碳中和背景下配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估分析

夏敏浩，趙萬劍，王 駿

(國網(wǎng)上海市電力公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 223003)

配電網(wǎng)線損率是評價電網(wǎng)企業(yè)運營的一項重要經(jīng)濟指標(biāo)[1]，在電網(wǎng)企業(yè)相關(guān)線路和設(shè)備運行過程中，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)，對于供電企業(yè)提高經(jīng)濟效益起到重要作用。為了降低配電網(wǎng)的能源消耗量，實現(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]，在碳中和背景下對配電網(wǎng)進(jìn)行差異化節(jié)能處理與規(guī)劃。碳中和通過對單位時間產(chǎn)生二氧化碳排放量的測算和抵消，實現(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)對環(huán)境的負(fù)面影響，并提升電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。

隨著國家對能源利用、環(huán)境保護和資源優(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)用之前對節(jié)能降耗潛力進(jìn)行評估。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)能降耗潛力評估方法未考慮用節(jié)電量外其他指標(biāo)評價節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力，最終得出的評估結(jié)果存在一定的片面性，無法為配電網(wǎng)的節(jié)能規(guī)劃工作提供有參考價值的數(shù)據(jù)。為此在現(xiàn)有潛力評估方法的基礎(chǔ)上，對配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期能夠提高評估方法的評估精度，間接地實現(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)能降耗潛力評估方法

配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估是對配電網(wǎng)運行全過程中所有需要投入資源以及有能源消耗的各環(huán)節(jié)所消耗能源的計量。在節(jié)能降耗潛力的評估過程中，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損耗指標(biāo)，并在碳中和背景下制定可行的節(jié)能降耗對策[7]。優(yōu)化設(shè)計的節(jié)能降耗潛力評估流程如圖1所示。按照圖1表示的潛力評估流程，增加評估工作的系統(tǒng)性和可操作性，并得出量化的潛力評估結(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)點無功補償裝置，以減少電網(wǎng)中無功補償裝置，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)對各個元件進(jìn)行連接，得出配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型。

1.2 計算配電網(wǎng)損耗量

主要通過設(shè)備損耗和運行附加損耗2個方面，對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及工作模式的分析。在無節(jié)能降耗情況下，根據(jù)線路的功率因數(shù)計算配電網(wǎng)的實際損耗量[10-11]。在配電網(wǎng)中，為了平衡受電端無功功率需求，通常需要安裝大量的并聯(lián)補償電容來減少系統(tǒng)的無功流量和損耗[12]。對于一些集中上網(wǎng)電源的地區(qū)，為了穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，常常需要串聯(lián)補償電抗，以吸收多余無功。電容和電抗器在穩(wěn)定系統(tǒng)無功潮流的同時，自身會產(chǎn)生一定的有功損耗。結(jié)合電抗器的額定工況損耗，計算元件的瞬間負(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)動方式替換、配電線路改造、元件替換、運行電壓控制等方式，實現(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

按照圖3表示的碳中和原理，可以采取無功補償?shù)姆绞?，實現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能降耗[14-15]。配電網(wǎng)無功負(fù)荷優(yōu)化補償包括最優(yōu)補償容量的確定和補償容量的優(yōu)化分配2個方面。通過有功損耗與無功補償?shù)闹泻停嬎愎?jié)能配電網(wǎng)的實際能源消耗量。針對配電網(wǎng)中的不同位置上元件和節(jié)點的工作方式，選擇不同的節(jié)能降耗方式，通過差異性規(guī)劃，保證配電網(wǎng)的運行穩(wěn)定。

1.4 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估指標(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)置潛力評估指標(biāo)[16]。綜合以上潛力評價內(nèi)容，在遵循安全性、相對獨立性、客觀性的原則下，設(shè)定具體的潛力評價指標(biāo)。部分指標(biāo)設(shè)置情況見表1。

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

表1表示的潛力評估指標(biāo)中線損率是根據(jù)電能表抄表電量值運算得出的，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，實際運行電壓的累計供電量與相應(yīng)的總供電量之比，描述了供電電壓質(zhì)量的概念[17]?？傮w電壓合格率計算公式為：

(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分別為待評價配電網(wǎng)線路在單位時間內(nèi)的平均負(fù)荷和最高負(fù)荷，而∑S和∑P對應(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)能降耗潛力評估指標(biāo)的量化計算結(jié)果，然而由于不同的指標(biāo)計算中代入的數(shù)據(jù)格式不同。因此，得出的最終指標(biāo)計算結(jié)果的格式存在部分差異，在實際的指標(biāo)計算過程中，需要對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理[19]，在數(shù)據(jù)處理完成的情況下，按照各指標(biāo)的計算公式得出評估指標(biāo)的量化結(jié)果。

1.5 求解評估指標(biāo)權(quán)重

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

(4)

式中，gj為設(shè)置評估指標(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指標(biāo)權(quán)重的求解，并標(biāo)記給設(shè)置的評估指標(biāo)。

1.6 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估

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

(5)

式中，Δxj為配電網(wǎng)節(jié)能降損措施實施前后評估指標(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)能降耗潛力綜合評估結(jié)果[20]。若εc取值大于0.9，說明當(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 試驗分析

由于配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力的評估精度無法通過數(shù)據(jù)的方式直接測試。因此，為驗證設(shè)計潛力的評估性能，設(shè)計應(yīng)用試驗，即將設(shè)計的節(jié)能降耗潛力評估方法應(yīng)用到實際的配電網(wǎng)節(jié)能降耗規(guī)劃工作中，通過對最優(yōu)節(jié)能降耗方案的選取，證明設(shè)計潛力評估方法的應(yīng)用價值。

2.1 配電網(wǎng)項目概況

試驗選擇某市城區(qū)10 kV區(qū)域配電網(wǎng)為研究對象，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臺配變設(shè)備，總配電容量為678 365 kVA，從物理性質(zhì)方面來看，配電網(wǎng)的線路總長度為32.775 km。其中，電纜、架空線以及主干線的長度分別為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。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，補償容量為7 200 kVA。在此次試驗中選擇該配電網(wǎng)中的8條典型線路作為具體研究對象，分別從無功補償潛力和綜合降損潛力2個方面進(jìn)行降損潛力評價，將研究對象線路用英文字母來標(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

為了實現(xiàn)最佳降損效益，需要對配電網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能改造。試驗中，針對配電線路，制定了6個常見的節(jié)能措施的實現(xiàn)方式。節(jié)能改造方案Ⅰ為調(diào)整電壓改造方案，即按照時間順序降低配電網(wǎng)線路的首端電壓。節(jié)能改造方案Ⅱ為更換導(dǎo)線方案。無功補償改造方案的內(nèi)容是在負(fù)荷中心選擇2個補償點，進(jìn)行最優(yōu)固定、分組投切綜合無功補償，記為方案Ⅲ。方案Ⅳ對應(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)荷波動改造方案。

2.3 試驗量化測試指標(biāo)

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

lossi=γL×t

(6)

式中，t為配電網(wǎng)的運行時間。

在試驗測試和計算過程中主要代入的是試驗測試時間。另外經(jīng)濟效益的量化測試指標(biāo)為區(qū)域損耗費用，具體包括電費和元件更新費用，可以通過對配電網(wǎng)公司管理數(shù)據(jù)的調(diào)取，直接得出測試結(jié)果，統(tǒng)計得出的損耗費用越高，說明當(dāng)前配電網(wǎng)差異化節(jié)能損耗方案的經(jīng)濟效益越差。

2.4 試驗過程與結(jié)果分析

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

表2 配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估結(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)能降耗潛力綜合評估值最低，節(jié)能改造方案Ⅲ的節(jié)能降耗潛力綜合評估值更高，方案Ⅲ具有更高的節(jié)能降耗效果。

3 現(xiàn)場應(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，該區(qū)域擁有10 kV線路125回，共計68 km。試驗區(qū)域配電網(wǎng)現(xiàn)場如圖5所示。

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

為了驗證評估方法選出的最佳方案的性能，選擇A—H共計8條線路最為試驗對象，將8條試驗線路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)實際消耗情況，判斷本文評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)合上述公式計算，線損量的對比結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，通過節(jié)能降耗改造方案在實際配電網(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，實際配電網(wǎng)的平均值消耗量約降低10 W。另外，通過經(jīng)濟管理數(shù)據(jù)的調(diào)取，得出多種方案的經(jīng)濟效益測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 配電網(wǎng)節(jié)能降耗方案經(jīng)濟效益對比結(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)能降耗潛力評估方法選取的方案的損耗費用更低，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)域損耗費用，說明該方案的節(jié)能降耗效果更佳，本文提出配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力評估方法具有一定應(yīng)用意義。

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

4 結(jié)語

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)備運用于配電網(wǎng)發(fā)展環(huán)節(jié)，通過調(diào)整、改進(jìn)設(shè)備運行參數(shù)，節(jié)能配電網(wǎng)的能源消耗，達(dá)到全面提高社會經(jīng)濟效益的目的。通過配電網(wǎng)差異化節(jié)能降耗潛力評估方法的設(shè)計與應(yīng)用，選擇最優(yōu)的配電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)改造方案，達(dá)到對配電網(wǎng)節(jié)能降損空間的實際指導(dǎo)意義。