基于低碳排放的工業(yè)供配電設(shè)計(jì)與節(jié)能對(duì)策分析

周 正

（國網(wǎng)宜昌市高新區(qū)供電公司， 湖北 宜昌 443000）

0 引言

工業(yè)企業(yè)作為電能消耗的主力軍，其電力生產(chǎn)涉及到電能發(fā)、輸、供、配等各個(gè)環(huán)節(jié)，目前我國工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)依然是過多依靠火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)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(yè)供配電的配電終端中加大可再生能源的發(fā)電比例是完成低碳排放的重要前提，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)供配電從高碳排放向低碳排放、零碳排放的轉(zhuǎn)型?；诘吞寂欧诺墓I(yè)供配電設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，并在設(shè)計(jì)建設(shè)中重點(diǎn)考量碳排消費(fèi)指標(biāo)、碳凈比指標(biāo)、碳均衡指標(biāo)等項(xiàng)點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)供配電向低碳化、清潔化方向發(fā)展。

1 低碳微生態(tài)

低碳微生態(tài)在工業(yè)配電網(wǎng)中突出特征是分布式可再生能源的大規(guī)模接入，利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源滿足工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷用電使用需求，減小發(fā)電側(cè)的碳排放數(shù)量。其中，風(fēng)電機(jī)組、光伏電站等分布式電源作為低碳轉(zhuǎn)化裝置是實(shí)現(xiàn)低碳微生態(tài)的關(guān)鍵要點(diǎn)；儲(chǔ)能系統(tǒng)作為碳調(diào)節(jié)能力主體，具有削峰填谷的作用，用來保證風(fēng)、光等新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；供配電技術(shù)中的低壓直流配電模塊能夠代替直流設(shè)備與交流主網(wǎng)間用來變換電壓的大量裝備，對(duì)系統(tǒng)的能效提高具有較大作用，如圖1 所示。在低碳排放目標(biāo)下新能源發(fā)電因其取材方便、成本低、無污染、產(chǎn)電質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)供用電市場(chǎng)上普及程度越來越高，規(guī)模也越來越大，但風(fēng)光等新能源由于其自身不穩(wěn)定特點(diǎn)造成產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)后，會(huì)使整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)難度加大，具有較多的未知性和不確定性[1]。當(dāng)風(fēng)光等新能源發(fā)電系統(tǒng)電源的電壓、頻率瞬時(shí)過高、過低時(shí)，均會(huì)造成工業(yè)供配電系統(tǒng)故障，甚至中斷整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，改變了工業(yè)配電網(wǎng)原有的潮流分布，擾亂正常供電秩序，因此，需要采取BP 網(wǎng)絡(luò)、小波變換、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)對(duì)工業(yè)供配電系統(tǒng)的供用電負(fù)荷進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，科學(xué)調(diào)配電力系統(tǒng)中的電量分布，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為解決低碳排放的工業(yè)供配電系統(tǒng)預(yù)測(cè)問題提供可靠的途徑。

圖1 低碳微生態(tài)搭配

2 基于低碳排放的工業(yè)供配電設(shè)計(jì)研究

2.1 基于低碳排放的工業(yè)供配電系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)2.1.1 碳消費(fèi)指標(biāo)

碳消費(fèi)指標(biāo)可以衡量工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)在不同工作時(shí)長下的碳中和能力，計(jì)算公式如下：

式中：t為工作時(shí)長；ESTi，t、ELAi，t、ELDi，t分別表示工業(yè)供配電系統(tǒng)采樣目標(biāo)i在時(shí)間t內(nèi)供配電系統(tǒng)上級(jí)電站輸送、配電網(wǎng)產(chǎn)生及負(fù)荷耗費(fèi)的電能；x1和x2分別為供配電系統(tǒng)上級(jí)電站輸送以及工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)自身產(chǎn)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(tǒng)上級(jí)電站輸送以及配電網(wǎng)自身非新能源產(chǎn)出的電能與碳排放之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.1.2 碳凈比指標(biāo)

考慮到工業(yè)供配電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的是汽車制造、金屬冶煉等多種建設(shè)用途，而負(fù)荷類型的不同會(huì)造成碳不平衡量的顯著偏差，從而影響對(duì)工業(yè)供配電系統(tǒng)碳中和能力評(píng)估的判斷。公式（3）對(duì)碳凈比指標(biāo)ri，t進(jìn)行計(jì)算。

2.1.3 碳均衡指標(biāo)

針對(duì)工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃中的碳中和問題，借助安裝柔性配電裝置來實(shí)現(xiàn)工業(yè)供配電系統(tǒng)各工作模塊間優(yōu)勢(shì)資源的優(yōu)化重組，可以將某工作模塊原來無法消納而放棄的風(fēng)電機(jī)組和光伏出力轉(zhuǎn)移到存在電量不足的工作模塊，在增強(qiáng)本地可再生能源使用效率的同時(shí)，降低工業(yè)供配電系統(tǒng)整體上對(duì)碳基能源的消耗，實(shí)現(xiàn)碳中和能力互相救濟(jì)的效果[2]。

碳均衡指標(biāo)G可以評(píng)估工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)各工作模塊碳中和能力的互濟(jì)程度，如公式（4）所示，G值越低，說明工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)的碳消費(fèi)在總體上更加均衡。

式中：m和n分別為優(yōu)化重組前后工業(yè)供配電系統(tǒng)工作模塊的數(shù)量；為優(yōu)化重組后工業(yè)供配電系統(tǒng)的碳凈比值；為優(yōu)化重組后工業(yè)供配電系統(tǒng)的碳消費(fèi)值；為優(yōu)化重組后工業(yè)供配電系統(tǒng)負(fù)荷消耗的電能，因?yàn)閮?yōu)化重組前后工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)總體負(fù)荷的需求保持恒定，所以

2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)是工業(yè)供配電系統(tǒng)連接發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)的媒介，在整個(gè)供配電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，維持著總的電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。且配電網(wǎng)是工業(yè)供配電系統(tǒng)在“雙碳”目標(biāo)下實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的前提條件，因此，本文結(jié)合大規(guī)模新能源接入下工業(yè)供配電系統(tǒng)中發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)的各種能量流的耦合度及流動(dòng)度的變化特點(diǎn)，從低碳排放的角度對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框架見圖2。

圖2 低碳排放下工業(yè)供配電系統(tǒng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)

1）發(fā)電側(cè)：低碳排放下新能源發(fā)電迅速成長，由之前的替補(bǔ)性發(fā)電發(fā)展升級(jí)為主體性發(fā)電，普及程度越來越高，傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組在引入低碳技術(shù)進(jìn)行改造的同時(shí)，未來會(huì)主要用于調(diào)節(jié)等輔助性生產(chǎn)活動(dòng)。但是，新能源發(fā)電高滲透性并網(wǎng)以及供用電設(shè)備的顯著變化造成工業(yè)供配電系統(tǒng)供配電的穩(wěn)定性無法保障，因此，需要提高風(fēng)光等可再生源的消納能力，平衡其不穩(wěn)定性。

2）電網(wǎng)側(cè)：新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)以及柔性輸電方式的大力使用造成工業(yè)供配電系統(tǒng)電力電子化的特征愈發(fā)愈烈，改變了配電網(wǎng)原有的潮流分布，供配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以及架構(gòu)發(fā)出現(xiàn)明顯變化，朝著分布式、扁平化的新方向邁進(jìn)。

3）負(fù)荷側(cè)：低碳排放下的工業(yè)供配電系統(tǒng)需要滿足多種新型負(fù)荷的使用需求，并具備多樣的儲(chǔ)能裝備，可以對(duì)接入其中的負(fù)荷實(shí)施差異化的高效管理，新型負(fù)荷也參與到供配電系統(tǒng)的科學(xué)管理中，充分調(diào)配各種資源、有效利用，保證接入到工業(yè)供配電系統(tǒng)中的各個(gè)工作模塊均能最大程度地發(fā)揮自身的作用[3]。

3 工業(yè)供配電節(jié)能對(duì)策分析

3.1 科學(xué)采用無功補(bǔ)償技術(shù)

相關(guān)資料表明，無功負(fù)荷大量地存在于配電網(wǎng)中，當(dāng)無功功率失衡、功率因數(shù)降低情況發(fā)生時(shí)，無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)導(dǎo)致了線路大量損耗的產(chǎn)生，大多數(shù)工業(yè)工廠都是采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償設(shè)備智能化程度較低，因此，一是要靈活選擇補(bǔ)償方式，堅(jiān)持集中式+分散式補(bǔ)償相結(jié)合方式，并以后者為主進(jìn)行無功補(bǔ)償；堅(jiān)持調(diào)整+固定補(bǔ)償相結(jié)合方式，將后者作為重點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償；堅(jiān)持高電壓+低電壓補(bǔ)償相結(jié)合方式，將后者補(bǔ)償作為主要補(bǔ)償方式[4]。二是要引入智能無功補(bǔ)償設(shè)備，常見的智能無功補(bǔ)償設(shè)備如圖3 所示，不同無功補(bǔ)償裝置的作用及使用效果各有千秋。智能無功補(bǔ)償裝置將直接影響工廠供配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償結(jié)果，因此在選擇無功補(bǔ)償裝置時(shí)，首先要考慮補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償系統(tǒng)是否搭配，然后依據(jù)其工作范圍和功率參數(shù)等確定補(bǔ)償裝置的選型。在選擇智能無功補(bǔ)償裝置時(shí)，選用適應(yīng)能力較好及抗外界干擾能力高的設(shè)備，且還應(yīng)具備自動(dòng)檢測(cè)及保護(hù)性能。這樣，可以配合配合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償手段更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)，并對(duì)工廠生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、無功補(bǔ)償，進(jìn)而提升工廠供配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償效果，改善其運(yùn)行質(zhì)量。

圖3 智能無功補(bǔ)償設(shè)備

3.2 改變變壓器運(yùn)行方式進(jìn)行節(jié)能

當(dāng)工廠內(nèi)的變壓器數(shù)目多時(shí)，可將效率相對(duì)較低的變壓器作為備用，并令狀態(tài)良好的變壓器并列運(yùn)行，以提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效果，此外，可根據(jù)工廠內(nèi)的實(shí)際生產(chǎn)用電情況，選擇變壓器的數(shù)量，以最低數(shù)量的變壓設(shè)備滿足工廠用電要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

3.3 采用照明能耗綜合管理系統(tǒng)

在工廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，除生產(chǎn)用電占據(jù)大比例之外，工廠照明系統(tǒng)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(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化控制水平，能夠控制整個(gè)工廠照明生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過多個(gè)設(shè)備接口與上級(jí)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信連接，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可以依據(jù)實(shí)際情況啟動(dòng)工作照明模式選擇合理數(shù)量的照明燈具，達(dá)到節(jié)能降耗的目的?？紤]到系統(tǒng)照明設(shè)備數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)冗雜，需要增強(qiáng)照明能耗綜合管理系統(tǒng)處理器的配置，完善網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，并配備可靠性較好的電源切換設(shè)備?？傊彰髂芎木C合管理系統(tǒng)的應(yīng)用，一定程度上降低了工廠電力能源的消耗量，推動(dòng)了電廠資源的合理利用[5]。

4 結(jié)語

本文在介紹低碳微生態(tài)的基礎(chǔ)上，討論了低碳排放下碳排消費(fèi)指標(biāo)、碳凈比指標(biāo)、碳均衡指標(biāo)等工業(yè)供配電系統(tǒng)低碳指標(biāo)，對(duì)低碳排放下工業(yè)供配電系統(tǒng)發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了科學(xué)引入無功補(bǔ)償技術(shù)、通過變壓器進(jìn)行節(jié)能處理、采用照明能耗綜合管理系統(tǒng)等多項(xiàng)工業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能措施，對(duì)未來低碳排放下工業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與節(jié)能技術(shù)的研究具有一定的參考意義。