考虑合同能源管理的配网低碳优化及经济效益

许文秀，黄柯，张立斌，吕科

(1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京市 100055；2.国网节能服务有限公司，北京市 100052)



考虑合同能源管理的配网低碳优化及经济效益

许文秀1，黄柯2，张立斌1，吕科1

(1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京市 100055；2.国网节能服务有限公司，北京市 100052)

中低压配电网是电力系统的重要组成部分，其损耗占整个电网损耗的50%左右，为此引入效益分享型合同能源管理机制，建立了配网节能低碳优化模型，采取了更换高效变压器、增加10 kV线路无功补偿、更换配网线路导线等低碳优化措施。结合某地区配电网运行现状实例计算，证明了基于合同能源管理的配电网低碳优化模式能有效地降低配电网损耗，提高电能质量和可靠性，且具有很好的节能效益，适于大范围的推广。

配电网；低碳；节能降损；合同能源管理；效益分析

0 引 言

节能是与煤炭、石油、天然气、电力同等重要的“第五能源”。节能的根本在于提高能源利用效率，在能源利用过程中减少能源浪费[1-5]。中低压配电网是电网的重要组成部分，当前我国的配电网还存在着电源点少、线路供电半径大、升级改造面低，配变容量不足、供电线径较细、综合调压能力弱，无功电源建设滞后、无功容量配置不足、感性负荷较多，从而造成低电压、低功率因数问题[6-10]。这些原因使得线损率较高，直接导致其损耗占整个电网损耗的50%左右。因此针对配电网存在的问题，研究具有可实施性的节能降损显得至关重要。

与此同时，国内外学者对配电网节能低碳的研究进行了众多研究。主要有：(1)传统配电网节能思路主要集中在单个技术层面上，如更改新型节能变压器[11]、无功补偿优化[12]、降低理论线损计算[13]；(2)综合降损措施主要有规划决策方法、指标体系、节能潜力系统开发等[14-17]。相比之下，节能降损方法也是各有成效，但偏于理论分析和微网范围，缺乏大范围商业运行应用。

为此，本文在当前研究基础上，将合同能源管理机制引入配电网节能低碳优化，在节能量计算上采用企业通用规范。通过对配电网的综合分析，对系统中的关键环节：变电站、线路、台区以及0.4 kV配电系统的电能补偿设备的运行参数进行调制，全面改善配电网供电质量，降低配电网的损耗，有效解决低电压、低功率因数等问题，提高整体能效水平。

1 合同能源管理类型

合同能源管理(energy management contracting，EMC)是以减少的能源费用来支付节能项目成本的一种新型的市场化节能机制[18]。节能服务公司(energy services company，ESCO)与客户用能单位以契约形式约定节能项目的节能目标，节能服务公司为实现节能目标向用能单位提供必要的服务，用能单位以节能效益支付节能服务公司的投入及其合理利润的节能服务机制。根据业务方式，合同能源管理主要分为节能效益分享型、节能量保证型、能源费用托管型等类型。由于我国目前对合同能源管理的财政、税收以及金融等优惠政策仅限于节能效益分享型，因此，引入该机制并重点对其分析。

节能效益分享型合同能源管理项目实施过程能源费用分配如图1所示。该项目的能源审计、项目设计、工程施工、设备采购、安装调试、人员培训、节能量确认等费用由节能服务公司支付，用能单位无需投入资金。在合同期内，节能服务公司与用能单位分享项目产生的节能效益，并由此收回投资，取得合理利润。合同期满后，设备和节能效益全部归用能单位所有。该模式适用于诚信度很高的企业。

图1 节能效益分享型合同能源管理项目能源费用分配图Fig.1 Energy cost allocation of energy management contract project based on energy-saving benefit sharing

2 配电网节能降损效益模型构建

2.1 节能量计算模型

节能量是合同能源管理投资收益的主要来源，能源服务公司、用能单位、设备销售商以及金融机构均需依靠其所实施或投资的技术和设备创造的“节能量”来取得投资收益。

本文以最大限度地减少系统无功功率的传输损耗为目标，选取系统中损耗较高且节能量能计算的环节(如变电站、线路、配电台区及0.4 kV配电)，按照“分级补偿、就地平衡”的策略，给出综合治理方案，提高输配电设备的工作效率。

2.1.1 更换高效变压器节能优化

根据Q/GDW 11035—2013《变压器更换节约电力电量与验证规范》[19]，更换配电变压器节电量为

(1)

变压器节能改造中同时进行变压器增容时，P0、Pk应采用同系列、增容后的变压器参数。

2.1.2 10 kV线路无功补偿节能优化

无功功率补偿装置在供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。合理选择补偿装置，可以做到最大限度减少网络的损耗，使电网质量提高。根据Q/GDW 11036—2013《并联无功补偿装置节约电力电量与验证规范》[20]，无功补偿装置年节约电量为

Δ(ΔE)=(QCC-QCtanδ)τmax

(2)

式中：QC为无功补偿装置补偿容量，kvar；C为无功经济当量，kW/kvar，配电变压器无功经济当量取值范围为0.08～0.10，按0.09取值(变电取0.06)； tanδ为无功补偿装置损耗率，电容器的介质损耗角正切值，kW/kvar,按0.000 8取值(变电取0.000 6)；τmax为最大负荷损耗小时数，居民类用户为1 000 h，二班制工业用户或商业用户为2 500～4 000 h。

2.1.3 更换线路导线节能优化

根据Q/GDW 11039—2013《电力线路增容改造节约电力电量与验证规范》[21]，线路更换导线年节约电量为

(3)

式中：Δ(ΔEL)为改造后线路节电量，kW·h；ΔEL为改造后的线路输送损耗电量，kW·h；R为改造前导线电阻，Ω；R′为改造后导线电阻，Ω。

2.2 节能收益计算模型

年节电收益为

ΔDp=Δ(ΔE)Q

(4)

式中：ΔDp为年节能效益，万元；Q为电价，元/ ( kW·h)。

节约标煤量为

ΔBp=Δ(ΔE)×3.3/10000

(5)

式中：ΔBp为年节能量折合标煤，万t；3.3/10 000为国家发改委2013年规定电力折标煤系数等价值。

减排CO2量为

ΔCp=ΔBp×2.7

(6)

式中：ΔCp为标煤折合CO2排放量，万t；2.7为标煤CO2排放因子。

3 算例分析

3.1 建设思路

选取某地区配网节能项目进行实证分析。通过资料收集、分析发现：该区域电网变压器大部分是S9型高损变压器，配电网重过载、高损耗运行现象普遍，线路“卡脖子”问题突出，特别是农村配电网，发展相对滞后，供电半径大，台区损耗高，“三率”(供电可靠率、电压合格率、线路跳闸率)问题亟待解决。具体选取原则为：

(1)配电变压器节能优化项目。该区域运行的公用配变40%为1998年一期农网改造阶段投入运行的S9型配变，高损耗运行情况明显。现结合实际情况，将境内S9型运行年限10年以上、平均负载率超60%的综合配变更换为相对容量较大的节能变压器，配变负载率及空载损耗可大幅降低，节能潜力较大。经预测，S9型平均负载率超60%的共27台。

(2)10 kV线路无功补偿节能优化项目。根据国家电网公司有关技术标准，结合区域内10 kV及以下配电网实际情况，按照无功补偿以“10 kV线路补偿为辅”的原则，对供电电压质量、功率因数不达标的低压台区和配电线路加装自动无功补偿装置。本项目对功率因数低于0.90、供电半径超过5 km、末端及分支负荷集中的10 kV配电线路，安装线路自动无功补偿装置。

(3)10 kV线路节能改造项目。将区域内运行时间超15年、负载率超80%、线损率超7%的10 kV线路更换大截面导线，主干由原10 kV线路LGJ-50 mm2、LGJ-70 mm2截面导线更换为JKLGYJ-10-240 mm2绝缘导线，分支由原LGJ-35 mm2、LGJ-50 mm2截面导线更换为JKLGYJ-10-150 mm2导线，总长132.28 km，以降低线路损耗，达到节能效果。

(4)0.4 kV线路节能改造项目。计划将区域内负载率超80%、线损率超10%的0.4 kV线路更换为大截面导线，主干由原0.4 kV LGJ-35 mm2导线更换为JKLGYJ-0.4-120 mm2绝缘导线，分支由原LGJ-25 mm2更换为JKLGYJ-0.4-95 mm2绝缘导线，总长57.275 km。

3.2 年节能量计算结果

选取该地区配电网基础数据，按式(1)～(3)对各分区理论年节能潜力数据进行测算，其结果如表1所示。

表1 年节能量计算结果

Table 1 Calculation result of average quantity of energy saving

由表1可知，本项目可以减少变电站主变、10 kV配电线路和配电变压器、0.4 kV配电线路的电能损耗，预计年节能量1 986.09 万kW·h，折合标准煤6.554 万t，减排CO217.70 万t；由设备市场询价和配网概算规定得知，预计总投资为5 016 万元。

3.3 系统运行效果对比

选取其中典型工程子项目进行运行效果对比，其结果如图2所示。

图2 功率因数提升对比Fig.2 Power factor enhancing contrast analysis

由图2可知：(1)设备投入运行后，平均功率因数从0.82提升到0.95，最大提升至0.98。(2)设备投入运行后，低压线路平均提升20.6 V，最大提升28.3 V；电压不平衡平均降低10.32%，最大降低16.58%。

3.4 投资效益计算分析

本次主要在用户侧进行节能改造，节约电能以解决各区域的“卡脖子”问题为主，因此选择平均销售电价作为计算电价(10 kV电价为0.693元/(kW·h)，0.4 kV电价为0.512元/(kW·h))；分享比例约定为节能服务公司分享90%的项目节能效益，客户用能单位分享10%的项目节能效益；合同期满后，不考虑固定资产残值，且全部转移给用能单位。综合前面的分析得出效益分享期为7年为双方最优状态，其计算结果如表2所示。

表2 效益计算结果

Table 2 Calculation result of benefit

同时得出，本项目实施后总投资收益率8.07%，动态投资回收期5.79 年。通过上述分析可得，基于效益分享型合同能源管理的配网节能降损优化可以有效降低电网损耗，高效回收投资成本。

4 结 论

(1)运用S13变压器取代S9硅钢片铁心变压器投网运行可取得较好的节能效果，特别适用于电能不足和负荷波动大以及难以进行日常维护的地区。并且由于采用全密封结构，绝缘油和绝缘介质不受大气污染，因而可在潮湿的环境中运行，是城市和农村广大配电网络中理想的配电设备。

(2)对线路进行无功补偿，可有效提高功率因数、提高电压合格率和供电可靠率、降低三相不平衡率和线损率，在提高电网效益的同时，可进一步提升电网企业优质服务水平，增加客户满意度。

(3)线路损耗是电流通过有电阻的导线造成的有功功率损耗，与线路中电流的平方、单位长度电阻及线路长度成正比关系，所以在线路负荷状况及线路长度不变的情况下，采用单位长度电阻更低的导线可有效降低线路损耗。

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(编辑：蒋毅恒)

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

许文秀(1986)，女，硕士，中级经济师，从事电力工程投资经济、电网节能减排方面的工作；

黄柯(1983)，男，硕士，工程师，从事电网降损节能技术研究与应用方面的工作；

张立斌(1981)，男，学士，工程师，从事变电站设计、分布式光伏发电研究咨询方面的工作；

吕科(1984)，女，学士，中级经济师，从事电力工程造价方面的工作。