電力系統節能策略和方法分析

竇真蘭，杜鳳青（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海市 200434）

電力系統節能策略和方法分析

竇真蘭，杜鳳青
（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海市 200434）

電力行業在節能減排中占據了突出位置，節能減排也正在成為電力行業發展的主旋律，電力系統無論是發電端，還是輸電端和用電端，都在這場節能減排的“革命”中承擔著責無旁貸的使命。本文在電力系統的發電、輸電、變電、配電和用電各環節上具體展開電力系統節能策略和方法分析，主要對節能發電調度、智能電網建設和需求側管理等進行了詳細的探討研究，給出了技術措施，提供了解決問題的依據。

電力系統；節能減排；節能發電調度；智能電網；需求側管理

0　引言

電力系統由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。它的功能是將自然界的一次能源通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶，因此電力系統的節能策略和方法分析相應的在發電、輸電、變電、配電和用電各環節上展開[1-4]。在發電環節，大力開展優化調度，合理利用可再生資源發電，如風電、太陽能，減少高能耗機組發電量；在輸變電環節，建立智能電網，通過各種技術手段減少線路和變壓器損耗、提高線路功率因數；在用電環節，開展需求側管理，利用蓄能技術削峰填谷，無功補償、諧波治理，改變用戶用電方式、提高終端用電效率。

1　節能發電調度

國家發展和改革委員會等部門明確指出“調整發電調度規則，實施節能、環保、經濟調度”，要求發電調度中優先考慮可再生能源和低能耗機組發電。為此，電力公司研究并制定了新的調度規劃，以節能、環保、經濟為標準，確定各類機組的發電次序和時間，優先調度低能耗機組發電，或直接按照能耗標準調度，激勵發電企業降低能耗，減少高能耗機組的發電量[5-6]。

電力系統節能發電調度是指在保障電力可靠供應的前提下，按照節能、經濟的原則，優先調度可再生發電資源，按機組能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次調用化石類發電資源，最大限度地減少能源、資源消耗和污染物排放。節能調度的基本原則是以確保電力系統安全穩定運行和連續供電為前提，以節能、環保為目標，通過對各類發電機組按能耗和污染物排放水平排序，以分省排序、區域內優化、區域間協調的方式，實施優化調度，并與電力市場建設工作相結合，充分發揮電力市場的作用，努力做到單位電能生產中能耗和污染物排放最少[7-9]。電力系統節能發電調度與傳統的發電調度的比較見表 1所示。節能發電調度改變了傳統的發電調度方式，取消了按行政計劃分配發電量指標的做法，制定并實施新的調度規則，也就是以節能、環保為目標，合理調用電力系統內發、供電設備能力，最大限度地降低能源消耗，減少污染物排放，保證電力系統的高效、清潔運行。

電量置換的基本思想即將低參數、低容量、高能耗機組的發電量轉移到高參數、大容量、低能耗機組上，從而降低整個電網的能耗水平[10]。電量置換對電網節能貢獻最大的是置換發電量部分節煤，其次是被置換側調停節煤、置換側的折算計劃發電量部分節煤，損失最大的是被置換側的實際發電量部分，而被置換側機組啟停損失、網損、廠用電率修正三項對電網節能影響較小。其中被置換側的實際發電量部分往往通過被置換側調停節煤來彌補，即通過被置換側調停來提高被置換側平均負荷率，以其降低損失。因此，通過電量置換提高電網整體經濟性，首先要在條件許可的前提下，增加年度實際置換電量；其次合理安排被置換側機組調停次數及調停時間，以提高被置換側平均負荷率。

2　智能電網的建設

表1　節能發電調度與傳統發電調度的比較Tab.1 The comparison of the energy-saving generation dispatch and the traditional generation dispatch

電能是優質、高效、清潔的二次能源。中國電能占終端能源消費的比重每提高1個百分點，單位GDP能耗可下降4%。1噸標準煤當量的電創造的經濟價值分別為等當量石油、煤炭的3倍和17倍。過去20年，中國電能占終端能源消費的比重從9.1%上升至22%。同期，全球電能占終端能源消費的比重也從13.2%上升至19%。現在電能替代（以電代煤、以電代油）成為能源發展的重要趨勢。電網是電能傳輸、資源配置、市場交易、客戶服務的基本載體，在保障能源安全、高效、清潔發展中的作用不可替代。堅強智能電網是功能強大的能源轉換、高效配置和互動服務平臺，是堅強電網與智能控制緊密融合的現代電網，是涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電和調度各環節的智能化電力系統。發展堅強智能電網具有巨大的經濟價值、社會價值、環保價值，是實現能源可持續發展的戰略選擇，將為經濟社會發展提供更安全、更高效、更清潔的電力保障。

主干輸電網能適應風能、太陽能等大規模可再生能源電力和水電、清潔煤電等大型常規能源基地的大容量遠距離電力輸送、大范圍優化配置和間歇性功率相互補償等需要，實現輸電網的安全、高效運行。配電網應能適應中小型分布式電源的開放接入和電力需求側互動管理的需求，配電網終端將較多采用微網結構，可實現潮流的雙向控制，提高供電可靠性和終端能源利用效率，并形成多網合一的能源信息綜合服務體系[11]。降低線損，提高輸配電網的利用效率是建設下一代電網的重要任務。通過智能傳感網絡和信息系統，在用戶端實現分布式電源、儲能裝置、電動汽車充放電、能源綜合高效利用系統與電網有機融合、雙向互動，形成靈活、高效的智能能源網絡，能大幅度提高終端能源利用效率。

2.1減少輸電線路損耗

2.1.1研發并更換新型輸電導線

在鋁制導線中加入其它微量元素，可以改變導線的性能。如耐熱鋁合金導線長期工作溫度為150℃，短期工作溫度可達230℃，比普通鋁導線工作溫度明顯提高。耐熱鋁合金導線的允許載流量也遠遠高于鋁導線。150℃時的耐熱鋁合金導線的疲勞極限和90℃時硬鋁線的大致相等。

碳纖維導線具有重量輕、載流量大、強度高、耐高溫、線損低等優點，碳纖維復合導線代替普通鋼芯鋁絞線應用于輸電電網中在我國也取得成功，是最具發展潛力的導線。

另外絕緣母線使用也大大減少線路損耗，如110kV變電站使用全絕緣35kV母線，對比母線銅排進行分析計算：由于集膚效應減少，按變電站35kV母線電流2000A，母線100米（實際每站不同），每小時節約5.17kW，每年節約電量按照24小時，365天計算，上海110kV變電站665座，合計全年節約2830萬度，節電48.61%。

2.1.2節能型金具的使用

在線路通過電流的情況下，不產生電能損耗或者非常少的電能損耗（相對于老的金具而言）的金具，稱為節能金具。國家電網公司下發的Q/GDW 156—2006《城市電力網規劃設計導則》中明確提出“應采用節能型線路金具，淘汰高能耗線路金具。” 國網公司2005下發的《110（66）kV～500kV架空輸電線路技術監督規定》中也規定：“金具應選用定型產品，推廣使用節能型金具”。目前，多種節能金具節能金具已經在許多供電企業應用，并取得良好效果。

1）鋁絞線采用NXIJ型配電線路用鋁合金耐張線夾，除了在制造工藝上采用了擠壓冷拉成型方法外，在設計上還采用了與鋁絞線等強度的原則，用楔塊作錨固件，安裝施工均很方便。

2）JBL型異型并溝線夾，其接觸電阻比由原來JB型下降了1.0。該線夾采用了鋁合金擠壓冷拉形成的制造工藝，使金具相結構致密性更好，強度更好，防腐蝕性好，結構輕巧。設計上采用異型結構，不同線徑的鋁導線可兼用，通用性更強，規格減少。

3）耐張金具由傳統的螺栓型結構改為楔型結構，解決了U形螺栓構成閉合磁回路問題，而且由于不用螺栓，施工大為方便。在承力可靠性方面，楔塊結構的面接觸使導線的緊固更為妥帖，改變了由U形螺栓緊固形成接觸導線至導線蠕變、握力下降的缺陷。

4）接線金具由于采用了新材料、新結構和徑向擠壓、低壓鑄造、液態模鍛等先進工藝，十分輕巧，通用性強，表面不易氧化，在各種自然環境下均無銹蝕之虞。

2.1.3調整不合理的線路布局

合理規劃，完善電網結構，縮小供電半徑。由于電網早期規劃不合理，電源點遠離負荷中心，造成“近電遠供，迂回供電”，因此，調整不合理的線路布局（環形供電和多回線路），盡量減少迂回線路、交錯和重疊，縮短電力線路損耗是減少電網中的功率損耗有效方法之一。

2.2變壓器優化

2.2.1變壓器降耗改造

變壓器數量多、容量大，總損耗不容忽視，因此降低變壓器損耗是勢在必行的節能措施，其降耗改造主要是推廣節能型電力變壓器。目前我國使用硅鋼鐵心變壓器，其自身消耗的電能占全國發電量的5%以上，在配電網損耗中，變壓器損耗占60% 以上。非晶態合金是利用快速凝固技術制造的材料，具有優異的軟磁材料，是硅鋼片、坡莫合金以及鐵氧體的換代產品，具有低噪音、低損耗等特點。與同容量配電變壓器的空載損耗相比較，非晶合金配電變壓器空載損耗可下降50%～60%，且全密封免維護，運行費用極低。S11系列是目前推廣應用的低損耗變壓器，空載損耗較 S9 系列低 75%左右，其負載損耗與 S9 系列變壓器相等。因此，應在輸配電項目建設環節中推廣使用低損耗變壓器。

2.2.2變壓器經濟運行

變壓器經濟運行指在傳輸電量相同的條件下，通過擇優選取最佳運行方式和調整負載，使變壓器電能損失最低。變壓器經濟運行無需投資，只要加強供、用電科學管理，即可達到節電和提高功率因數的目的。每臺變壓器都存在有功功率的空載損失和短路損失，無功功率的空載消耗和額定負載消耗。考慮到變壓器的容量、電壓等級、鐵芯材質都不相同，故上述參數各不相同，因此變壓器經濟運行就是選擇參數好的變壓器和最佳組合參數的變壓器運行。選擇變壓器的參數和優化變壓器運行方式可以從分析變壓器有功功率損失和損失率的負載特性入手。

2.3電網無功配置優化

大量無功電流在電網中會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落。無功補償是利用技術措施降低線損的重要措施之一，在有功功率合理分配的同時，做到無功功率的合理分布。

無功優化的目的是通過調整無功潮流的分布降低網絡的有功功率損耗，并保持最好的電壓水平。無功優化補償一般有變電所無功負荷的最優補償、配電線路最優補償以及配電變壓器低壓側最優補償。由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線損與功率因數的平方成反比。功率因數越低電網所需無功就越多，線損就越大。因此，安裝無功補償裝置，可減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數，提高電氣設備的有功出力。

3　需求側管理

電力需求側管理是國際上廣泛采用的一種先進管理技術，通過使用科學合理的節約能源技術，在滿足用電需求的前提下減少電量消耗，提高終端用電效率和改變用電方式，達到節約資源和保護環境的目的。我們應積極探索建設需求側管理長效工作機制，開展需求側管理，利用蓄能技術削峰填谷，無功補償、諧波治理，改變用戶用電方式、提高終端用電效率。

3.1改變用戶用電方式

改變用戶用電方式是通過負荷管理技術來實現的。其技術手段主要包括：直接負荷控制、時間控制器和需求限制器、低谷和季節性用電設備及儲能裝置。

1）直接負荷控制是系統人員通過負荷控制裝置控制用戶終端，以停電損失最小為原則進行排序控制；

2）時間控制器和需求限制器實現負荷的間歇和循環控制，是控制電網錯峰的理想方式；

3）在電網日負荷低谷時段投入電氣儲能裝置進行填谷，在負荷高峰時段釋放出來轉換利用，達到移峰填谷的目的，提高用電效率，達到節能的目的。

3.2提高終端用電效率

提高終端用電效率是用戶通過采用先進的節能技術和高效設備來實現。主要從以下幾方面展開：

1）電動機系統的節電運行

它可通過多種措施來實現，比如電動機與被驅動設備匹配，使其運行在負載的高效區域；采用高效拖動機械；應用各種調速技術等，以提高終端用電效率。

2）高效照明系統：將先進的控制技術和高效照明器具結合使用，以提高用電效率和照明質量。

3）推廣高效節能家用電器，如電冰箱、電視機、空調器、電腦等，降低待機能耗，規范節能產品市場，實施能效標準和標識。

4）引導企業采用變頻調速的節電控制器，有利于電網削峰填谷、改善電網運行方式、降低環境污染，提高終端電能利用率。

3.3改變用戶用電方式

改變用戶用電方式，最主要就是蓄能技術（冰蓄冷+電蓄熱），即移峰填低谷用電，優化資源配置。

1）冰蓄冷

冰蓄冷就是能源站通過蓄冷技術，即是在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用電動制冷機制冷，使蓄冷介質溫度降低或結成冰，利用蓄冷介質的顯熱及潛熱特性，將冷量儲存起來。在電力負荷較高的白天，也就是在用電高峰期，把儲存的冷量釋放出來，以滿足供能區域空調的需要。具體優勢為：電力移峰填谷、享受峰谷電價、降低電力設施投資、充分使用設備、投資小、效率高。

2）電蓄熱

電蓄熱系統是在夜間用電低谷期間將電能轉化成熱能，并以顯熱或潛熱的形式將它儲藏起來，在用電高峰期將儲藏的熱量釋放出來滿足供熱的需要，以達到轉移尖峰電力、節省電費、減輕電力負荷和降低設備容量的需要。目前蓄熱節能側重于電鍋爐的展開。

3.4提高終端用電效率

提高用戶終端用電效率，最主要是的用戶側的無功補償。

電力系統的無功補償分為：集中補償和分散就地補償，前者大多用在中壓網絡的供電母線上，解決供電無功輸送中的線路損耗，即提高功率因數；后者大多用在配電系統末端負荷處，解決用戶側的無功平衡問題，使用戶在負荷端實現無功就地補償，降低配電線路的線損。集中補償解決的是部分線損，而分散補償可使網絡損耗降至最低限度。兩者相結合可達到更理想的效果。

節能型無功補償裝置的采用可以提高功率因數。隨著電力電子技術的發展，有源濾波裝置和靜止同步并聯補償器的大量應用已經開展[12]。

4　結論

電力行業在節能減排中占據了突出位置，節能減排也正在成為電力行業發展的主旋律，電力系統無論是發電端，還是輸電端和用電端，都在這場節能減排的“革命”中承擔著責無旁貸的使命。本文針在電力系統的發電、輸電、變電、配電和用電各環節上具體展開電力系統節能策略和方法分析，主要針對節能發電調度、智能電網建設和需求側管理等進行了詳細的探討研究，給出了技術措施。總之，電力系統通過技術改造和精細化管理，強化電力資源的優化配置，必將為促進電力和諧發展，實現電力行業節能減排目標做出應有的貢獻，對建設資源節約型社會和環境友好型社會，推動國民經濟可持續發展具有重要意義。

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Research on the Energy-saving Strategies and the Methods for Power System

DOU Zhen-lan, DU Feng-qing
(Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China)

The electric power industry occupies a prominent position in the energy-saving and emission-reduction, the energy-saving and emission-reduction is also becoming the main theme of the electric power industry development. Then the power system both in the generation side, the transmission side and the terminal side bears inescapable responsibility in this energy-saving and emission-reduction revolution. In this paper, the energy-saving strategies and methods for the power system are analyzed in detail, such as the power generation, power transmission, power substation, power distribution and power supply. So the energy-saving generation dispatch, the smart grid construction and the demand-side management are discussed exactly, the technical measures are given, and the basis for solving the problems are provided.

Power system; Energy-saving and emission-reduction; Energy-saving generation dispatch; Smart Grid; Demand-side management

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.001

DOU Zhen-lan, DU Feng-qing. Research on the Energy-saving Strategies and the Methods for Power System[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 1-6.

國家級自然科學基金（51507150）

竇真蘭（1980-），女，博士，國網上海市電力公司電力科學研究院，主要研究方向：風力發電等新能源；杜鳳青（1986-），女，碩士，國網上海市電力公司電力科學研究院，主要研究方向：節能減排

本文引用格式：竇真蘭，杜鳳青.電力系統節能策略和方法分析[J]. 新型工業化，2015，5（10）：1-6.