低碳發(fā)展戰(zhàn)略下的配電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用和研究

深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 于嘉敏

推動(dòng)社會(huì)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)全球性的共識(shí)，中國(guó)政府在2020年9月第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重承諾，2030年中國(guó)的CO2排放力爭(zhēng)達(dá)到峰值、2060年?duì)幦∵_(dá)到碳中和。碳中和是指在特定的時(shí)間里，產(chǎn)生的二氧化碳排放量與吸收量平衡。以碳中和為主要目的，既能有效地應(yīng)對(duì)全球氣候變化，又能促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化，是一個(gè)關(guān)乎全球能源安全與人類前途的重大課題。作為連接能源生產(chǎn)與消費(fèi)的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，它將在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)導(dǎo)向的能源轉(zhuǎn)變中扮演著重要角色，并擔(dān)負(fù)起主要的減排職責(zé)。

例如，在能源供應(yīng)上，電力系統(tǒng)將會(huì)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，從而有效地減少高碳排放的能源。在能源消費(fèi)上，城市交通、綠色建筑、工業(yè)制造等工業(yè)的電氣化水平不斷提高，各種形式的碳排放最終通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)傳輸和采集。另外，能源效率提高、電-氣-熱多能互補(bǔ)等許多公司都把電能作為能源轉(zhuǎn)化和利用的基礎(chǔ)，而電力系統(tǒng)則是能源一體化技術(shù)的核心。這些積極的發(fā)展與“以新能源為主的新能源系統(tǒng)”的發(fā)展方向是一致的，它將推動(dòng)“清潔、低碳、安全高效”的發(fā)展。

1 碳中和與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，一般采用峰值負(fù)荷預(yù)測(cè)法來(lái)決定輸配電站的容量和位置，再按照設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針和經(jīng)濟(jì)原理，對(duì)各站的供電線路進(jìn)行分配?！伴]環(huán)建設(shè)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”是一種典型的放射狀結(jié)構(gòu)，而且通常僅考慮最小的投入和運(yùn)行費(fèi)用，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃一般都是由上而下的方式進(jìn)行。

考慮到碳排放限制的智能配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，除考慮到變電站、架空線路或電纜、無(wú)功補(bǔ)償裝置選址、容量及設(shè)計(jì)的優(yōu)化之外，還應(yīng)考慮到更多的問(wèn)題[1]。它不僅包含了許多關(guān)系，例如源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)等，還因?yàn)槔嫦嚓P(guān)者的不同使其越來(lái)越復(fù)雜。碳排放約束也有助于將不同的計(jì)劃元素進(jìn)行規(guī)范化分配，下面將詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。同時(shí)，由于“碳約束”機(jī)制的本地化和資源要素的分配，使得規(guī)劃思路走向“自下而上”，更為平坦的結(jié)構(gòu)將是關(guān)鍵，配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是制訂發(fā)展戰(zhàn)略的重要先決條件。

在配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃當(dāng)中，不管是在土地利用、電廠規(guī)劃、布線等方面，還是在零碳規(guī)劃的基礎(chǔ)上，都進(jìn)行了全面的規(guī)劃。主要技術(shù)路線有：一是確定上級(jí)電力系統(tǒng)的最大傳輸能力，確定規(guī)劃期間的配網(wǎng)碳減排指標(biāo)，并且對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行負(fù)荷分析，確定新能源的強(qiáng)度；二是以具有一定規(guī)模的集散集散中心作為“碳中和區(qū)”，逐步擴(kuò)展與周圍負(fù)荷的聯(lián)系，形成一個(gè)配電網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各要素的優(yōu)化配置；三是“碳中和區(qū)”與附近的發(fā)電站連接，為它提供了電力供應(yīng)和供電，且在每一個(gè)“碳中和區(qū)”間還可使用一個(gè)智能軟開(kāi)關(guān)（Software,SOP），形成了就地消納、大面積靈活接駁的新型配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展模式。

然而，基于現(xiàn)有的碳中和技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的碳中和技術(shù)進(jìn)行改造將會(huì)受到極大的限制。例如，由于缺少政策導(dǎo)向和收益調(diào)節(jié)，使得電力系統(tǒng)的安裝運(yùn)營(yíng)混亂現(xiàn)象更加突出，很難達(dá)到與新能源相匹配的最優(yōu)匹配；原有的城市職能分區(qū)會(huì)造成電力需求的不同，單純的集中、填埋式發(fā)展，使得新的設(shè)施布局很難容納新的設(shè)施，“碳中和區(qū)”的劃分與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的矛盾等。但它也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是除為電動(dòng)汽車充電外，現(xiàn)有的電源系統(tǒng)將會(huì)在某種程度上增加負(fù)載。工業(yè)、商業(yè)、住宅用電功率基本保持不變，其性能的預(yù)報(bào)和分析也將更為精確。因此，在現(xiàn)有的城市電網(wǎng)碳中和技術(shù)改造的基礎(chǔ)上，探討一條經(jīng)濟(jì)、切實(shí)可行的技術(shù)路線，不僅要使宏觀規(guī)劃與協(xié)調(diào)統(tǒng)一，而且要在微觀層面上靈活運(yùn)用具體的戰(zhàn)略。

2 零碳配電房的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)實(shí)施方案

2020年9月習(xí)近平在聯(lián)合國(guó)第75屆會(huì)議上提出，中國(guó)要加強(qiáng)政府指標(biāo)的投入，并實(shí)施更為有力的政策，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。碳達(dá)峰與碳中和是一項(xiàng)積極的措施，以解決氣候變化。全球變暖是人類面臨的一個(gè)共同挑戰(zhàn)，我國(guó)提出“雙碳”遠(yuǎn)景和目標(biāo)，是一個(gè)發(fā)展中大國(guó)對(duì)全人類的責(zé)任，是我們國(guó)家社會(huì)責(zé)任的表現(xiàn)。

碳達(dá)峰與碳中和也是保證能源安全的必要手段。能源是國(guó)家的基礎(chǔ)和基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的生命線。大力發(fā)展可再生能源的可替代性活動(dòng)，加強(qiáng)電力開(kāi)發(fā)、加速實(shí)施清潔能源供應(yīng)和能源消費(fèi)，是降低對(duì)外依存度、維護(hù)能源安全的重要手段?！半p碳”目標(biāo)的提出，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展提供了指導(dǎo)，碳達(dá)峰與碳中和是促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

第一，將風(fēng)、光、儲(chǔ)、用一體化應(yīng)用于配電網(wǎng)。傳統(tǒng)的一體化微電網(wǎng)技術(shù)是將風(fēng)能、太陽(yáng)能等非碳清潔能源轉(zhuǎn)換成電力，再由儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微網(wǎng)的一部分來(lái)儲(chǔ)存和提供電力，以清潔能源的生產(chǎn)和消費(fèi)為主要目的。這項(xiàng)研究的目的是將風(fēng)能、太陽(yáng)能、儲(chǔ)和用的微型電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，除了利用傳統(tǒng)的技術(shù)計(jì)劃來(lái)制造和消耗潔凈的能源之外，其主要目的是利用大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)來(lái)追蹤電力的輸出。終端負(fù)載曲線是一種有效的能量吸收與輸送，能夠有效地降低配電變壓器電源端負(fù)載的峰值和峰值，這項(xiàng)研究旨在減少電網(wǎng)中的碳排放，包括本地清潔能源的生產(chǎn)和消費(fèi)，減少電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差異，拉平區(qū)域的功率分布曲線，進(jìn)而提高電網(wǎng)的容量，降低功耗。

第二，實(shí)現(xiàn)能源管理的智慧化。在配電系統(tǒng)的供電端，結(jié)合清潔能源、太陽(yáng)能、儲(chǔ)能等清潔能源及集成的微電網(wǎng)，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能管理達(dá)到峰谷調(diào)節(jié)的目的。實(shí)現(xiàn)綠色能源的就地生產(chǎn)，減少電力系統(tǒng)的負(fù)荷。負(fù)荷峰谷差可以使地區(qū)的功率曲線變得平滑，提高系統(tǒng)的容量，降低網(wǎng)絡(luò)的損失，從而降低系統(tǒng)的碳排放量，達(dá)到綠色能源、低碳利用和智能化控制建筑的目的。

第三，對(duì)零碳的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證系統(tǒng)的研究。采用智能化能源管理平臺(tái)，建立了零能耗配電板的年度能效和二氧化碳排放模型，并與全年的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行比較，零碳排放的可調(diào)節(jié)的海綿型配電房，為今后的推廣應(yīng)用提供參考。

第四，開(kāi)展對(duì)電力的有益探索。采用“光、儲(chǔ)、用一體化”、“配電+充電”、“峰谷電價(jià)差異化”等方式，實(shí)現(xiàn)了“虛擬發(fā)電廠”和“供電分區(qū)”，對(duì)地區(qū)用戶的用電量進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，從而提高了電網(wǎng)的運(yùn)行效率。就分配+充電站技術(shù)而言，充電器的設(shè)計(jì)主要圍繞著配電室，這樣可以縮短充電器的充放電路徑，減少系統(tǒng)的損失。另外，利用V2G（車到網(wǎng)）技術(shù)，在高負(fù)載的電網(wǎng)中，將未使用的電動(dòng)車臨時(shí)向電網(wǎng)銷售。

2.2 技術(shù)實(shí)施方案

第一，配電室的綠化建筑設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的綠色建筑設(shè)計(jì)方法多采用立體造景、自然通風(fēng)、保溫隔熱、綠色建材、無(wú)碳能源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)再生資源的充分利用，減少不可再生資源的使用。在本研究中的綠色建筑設(shè)計(jì)中，除常規(guī)的減量一次性和增加可再生方式之外，還將利用光伏系統(tǒng)、建筑和照明系統(tǒng)、垃圾和固體回收相結(jié)合，通過(guò)對(duì)機(jī)房設(shè)備布局、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)需求的分析，優(yōu)化配電室建筑布局，降低建筑照明用電等能耗，使配電室室內(nèi)照明、監(jiān)控設(shè)施、通風(fēng)系統(tǒng)、維護(hù)和服務(wù)100%清潔能源，同時(shí)減少碳排放，提高CO2的吸收率。該方案通過(guò)將多余的非碳能源作為電力系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，降低電力供應(yīng)端的能量消耗，對(duì)供、配電裝置的運(yùn)行損失進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到零碳排放的目的。

第二，裝配式配電房設(shè)計(jì)。本文結(jié)合當(dāng)前土建配電室及箱式變產(chǎn)品的現(xiàn)狀及問(wèn)題，借鑒工業(yè)設(shè)計(jì)為主題的理念，將室內(nèi)環(huán)境控制的關(guān)鍵技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，使其達(dá)到高度一體化的目的，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備高度集成化、工廠生產(chǎn)化、模塊組裝化、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化等，適用于不同的環(huán)境，打造環(huán)保節(jié)能的裝配式配電房。一種是保溫隔熱墻設(shè)計(jì)，即在墻體上添加一層保溫材料，以達(dá)到室內(nèi)和室外溫度的變化，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的；另一種是熱反射式隔熱墻設(shè)計(jì)，即在外墻外涂一種能使墻面在日光下得到調(diào)節(jié)的熱反射涂層。在室外熱輻射進(jìn)入室內(nèi)時(shí)其反射率為92%，達(dá)到室內(nèi)外溫差調(diào)節(jié)，節(jié)約能源。

3 低碳化智能配電網(wǎng)規(guī)劃展望

3.1 能源漸進(jìn)替代

碳中和理念的實(shí)現(xiàn)并非一朝一夕之功，而是逐漸地經(jīng)過(guò)“高碳-低碳-零碳”發(fā)展的過(guò)程，在這段時(shí)期，合理的利用和利用的方法是更加現(xiàn)實(shí)的。變電站從上級(jí)電網(wǎng)，其實(shí)際運(yùn)營(yíng)能力會(huì)逐步降低，同時(shí)隨著碳中和的不斷加深，相關(guān)的高碳基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)逐步降低。但當(dāng)前我國(guó)的電網(wǎng)主體還在很大程度上依靠傳統(tǒng)的能源，也就是目前發(fā)電廠主要靠熱能發(fā)電。冬季和夏季對(duì)“雙峰”的供電需求，以傳統(tǒng)能源為保障，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的均衡與調(diào)峰。

彈性的傳統(tǒng)能源在基礎(chǔ)和比例上的優(yōu)越性，將會(huì)在今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)繼續(xù)扮演重要角色。如美國(guó)得克薩斯州2021年2月15號(hào)的大規(guī)模停電，其中一個(gè)直接的原因是天然氣和風(fēng)輪機(jī)（77%的電能）占據(jù)了得克薩斯州的主要能源。由于嚴(yán)寒天氣，天然氣管道和風(fēng)力發(fā)電裝置由于結(jié)冰而被迫停運(yùn)，發(fā)電能力大幅降低，出現(xiàn)了大規(guī)模的斷電。因此，目前正在進(jìn)行的關(guān)于智能配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的實(shí)際問(wèn)題的研究，以及新能源投資與傳統(tǒng)能源投資比例與運(yùn)行方式的協(xié)調(diào)，能夠正確解決能源持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)、能源供應(yīng)安全可靠、能源轉(zhuǎn)換低碳等問(wèn)題。

3.2 城鄉(xiāng)協(xié)同規(guī)劃

城市配電網(wǎng)以其高的負(fù)載密度、高的供電可靠性為特征，而農(nóng)村的電力分配體系比較分散，能源供給比較弱。但由于資源的日益匱乏，短期內(nèi)難以解決其碳排放問(wèn)題。但是像風(fēng)力、光能這樣的可再生資源是非常豐富的，而且價(jià)格也比較便宜。隨著我國(guó)農(nóng)民生活水平的不斷提高，以及對(duì)農(nóng)村及周邊地區(qū)的碳排放需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械、灌溉、溫室等替代能源得到了快速發(fā)展。在不久的未來(lái)，利用潔凈的能源可以有效降低農(nóng)村的燃油消耗量。研究城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的負(fù)荷源計(jì)算、統(tǒng)籌發(fā)展、構(gòu)建一體化的碳排放調(diào)節(jié)機(jī)制，既為城市規(guī)模規(guī)劃提供了新的思路，同時(shí)也大大提高了新能源的統(tǒng)一性和集中度，這將提高整個(gè)區(qū)域能源供應(yīng)的安全性和可靠性。

3.3 運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變

在今后的發(fā)展中，將會(huì)逐漸形成“協(xié)同、開(kāi)放、綠色、共享”的一體化能源服務(wù)體系，經(jīng)營(yíng)方式和傳統(tǒng)的銷售網(wǎng)絡(luò)有很大區(qū)別。

一是要進(jìn)一步強(qiáng)化各種能源的相互關(guān)聯(lián)和互補(bǔ)。單向的源與負(fù)荷追蹤會(huì)變成一個(gè)協(xié)同的源與負(fù)荷的互動(dòng)，進(jìn)行最優(yōu)配置。通過(guò)定量計(jì)算碳排放量和發(fā)電總量的相關(guān)性，碳捕集電廠可以根據(jù)不同的操作方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以看出，這種變化會(huì)使碳足跡與發(fā)電、發(fā)電的關(guān)系更為復(fù)雜，因此，智能電網(wǎng)規(guī)劃方案必須具備較高的適應(yīng)性和適應(yīng)性。在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，對(duì)碳流和路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求.

二是將會(huì)有更多的信息和能源流動(dòng)，信息化和因特網(wǎng)技術(shù)將為電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)感知、計(jì)算決策和智能電網(wǎng)的智能互動(dòng)提供一種新的控制手段，這就是數(shù)字和碳管制。為了進(jìn)一步提升智能化程度，在智能電網(wǎng)規(guī)劃中要充分考慮運(yùn)行層次的“信息—能量—碳排放”多網(wǎng)絡(luò)之間的緊密聯(lián)系，保證整個(gè)系統(tǒng)的總體布局的統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

碳達(dá)峰和碳中和是中國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)系統(tǒng)發(fā)展的主要戰(zhàn)略決策。風(fēng)電、光伏等分布式電源的高比例滲透是電力系統(tǒng)改造的關(guān)鍵支撐，而電力系統(tǒng)的碳中和、先進(jìn)的技術(shù)生產(chǎn)、安全穩(wěn)定的生態(tài)建設(shè)、高效的聯(lián)合治理等新的挑戰(zhàn)，則將對(duì)智能配電網(wǎng)的理論和技術(shù)改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。