shí)，3 臺(tái)變壓器定時(shí)循環(huán)切換。當(dāng)315 kW＜負(fù)載≤630 kW 時(shí)，3 臺(tái)變壓器中有2 臺(tái)并列運(yùn)行，且定時(shí)循環(huán)切換。當(dāng)負(fù)載大于630 kW 時(shí)，3 臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際負(fù)載功率的不同進(jìn)行變壓器的切換，能夠有效降低變壓器的有功損耗，對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性也有著重要的作用。

4 自動(dòng)投切裝置在變電站變壓器方面的實(shí)際應(yīng)用

4.1 應(yīng)用效果分析

在本次變電站改造過(guò)程中，將1 臺(tái)630 kWA 的變壓器更換為2 臺(tái)315 kWA 的變壓器，并將自動(dòng)投切裝置應(yīng)用其中。其中，變壓器切換時(shí)間設(shè)置為30 d，經(jīng)過(guò)對(duì)典型日3 臺(tái)變壓器負(fù)荷情況的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，3 臺(tái)變壓器負(fù)荷情況如圖2 所示。

圖2 典型日變電站變壓器投入情況（1 為變壓器未投入，2 為變壓器投入）

由圖2 可知，典型日變電站變壓器投入情況與該工業(yè)企業(yè)用電負(fù)荷趨勢(shì)一致，并且能夠滿足工業(yè)企業(yè)的用電負(fù)荷需求。在低壓時(shí)段僅有1 臺(tái)變壓器運(yùn)行，可有效降低無(wú)功損耗。為了避免變壓器的頻繁切投，本次系統(tǒng)將變壓器循環(huán)更換時(shí)間設(shè)置為30 d，在30 d后，由2 號(hào)變壓器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，1 號(hào)變壓器轉(zhuǎn)換為2號(hào)變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)方式。由圖2 中3 臺(tái)變壓器切投趨勢(shì)來(lái)看，并無(wú)頻繁切換現(xiàn)象。因此，該自動(dòng)投切裝置符合變壓器的應(yīng)用需求。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)典型日3 臺(tái)變壓器負(fù)荷情況分析發(fā)現(xiàn)，在單臺(tái)變壓器投入時(shí)，所占據(jù)時(shí)間約為11.5 h。2 臺(tái)變壓器投入時(shí)，所占據(jù)時(shí)間約為1 h。3 臺(tái)變壓器投入時(shí)，所占據(jù)時(shí)間約為11.5 h。經(jīng)計(jì)算，S11-R-315/10 變壓器的年電能損耗為12 004.78 kW·h，S11-R-400/10 變壓器的年電能損耗為14 450.05 kW·h，S11-R-630/10 變壓器的年電能損耗為22 288.36 kW·h。在未改造之前，2 組變壓器并列運(yùn)行，年損耗電能為36 738.41 kW·h。自動(dòng)投切裝置運(yùn)行后，變電站年損耗電能為25181.25kW·h，每年可節(jié)約電能11 557.16 kW·h。該地方工業(yè)用電價(jià)格為0.72 元/kW·h，每年能夠節(jié)約電費(fèi)8 321 元。本次所增加自動(dòng)投切裝置花費(fèi)約20 000 元，3 a 便能收回成本。自動(dòng)投切裝置電器元件壽命為15 a，在自動(dòng)投切裝置整個(gè)生命周期，能夠減少10.48 萬(wàn)元電能成本。

5 結(jié)論

1）對(duì)某工業(yè)企業(yè)變電站電能負(fù)載情況進(jìn)行分析，提出變電站改進(jìn)思路。

2）對(duì)變電站變壓器自動(dòng)投切裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，自動(dòng)投切裝置能夠滿足本文所設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案。

3）將自動(dòng)投切裝置應(yīng)用于某工業(yè)企業(yè)變電站中，結(jié)果表明，自動(dòng)投切裝置的應(yīng)用符合企業(yè)電力需求。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)用自動(dòng)投切裝置后，每年能夠降低11 557.16 kW·h 電能損耗，全年能夠節(jié)約8 321 元，在自動(dòng)投切裝置的整個(gè)生命周期中，能夠減少10.48 萬(wàn)元的電能消耗。