碳中和背景下配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估分析

夏敏浩，趙萬(wàn)劍，王 駿

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 223003)

配電網(wǎng)線損率是評(píng)價(jià)電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1]，在電網(wǎng)企業(yè)相關(guān)線路和設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，使得大量電能能源被消耗[2]。因此，線損率和能源消耗量是配電網(wǎng)的重要考核指標(biāo)，對(duì)于供電企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益起到重要作用。為了降低配電網(wǎng)的能源消耗量，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)節(jié)能，電力企業(yè)需采取更加有力的政策和措施[3]，在碳中和背景下對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行差異化節(jié)能處理與規(guī)劃。碳中和通過(guò)對(duì)單位時(shí)間產(chǎn)生二氧化碳排放量的測(cè)算和抵消，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放[4]。將碳中和理念應(yīng)用到配電網(wǎng)的差異化節(jié)能處理工作中，最大限度地降低配電網(wǎng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并提升電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著國(guó)家對(duì)能源利用、環(huán)境保護(hù)和資源優(yōu)化配置的關(guān)注，節(jié)能降耗技術(shù)需要被加以重視[5]。電力節(jié)能降耗成為國(guó)家發(fā)展的必要內(nèi)容[6]。為了提高配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗效果，需要在節(jié)能技術(shù)應(yīng)用之前對(duì)節(jié)能降耗潛力進(jìn)行評(píng)估。節(jié)能降耗潛力是在滿足相同需求或目標(biāo)的條件下，減少能源消耗量的能力。目前配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法未考慮用節(jié)電量外其他指標(biāo)評(píng)價(jià)節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力，最終得出的評(píng)估結(jié)果存在一定的片面性，無(wú)法為配電網(wǎng)的節(jié)能規(guī)劃工作提供有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。為此在現(xiàn)有潛力評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能夠提高評(píng)估方法的評(píng)估精度，間接地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗效果。

1 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法

配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估是對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行全過(guò)程中所有需要投入資源以及有能源消耗的各環(huán)節(jié)所消耗能源的計(jì)量。在節(jié)能降耗潛力的評(píng)估過(guò)程中，需要摸清配電網(wǎng)當(dāng)前的能源消耗情況，在此基礎(chǔ)上分析典型線路的各項(xiàng)損耗指標(biāo)，并在碳中和背景下制定可行的節(jié)能降耗對(duì)策[7]。優(yōu)化設(shè)計(jì)的節(jié)能降耗潛力評(píng)估流程如圖1所示。按照?qǐng)D1表示的潛力評(píng)估流程，增加評(píng)估工作的系統(tǒng)性和可操作性，并得出量化的潛力評(píng)估結(jié)果。

1.1 構(gòu)建配電網(wǎng)等值電路模型

配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案主要的目的是為了降低電網(wǎng)中線路和變壓器的損耗，在負(fù)荷較大時(shí)更換大截面導(dǎo)線、更換低損配變以降低電網(wǎng)中導(dǎo)線、設(shè)備的電阻，或者采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以減少電網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置，減少導(dǎo)線或配電設(shè)備的發(fā)熱，降低導(dǎo)線或配電設(shè)備損耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損[8]。配電網(wǎng)中的網(wǎng)損主要是由各種電壓等級(jí)的變壓器、輸配電線路自身阻抗引起的發(fā)熱，電網(wǎng)節(jié)能主要是減少變壓器及線路的發(fā)熱量。減少電力傳送中的發(fā)熱損耗，是降低網(wǎng)損的關(guān)鍵[9]。配電網(wǎng)線路和變壓器的等效電路如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)等值電路Fig.2 Equivalent circuit diagram of distribution network

同理可以得出配電網(wǎng)其他組成元件的等值電路，并按照配電網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行連接，得出配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型。

1.2 計(jì)算配電網(wǎng)損耗量

主要通過(guò)設(shè)備損耗和運(yùn)行附加損耗2個(gè)方面，對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及工作模式的分析。在無(wú)節(jié)能降耗情況下，根據(jù)線路的功率因數(shù)計(jì)算配電網(wǎng)的實(shí)際損耗量[10-11]。在配電網(wǎng)中，為了平衡受電端無(wú)功功率需求，通常需要安裝大量的并聯(lián)補(bǔ)償電容來(lái)減少系統(tǒng)的無(wú)功流量和損耗[12]。對(duì)于一些集中上網(wǎng)電源的地區(qū)，為了穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，常常需要串聯(lián)補(bǔ)償電抗，以吸收多余無(wú)功。電容和電抗器在穩(wěn)定系統(tǒng)無(wú)功潮流的同時(shí)，自身會(huì)產(chǎn)生一定的有功損耗。結(jié)合電抗器的額定工況損耗，計(jì)算元件的瞬間負(fù)荷電流和額定電流[13]。因此，配電網(wǎng)損耗量總和包括：配線有功損耗、變壓器元件的有功損耗、額定空載損耗、短路損耗、電容器和電抗器損耗以及運(yùn)行附加損耗等多種損耗。

1.3 配電網(wǎng)差異化碳中和節(jié)能降耗方式

在碳中和背景下，采用配電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)方式替換、配電線路改造、元件替換、運(yùn)行電壓控制等方式，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能降耗。配電網(wǎng)的碳中和節(jié)能降耗原理如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)的碳中和節(jié)能降耗原理Fig.3 Principles of carbon neutral energy saving and consumption reduction in distribution network

按照?qǐng)D3表示的碳中和原理，可以采取無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能降耗[14-15]。配電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷優(yōu)化補(bǔ)償包括最優(yōu)補(bǔ)償容量的確定和補(bǔ)償容量的優(yōu)化分配2個(gè)方面。通過(guò)有功損耗與無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹泻停?jì)算節(jié)能配電網(wǎng)的實(shí)際能源消耗量。針對(duì)配電網(wǎng)中的不同位置上元件和節(jié)點(diǎn)的工作方式，選擇不同的節(jié)能降耗方式，通過(guò)差異性規(guī)劃，保證配電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

1.4 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估指標(biāo)

在考慮當(dāng)前配電網(wǎng)的工作方式以及差異化節(jié)能降耗方案的情況下，設(shè)置潛力評(píng)估指標(biāo)[16]。綜合以上潛力評(píng)價(jià)內(nèi)容，在遵循安全性、相對(duì)獨(dú)立性、客觀性的原則下，設(shè)定具體的潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)。部分指標(biāo)設(shè)置情況見(jiàn)表1。

表1 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估指標(biāo)設(shè)置Tab.1 Differentiated energy saving and consumption reduction potential evaluation index setting of distribution network

表1表示的潛力評(píng)估指標(biāo)中線損率是根據(jù)電能表抄表電量值運(yùn)算得出的，損耗電量與供電量的比率。其中，損耗電量等于供電量的差值，其值越小越好。線路損耗率計(jì)算公式：

(1)

式中，Eg和Es分別為配電網(wǎng)線路的供電量和售電量。

綜合電壓合格率指標(biāo)表示在滿足電壓要求的情況下，實(shí)際運(yùn)行電壓的累計(jì)供電量與相應(yīng)的總供電量之比，描述了供電電壓質(zhì)量的概念[17]。總體電壓合格率計(jì)算公式為：

(2)

式中，Qy和Q′y分別為電壓的超限量和總供電量。

由此可以得出線路負(fù)荷率指標(biāo)和線路容載比指標(biāo)的量化結(jié)果：

(3)

式中，PL和Pmax分別為待評(píng)價(jià)配電網(wǎng)線路在單位時(shí)間內(nèi)的平均負(fù)荷和最高負(fù)荷，而∑S和∑P對(duì)應(yīng)的是變壓器元件的總?cè)萘亢凸╇娍傌?fù)荷[18]。

同理，可以得出表1中其他節(jié)能降耗潛力評(píng)估指標(biāo)的量化計(jì)算結(jié)果，然而由于不同的指標(biāo)計(jì)算中代入的數(shù)據(jù)格式不同。因此，得出的最終指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的格式存在部分差異，在實(shí)際的指標(biāo)計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理[19]，在數(shù)據(jù)處理完成的情況下，按照各指標(biāo)的計(jì)算公式得出評(píng)估指標(biāo)的量化結(jié)果。

1.5 求解評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

采用熵權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的求解計(jì)算：

(4)

式中，gj為設(shè)置評(píng)估指標(biāo)的差異系數(shù)；m為構(gòu)建指標(biāo)體系中的指標(biāo)數(shù)量。

按照上述流程完成對(duì)指標(biāo)權(quán)重的求解，并標(biāo)記給設(shè)置的評(píng)估指標(biāo)。

1.6 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估

綜合設(shè)置的所有潛力評(píng)估指標(biāo)，可以得出最終的量化評(píng)估結(jié)果，可以表示為：

(5)

式中，Δxj為配電網(wǎng)節(jié)能降損措施實(shí)施前后評(píng)估指標(biāo)的差值。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式(5)中，得出配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力綜合評(píng)估結(jié)果[20]。若εc取值大于0.9，說(shuō)明當(dāng)前配電網(wǎng)具有較優(yōu)的節(jié)能降損潛力，εc取值區(qū)間在[0.6，0.9]、[0.3，0.6]，分別表示配電網(wǎng)的節(jié)能降損潛力為良好、一般；而εc計(jì)算結(jié)果小于0.3，證明配電網(wǎng)的節(jié)能降損潛力較差。

2 試驗(yàn)分析

由于配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力的評(píng)估精度無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)的方式直接測(cè)試。因此，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)潛力的評(píng)估性能，設(shè)計(jì)應(yīng)用試驗(yàn)，即將設(shè)計(jì)的節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法應(yīng)用到實(shí)際的配電網(wǎng)節(jié)能降耗規(guī)劃工作中，通過(guò)對(duì)最優(yōu)節(jié)能降耗方案的選取，證明設(shè)計(jì)潛力評(píng)估方法的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 配電網(wǎng)項(xiàng)目概況

試驗(yàn)選擇某市城區(qū)10 kV區(qū)域配電網(wǎng)為研究對(duì)象，該配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。該配電網(wǎng)中共包含1 677臺(tái)配變?cè)O(shè)備，總配電容量為678 365 kVA，從物理性質(zhì)方面來(lái)看，配電網(wǎng)的線路總長(zhǎng)度為32.775 km。其中，電纜、架空線以及主干線的長(zhǎng)度分別為5.277、14.283、13.215 km。配電系統(tǒng)額定電壓38 kV，有載調(diào)壓檔位6個(gè)。在低電壓側(cè)設(shè)有14條10 kV線路。在10 kV母線上安裝有3組電容，補(bǔ)償容量為7 200 kVA。在此次試驗(yàn)中選擇該配電網(wǎng)中的8條典型線路作為具體研究對(duì)象，分別從無(wú)功補(bǔ)償潛力和綜合降損潛力2個(gè)方面進(jìn)行降損潛力評(píng)價(jià)，將研究對(duì)象線路用英文字母來(lái)標(biāo)記。

圖4 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of distribution network

2.2 初始配電網(wǎng)節(jié)能改造方案

為了實(shí)現(xiàn)最佳降損效益，需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能改造。試驗(yàn)中，針對(duì)配電線路，制定了6個(gè)常見(jiàn)的節(jié)能措施的實(shí)現(xiàn)方式。節(jié)能改造方案Ⅰ為調(diào)整電壓改造方案，即按照時(shí)間順序降低配電網(wǎng)線路的首端電壓。節(jié)能改造方案Ⅱ?yàn)楦鼡Q導(dǎo)線方案。無(wú)功補(bǔ)償改造方案的內(nèi)容是在負(fù)荷中心選擇2個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，進(jìn)行最優(yōu)固定、分組投切綜合無(wú)功補(bǔ)償，記為方案Ⅲ。方案Ⅳ對(duì)應(yīng)的是更新高損配變，也就是用新型節(jié)能配變?nèi)〈€高損配變。另外，方案Ⅴ和Ⅵ分別為減小供電半徑改造方案和抑制負(fù)荷波動(dòng)改造方案。

2.3 試驗(yàn)量化測(cè)試指標(biāo)

此次試驗(yàn)分別從實(shí)際配電網(wǎng)消耗量和經(jīng)濟(jì)效益2個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。其中，設(shè)置配電網(wǎng)消耗量的測(cè)試指標(biāo)為線損量。根據(jù)式(6)可以計(jì)算出研究線路的線損率，則線損量的計(jì)算結(jié)果可以表示為：

lossi=γL×t

(6)

式中，t為配電網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

在試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算過(guò)程中主要代入的是試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間。另外經(jīng)濟(jì)效益的量化測(cè)試指標(biāo)為區(qū)域損耗費(fèi)用，具體包括電費(fèi)和元件更新費(fèi)用，可以通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)公司管理數(shù)據(jù)的調(diào)取，直接得出測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出的損耗費(fèi)用越高，說(shuō)明當(dāng)前配電網(wǎng)差異化節(jié)能損耗方案的經(jīng)濟(jì)效益越差。

2.4 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法對(duì)制定的初始配電網(wǎng)節(jié)能改造方案進(jìn)行潛力評(píng)估，得出綜合量化評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估結(jié)果Tab.2 Evaluation results of differentiated energy conservation and consumption reduction potential of distribution network

從表2中可以直觀地看出，綜合8個(gè)配電網(wǎng)線路及線路元件，節(jié)能改造方案Ⅳ的節(jié)能降耗潛力綜合評(píng)估值最低，節(jié)能改造方案Ⅲ的節(jié)能降耗潛力綜合評(píng)估值更高，方案Ⅲ具有更高的節(jié)能降耗效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將具有更高節(jié)能降耗效果的改造方案Ⅲ應(yīng)用到實(shí)際的配電網(wǎng)改造工作中。選擇本市某居民區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，該區(qū)域擁有10 kV線路125回，共計(jì)68 km。試驗(yàn)區(qū)域配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)區(qū)域配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Field diagram of distribution network in experimental area

為了驗(yàn)證評(píng)估方法選出的最佳方案的性能，選擇A—H共計(jì)8條線路最為試驗(yàn)對(duì)象，將8條試驗(yàn)線路5月1—30日的線損量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，在6月1—30日應(yīng)用節(jié)能降耗改造方案，根據(jù)節(jié)能改造前后配電網(wǎng)實(shí)際消耗情況，判斷本文評(píng)估方法選出的最佳方案是否具有節(jié)能降耗的優(yōu)越性能。結(jié)合上述公式計(jì)算，線損量的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，通過(guò)節(jié)能降耗改造方案在實(shí)際配電網(wǎng)中的應(yīng)用，節(jié)能降耗改造方案能夠在一定程度上降低配電網(wǎng)線路的實(shí)際線損量。應(yīng)用節(jié)能方案Ⅲ能夠?qū)⒕€損量控制在5 W以下，與未應(yīng)用節(jié)能方案的8條線路相比，實(shí)際配電網(wǎng)的平均值消耗量約降低10 W。另外，通過(guò)經(jīng)濟(jì)管理數(shù)據(jù)的調(diào)取，得出多種方案的經(jīng)濟(jì)效益測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 配電網(wǎng)節(jié)能降耗方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison results of economic benefits of energy-saving and consumption-reducing schemes in distribution network

從圖7中可以看出，使用本文提出配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法選取的方案的損耗費(fèi)用更低，應(yīng)用節(jié)能降耗方案后，每一天都能夠在不同程度上降低區(qū)域損耗費(fèi)用，說(shuō)明該方案的節(jié)能降耗效果更佳，本文提出配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法具有一定應(yīng)用意義。

綜上所述，通過(guò)碳中和背景下配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法的應(yīng)用，能夠選擇出節(jié)能降耗效果更好的改造方案，即設(shè)計(jì)評(píng)估方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)的節(jié)能降損方案是指在技術(shù)進(jìn)步條件下，將相關(guān)科技成果、先進(jìn)設(shè)備運(yùn)用于配電網(wǎng)發(fā)展環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)整、改進(jìn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，節(jié)能配電網(wǎng)的能源消耗，達(dá)到全面提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的目的。通過(guò)配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評(píng)估方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，選擇最優(yōu)的配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)改造方案，達(dá)到對(duì)配電網(wǎng)節(jié)能降損空間的實(shí)際指導(dǎo)意義。