碳中和背景下配电网差异化节能降耗潜力评估分析

2022-08-02夏敏浩赵万剑

能源与环保 2022年7期

夏敏浩，赵万剑，王骏

(国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 223003)

配电网线损率是评价电网企业运营的一项重要经济指标[1]，在电网企业相关线路和设备运行过程中，使得大量电能能源被消耗[2]。因此，线损率和能源消耗量是配电网的重要考核指标，对于供电企业提高经济效益起到重要作用。为了降低配电网的能源消耗量，实现配电网节能，电力企业需采取更加有力的政策和措施[3]，在碳中和背景下对配电网进行差异化节能处理与规划。碳中和通过对单位时间产生二氧化碳排放量的测算和抵消，实现二氧化碳的零排放[4]。将碳中和理念应用到配电网的差异化节能处理工作中，最大限度地降低配电网对环境的负面影响，并提升电力企业的经济效益。

随着国家对能源利用、环境保护和资源优化配置的关注，节能降耗技术需要被加以重视[5]。电力节能降耗成为国家发展的必要内容[6]。为了提高配电网差异化节能降耗效果，需要在节能技术应用之前对节能降耗潜力进行评估。节能降耗潜力是在满足相同需求或目标的条件下，减少能源消耗量的能力。目前配电网节能降耗潜力评估方法未考虑用节电量外其他指标评价节能技术的节能潜力，最终得出的评估结果存在一定的片面性，无法为配电网的节能规划工作提供有参考价值的数据。为此在现有潜力评估方法的基础上，对配电网差异化节能降耗潜力评估方法进行优化设计，以期能够提高评估方法的评估精度，间接地实现配电网差异化节能降耗效果。

1 配电网差异化节能降耗潜力评估方法

配电网差异化节能降耗潜力评估是对配电网运行全过程中所有需要投入资源以及有能源消耗的各环节所消耗能源的计量。在节能降耗潜力的评估过程中，需要摸清配电网当前的能源消耗情况，在此基础上分析典型线路的各项损耗指标，并在碳中和背景下制定可行的节能降耗对策[7]。优化设计的节能降耗潜力评估流程如图1所示。按照图1表示的潜力评估流程，增加评估工作的系统性和可操作性，并得出量化的潜力评估结果。

1.1 构建配电网等值电路模型

配电网络节能方案主要的目的是为了降低电网中线路和变压器的损耗，在负荷较大时更换大截面导线、更换低损配变以降低电网中导线、设备的电阻，或者采用关键节点无功补偿装置，以减少电网中无功补偿装置，减少导线或配电设备的发热，降低导线或配电设备损耗，从而实现节能降损[8]。配电网中的网损主要是由各种电压等级的变压器、输配电线路自身阻抗引起的发热，电网节能主要是减少变压器及线路的发热量。减少电力传送中的发热损耗，是降低网损的关键[9]。配电网线路和变压器的等效电路如图2所示。

图2 配电网等值电路Fig.2 Equivalent circuit diagram of distribution network

同理可以得出配电网其他组成元件的等值电路，并按照配电网的空间结构对各个元件进行连接，得出配电网结构模型。

1.2 计算配电网损耗量

主要通过设备损耗和运行附加损耗2个方面，对配电网结构及工作模式的分析。在无节能降耗情况下，根据线路的功率因数计算配电网的实际损耗量[10-11]。在配电网中，为了平衡受电端无功功率需求，通常需要安装大量的并联补偿电容来减少系统的无功流量和损耗[12]。对于一些集中上网电源的地区，为了稳定系统电压，常常需要串联补偿电抗，以吸收多余无功。电容和电抗器在稳定系统无功潮流的同时，自身会产生一定的有功损耗。结合电抗器的额定工况损耗，计算元件的瞬间负荷电流和额定电流[13]。因此，配电网损耗量总和包括：配线有功损耗、变压器元件的有功损耗、额定空载损耗、短路损耗、电容器和电抗器损耗以及运行附加损耗等多种损耗。

1.3 配电网差异化碳中和节能降耗方式

在碳中和背景下，采用配电网驱动方式替换、配电线路改造、元件替换、运行电压控制等方式，实现配电网的节能降耗。配电网的碳中和节能降耗原理如图3所示。

图3 配电网的碳中和节能降耗原理Fig.3 Principles of carbon neutral energy saving and consumption reduction in distribution network

按照图3表示的碳中和原理，可以采取无功补偿的方式，实现配电网的节能降耗[14-15]。配电网无功负荷优化补偿包括最优补偿容量的确定和补偿容量的优化分配2个方面。通过有功损耗与无功补偿的中和，计算节能配电网的实际能源消耗量。针对配电网中的不同位置上元件和节点的工作方式，选择不同的节能降耗方式，通过差异性规划，保证配电网的运行稳定。

1.4 配电网差异化节能降耗潜力评估指标

在考虑当前配电网的工作方式以及差异化节能降耗方案的情况下，设置潜力评估指标[16]。综合以上潜力评价内容，在遵循安全性、相对独立性、客观性的原则下，设定具体的潜力评价指标。部分指标设置情况见表1。

表1 配电网差异化节能降耗潜力评估指标设置Tab.1 Differentiated energy saving and consumption reduction potential evaluation index setting of distribution network

表1表示的潜力评估指标中线损率是根据电能表抄表电量值运算得出的，损耗电量与供电量的比率。其中，损耗电量等于供电量的差值，其值越小越好。线路损耗率计算公式：

(1)

式中，Eg和Es分别为配电网线路的供电量和售电量。

综合电压合格率指标表示在满足电压要求的情况下，实际运行电压的累计供电量与相应的总供电量之比，描述了供电电压质量的概念[17]。总体电压合格率计算公式为：

(2)

式中，Qy和Q′y分别为电压的超限量和总供电量。

由此可以得出线路负荷率指标和线路容载比指标的量化结果：

(3)

式中，PL和Pmax分别为待评价配电网线路在单位时间内的平均负荷和最高负荷，而∑S和∑P对应的是变压器元件的总容量和供电总负荷[18]。

同理，可以得出表1中其他节能降耗潜力评估指标的量化计算结果，然而由于不同的指标计算中代入的数据格式不同。因此，得出的最终指标计算结果的格式存在部分差异，在实际的指标计算过程中，需要对指标进行无量纲化处理[19]，在数据处理完成的情况下，按照各指标的计算公式得出评估指标的量化结果。

1.5 求解评估指标权重

采用熵权法进行指标权重的求解计算：

(4)

式中，gj为设置评估指标的差异系数；m为构建指标体系中的指标数量。

按照上述流程完成对指标权重的求解，并标记给设置的评估指标。

1.6 配电网差异化节能降耗潜力评估

综合设置的所有潜力评估指标，可以得出最终的量化评估结果，可以表示为：

(5)

式中，Δxj为配电网节能降损措施实施前后评估指标的差值。

将相关数据代入到式(5)中，得出配电网差异化节能降耗潜力综合评估结果[20]。若εc取值大于0.9，说明当前配电网具有较优的节能降损潜力，εc取值区间在[0.6，0.9]、[0.3，0.6]，分别表示配电网的节能降损潜力为良好、一般；而εc计算结果小于0.3，证明配电网的节能降损潜力较差。

2 试验分析

由于配电网差异化节能降耗潜力的评估精度无法通过数据的方式直接测试。因此，为验证设计潜力的评估性能，设计应用试验，即将设计的节能降耗潜力评估方法应用到实际的配电网节能降耗规划工作中，通过对最优节能降耗方案的选取，证明设计潜力评估方法的应用价值。

2.1 配电网项目概况

试验选择某市城区10 kV区域配电网为研究对象，该配电网的基本结构如图4所示。该配电网中共包含1 677台配变设备，总配电容量为678 365 kVA，从物理性质方面来看，配电网的线路总长度为32.775 km。其中，电缆、架空线以及主干线的长度分别为5.277、14.283、13.215 km。配电系统额定电压38 kV，有载调压档位6个。在低电压侧设有14条10 kV线路。在10 kV母线上安装有3组电容，补偿容量为7 200 kVA。在此次试验中选择该配电网中的8条典型线路作为具体研究对象，分别从无功补偿潜力和综合降损潜力2个方面进行降损潜力评价，将研究对象线路用英文字母来标记。

图4 配电网拓扑结构Fig.4 Topology of distribution network

2.2 初始配电网节能改造方案

为了实现最佳降损效益，需要对配电网进行节能改造。试验中，针对配电线路，制定了6个常见的节能措施的实现方式。节能改造方案Ⅰ为调整电压改造方案，即按照时间顺序降低配电网线路的首端电压。节能改造方案Ⅱ为更换导线方案。无功补偿改造方案的内容是在负荷中心选择2个补偿点，进行最优固定、分组投切综合无功补偿，记为方案Ⅲ。方案Ⅳ对应的是更新高损配变，也就是用新型节能配变取代全线高损配变。另外，方案Ⅴ和Ⅵ分别为减小供电半径改造方案和抑制负荷波动改造方案。

2.3 试验量化测试指标

此次试验分别从实际配电网消耗量和经济效益2个方面进行测试。其中，设置配电网消耗量的测试指标为线损量。根据式(6)可以计算出研究线路的线损率，则线损量的计算结果可以表示为：

lossi=γL×t

(6)

式中，t为配电网的运行时间。

在试验测试和计算过程中主要代入的是试验测试时间。另外经济效益的量化测试指标为区域损耗费用，具体包括电费和元件更新费用，可以通过对配电网公司管理数据的调取，直接得出测试结果，统计得出的损耗费用越高，说明当前配电网差异化节能损耗方案的经济效益越差。

2.4 试验过程与结果分析

利用设计的配电网差异化节能降耗潜力评估方法对制定的初始配电网节能改造方案进行潜力评估，得出综合量化评估结果见表2。

表2 配电网差异化节能降耗潜力评估结果Tab.2 Evaluation results of differentiated energy conservation and consumption reduction potential of distribution network

从表2中可以直观地看出，综合8个配电网线路及线路元件，节能改造方案Ⅳ的节能降耗潜力综合评估值最低，节能改造方案Ⅲ的节能降耗潜力综合评估值更高，方案Ⅲ具有更高的节能降耗效果。

3 现场应用

将具有更高节能降耗效果的改造方案Ⅲ应用到实际的配电网改造工作中。选择本市某居民区配电网进行试验，该区域拥有10 kV线路125回，共计68 km。试验区域配电网现场如图5所示。

图5 试验区域配电网现场Fig.5 Field diagram of distribution network in experimental area

为了验证评估方法选出的最佳方案的性能，选择A—H共计8条线路最为试验对象，将8条试验线路5月1—30日的线损量数据作为标准，在6月1—30日应用节能降耗改造方案，根据节能改造前后配电网实际消耗情况，判断本文评估方法选出的最佳方案是否具有节能降耗的优越性能。结合上述公式计算，线损量的对比结果如图6所示。

从图6中可以看出，通过节能降耗改造方案在实际配电网中的应用，节能降耗改造方案能够在一定程度上降低配电网线路的实际线损量。应用节能方案Ⅲ能够将线损量控制在5 W以下，与未应用节能方案的8条线路相比，实际配电网的平均值消耗量约降低10 W。另外，通过经济管理数据的调取，得出多种方案的经济效益测试结果如图7所示。