基于低碳排放的工業供配電設計與節能對策分析

周 正

（國網宜昌市高新區供電公司， 湖北 宜昌 443000）

0 引言

工業企業作為電能消耗的主力軍，其電力生產涉及到電能發、輸、供、配等各個環節，目前我國工業企業供配電系統依然是過多依靠火力發電機組進行發電，這也使我國成為了世界上碳排放量較高的國家之一。在工業供配電的配電終端中加大可再生能源的發電比例是完成低碳排放的重要前提，同時也可以實現工業供配電從高碳排放向低碳排放、零碳排放的轉型。基于低碳排放的工業供配電設計需要統籌考慮大規模的可再生能源并網帶來的不穩定風險，并在設計建設中重點考量碳排消費指標、碳凈比指標、碳均衡指標等項點，進一步推動工業供配電向低碳化、清潔化方向發展。

1 低碳微生態

低碳微生態在工業配電網中突出特征是分布式可再生能源的大規模接入，利用風能、太陽能等可再生能源滿足工業生產負荷用電使用需求，減小發電側的碳排放數量。其中，風電機組、光伏電站等分布式電源作為低碳轉化裝置是實現低碳微生態的關鍵要點；儲能系統作為碳調節能力主體，具有削峰填谷的作用，用來保證風、光等新能源發電系統的穩定性；供配電技術中的低壓直流配電模塊能夠代替直流設備與交流主網間用來變換電壓的大量裝備，對系統的能效提高具有較大作用，如圖1 所示。在低碳排放目標下新能源發電因其取材方便、成本低、無污染、產電質量高等優勢，在工業供用電市場上普及程度越來越高，規模也越來越大，但風光等新能源由于其自身不穩定特點造成產生的電能并入電網后，會使整個電網的負荷預測難度加大，具有較多的未知性和不確定性[1]。當風光等新能源發電系統電源的電壓、頻率瞬時過高、過低時，均會造成工業供配電系統故障，甚至中斷整個電力系統的運行，改變了工業配電網原有的潮流分布，擾亂正常供電秩序，因此，需要采取BP 網絡、小波變換、深度學習等技術對工業供配電系統的供用電負荷進行有效預測，科學調配電力系統中的電量分布，保障電力系統運行的穩定性，為解決低碳排放的工業供配電系統預測問題提供可靠的途徑。

圖1 低碳微生態搭配

2 基于低碳排放的工業供配電設計研究

2.1 基于低碳排放的工業供配電系統建設關鍵技術2.1.1 碳消費指標

碳消費指標可以衡量工業供配電系統配電網在不同工作時長下的碳中和能力，計算公式如下：

式中：t為工作時長；ESTi，t、ELAi，t、ELDi，t分別表示工業供配電系統采樣目標i在時間t內供配電系統上級電站輸送、配電網產生及負荷耗費的電能；x1和x2分別為供配電系統上級電站輸送以及工業供配電系統配電網自身產生的電能中可再生能源所占比例；ε1和ε2分別為供配電系統上級電站輸送以及配電網自身非新能源產出的電能與碳排放之間的轉化系數。

2.1.2 碳凈比指標

考慮到工業供配電系統對應的是汽車制造、金屬冶煉等多種建設用途，而負荷類型的不同會造成碳不平衡量的顯著偏差，從而影響對工業供配電系統碳中和能力評估的判斷。公式（3）對碳凈比指標ri，t進行計算。

2.1.3 碳均衡指標

針對工業供配電系統配電網規劃中的碳中和問題，借助安裝柔性配電裝置來實現工業供配電系統各工作模塊間優勢資源的優化重組，可以將某工作模塊原來無法消納而放棄的風電機組和光伏出力轉移到存在電量不足的工作模塊，在增強本地可再生能源使用效率的同時，降低工業供配電系統整體上對碳基能源的消耗，實現碳中和能力互相救濟的效果[2]。

碳均衡指標G可以評估工業供配電系統配電網各工作模塊碳中和能力的互濟程度，如公式（4）所示，G值越低，說明工業供配電系統配電網的碳消費在總體上更加均衡。

式中：m和n分別為優化重組前后工業供配電系統工作模塊的數量；為優化重組后工業供配電系統的碳凈比值；為優化重組后工業供配電系統的碳消費值；為優化重組后工業供配電系統負荷消耗的電能，因為優化重組前后工業供配電系統配電網總體負荷的需求保持恒定，所以

2.2 系統框架設計

配電網是工業供配電系統連接發電側與用戶側的媒介，在整個供配電系統中起著舉足輕重的作用，維持著總的電力系統的正常運行。且配電網是工業供配電系統在“雙碳”目標下實現低碳轉型的前提條件，因此，本文結合大規模新能源接入下工業供配電系統中發電側、電網側、負荷側的各種能量流的耦合度及流動度的變化特點，從低碳排放的角度對其系統進行了設計，系統框架見圖2。

圖2 低碳排放下工業供配電系統配電網設計

1）發電側：低碳排放下新能源發電迅速成長，由之前的替補性發電發展升級為主體性發電，普及程度越來越高，傳統火力發電機組在引入低碳技術進行改造的同時，未來會主要用于調節等輔助性生產活動。但是，新能源發電高滲透性并網以及供用電設備的顯著變化造成工業供配電系統供配電的穩定性無法保障，因此，需要提高風光等可再生源的消納能力，平衡其不穩定性。

2）電網側：新能源發電的大規模并網以及柔性輸電方式的大力使用造成工業供配電系統電力電子化的特征愈發愈烈，改變了配電網原有的潮流分布，供配電系統的動態特性以及架構發出現明顯變化，朝著分布式、扁平化的新方向邁進。

3）負荷側：低碳排放下的工業供配電系統需要滿足多種新型負荷的使用需求，并具備多樣的儲能裝備，可以對接入其中的負荷實施差異化的高效管理，新型負荷也參與到供配電系統的科學管理中，充分調配各種資源、有效利用，保證接入到工業供配電系統中的各個工作模塊均能最大程度地發揮自身的作用[3]。

3 工業供配電節能對策分析

3.1 科學采用無功補償技術

相關資料表明，無功負荷大量地存在于配電網中，當無功功率失衡、功率因數降低情況發生時，無功功率在電網中的流動導致了線路大量損耗的產生，大多數工業工廠都是采用集中補償的方式對無功進行補償，且補償設備智能化程度較低，因此，一是要靈活選擇補償方式，堅持集中式+分散式補償相結合方式，并以后者為主進行無功補償；堅持調整+固定補償相結合方式，將后者作為重點進行無功補償；堅持高電壓+低電壓補償相結合方式，將后者補償作為主要補償方式[4]。二是要引入智能無功補償設備，常見的智能無功補償設備如圖3 所示，不同無功補償裝置的作用及使用效果各有千秋。智能無功補償裝置將直接影響工廠供配電系統的無功補償結果，因此在選擇無功補償裝置時，首先要考慮補償裝置與補償系統是否搭配，然后依據其工作范圍和功率參數等確定補償裝置的選型。在選擇智能無功補償裝置時，選用適應能力較好及抗外界干擾能力高的設備，且還應具備自動檢測及保護性能。這樣，可以配合配合動態補償手段更好地實時監測設備動態，并對工廠生產各個環節的電力設備進行實時跟蹤、無功補償，進而提升工廠供配電系統的無功補償效果，改善其運行質量。

圖3 智能無功補償設備

3.2 改變變壓器運行方式進行節能

當工廠內的變壓器數目多時，可將效率相對較低的變壓器作為備用，并令狀態良好的變壓器并列運行，以提高系統整體的運行效果，此外，可根據工廠內的實際生產用電情況，選擇變壓器的數量，以最低數量的變壓設備滿足工廠用電要求，實現節能降耗與經濟效益的雙贏。

3.3 采用照明能耗綜合管理系統

在工廠實際生產過程中，除生產用電占據大比例之外，工廠照明系統的電量消耗也十分高，因此，可以采用智能化照明能耗管理系統，該系統具有較高的自動化控制水平，能夠控制整個工廠照明生產環節，通過多個設備接口與上級管理計算機進行通信連接，動態監測照明系統運行數據，實現照明能耗綜合管理，安裝照明燈光控制器，含有多種照明模式，白天工作照明模式、中午休息工作照明模式、夜間值班巡查工作照明模式等，系統可以依據實際情況啟動工作照明模式選擇合理數量的照明燈具，達到節能降耗的目的。考慮到系統照明設備數量眾多，結構冗雜，需要增強照明能耗綜合管理系統處理器的配置，完善網絡通訊系統，并配備可靠性較好的電源切換設備。總之，照明能耗綜合管理系統的應用，一定程度上降低了工廠電力能源的消耗量，推動了電廠資源的合理利用[5]。

4 結語

本文在介紹低碳微生態的基礎上，討論了低碳排放下碳排消費指標、碳凈比指標、碳均衡指標等工業供配電系統低碳指標，對低碳排放下工業供配電系統發電側、電網側、負載側等相關內容進行了設計，提出了科學引入無功補償技術、通過變壓器進行節能處理、采用照明能耗綜合管理系統等多項工業供配電系統節能措施，對未來低碳排放下工業供配電系統設計與節能技術的研究具有一定的參考意義。