供配电系统和用电设备的节电运行技术13786.docx

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1、河北省冶金企业中推广节电新技术新设备研讨会专家材料之五钢铁厂供供配电系系统和用用电设备备的节电电运行技技术（教育部部电能质质量工程程研究中中心李令冬冬 朱明明星）摘要本文介介绍配电电网系统统和用电电设备的的节电运运行技术术，并初初步指出出在做运运行方式式和配电电网重构构计算时时应以节节电指标标作为目目标函数数，安全全运行、电电能质量量指标作作为约束束条件，这这样会得得到较好好的结果果。1 概述述1.1 钢铁厂厂耗能现现状和节节电指标标钢铁行业业是高耗耗能行业业，20000年年钢铁工工业总能能耗占全全国总能能耗的110，用用电占全全国总用用电量的的8.336左左右;大大型钢铁铁企业能能源成本本占

2、总生生产成本本的300左右右，其中中电能成成本占总总生产成成本的110左左右；220000年全国国重点企企业吨钢钢可比能能耗为7784kkg标煤煤/吨钢钢，综合合耗电7752kkWh/t,日日本吨钢钢可比能能耗为6646kkg标煤煤/吨钢钢，我国国计划220100年、220200年吨钢钢可比能能耗目标标分别为为6855标煤/吨钢、6640标标煤/吨吨钢，钢钢铁企业业能耗将将达到国国际先进进水平。1.2 钢铁工业业节能措措施钢铁工业业节能措措施主要要有：（11）调整整企业组组织结构构、产品品品种结结构和生生产工艺艺结构；（2）改改造或更更新用电电设备和和生产工工艺；（33）推行行供配电电系统和和

3、用电设设备的节节电运行行技术，我我们这里里主要介介绍的是是供配电电系统和和用电设设备的节节电运行行技术1.3 节电运运行技术术本质上上是一种种投资少少、收益益高的软软件技术术配电网和和用电设设备节电电运行技技术主要要包括：低电压压偏差运运行技术术；变压压器经济济运行技技术；配配电网重重构技术术；电加加热设备备的配电电功率曲曲线控制制等技术术。节电运行行技术是是对电网网的结构构、电网网和用电电设备的的运行方方式、运运行参数数进行优优化的技技术，本本质是一一种软件件技术。推推广节电电运行技技术不像像推广节节电设备备那样需需要较大大的资金金支持，它它推广的的是先进进的节电电技术理理念。因因此，推推广

4、节电电运行技技术是一一种投资资少收益益高的工工作。2 低电电压偏差差运行技技术2.1 低电压压偏差运运行技术术的节电电原理低电压偏偏差运行行技术的的节电原原理的依依据有以以下几个个方面：（1）钢钢铁厂配配电系统统和用电电设备具具有较高高的无功功电压灵灵敏度;（2）配配电变压压器运行行在一定定程度的的磁饱和和状态下下，当电电压降低低时变压压器的励励磁电流流减小。现现场测试试表明，当当电压降降低1时，变变压器的的无功功功率相应应减少3366；（33）钢铁铁厂负荷荷中约775是是电机负负荷和电电加热负负荷及空空调负荷荷，而这这些负荷荷功率的的静态特特性表明明，当电电压降低低时，钢钢铁厂有有功功率率变

5、化很很少，而而无功功功率变化化很大。负荷电压压灵敏度度的静态态模型可可以表示示为如下下的指数数形式： （11）钢铁工业业主要用用电设备备的静态态特性参参数及UU/U00由1.005降到到1.00时，P/P0和和Q/QQ0变化化如下表表所示：设备工业电机泵、风扇扇和其他他电机电弧炉中央空调室用空调炼炉鼓风机工业电视荧光灯PV0.0550.0882.30.20.50.0882.01.0QV0.61.64.62.22.51.65.23.0P/P00U/U001.051.00021.00041.11191.0111.02251.00041.10031.0550U/U001.01.00001.00001

6、.00001.00001.00001.00001.00001.0000Q/Q00U/U001.051.03301.08811.25521.11131.13301.08811.28891.1558U/U001.01.00001.00001.00001.00001.00001.00001.00001.0000降低运行行电压，有有功功率率变化较较小，但但无功变变化较大大。对于于钢铁工工业负荷荷平均来来说，当当供电电电压大于于额定电电压时，电电压降低低5，无无功功率率可减少少8左左右，设设备有功功功率减减小很少少，降至至额定功功率，不不会影响响生产，但但无功电电流产生生的线路路损耗减减少了，同同时也减

7、减少了无无功补偿偿设备的的投入。2.2 推行低低电压偏偏差技术术应注意意的问题题在供配电电系统中中推行低低电压偏偏差技术术的条件件和电压压调整范范围：供供电电压压较稳定定，电压压波动范范围较小小；电压压波动范范围在110左左右，则则用电设设备终端端电压偏偏差应整整定在+0和和-1之间； 电压压波动范范围在55左右右,则用用电设备备终端电电压偏差差应整定定在0和-22之间间。上个世纪纪80年年代，由由于供电电不足，输输配电技技术落后后,电压压波动很很大，特特别是往往负方向向波动大大，用户户为了保保证设备备的正常常供电，在在供电设设计上，不不得不把把设备终终端电压压调的很很高。到到了本世世纪，电电

8、力充足足，电压压稳定，但但很多用用户还保保留原来来设计思思想，致致使电力力设备运运行电压压较高，使使有功损损耗和无无功损耗耗大大增增加，因因此大力力推广配配电网和和用电设设备的低低电压偏偏差技术术势在必必行。l 案例一美国电科科院(EEPRII)资助助的节能能性降低低运行电电压研究究项目中中，曾经经测试了了 许多多电动机机和包含含电动机机的用电电设备特特性，主主要结论论如下：电动机的的无功电电压灵敏敏度随着着负荷水水平的增增加下降降，对于于一台220HPP(1HHP=7745.7W) 2330V的的三相感感应电动动机，当当负荷转转矩恒定定时，对对应于负负荷为00.7PPu (1Puu=177.

9、011 kVAA) 、11.0PPu、 1.22Pu的的Qv在在额定电电压附近近分别为为1.88、1.4和11.0；若负荷荷转矩随随转速变变化，则则有相应应的Qvv分别为为1.99、1.5和11.3。在重负荷荷条件下下，当电电压低于于0.99Pu时时，电动动机会发发生堵转转，吸收收大量无无功功率率，导致致电压进进一步下下降。并并且，一一台电机机的堵转转还会使使相邻电电压也发发生堵转转现象，出出现电压压崩溃现现象。由以上结结论可以以看出，电电动机负负载系数数不宜过过低，当当负载系系数低于于30%时，可可以将型接法法改为YY型接法法，以提提高功率率因数，降降低损耗耗； 在在应用低低电压偏偏差运行行

10、技术时时，必须须在电压压比较稳稳定前提提下降低低运行电电压，且且运行电电压不小小于0.95PPu。l 案例二20055年，我我们对年年产10000万万吨钢的的某大型型钢铁公公司进行行全面的的电能质质量及安安全经济济运行评评估，该该公司66kV、110kVV、355kV供供电母线线电压普普遍偏高高(+55%到+10%)，电电压波动动大都在在5以以内，因因此我们们建议将将电压偏偏差调整整在+00%。调调整后，全全公司无无功损耗耗减小约约50MMVarr，功率率因数提提高了，无无功当量量按照00.011kW/kVaar计算算，照明明设备、线线路及变变压器有有功损耗耗也因此此减少5500kkW，并并减

11、少550MVVar的的无功补补偿设备备(价值值5000万元)的投入入，无功功补偿设设备的有有功损耗耗设为补补偿容量量的0.5%，因因此减少少无功设设备的损损耗约2250 kW，总总有功损损耗减少少7500kW，全全年按770000小时运运行时间间计算，节节电5000万kkWh以以上。3 变压压器的经经济运行行3.1 钢铁厂厂配电变变压器存存在着巨巨大的节节电潜力力10000万吨钢钢铁厂用用电功率率在5000MWW左右，变变压器的的平均负负载率为为50，配电电变压器器总容量量应在220000MVAA，设各各级变压压器的平平均运行行效率为为99，变压压器有功功损耗为为10MMW，如如果将变变压器的

12、的运行效效率提高高0.22%，则则可节电电2MWW ，全全年按照照80000小时时运行时时间计算算，可节节约电能能16000万度度电。钢铁厂配配电变压压器的无无功损耗耗：高压压(2220kVV/100kV)变压器器为负载载容量110左左右，中中压变压压器为负负载容量量的5左右，平平均在88%左右右，10000万万吨钢的的钢铁厂厂配电变变压器总总无功损损耗在880MVVar左左右。3.2 使用高高压用电电设备，减减少变压压器总容容量使用高压压用电设设备，减减少变压压器总容容量是减减小变压压器损耗耗最有效效的措施施，10000万万吨钢的的钢铁厂厂配电变变压器容容量由220000MVAA减少到到18

13、000MVVA，则则可节电电1 MMW，全全年节约约电能在在8000万度电电，并减减少无功功损耗88MVaar左右右。3.3 变压器器经济负负载系数数(1)有有功经济济负载系系数p设变压器器额容量量为SN，输入入功率为为P1，输出出功率为为P2，负载载功率因因数为ccos2，空载载损耗为为P0，负载载损耗为为PK，负载载系数为为，变压压器效率率为，则变变压器有有功损耗耗： (22)即变压器器铜损和和铁损相相等时，变变压器有有功损耗耗最小。变压器效效率: (3)一般变压压器的,.(2)无无功经济济负载系系数Q设变压器器空载电电流为II0，短短路阻抗抗电压UUK%，则变变压器的的空载励励磁功率率Q

14、0=SN(I0)，额定定漏磁功功率QK=SN(UK)，变压压器的无无功消耗耗率(4)即变压器器空载励励磁功率率等于负负载漏磁磁功率时时，无功功损耗最最小。(3)变变压器综综合经济济负载系系数Z多数情况况下，变变压器有有功经济济负载系系数和无无功经济济负载系系数很接接近，但但也有差差异较大大的，必必须综合合考虑有有功和无无功的影影响，设设无功经经济当量量为KQ， (55)变压器等等效有功功损耗(6)变压器效效率 (7) KQ的物物理意义义是：变变压器每每减少11kVaar无功功功率消消耗时，引引起连接接系统有有功功率率损失下下降的kkW值。无无功当量量值如下下表所示示变压器在在连接系系统的位位置

15、KQ(kkW/kkVarr)负载最大大时负载最小小时发电机电电压供电电的变压压器0.0220.022高压线路路变压器器0.0770.044由区域线线路供电电的111035kkV的降降压变压压器0.1000.066由区域线线路供电电的610kkV的降降压变压压器0.1550.100由区域线线路供电电的降压压变压器器，但无无功补偿偿由同步步调相机机负担0.0550.033表中数据据表明，无无功源离离电源越越远无功功当量越越大， 因此无无功就地地补偿原原则对减减小线损损具有很很重要的的意义。3.4 配电变变压器节节电运行行案例某用户负负载容量量为166MVAA，负载载电压为为10kkV，现现有两种种

16、供电方方案A. 用用一台1110kkV/110kVV，20MMVA供供电变压压器带116MVVA负载载，变压压器参数数UK10.5，PK 1335kWW，I0%=22.8，P0=222kW。B. 用用两台同同A一样的的供电变变压器，各各带8MMVA容容量负载载，试比比较两种种方案的的有功损损耗和无无功损耗耗。供电变压压器综合合经济负负载系数数,根据据上面的的公式，取取无功经经济当量量KQ=0.113，可可以算出出：方案案A，；方案案B ， 。方案B比比方案AA节电计计算：一年以880000小时计计算，节节约电能能28332000kWhh，两台台变压器器并列运运行，不不仅节电电，而且且提高了了供

17、电的的可靠性性。4.配电电网重构构技术4.1 配电网网重构技技术的概概念通过改变变配电网网络拓扑扑结构来来提高可可靠性，降降低线损损，均衡衡负荷和和改善供供电电压压质量的的技术称称为配电电网重构构技术。配电网重重构包括括正常运运行时的的网络重重构和故故障状态态下的网网络重构构。重构时的的运行状状态重构目标标约束条件件重构方法法重构计算算正常降低线损损、平衡衡负荷、提提高供电电质量潮流方程程，支路路电流和和节电电电压，网网络拓扑扑（辐射射状），开开关操作作次数，继继电保护护可靠性性开关操作数学优化化算法、最最优流模模式算法法、支路路交换法法、人工工智能算算法故障隔离故障障源，恢恢复非故故障源区区

18、域供电电故障诊断断算法配电网重重构是优优化配电电系统技技术、提提高配电电系统安安全性和和经济性性的重要要手段。配配电网重重构是在在满足配配电网呈呈辐射状状、馈线线热熔、节节点电压压偏差要要求和变变压器容容量要求求的前提提下，确确定使配配电网线线损、负负荷均衡衡度，供供电质量量等指标标最佳的的配电网网运行方方式。由由于配电电网中存存在大量量的分段段开关和和联络开开关，因因此配电电网重构构是一个个多目标标非线性性混合优优化问题题。4.2 钢铁厂厂配电网网重构技技术钢铁厂配配电网具具有电压压等级多多（2220kVV、1100kV、35kkV、10kkV、6kVV、0.44kV），配配电节点点多，配配

19、电网络络拓扑复复杂，配配电变压压器多，负负载功率率密度大大，负荷荷的冲击击性、不不对称性性和非线线性严重重，配电电网内包包括自备备电厂，电电力设备备功率大大，连续续生产等等特点。上上述特点点使配电电网重构构变得十十分复杂杂。钢铁厂使使个用电电大户，而而且用电电效率低低。不断断降低钢钢铁厂配配电系统统的能耗耗和线损损，提高高配电系系统运行行经济效效益是钢钢铁厂供供电系统统面临的的一项长长期课题题，通过过实施配配电网重重构技术术、改变变运行方方式，从从而降低低配电网网线损是是钢铁厂厂节电的的重要途途径之一一。因此此，我们们在配电电网重构构时把线线损最小小作为目目标函数数，把负负载均衡衡、提高高供电

20、质质量、安安全可靠靠运行等等目标作作为约束束条件。通通过降维维处理，把把多目标标非线性性混合优优化问题题简化为为单一目目标的非非线性混混合优化化问题。配电网重重构算法法时一个个十分复复杂的理理论问题题，更是是一个实实际工程程问题。没没有实际际经验，仅仅根据理理论计算算结果对对配电网网进行重重构风险险大，一一旦出现现安全运运行问题题，后果果不堪设设想。我我们在实实际工程程中推荐荐使用“基于专专家系统统的配电电网重构构算法”，按照照 经经过实践践证明是是有效的的专家知知识和经经验制定定配电网网重构规规则，尽尽管不是是最优，但但最可靠靠，可以以得到在在满足安安全可靠靠运行及及供电质质量前提提下优化化

21、的配电电网结构构。安全可靠靠运行是是配电网网经济运运行的保保证，某某冷轧厂厂一次电电压骤降降造成全全厂停产产10多个个小时，经经济损失失超过一一千万元元人民币币，因此此我们在在推广节节电技术术同时，要要注意如如何通过过配电网网重构，提提高配电电网运行行的安全全可靠性性。4.3 基于专专家知识识和经验验的配电电网重构构案例案例1 某冷扎扎厂配电电网重构构计算(1) 配电系统统图如图图1所示示。(2) 电网络重重构计算算的基础础资料目标：现现负荷状状况下，运运行损耗耗最小，新新增负荷荷状况下下运行损损耗最小小。约束条件件： 功率因因数大于于0.99；配电网网电能质质量达到到国家标标准规定定的指标标

22、。供电参数数：1100kV进进线最大大短路容容量60000MMVA，最最小短路路容量330000MVAA；供电变变压器SSt80MMVA，1100kV/10.5kVV，Uk100.5%， II00.6，Pk3100kW，P078.5kWW（3）重重构计算算重重构计算算计算配电电网电能能质量考考核点的的电压偏偏差、电电压波动动与闪变变、谐波波电压、谐谐波电流流、负序序电压、负负序电流流等各项项电能质质量指标标限值。图1配电电系统图图配电网运运行方式式共6种接通W11、W4、W5、W8，其其余断开开；接通W11、W4、W6、W7、W8,其余断断开；接通W11、W2、W3、W5、W8,其余断断开；接

23、通W11、W2、W3、W5、W6、W7,其余断断开；接通W22、W3、W4、W6、W7、W8,其余断断开；接通W11、W2、W3、W6、W7、W8,其余断断开；滤波器运运行方式式共5种H3+HH5；H3+HH5+HH7；H3+HH5+HH7+HH9；H3+HH5+HH7+HH9+HH11；H3+HH5+HH7+HH9+HH11+H133负载组合合2种原负载；原负载载新增增3热镀镀锌33彩涂涂配电网、滤滤波器及及负载共共60种组组合对每种组组合计算算如下参参数变压器负负载系数数，负载载功率（P、Q、S、cos）、运行功率损耗；各段母线线谐波电电压、负负序电压压、电压压偏差、电电压波动动与闪变变并

24、评估估是否超超过规定定限值；注入系统统的谐波波电流、负负序电流流并评估估是否超超过国标标限值。根据计算算结果，给给出节电电运行方方式排序序排序规则则：在满满足电能能质量指指标不超超过国标标限值，变变压器运运行功率率因数不不小于00.900的约束束条件下下，按照照运行损损耗大小小排序，损损耗最小小为最优优运行方方式。主要结论论A.现负负载状态态下，滤滤波器采采用H33+H55运行方方式，满满足约束束条件的的配电网网运行方方式为方方式1、2、3、4、5、6。方式式6运行损损耗最小小，其次次是方式式4、5、1、2、3。正常常情况，方方式6为最节节电运行行方式，当当3#主变变需要检检修时，可可采用运运

25、行方式式4，当1#主变需需要检修修时，可可采用运运行方式式5。B.新增增3#彩涂涂和3#热镀锌锌后，滤滤波采用用H3+H5+H7+H9+H111 +HH13或或H3+H5+H7+H9+H111 或H3+H5+H7+H9运运行方式式，正常常情况，方方式6为最节节电运行行方式，方方式6比比方式11全年节节电177万kWWh，当当3#主变变需要检检修时，可可采用运运行方式式4，当1#主变需需要检修修时，可可采用方方式5。C.新增增3#彩涂涂和3#热镀锌锌后，配配电网仍仍有再新新增负载载的能力力。案例2 基于于专家知知识和经经验的某某热轧厂厂配电网网重构（1）问问题：某某热轧厂厂35kkV段母线线谐波

26、电电压严重重超标，电电压总谐谐波畸变变率高达达10以以上，供供电变压压器、线线路和用用电设备备谐波损损耗大，电电力事故故频繁，无无法安全全生产。（2）专专家知识识和经验验：测试试数据表表明：335kVV配电网网络电缆缆的充电电电容与与系统阻阻抗在113000Hz左左右产生生并联谐谐振，致致使热轧轧负荷较较小的223、25、29、31次谐谐波电流流在355kV母线上上产生很很高的谐谐波电压压。数据分析析结果：配电网网23次和和25次谐谐波阻抗抗辐角在在第三象象限，谐谐波电流流是由负负载流向向系统，系系统的谐谐波阻抗抗为感性性阻抗；配电网网29次次、311次、337次的的谐波阻阻抗的辐辐角在第第二

27、象限限，谐波波电流是是由负载载流向系系统，系系统的谐谐波阻抗抗为容性性阻抗；当系统统谐波阻阻抗随频频率增大大由感性性阻抗向向容性阻阻抗变化化时，肯肯定存在在一个谐谐振频率率。255次系统统谐波阻阻抗远大大于233次和331次系系统谐波波阻抗，系系统阻抗抗谐振频频率应在在12550Hzz和15525HHz之间间，并靠靠近12250HHz，应应在13300HHz左右右。解决方案案：配电电网络重重构，破破坏原谐谐振条件件，Xss为系统统的基波波阻抗，XXc为335kVV配电系系统电缆缆容抗。将将35kkV段母线线上其中中一条支支路负荷荷移至335kVV段母线线上，破破坏了原原来的谐谐振条件件，使谐谐

28、振频率率上移并并远离非非特征谐谐波频率率。效果:配配电网重重构后，335kVV 段母线线电压总总谐波畸畸变率下下降至33以下下，降低低了谐波波损耗，消消除了谐谐波运行行事故。5电加热热设备的的配电功功率曲线线控制51概概述20000年全国国工业电电加热设设备年耗耗电量占占全国总总用电量量的122.2%，热处处理工业业炉（997.55万台）耗耗电866亿kWhh，电弧弧炉（110000台）耗耗电1332亿kWhh，铁合合金埋弧弧炉耗电电2322.5亿亿kWhh，电石石埋弧炉炉耗电1115亿亿kWhh。我国国电加热热设备较较国外同同类设备备单耗平平均高出出15以以上。西西安电炉炉厂制造造的GWW1

29、.00感应炉炉单耗为为6700kWhh/t，西西德AEEGNTTG-110000感应炉炉单耗为为5700 kWWh/tt；我国国炼钢电电弧炉平平均单耗耗为5550kWWh/tt，国外外先进水水平为2280 kWhh/t 。由此此可见，电电加热设设备节电电潜力巨巨大。电加热设设备的主主要节电电措施：选用高高效电热热设备、采采用先进进工艺、采采用大功功率加热热设备、配配电功率率曲线控控制。本本文以某某钢厂1100吨吨交流电电弧炉为为例说明明配电功功率曲线线控制的的节电效效果5.2 交流电电弧炉的的配电功功率控制制曲线（1）电电弧炉合合理的供供电制度度电弧炉炼炼钢过程程的温度度由高到到低较为为合理：

30、高温氧氧化、中中温还原原、低温温浇铸。这这样有利利于高产产优质低低耗，电电弧炉的的配电功功率曲线线应符合合这一原原则。配电功率率曲线控控制A 熔化化期熔化前期期与中期期以最大大功率输输入，保保证快速速熔化；熔化后期期为保护护炉盖和和炉墙不不受热辐辐射损伤伤应减少少输入功功率。B氧化期期氧化前期期为满足足钢液升升温需要要，输入入功率可可大一些些；氧化中后后期，由由于碳氧氧激烈反反应放热热，钢液液快速升升温，应应小功率率供电，在在吹氧脱脱碳时，应应停电吹吹氧。C 还原原期加入稀薄薄渣料后后的化渣渣及加碳碳粉吸热热反应，需需输入中中等功率率；还原渣一一旦形成成，应立立即转换换小功率率输入，只只需弥补

31、补正常热热损失即即可。按照最佳佳配电功功率曲线线控制输输入电流流和电压压，可以以取得110左左右的节节电效果果并延长长炉体寿寿命，经经济效益益显著。（2）配配电功率率曲线控控制案例例A 某钢钢厂1000吨交交流电弧弧炉20005年年11月月17日日11点点到20005年年11月月18日日8时有有功和无无功曲线线，测点点在电炉炉变电所所35kkV进线线，电炉炉变电所所负荷为为1000吨EAAF变压压器及EEAF，1150吨吨LF变变压器及及LF，SSVC装装置。图2 不不合理的的配电功功率曲线线（LFF炉未生生产）图3 合理的的配电功功率曲线线（LFF炉未生生产）比较图22和图33的配电电功率曲

32、曲线，图图3的配配电功率率基本上上是按照照熔化期期高功率率、氧化化期中功功率、还还原期小小功率控控制的，而而图2的配配电功率率在熔化化期、氧氧化期都都是高功功率，只只是在还还原期功功率稍小小一些，显显然图22的配电电功率曲曲线控制制是不合合理的。冶炼时间间：图33较图2缩短短45秒；有功损耗耗：图33较图2减少少1277.600kWhh/t;无功损耗耗：图33较图2减少少4.666kVVarhh/t；功率因数数：coos1.0，SVCC无功补补偿效果果优；三相有功功和三相相无功平平衡。（3）电电弧炉配配电功率率优化及及节电效效果A.电弧弧炉节电电运行的的关键是是给出在在不同工工艺条件件下不同同电弧炉炉的最优优配电功功率曲线线；B. 理理论分析析计算只只能定性性给出最最优配电电功率曲曲线；C. 只只有通过过对不同同工艺条条件下同同一条电电弧炉的的不同的的配电功功率曲线线的大量量测试数数据进行行分析，结结合理论论分析，才才能得出出最优的的配电功功率曲线线，按此此功率曲曲线进行行操作，可可取得最最好的节节电效果果；D.根据据目前我我国电弧弧炉耗电电水平和和实测数数据，配配电功率率曲线的的优化和和控制至至少可以以得到22030kkWh/t的节节电效果果，按照照我国电电弧炉每每年冶炼炼80000万吨吨钢计算算，可节节约电能能20亿度度电左右右。