智能用電技術對配電網設備利用率的影響

黃 金

南方電網調峰調頻發電有限公司工程建設管理分公司 廣東廣州 511400

1 概述

配電網設備的利用率在電力系統經濟中起著至關重要的作用，隨著智能電網的快速發展受到了廣泛關注。在2011—2021年中，中國在智能電網的建設上的投資已達到1500億美元，且還在不斷加大投資。智能用電技術的目的是提高了配電網設備的利用率，并減少所需的配電網絡投資成本。

由于可再生能源與可持續能源受到地理天氣等因素的影響無法充分在電力行業得到利用。使得大多數可再生可持續能源發電的設備沒有得到充分利用。而智能用電技術可以通過充分利用能源來提高經濟效益以及設備的利用率。此外，提高設備利用率有助于減少設備的數量和用于生產此類產品的能源消耗。智能用電技術的普及同時影響著供應側和需求側的設備利用率。

本文列舉和分析的智能用電技術和措施旨在提高電力系統的可靠性，以及供給側和需求側配電設備利用率。改進設備利用率，可以很大程度上減少配電網所需的投資。

綜上所述，針對配電網設備利用率較低的現狀，分析智能用電技術對配電網設備利用率的影響至關重要。同時電動汽車或配備V2G系統的PHEV(并聯式混合動力汽車)的大規模推廣對國外一些國家的電力系統帶來巨大的收益，V2G技術對配電網設備利用率也有著較大的影響。故而，V2G技術的發展與影響也應該納入研究范圍。因此本文總結幾種智能用電技術和各種措施，并分析了它們對配電網設備利用率的具體影響。

2 配電網設備利用率的評價方法及指標

本文首先對設備利用率進行量化評估，提出以下幾種評價指標。

2.1 變電站負荷率

單個設備的利用水平通常用設備最大負荷率來表示。變電站最大負荷率表示了變電站在最大負荷下的運行狀況。變電站負荷率包括了輕負荷率、重負荷率、過載率和平均負荷率的計算。變電站平均負荷率為總電量與變電站額定容量之比，可作為評估指標。對于110kV以上電壓等級的變電站利用率評估見公式(1)：

(1)

式中η是變電站的平均負荷率，E表示總電量，C為變電站的額定容量。

負荷率小于或等于30%的變電站即輕負荷變電站。變電站的輕負荷率計算如公式(2)：

(2)

式中S是輕負荷變電站的數量，S是所有變電站的數量。

重負荷變電站是指在正常運行模式下，平均負荷率介于極端負荷率和100%之間的變電站。計算公式如下：

(3)

過載變電站是指在正常運行模式下，負載率大于100%的變電站，計算公式如下：

(4)

其中S是過載變電站的數量。

輕負荷率、重負荷率和過載率越低，平均負荷率越高，變電站的利用率越好。在理想情況下，當輕負荷率、重負荷率和過載率為0，平均負荷率達到100%時，變電站得到了充分利用。

2.2 線路負荷率

線路平均負荷率為總電量與線路額定容量之比，該比值可以直觀反映配電網線路容量的利用水平，在此用來評估線路的利用率。

線路最大負荷率表示線路在最大負荷下的運行狀況。它包括線路的輕負荷率、重負荷率、過載率和平均負荷率的計算，與變電站的計算方法類似。

2.3 容載比

容載比是供電區域內變電站設備的總額定容量與所供負荷的平均最大有功功率之比。容載比是控制變電站設備總容量的重要指標，表示變電站設備的運行裕度。容載比

γ

的計算見公式(5)。

(5)

式中C為某供電區域變電站設備的總額定容量，P為所供負荷的平均最大有功功率。

實際上變電站容量和電力負荷的分布通常是不均勻的。因此，一般容載比只能作為單個變電站的容量裕度計算的參考。具體的還需要考慮機組擴建費用、負荷增長率和其他特殊細節確定。文獻[12]研究了多電壓配電網的最優容量負荷比，其中以配電網的建設和運行成本為優化目標，以變電站的使用壽命為優化變量。

2.4 生命周期利用率

本節根據文獻[13]提出生命周期利用率綜合評價指標。生命周期評估(LCA)是通過分析影響因素并對其進行系統評估，找到消除影響的最佳策略。考慮到電氣設備利用率受到需求側、供應側以及壽命周期等方面影響。該指標以設備在使用壽命內的實際用電量為參考，根據實際的用電量對配電設備的利用率進行綜合評價。壽命周期利用率由負荷率、負載率和預期壽命率三者來表示，如下所示：

(6)

式中η為電氣設備的生命周期利用效率，E為其使用壽命內的實際電量，C為電氣設備的容量，T和T分別為設計壽命和實際使用壽命。L和L分別是平均負荷和最大負荷，η、η和η分別是負載率、負荷率和預期壽命率。預期壽命率反映了電氣設備在其整個生命周期內的使用率。

評價指標與本文探討的智能用電技術的關系如右圖所示。電能的存儲技術一般在夜間用電低谷期進行存儲能量，在白天的高峰期釋放。電能存儲技術可以實現調峰，從而提高負荷率，減輕配電網用電高峰的需求壓力、設備的負擔，提高設備的壽命利用率。當下提出的V2G技術可以用來補償夜間的低負荷需求，并且在白天的高峰期為配電網提供電動汽車的儲能。電動汽車電池中儲存的能量可以作為電力系統的備用容量，配電網企業可以減少設備容量，減輕配電網負擔。V2G技術還可以減少設備的損耗，有利于提高設備的壽命利用率。

評價指標與智能用電技術關系圖

3 具有儲能功能的智能電力設備

儲能在提高間歇性能源利用率和調峰方面起著至關重要的作用。而電儲能技術作為最經濟有效的調峰技術之一，它的應用前景十分廣闊。電儲能技術既能平衡配電網負荷，提高設備利用率，也可以提高能源利用率，緩解能源危機。廣泛使用的電能存儲技術包括帶蓄熱裝置的電鍋爐和熱泵機組等。

3.1 帶蓄熱和熱泵機組的電鍋爐

電蓄熱技術的工作原理是在低谷期利用電加熱設備加熱介質，并在高峰期釋放熱能，以滿足建筑物和房屋的需求。儲熱介質包括水、蒸汽和其他變相材料。水蓄熱可分為常溫蓄熱和高溫蓄熱。電鍋爐的工作原理是將水加熱產生加壓熱水或飽和蒸汽，并通過安裝在殼體中的大功率電加熱元件實現能量轉換。熱泵機組是一種高效節能裝置，常用的熱泵系統包括空氣源熱泵系統、水源熱泵系統、地熱源熱泵系統和太陽能/空氣雙源熱泵系統。其工作原理是將低等級熱源的熱量連續泵送至儲能裝置。

近幾十年來，電蓄熱系統已證明具有降低峰值負荷和改變功耗方式的能力，因此，它們有可能成為電力需求側管理(DSM)中的強大儀器。正常工作日分為高峰和非高峰兩部分，非高峰時段的電價較低。研究發現，通過這種策略，許多用戶會將負載轉移到非高峰時間，因此，更多的高峰容量可以用于其他用途，而非高峰容量可以得到更好地利用。

3.2 對配電網設備利用率的影響

通過智能用電設備將電能存儲技術應用到工業和日常生活中，可以有效提高配電網設備的利用率。相變材料在智能用電設備中具有儲能功能，由于其良好的儲能能力，在建筑調峰中得到廣泛應用。現有研究表明，無論是否實施負荷控制策略(從10%到57%)，它們都對峰值負荷降低有顯著影響，不同類型的儲能技術有各自的優勢，適用于不同的方向。電儲能技術可以降低企業的日高峰需求和用電設備容量，有利于企業的發展充分利用現有設備，降低投資成本。配合電價政策，還可以降低企業的運營成本。

4 電動汽車到網技術

4.1 V2G技術的概念

電動汽車充放電技術主要有四種模式，即單向無序充電模式、單向有序充電模式和雙向有序充放電模式。單向充電模式只能單方面從配電網接收電力而無法回饋給配電網。雙向有序充電和放電模式意味著電動汽車與配電網的能量管理系統相連并受其控制。電動汽車的電池被視為移動儲能設備和備用電源，以實現與配電網的能量轉換。

之所以提出V2G的概念，是因為電力系統需要通過其他能源進行補償，以穩定可再生資源大規模整合到配電網中所造成的波動。由于V2G技術的特殊特性，使電動汽車能夠向配電網提供存儲的電力，因此它在實現電力系統和電動汽車之間的互聯方面具有巨大的潛力。要實現V2G，需要建立兩個連接。一種是能使電力在配電網和電動汽車之間傳輸的能量傳輸連接，另一種是能通過反饋信號準確了解配電網運行狀態的邏輯控制連接。

4.2 對配電網設備利用率的影響

電動汽車與電力系統的集成在許多方面影響配電網絡，如變壓器、配電線路、能量損耗、電能質量以及電力系統的利用率和可靠性。作為電力系統運行的重要參考，配電網設備的利用率也受到V2G技術和電動汽車融入電力系統的影響。將電動汽車集成到配電網中可以有效降低配電網的電壓波動，提高分布式發電(DG)的電能質量和頻率控制能力。V2G技術可以大大降低配電線路的損耗，避免電壓降，實現繼電保護裝置的平穩運行。此外，它還具有巨大的調峰潛力，可以確保配電網的安全和降低運營成本，配備V2G系統的電動汽車在電力系統中發揮著重要作用。它們可以調節有功功率、補償無功功率、轉移峰值負荷、填補谷值負荷，并提高負荷率。他們還可以提供備用設備配電網的容量。

作為智能電網技術的重要組成部分，V2G技術的發展將對電動汽車未來的商業運營模式產生重大影響。研究表明，隨著智能汽車和智能電網的發展，插電式混合動力電動汽車(PHEV)和純電動汽車將在20年內成為配電系統不可分割的一部分。它們可以提供儲能，平衡配電網的需求，提高應急供電能力和配電網的穩定性。如果處于靜止狀態的電動汽車數量足夠大，當它們與配電網絡連接時，可以將其用作可移動分布式儲能裝置。因此，它們可以向配電網提供剩余電力，同時仍能滿足電動汽車消費者的驅動需求。V2G技術與DSM相結合，可以在高峰期為配電網提供電動汽車的備用，從而有效節約增加發電機組的相關成本，減少發電機的損耗，提高配電網設備的利用率。V2G技術的功能是為配電網提供一個類似于大緩沖空間的大型能源來源和能源出口。配電網存在的能源利用率低、電力系統波動性大、不同時期電力需求差異大等問題有了新的突破。

分布式發電(DG)的集成和智能用電技術的應用會影響配電網設備的利用率。V2G技術的應用可以有效降低分布式發電對配電網的影響，提高電力系統的穩定性。V2G技術使參與大規模風能、太陽能等新能源發電成為可能。利用V2G技術，風能和太陽能產生的電力可以儲存在電動汽車電池中，并穩定地提供給配電網。此外，如果這些電動汽車能夠相互通信并以智能的方式共享電力，那么高峰時期配電網的壓力可以顯著降低。V2G技術的推廣可以明顯優化配電網絡。一方面，當電動汽車充電時，它們可以被視為負載。供電方可以通過技術和經濟手段安排充電時間，實現有序的充電管理，實現移峰填谷，提高系統運行效率，降低對配網安全的影響。另一方面，當電動汽車電池用作儲能裝置時，它們被視為配電網的備用容量，有助于在高峰時段為電力系統供電，優化配電網的運行。此外，電動汽車的供電調度是從電網的角度進行的，其直接受益者是電力供應商和運營商，不考慮電動汽車用戶的利益。然而，電動汽車用戶是V2G參與的主體，他們應該制定管理策略，以找到最佳解決方案，實現利益最大化。通過充放電控制策略，確保用戶利益最大化，吸引更多用戶參與V2G。同樣，在V2G運行期間，頻繁地充電和放電將不可避免地影響電池的壽命，并且還應考慮與電池損耗相關的成本。通過充放電控制策略，盡可能使電池的淺充和淺放電工作條件達到最佳。這對推動電動汽車的普及具有重要意義。

結語

配電網設備的利用率與配電網建設的經濟性密切相關。這取決于設備的負載率、負荷率和預期壽命。智能用電技術在提高配電網設備利用率、降低配電網建設和投資成本方面發揮著重要作用。智能用電技術對配電網設備利用率的影響受到多種因素的影響。提高設備利用率的關鍵是綜合考慮供電側和需求側的問題，合理利用智能用電技術。本文給出了相應的評價指標及其適用范圍，同時介紹了具有儲能功能的智能電力設備、V2G技術等技術對配電網設備利用率的影響。

具有儲能功能的智能用電設備可以在配電網的低谷期儲能，并在高峰期釋放能量以滿足需求，這對調峰有很大影響。它還可以改善負荷曲線和配電網設備的利用率。電動汽車的廣泛采用給配電網的運行帶來了一些問題，V2G技術的引入旨在解決或緩解這些問題。V2G技術利用電動汽車電池的容量作為備用儲能裝置，在高峰期為配電網提供電力，從而降低發電機組擴建的相關成本。此外，電動汽車在低谷期有序充電，這對低谷負荷填充有很好的效果。V2G技術的應用在一定程度上降低了設備損耗，提高了配電網的負荷率。然而，還有許多問題需要解決。由于V2G的直接受益者是電力供應商和運營商，而電動汽車用戶是V2G參與的主體，因此他們應該制定管理策略，以找到最佳解決方案，實現利益最大化。同樣，在V2G運行期間，頻繁地充電和放電不可避免地會影響電池的壽命電池，以及與電池相關的成本由此產生的電池損耗也應考慮在內。

所有這些技術和措施都會影響負荷率，并能改善負荷曲線，這有利于調峰，本文詳細討論了負荷率對配電網設備利用率的影響。然而，關于負擔率和預期壽命率的研究還不夠充分，需要進一步討論。