电力变电站中变压器的最优重新配置：一种提升能效的方法

《Instruments》：Optimal Relocation of Power Transformers in Electrical Substations: An Approach to Improve Energy Efficiency

　　

经济扩张通常伴随着电力消费的加速增长。在此背景下，配电网络在向终端用户输送电能方面发挥着基础性作用，但仍不可避免地产生技术损耗。在系统组件中，电力变压器尤为关键，尽管其效率较高，但由于连续运行以及在电力系统中的广泛部署，仍会产生显著的损耗。现有文献将配电变压器的重新配置作为最小化技术损耗的一种策略进行了探讨。然而，该方法在变电站内设备上的应用仍较少被探索。因此，本研究提出了一种优化模型，用于在变电站之间对现有的电力变压器池进行重新分配，使变压器的额定容量与变电站需求相匹配，以减少技术损耗并提升能源效率。研究方法包括问题的数学公式化，采用累计总成本最小化作为目标函数，该函数同时包含了技术损耗成本和重新配置成本。该模型应用于一个案例研究，使用了高压/中压（HV/MV）变电站中常用电力变压器的技术和运行数据。结果表明，在10年的规划期内，最优重新配置使变压器能量损耗减少了约5%，产生的净经济节约超过了设备重新配置的成本。该优化模型建议调整变压器分配方案，使负载水平与更合适的运行范围对齐，从而提高变压器效率。因此，所提出的方法提供了一种面向工程设计的决策支持方法，用于优化变压器分配，有助于实现更节能且经济有效的变电站规划。

论文解读：基于优化模型的电力变电站变压器重新配置策略研究

1. 研究背景与现存问题

随着全球城市化、工业化及数据中心的发展，电力需求持续快速增长，这给电力系统的经济运行带来了巨大压力。在此背景下，配电网络作为连接发电侧与用户侧的枢纽，其运行效率至关重要。然而，电能的传输与分配过程不可避免地伴随技术损耗。数据显示，例如巴西2024年配电市场的技术能量损耗平均占输入能量的7.4%，对应约446亿千瓦时的电量，经济损失高达21.5亿美元。即便在欧洲，不同国家的配电网损耗率也存在显著差异（1.95%至22.63%），而最高效的网络可将损耗控制在2%附近。

在配电网的技术损耗中，约有23%来自变压器。尽管现代变压器的效率普遍超过98%，但由于其数量庞大且长期处于带电运行状态，微小的损耗累积起来仍是巨大的能量浪费。变压器的性能由空载损耗（铁损）和负载损耗（铜损）共同决定，其效率与负载率密切相关。偏离最佳负载区间运行会显著增加内部损耗，降低运行效率。因此，如何通过优化变压器配置来改善负载条件、降低损耗，成为提升电力系统能效的关键课题。

现有研究多集中于中低压（MV/LV）配电变压器的重新配置，这类设备因运输成本低、安装复杂度小而易于实施。然而，针对安装在高压/中压（HV/MV）变电站中的大型电力变压器的重新配置研究则相对有限。这些大型资产在额定功率、投资价值、空载损耗、运输要求以及对长期扩展规划的影响等方面，均与配电变压器有本质区别。因此，亟需开发专门针对此类设备的规划工具，以支持公用事业公司在资产管理中做出更优决策。

2. 研究内容与结论

为填补上述研究空白，本论文提出了一种基于混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）的优化模型，旨在通过对现有电力变压器在变电站间的物理重新配置，实现技术损耗的最小化和能源效率的提升。研究人员将该模型应用于一个包含49台变压器和35个变电站的代表性案例研究中。研究结果显示，与现有配置相比，最优重新配置方案在10年规划期内可使变压器能量损耗减少约5%（从277 GWh降至263 GWh），由此带来的损耗成本节约（约115万美元）超过了设备重新配置的总成本（约74万美元），实现了超过41万美元的净经济收益。此外，优化后的配置方案有效改善了变压器的负载率分布，使其更接近最佳运行区间，从而提升了整体运行效率。该研究的重要意义在于，它为电力公用事业公司提供了一种系统性的、基于优化的决策支持方法，能够指导其在考虑经济性和技术可行性的前提下，通过重新调配现有资产来延迟昂贵的新增基础设施投资，从而实现更高效、更经济的变电站规划。该论文发表于《Instruments》。

3. 主要关键技术方法

为开展此项研究，作者采用了以下关键技术方法：

首先，建立了混合整数线性规划（MILP）模型，将问题形式化为经典的分配问题，以最小化总成本为目标函数。该总成本包含两部分：一是变压器技术损耗成本，该成本基于年损耗计算，综合考虑了负载增长率（α）、电价变动、损耗因子（F_LS）等因素；二是变压器物理重新配置成本，包括固定拆卸与重新安装费用（C_fix）以及随距离变化的运输费用（C_var）。其次，模型设定了若干约束条件以确保解的可行性，包括：每个变电站位置必须且只能分配一台变压器；每台变压器最多只能分配到一个位置；变压器的额定容量必须满足规划期内逐年增长的峰值负荷需求；变压器的电压等级必须与目标变电站兼容。最后，模型使用COIN-OR Branch and Cut (CBC)求解器进行求解，并通过敏感性分析评估不同重新配置成本参数对优化结果的影响。案例研究的输入数据结合了制造商技术规格表、公开的地理数据库以及巴西高压/中压（HV/MV）配电系统中常见的运行工况。

4. 研究结果

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  当前配置下的损耗分析：在当前配置下，10年规划期内的总能量损耗约为277 GWh，累计成本超过2190万美元。其中，TR20、TR37、TR25、TR34和TR38五台变压器贡献了约20%的总损耗（近56 GWh），其高损耗主要源于运行在偏离最佳效率点的高利用率系数下，部分变压器甚至面临在规划期末超载的风险。
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  优化配置下的成本效益分析：在不同固定成本和可变成本的组合场景下，所有优化方案的总成本均低于当前配置的2190万美元。以一个典型场景（固定成本76,923美元，可变成本58美元/公里）为例，优化后总能量损耗降至263 GWh，成本为2060万美元，较当前配置降低了约5%。为实现此目标，模型共实施了9次变压器重新配置，总搬迁成本为74万美元，最终产生净节约超过41万美元。
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  运行指标对比：在发生位置变更的9个案例中，优化后的配置使变压器负载率更接近推荐的40%-50%区间，从而提高了运行效率。对于变电站利用指数（Substation Utilization Index, SUI），优化后其平均值从68%下降至60%。这表明虽然从监管角度看，较低的SUI可能影响电费中认可的投资额，但从技术角度看，它缓解了未来十年内对新建变电站扩容项目的需求压力，体现了技术效率与监管指标之间的潜在权衡。

5. 讨论与结论

讨论部分总结：研究指出，虽然直接净经济节约约为41万美元，但该优化模型应被视为一种决策支持工具，而非自动执行指令。实际部署还需考虑工程可行性、运行风险、停电计划等。此外，模型未量化如推迟变压器更换、改善资产利用率等长期效益。值得注意的是，系统级优化可能导致个别变压器损耗增加，只要这种增加能被系统其他部分更大的减少所补偿，从而实现全局总成本最低。由于目标函数纳入了整个10年规划期的需求演变，建议的重新配置方案在该假设下具有经济吸引力，但若需求增长或网络结构发生重大变化，则应使用更新数据进行周期性重新评估。

研究结论部分翻译：结果表明，该优化模型在减少技术损耗和提高系统能效方面具有适用性，可作为一种有价值的长期规划决策支持工具。研究结果指出，损耗降低所带来的节约超过了变压器重新配置的成本，突显了所提方法在不同场景下的经济吸引力。该模型优先考虑了那些对系统损耗贡献最大的变压器的重新配置，强调了通过针对性干预所能实现的潜在收益。从技术角度来看，该解决方案促进了负载水平的更好平衡，减少了变压器在推荐范围之外的运行，从而提高了设备效率。此外，它还有助于减轻未来过载的风险，特别是在当前配置下预计将在分析期末超过其额定容量的变电站中。最后，所提出的方法不仅限于降低成本，还通过促进更合理的设备使用和减少系统技术损耗来提高能源效率。