考慮合同能源管理的配網低碳優化及經濟效益

許文秀，黃柯，張立斌，呂科

(1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京市 100055；2.國網節能服務有限公司，北京市 100052)

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考慮合同能源管理的配網低碳優化及經濟效益

許文秀1，黃柯2，張立斌1，呂科1

(1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京市 100055；2.國網節能服務有限公司，北京市 100052)

中低壓配電網是電力系統的重要組成部分，其損耗占整個電網損耗的50%左右，為此引入效益分享型合同能源管理機制，建立了配網節能低碳優化模型，采取了更換高效變壓器、增加10 kV線路無功補償、更換配網線路導線等低碳優化措施。結合某地區配電網運行現狀實例計算，證明了基于合同能源管理的配電網低碳優化模式能有效地降低配電網損耗，提高電能質量和可靠性，且具有很好的節能效益，適于大范圍的推廣。

配電網；低碳；節能降損；合同能源管理；效益分析

0 引 言

節能是與煤炭、石油、天然氣、電力同等重要的“第五能源”。節能的根本在于提高能源利用效率，在能源利用過程中減少能源浪費[1-5]。中低壓配電網是電網的重要組成部分，當前我國的配電網還存在著電源點少、線路供電半徑大、升級改造面低，配變容量不足、供電線徑較細、綜合調壓能力弱，無功電源建設滯后、無功容量配置不足、感性負荷較多，從而造成低電壓、低功率因數問題[6-10]。這些原因使得線損率較高，直接導致其損耗占整個電網損耗的50%左右。因此針對配電網存在的問題，研究具有可實施性的節能降損顯得至關重要。

與此同時，國內外學者對配電網節能低碳的研究進行了眾多研究。主要有：(1)傳統配電網節能思路主要集中在單個技術層面上，如更改新型節能變壓器[11]、無功補償優化[12]、降低理論線損計算[13]；(2)綜合降損措施主要有規劃決策方法、指標體系、節能潛力系統開發等[14-17]。相比之下，節能降損方法也是各有成效，但偏于理論分析和微網范圍，缺乏大范圍商業運行應用。

為此，本文在當前研究基礎上，將合同能源管理機制引入配電網節能低碳優化，在節能量計算上采用企業通用規范。通過對配電網的綜合分析，對系統中的關鍵環節：變電站、線路、臺區以及0.4 kV配電系統的電能補償設備的運行參數進行調制，全面改善配電網供電質量，降低配電網的損耗，有效解決低電壓、低功率因數等問題，提高整體能效水平。

1 合同能源管理類型

合同能源管理(energy management contracting，EMC)是以減少的能源費用來支付節能項目成本的一種新型的市場化節能機制[18]。節能服務公司(energy services company，ESCO)與客戶用能單位以契約形式約定節能項目的節能目標，節能服務公司為實現節能目標向用能單位提供必要的服務，用能單位以節能效益支付節能服務公司的投入及其合理利潤的節能服務機制。根據業務方式，合同能源管理主要分為節能效益分享型、節能量保證型、能源費用托管型等類型。由于我國目前對合同能源管理的財政、稅收以及金融等優惠政策僅限于節能效益分享型，因此，引入該機制并重點對其分析。

節能效益分享型合同能源管理項目實施過程能源費用分配如圖1所示。該項目的能源審計、項目設計、工程施工、設備采購、安裝調試、人員培訓、節能量確認等費用由節能服務公司支付，用能單位無需投入資金。在合同期內，節能服務公司與用能單位分享項目產生的節能效益，并由此收回投資，取得合理利潤。合同期滿后，設備和節能效益全部歸用能單位所有。該模式適用于誠信度很高的企業。

圖1 節能效益分享型合同能源管理項目能源費用分配圖Fig.1 Energy cost allocation of energy management contract project based on energy-saving benefit sharing

2 配電網節能降損效益模型構建

2.1 節能量計算模型

節能量是合同能源管理投資收益的主要來源，能源服務公司、用能單位、設備銷售商以及金融機構均需依靠其所實施或投資的技術和設備創造的“節能量”來取得投資收益。

本文以最大限度地減少系統無功功率的傳輸損耗為目標，選取系統中損耗較高且節能量能計算的環節(如變電站、線路、配電臺區及0.4 kV配電)，按照“分級補償、就地平衡”的策略，給出綜合治理方案，提高輸配電設備的工作效率。

2.1.1 更換高效變壓器節能優化

根據Q/GDW 11035—2013《變壓器更換節約電力電量與驗證規范》[19]，更換配電變壓器節電量為

(1)

變壓器節能改造中同時進行變壓器增容時，P0、Pk應采用同系列、增容后的變壓器參數。

2.1.2 10 kV線路無功補償節能優化

無功功率補償裝置在供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。合理選擇補償裝置，可以做到最大限度減少網絡的損耗，使電網質量提高。根據Q/GDW 11036—2013《并聯無功補償裝置節約電力電量與驗證規范》[20]，無功補償裝置年節約電量為

Δ(ΔE)=(QCC-QCtanδ)τmax

(2)

式中：QC為無功補償裝置補償容量，kvar；C為無功經濟當量，kW/kvar，配電變壓器無功經濟當量取值范圍為0.08～0.10，按0.09取值(變電取0.06)； tanδ為無功補償裝置損耗率，電容器的介質損耗角正切值，kW/kvar,按0.000 8取值(變電取0.000 6)；τmax為最大負荷損耗小時數，居民類用戶為1 000 h，二班制工業用戶或商業用戶為2 500～4 000 h。

2.1.3 更換線路導線節能優化

根據Q/GDW 11039—2013《電力線路增容改造節約電力電量與驗證規范》[21]，線路更換導線年節約電量為

(3)

式中：Δ(ΔEL)為改造后線路節電量，kW·h；ΔEL為改造后的線路輸送損耗電量，kW·h；R為改造前導線電阻，Ω；R′為改造后導線電阻，Ω。

2.2 節能收益計算模型

年節電收益為

ΔDp=Δ(ΔE)Q

(4)

式中：ΔDp為年節能效益，萬元；Q為電價，元/ ( kW·h)。

節約標煤量為

ΔBp=Δ(ΔE)×3.3/10000

(5)

式中：ΔBp為年節能量折合標煤，萬t；3.3/10 000為國家發改委2013年規定電力折標煤系數等價值。

減排CO2量為

ΔCp=ΔBp×2.7

(6)

式中：ΔCp為標煤折合CO2排放量，萬t；2.7為標煤CO2排放因子。

3 算例分析

3.1 建設思路

選取某地區配網節能項目進行實證分析。通過資料收集、分析發現：該區域電網變壓器大部分是S9型高損變壓器，配電網重過載、高損耗運行現象普遍，線路“卡脖子”問題突出，特別是農村配電網，發展相對滯后，供電半徑大，臺區損耗高，“三率”(供電可靠率、電壓合格率、線路跳閘率)問題亟待解決。具體選取原則為：

(1)配電變壓器節能優化項目。該區域運行的公用配變40%為1998年一期農網改造階段投入運行的S9型配變，高損耗運行情況明顯。現結合實際情況，將境內S9型運行年限10年以上、平均負載率超60%的綜合配變更換為相對容量較大的節能變壓器，配變負載率及空載損耗可大幅降低，節能潛力較大。經預測，S9型平均負載率超60%的共27臺。

(2)10 kV線路無功補償節能優化項目。根據國家電網公司有關技術標準，結合區域內10 kV及以下配電網實際情況，按照無功補償以“10 kV線路補償為輔”的原則，對供電電壓質量、功率因數不達標的低壓臺區和配電線路加裝自動無功補償裝置。本項目對功率因數低于0.90、供電半徑超過5 km、末端及分支負荷集中的10 kV配電線路，安裝線路自動無功補償裝置。

(3)10 kV線路節能改造項目。將區域內運行時間超15年、負載率超80%、線損率超7%的10 kV線路更換大截面導線，主干由原10 kV線路LGJ-50 mm2、LGJ-70 mm2截面導線更換為JKLGYJ-10-240 mm2絕緣導線，分支由原LGJ-35 mm2、LGJ-50 mm2截面導線更換為JKLGYJ-10-150 mm2導線，總長132.28 km，以降低線路損耗，達到節能效果。

(4)0.4 kV線路節能改造項目。計劃將區域內負載率超80%、線損率超10%的0.4 kV線路更換為大截面導線，主干由原0.4 kV LGJ-35 mm2導線更換為JKLGYJ-0.4-120 mm2絕緣導線，分支由原LGJ-25 mm2更換為JKLGYJ-0.4-95 mm2絕緣導線，總長57.275 km。

3.2 年節能量計算結果

選取該地區配電網基礎數據，按式(1)～(3)對各分區理論年節能潛力數據進行測算，其結果如表1所示。

表1 年節能量計算結果

Table 1 Calculation result of average quantity of energy saving

由表1可知，本項目可以減少變電站主變、10 kV配電線路和配電變壓器、0.4 kV配電線路的電能損耗，預計年節能量1 986.09 萬kW·h，折合標準煤6.554 萬t，減排CO217.70 萬t；由設備市場詢價和配網概算規定得知，預計總投資為5 016 萬元。

3.3 系統運行效果對比

選取其中典型工程子項目進行運行效果對比，其結果如圖2所示。

圖2 功率因數提升對比Fig.2 Power factor enhancing contrast analysis

由圖2可知：(1)設備投入運行后，平均功率因數從0.82提升到0.95，最大提升至0.98。(2)設備投入運行后，低壓線路平均提升20.6 V，最大提升28.3 V；電壓不平衡平均降低10.32%，最大降低16.58%。

3.4 投資效益計算分析

本次主要在用戶側進行節能改造，節約電能以解決各區域的“卡脖子”問題為主，因此選擇平均銷售電價作為計算電價(10 kV電價為0.693元/(kW·h)，0.4 kV電價為0.512元/(kW·h))；分享比例約定為節能服務公司分享90%的項目節能效益，客戶用能單位分享10%的項目節能效益；合同期滿后，不考慮固定資產殘值，且全部轉移給用能單位。綜合前面的分析得出效益分享期為7年為雙方最優狀態，其計算結果如表2所示。

表2 效益計算結果

Table 2 Calculation result of benefit

同時得出，本項目實施后總投資收益率8.07%，動態投資回收期5.79 年。通過上述分析可得，基于效益分享型合同能源管理的配網節能降損優化可以有效降低電網損耗，高效回收投資成本。

4 結 論

(1)運用S13變壓器取代S9硅鋼片鐵心變壓器投網運行可取得較好的節能效果，特別適用于電能不足和負荷波動大以及難以進行日常維護的地區。并且由于采用全密封結構，絕緣油和絕緣介質不受大氣污染，因而可在潮濕的環境中運行，是城市和農村廣大配電網絡中理想的配電設備。

(2)對線路進行無功補償，可有效提高功率因數、提高電壓合格率和供電可靠率、降低三相不平衡率和線損率，在提高電網效益的同時，可進一步提升電網企業優質服務水平，增加客戶滿意度。

(3)線路損耗是電流通過有電阻的導線造成的有功功率損耗，與線路中電流的平方、單位長度電阻及線路長度成正比關系，所以在線路負荷狀況及線路長度不變的情況下，采用單位長度電阻更低的導線可有效降低線路損耗。

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(編輯：蔣毅恒)

Low-Carbon Optimization and Economic Benefit for Distribution Network Based on Energy Management Contract

XU Wenxiu1，HUANG Ke2，ZHANG Libin1，LYU Ke1

(1.State Grid Jeibei Electric Economic Research Institute，Beijing 100055, China；2. State Grid Energy Conservation Service Co.， Ltd.，Beijing 100052, China)

The Mid & Low-voltage distribution network is an important part of power system, whose loss is around 50% of the power grid loss. Therefore, the benefit sharing energy management contract mechanism was introduced, and a distribution network optimization model for energy conservation and loss reduction was established. Energy saving optimization measures were replacing the high-efficiency transformer, adding 10 kV line reactive power compensation, changing the distribution network line wire, etc. In combination with the calculation of the present situation of a region distribution network operation, it is proved that the low-carbon optimization mode of distribution network based on energy management contract can reduce network loss effectively, improve power quality and reliability, and has good energy saving benefit, which is suitable for a wide range of promotion.

distribution network; low-carbon; energy conservation and loss reduction; energy management contract; benefit analysis

TM 715; F 426.61

A

1000-7229(2015)06-0134-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.023

2015-01-26

2015-03-25

許文秀(1986)，女，碩士，中級經濟師，從事電力工程投資經濟、電網節能減排方面的工作；

黃柯(1983)，男，碩士，工程師，從事電網降損節能技術研究與應用方面的工作；

張立斌(1981)，男，學士，工程師，從事變電站設計、分布式光伏發電研究咨詢方面的工作；

呂科(1984)，女，學士，中級經濟師，從事電力工程造價方面的工作。