鄭扶民，郜幔幔，楊家豪，歐陽森，李鳳珍

（1.廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東　惠州　516001；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州　510640；3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州　510640）

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變電站主要站用負(fù)荷用電規(guī)律及其節(jié)電策略研究

鄭扶民1，郜幔幔2，楊家豪2，歐陽森2，李鳳珍3

（1.廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東惠州516001；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640；3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州510640）

摘要：變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)用電量大，分布區(qū)域廣，由于缺乏對不同區(qū)域空調(diào)、照明系統(tǒng)用電規(guī)律的深入研究，導(dǎo)致目前的空調(diào)、照明系統(tǒng)節(jié)電改造方案較粗糙，難以實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置。首先對變電站不同區(qū)域的空調(diào)、照明系統(tǒng)用電規(guī)律進(jìn)行細(xì)致研究，并據(jù)此將空調(diào)、照明系統(tǒng)分別劃分為4類和6類；其次，以各類空調(diào)、照明系統(tǒng)的用電規(guī)律為依據(jù)，按照改造后年節(jié)約電量的大小，分別提出空調(diào)、照明系統(tǒng)的高、中、低潛力3種改造方案；空調(diào)、照明系統(tǒng)各改造方案的組合即可得到滿足不同變電站需求的多種改造方案，通過計(jì)算各改造方案的投資成本、節(jié)電率、回收期等，為變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)的改造提供合理的數(shù)據(jù)參考和指導(dǎo)；最后以某500 kV和110 kV變電站節(jié)電改造計(jì)算為實(shí)例，驗(yàn)證該改造方案的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：變電站；節(jié)電改造；空調(diào)系統(tǒng)；照明系統(tǒng)

變電站節(jié)能是電網(wǎng)降損工作的重要環(huán)節(jié)，其對電網(wǎng)的節(jié)能評估和規(guī)劃、降低電網(wǎng)運(yùn)營成本、提升電網(wǎng)企業(yè)效益大有裨益［1—4］。變電站站用電負(fù)荷主要由主變冷卻、通風(fēng)散熱、空調(diào)、照明以及機(jī)房通信等構(gòu)成，而由于站用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及改造技術(shù)的限制，目前變電站節(jié)電研究主要集中在用電量較大且易于實(shí)施改造的空調(diào)、照明系統(tǒng)［5—10］。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)均僅是對變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)整體用電規(guī)律的分析，未能針對變電站不同區(qū)域的空調(diào)、照明用電規(guī)律作更為細(xì)致深入的研究?；谝陨锨闆r，目前的節(jié)電策略僅能對變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)提出整體改造方案或者依靠主觀經(jīng)驗(yàn)選擇部分空調(diào)、照明系統(tǒng)進(jìn)行改造，由于未考慮不同區(qū)域空調(diào)、照明系統(tǒng)的用電規(guī)律、設(shè)備利用率等因素，導(dǎo)致改造方案較為粗糙，缺乏科學(xué)依據(jù)，難以在有限的資源下獲得最大收益及實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置。因此，如何確定優(yōu)先改造的空調(diào)或照明設(shè)備，制訂合理的改造方案，有效利用資源以獲得最大的節(jié)電收益是迫切需要解決的問題。

本文在分析變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)整體用電規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入研究變電站不同區(qū)域空調(diào)、照明系統(tǒng)的用電規(guī)律，并據(jù)此將空調(diào)、照明系統(tǒng)分別劃分為4類和6類；其次，以各類空調(diào)、照明系統(tǒng)的用電規(guī)律為依據(jù)，以優(yōu)先改造開啟時(shí)間長、額定功率大、用電量大的設(shè)備為改造方案設(shè)計(jì)原則，根據(jù)改造后年節(jié)約電量的大小，分別提出空調(diào)、照明系統(tǒng)的高、中、低潛力3種改造方案，變電站對空調(diào)、照明系統(tǒng)的改造則可由各方案任意組合得到15種改造方案，通過計(jì)算各改造方案的投資成本、節(jié)電率、回收期等，為變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)改造提供合理的數(shù)據(jù)參考和指導(dǎo)；最后，分別以某500 kV和110 kV變電站為例，進(jìn)行空調(diào)、照明系統(tǒng)的節(jié)電潛力計(jì)算。實(shí)例證明，變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)節(jié)電潛力巨大，在不同投資和改造規(guī)模下，依據(jù)設(shè)備改造的優(yōu)先級，制定合理的改造方案，可獲得可觀的節(jié)電收益及實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置。

1　變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)整體用電規(guī)律

變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)分布廣、用電量大，且大多沒有統(tǒng)一的啟停規(guī)律，具有巨大的節(jié)電改造空間。表1是某供電局7個(gè)變電站的空調(diào)、照明系統(tǒng)用電量及其所占比例，其中變電站1是500 kV變電站，變電站2—4為220 kV變電站，5—7為110 kV變電站。

從表1可以看出，對于不同電壓等級的變電站，空調(diào)、照明系統(tǒng)用電比例都非常大，其中500 kV變電站的空調(diào)、照明系統(tǒng)用電比例在50%以上，220 kV 及110 kV變電站的空調(diào)、照明系統(tǒng)用電比例基本在80%左右，故對變電站的空調(diào)、照明系統(tǒng)的節(jié)電研究意義重大。

表1　變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)用電統(tǒng)計(jì)表

2　各區(qū)域空調(diào)、照明系統(tǒng)用電規(guī)律

2.1不同區(qū)域的空調(diào)用電規(guī)律

空調(diào)系統(tǒng)主要分布在主控室、繼保室、通信室、高壓室、電容電抗器室、蓄電池室、配變室、辦公室、會議室、接待室、休息室、警傳室等場所，分布在不同區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)，其功率、數(shù)量、用電規(guī)律等都有較大的差別。本文對大量變電站的各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析，依據(jù)各區(qū)域空調(diào)的用電規(guī)律、用途等將其分為4類，并以每類空調(diào)系統(tǒng)用電量占空調(diào)系統(tǒng)總用電量的比例大小將其劃分為大、中、小3個(gè)等級，以便對各類空調(diào)系統(tǒng)用電量的相對大小有更加清晰直觀的認(rèn)識；空調(diào)系統(tǒng)分類及用電規(guī)律如表2。

表2　空調(diào)系統(tǒng)分類及用電規(guī)律

2.2不同區(qū)域的照明用電規(guī)律

照明系統(tǒng)主要分布在戶外、辦公室、會議室、接待室、主控室、繼保室、高壓室、電容電抗器室、蓄電池室、走道、衛(wèi)生間、休息室、警傳室、等場所；分布在不同區(qū)域的照明系統(tǒng)，其功率、數(shù)量、類型、用電規(guī)律等都有較大的差別，在對大量變電站的各區(qū)域照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)各區(qū)域照明系統(tǒng)的特點(diǎn)、用電規(guī)律等將其劃分為6類，各類照明系統(tǒng)用電規(guī)律及特點(diǎn)如表3。

表3　照明系統(tǒng)分類及用電規(guī)律

3　節(jié)電策略及改造方案設(shè)計(jì)

3.1空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電策略及改造方案設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［9］—文獻(xiàn)［12］介紹了空調(diào)系統(tǒng)的多種節(jié)電策略，本文主要考慮目前較為主流且節(jié)電效果易于評估計(jì)算的節(jié)電策略，包括使用中央空調(diào)、變頻空調(diào)和更換新型制冷劑等。

各變電站可依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的不同現(xiàn)狀、擬投入改造資金、改造規(guī)模、變電站空間等采用不同的改造手段及改造方案。本文依據(jù)不同改造方案下年節(jié)約電量的大小，提出高、中、低潛力3種方案，3種方案的改造規(guī)模、初始投資都依次減小，可滿足不同變電站的需求。

改造方案制定原則為：在改造資金有限的情況下，依據(jù)變電站各類空調(diào)系統(tǒng)用電規(guī)律，優(yōu)先改造開啟時(shí)間較長、用電量較大的空調(diào)以獲得最大的節(jié)電效益。

（1）變電站空調(diào)較老舊，屬于國家淘汰的高能耗產(chǎn)品

這種情況下，更換制冷劑并不能從根本上解決設(shè)備老舊、能效低、機(jī)組故障率高的缺點(diǎn)，主要考慮更換變頻空調(diào)和中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)電改造，但是，中央空調(diào)對變電站空間要求較高，一般來說，更換變頻空調(diào)更具有可行性。

高潛力方案：變電站全部空調(diào)更換為變頻空調(diào)或者中央空調(diào)。

中潛力方案：更換Ⅰ和Ⅱ類空調(diào)系統(tǒng)，包括主控室等主要設(shè)備室空調(diào)和蓄電池室等一般設(shè)備室空調(diào)。

低潛力方案：僅更換Ⅰ類空調(diào)系統(tǒng)，包括主控室、繼保室、高壓室、通信室等主要設(shè)備室空調(diào)。

（2）變電站僅部分空調(diào)屬于高能耗產(chǎn)品

高潛力方案：變電站全部空調(diào)更換為變頻空調(diào)或者中央空調(diào)。

中潛力方案：①更換所有高能耗空調(diào)；②更換Ⅰ類空調(diào)系統(tǒng)，包括主控室、繼保室等主要設(shè)備室空調(diào)；③對其他空調(diào)實(shí)行更換制冷劑改造。

低潛力方案：①更換所有高能耗空調(diào)；②更換Ⅰ類空調(diào)系統(tǒng)，包括主控室、繼保室等主要設(shè)備室空調(diào)。

3.2照明系統(tǒng)節(jié)電策略及改造方案設(shè)計(jì)

變電站照明按區(qū)域分為室內(nèi)照明和室外照明，目前變電站室內(nèi)照明以T8燈管為主，而圍墻、樓頂、電場等室外照明主要使用大功率高壓鈉燈。本文照明系統(tǒng)節(jié)電策略主要采用新型綠色光源LED燈替換目前使用的T8熒光燈，無極燈替換高壓鈉燈。

由于變電站的照明系統(tǒng)現(xiàn)狀較為類似，因此，對照明系統(tǒng)統(tǒng)一制定按改造規(guī)模、初始投資、年節(jié)約電量依次減少的高、中、低潛力3種改造方案。改造方案制定原則和空調(diào)系統(tǒng)改造方案原則相同，但對于Ⅱ類照明系統(tǒng)即走道、衛(wèi)生間等公共區(qū)域燈具，經(jīng)調(diào)研，多數(shù)變電站采用節(jié)能燈具，雖然其用電量較大，但進(jìn)行改造的必要性不大。

高潛力方案：所有T8燈具更換為LED燈，高壓鈉燈更換為無極燈。

中潛力方案：①更換Ⅰ類照明系統(tǒng)，包括圍墻、電場等戶外照明燈具；②更換Ⅲ類照明系統(tǒng)，包括主控室、繼保室等主要設(shè)備室照明燈具；③對于220 kV及以上變電站還應(yīng)更換Ⅳ類照明系統(tǒng)，即辦公室、會議室等辦公場所燈具。

低潛力方案：僅更換Ⅰ類照明系統(tǒng)，包括圍墻、電場等戶外照明燈具。

3.3改造方案設(shè)計(jì)及效益計(jì)算

（1）改造方案設(shè)計(jì)

上文提出了空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)的高、中、低3種改造方案，變電站進(jìn)行改造時(shí)，可根據(jù)擬投入資金、改造規(guī)模、空調(diào)照明系統(tǒng)現(xiàn)狀等合理選擇空調(diào)、照明系統(tǒng)的改造方案。一般有以下15種方案可供選擇，見表4。

（2）效益計(jì)算

空調(diào)、照明系統(tǒng)改造可獲得巨大的綜合效益：①經(jīng)濟(jì)效益包括節(jié)電效益、舊設(shè)備殘余價(jià)值、維護(hù)成本的下降、故障風(fēng)險(xiǎn)的減少等；②社會效益主要表現(xiàn)為：運(yùn)行損耗降低帶動減少發(fā)電所需的煤等化石能源的消耗以及CO2等氣體的排放。

本文主要從經(jīng)濟(jì)效益考慮，計(jì)算其節(jié)電效益、舊設(shè)備殘余價(jià)值、回收期等。

具體節(jié)電率k計(jì)算公式如下

式中：S1為改造空調(diào)、照明系統(tǒng)的年節(jié)約電量，計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)約電量時(shí)，更換變頻空調(diào)或中央空調(diào)取主流節(jié)電率30%，更換新型制冷劑節(jié)電率取20%［5］；S為變電站年站用負(fù)荷電量。

靜態(tài)回收期T

式中：Vb為初始投資成本，不同類型、不同功率的空調(diào)及照明燈具單價(jià)取市場主流價(jià)格；Vr為舊設(shè)備殘余價(jià)值，取設(shè)備成本的5%；p為電價(jià)，本文統(tǒng)一采用0.8元/kWh。

按照更換后的空調(diào)及照明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行10年計(jì)算，其10年總收益V10為：

V10=S10×p+Vr-Vb（3）

式中：S10為改造空調(diào)、照明系統(tǒng)的10年總節(jié)約電量。

表4　變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)改造方案

4　實(shí)例分析

4.1某500 kV變電站節(jié)電改造

某500 kV變電站共有3臺主變，總?cè)萘繛?× 1 000 MVA。2013年該變電站總站用負(fù)荷電量為770 609 kWh，其中空調(diào)、照明系統(tǒng)年用電量達(dá)到394 443.7 kWh，超過站用負(fù)荷電量的一半。

（1）空調(diào)、照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

該變電站主要采用分體式空調(diào)，能耗等級多為5級；室內(nèi)照明多采用40 W的T8燈管、節(jié)能燈及部分鈉燈，戶外照明全部采用高壓鈉燈。該變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)分布及用電量分別如表5、表6。

表5　變電站空調(diào)系統(tǒng)分布

表6　變電站照明系統(tǒng)分布

由表5、表6可以看出：變電站各類空調(diào)、照明系統(tǒng)用電量大小及其占比和本文表2、表3基本一致，即Ⅰ類空調(diào)/照明系統(tǒng)用電量最大，其占比超過50%，其次是Ⅱ、Ⅲ類空調(diào)系統(tǒng)及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類照明系統(tǒng)，占比在10%～50%之間。本例中Ⅱ類照明系統(tǒng)由于大量使用節(jié)能燈，用電占比稍小于10%；不同變電站的各類空調(diào)/照明系統(tǒng)的用電占比存在微小差異及誤差。

（2）節(jié)電改造效益計(jì)算

由于該變電站空調(diào)系統(tǒng)較為老舊，故對空調(diào)系統(tǒng)采用3.1節(jié)中第一種改造方案，照明系統(tǒng)采用3.2節(jié)中改造方案。根據(jù)光通量相等得到照明燈具替換原則如表7。

表7　燈具等效替換原則W

變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)各改造方案效益計(jì)算如表8。

表8　500 kV變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)改造效益

由表8可見：

（1）對500 kV變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)改造可獲得巨大的節(jié)電收益，除方案4—6（即僅改造照明系統(tǒng)）外，節(jié)電率基本都超過10%，10年總收益達(dá)到50萬元以上，且在3年以內(nèi)即可以節(jié)約電費(fèi)的形式回收成本。

（2）15種改造方案的投資成本、改造規(guī)模、節(jié)電收益等都有差別。其中，方案1—3和方案4—6分別是僅改造空調(diào)系統(tǒng)和僅改造照明系統(tǒng)，方案7—15為空調(diào)、照明系統(tǒng)協(xié)調(diào)改造。對比發(fā)現(xiàn)，空調(diào)和照明系統(tǒng)協(xié)調(diào)改造較僅對空調(diào)或照明系統(tǒng)進(jìn)行改造效果更好。

（3）綜合考慮投資、回收期、節(jié)電率及10年總收益，推薦選擇改造方案11，即空調(diào)、照明系統(tǒng)均采用中潛力方案，該方案10年總收益僅比改造方案7 或8少1萬～2萬元，但投資卻僅需20.09萬元，較方案7或8少10多萬元；回收期較短，僅需2.01年。

4.2某110 kV變電站節(jié)電改造

某110 kV變電站2013年站用負(fù)荷電量為220 100 kWh，其中空調(diào)、照明系統(tǒng)年用電量達(dá)到169 000 kWh，超過站用負(fù)荷電量的80%。

應(yīng)用同樣的方法對該變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)電改造分析，限于篇幅，僅列出各改造方案的改造效益如表9。

由表9可知：

（1）由于110 kV變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)用電占比較高，對其進(jìn)行改造，除方案4—6即僅改造照明系統(tǒng)外，節(jié)電率都在20%左右，較500 kV變電站節(jié)電率高，但回收期多在3～4年，較500 kV變電站回收期長。

（2）對比方案1—6和方案7—15，整體上，方案7—15（即空調(diào)和照明系統(tǒng)協(xié)調(diào)改造）較方案1—6僅對空調(diào)或照明系統(tǒng)進(jìn)行改造效果更好。

（3）綜合考慮投資、回收期、節(jié)電率及10年總收益，推薦選擇改造方案12，即空調(diào)、照明系統(tǒng)分別采用中潛力方案和低潛力方案，該方案10年總收益僅次于改造方案9，但投資卻僅需12.78萬元，回收期較短，僅需3.05年。

5　結(jié)論

（1）對變電站不同區(qū)域的空調(diào)、照明系統(tǒng)用電規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致研究并據(jù)此將空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)分別劃分為4類和6類，為電力工作者更好的認(rèn)識和挖掘變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)的節(jié)電潛力提供理論支持。

（2）以變電站各類空調(diào)、照明系統(tǒng)的用電規(guī)律為改造方案設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)現(xiàn)狀，分別提出了空調(diào)、照明系統(tǒng)的高、中、低潛力3種方案，并通過組合得到適應(yīng)不同變電站需求的15種改造方案，為交流變電站的節(jié)電改造提供一定的理論參考和指導(dǎo)。

表9　110 kV變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)改造效益

（3）分別對500 kV和110 kV變電站的15種改造方案進(jìn)行效益計(jì)算，綜合投資成本、節(jié)約電量、回收期等因素，分別推薦改造方案11和方案12，其投資相對較小，但10年總收益、年節(jié)約電量等都較大，且回收期短。

（4）交流變電站空調(diào)、照明系統(tǒng)節(jié)電潛力巨大，合理制定改造方案，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，且可在短期內(nèi)回收資本。

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The e1ectricity using ru1es of main power 1oad and the strategy of e1ectricity-saving for substation

ZHENG Fu-min1，GAO Man-man2，YANG Jia-hao2，OUYANG Sen2，LI Feng-zhen3
（1. Huizhou Power Supp1y Bureau，Huizhou 516001，China；2. Schoo1 of E1ectric Power，South China University of Techno1ogy，Guangzhou 510640，China；3. Guangzhou Ben1iu Power E1ectric Techno1ogy Co.，Ltd.，Guangzhou 510640，China）

Abstract：The air-conditioning and 1ighting equipment in substation were wide1y distributed and consumed a 1arge amount of e1ectricity，the 1ack of in-depth study for the e1ectricity using ru1e of airconditioning and 1ighting distributed in different areas 1ed to rough e1ectricity-saving strategy，which made it difficu1t to rea1ize resource optima1 a11ocation. In order to so1ve the prob1em. First of a11，this paper did deep ana1ysis on the e1ectricity using ru1es of air-conditioning and 1ighting equipment distributed in different p1aces and divided airconditioning and 1ighting into 4 c1asses and 6 c1asses. Second1y，it designed high，medium and 1ow potentia1 retrofit scheme for air-conditioning and 1ighting separate1y based on the e1ectricity using ru1es. The combination of the retrofit scheme of air-conditioning and 1ighting provided a variety of retrofit schemes to meet the need of different substations. It provided reasonab1e data reference and guidance for reform of e1ectricity-saving by ca1cu1ating the investment cost，power saving rate，payback period of the retrofit schemes. Fina11y，it took the 500 kV and 110 kV substation as examp1e and ca1cu1ated the profit under different investment，which proved the correctness and practicabi1ity of the proposed reform scheme in this paper.

Key Words：substation；reform of e1ectricity-saving；air-conditioning system；1ighting system

作者簡介：鄭扶民（1974），男，廣東惠州人，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作與研究；郜幔幔（1993），女，河南周口人，碩士研究生，主要從事電能質(zhì)量分析方向的研究；楊家豪（1990），男，福建廈門人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制；歐陽森（1974），男，博士，副研究員，主要從事電能質(zhì)量與節(jié)能研究工作。

收稿日期：2015-06-05；修回日期：2015-10-09

中圖分類號：F407.61；TK018

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C