“雙碳”背景下工業供配電系統設計與節能技術

杜 偉

（國網安陽供電公司， 河南 安陽 455006）

0 引言

隨著碳排放量的增加，環境問題日益嚴重?；诖?，中國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”的“雙碳”目標，并將其作為我國長期轉型發展戰略。在工業供配電系統中大量接入新能源發電模塊并在配電終端增加新能源發電占比，是完成“雙碳”目標背景下節能減排的重要前提，實現工業供配電系統從高碳電力輸出向低碳電力輸出、零碳電力輸出的轉變[1]?！半p碳”目標背景下，工業供配電系統的設計需要統籌考慮高滲透的新能源接入配電網帶來的不穩定因素，并在設計建設中重點考量碳排放機理、碳水平表征等項點，進一步促進工業供配電系統向低碳化、清潔化轉型。

1 工業電力使用現狀

我國電力資源綜合利用率較低，能源結構配置不合理，且長期以煤炭為主，造成我國碳排放較多。在能源消費構成中，2013—2023 年，燃煤類產品的消耗占比約為56%～61%，石油類產品的消耗占比約為16%～22%，天然氣類產品的消耗占比約為1.6%～2.7%，電能消耗比例在2022 年達到49.9%，其余能源比例約為0.2%。

根據相關統計，2022 年，我國終端電量消費累計為46 882 億kW·h，而工業用電量高達35 341 億kW·h，在總體用電中份額較高。從工業用電內部架構看，2013—2023 年，有色金屬制造、化工燃料及產品制造等占比較高，且持續上漲，如表1 所示。

表1 2013—2023 年國家工業行業電能使用情況

2 “雙碳”目標背景下工業供配電系統建設關鍵技術

2.1 預測技術

“雙碳”目標背景下，新能源發電迅速成長，由之前的替補性發電發展升級為主體性發電。新能源因其成本低、無污染和產電質量高等優勢，在供用電市場上被廣泛采納，規模也越來越大。傳統火力發電機組在引入低碳技術進行改造的同時，將主要用于調節等輔助性生產活動[2]。但是，新能源發電的高占比并網以及柔性輸電方式的大力使用，改變了配電網原有的潮流分布，供用電設備發生顯著變化，難以保證供電系統的穩定性，制約著低碳發電技術進一步發展。因此，急需采取BP 網絡、小波變換和深度學習等技術對供配電系統的供用電負荷進行預測，科學調配電力系統中的電量分布，保障電力系統運行的穩定性，為解決“雙碳”目標背景下工業供配電系統預測問題提供可靠途徑。

2.2 碳水平表征評估

碳水平表征在雙碳背景下是衡量工業供配電系統碳水平指標的關鍵參數，對其進行深入研究是設計低碳工業供配電系統評價體系的基礎，常用的方法主要有排放因子法、實際測量法和質量平衡法等[3]。

1）排放因子法：采用系統碳排放清單中的影響因子進行計算，最終獲得碳水平表征參數：

式中：EC為碳排放量；M為燃料消費量；ρ 為影響因子；γ 為燃料熱值。

2）實際測量法：利用現場安裝的監測設備實時采集現場的碳排放具體信息，以便高效率獲取數據，實測法采集信息的過程直接簡便、數據準確可靠，是應用最為廣泛的一種方法。

3）質量平衡法：在質量守恒定律的前提上，采集工業生產投入及產出相關信息數據，根據采集的數據推測出碳排放量。質量平衡法目前擁有一些研究成果，但并未建立起統一的理論體系。

當前，工業供配電系統的碳排放機理探究僅限于供配電系統的運行階段，尚未牽涉到供配電系統的前期施工及安裝等方面的碳排放量?？茖W的碳水平表征和預測需要依據系統的整個生命周期及碳排放工作機理，并結合工業供配電系統的實時運營特性，進行合理的低碳系統的規劃。怎樣將影響碳水平表征及預測評估的各項參數具體量化，是當前值得深入探索的問題。

“雙碳”目標背景下，工業供配電系統的低碳評價體系如圖1 所示，主要對時間角度和空間角度進行展開。時間層面上，碳評價體系包含了工業供配電系統整個生命周期中運用、分配等多個生產環節，且碳排放貫穿于每一個生產環節，需要仔細考慮?？臻g層面上，碳評價體系包含了工業供配電系統發電側、輸電側和供電側等流程，需要具有成本低、靈活性好、平穩可靠和能耗小等特點。

圖1 工業供配電系統低碳評價體系

2.3 低碳電力市場

低碳電力市場是工業供配電系統的較常見的運用場景之一，但目前缺乏標準的市場交易體系，很多交易行為不規范。碳交易與電力市場呈現正相關聯系，因此，結合我國電力行業實際情況進行低碳電力市場建設是設計工業供配電系統的基礎。需要在工業供配電系統的配電網架構的設計時滿足低碳輸出、排放的硬性要求。

3 “雙碳”目標背景下工業供配電系統設計

配電網正常運行是工業供配電系統向客戶做好電力服務的前提，配電網是連接電力供給側與客戶消費側的中間環節，維持著發電及供配電動態平衡。配電網是工業供配電系統在“雙碳”目標背景下轉型的基本前提，因此，本文設計并搭建了工業供配電系統配電網模型。

隨著新能源發電高滲透性地并入到配網系統中，工業供配電系統中供電側、電網側和用戶側的各種能量流的耦合度以及雙向能量流動度均呈現出加重的特點[4]。與傳統電力系統配電網設計理念相比，“雙碳”目標背景下，工業供配電系統同樣是以實際應用場景、規劃設計目標和系統約束條件作為前提，結合工業供配電系統的動態運行特性，搭建能夠對其運行特征實施精準刻畫的數學模型，通過該模型得到最優解，進而獲得系統的約束條件。該設計方案結合工業供配電系統的技術特點，從低碳排放的角度對工業供配電系統配電網進行設計，設計框架如圖2 所示。

工業供配電系統配電網設計模型一般來講都是一個基于投資變量的設計問題，主要由目標函數和約束條件進行控制，計算公式如下：

式中：T為時間規劃尺度；M為電力設備類別；N為電力設備設計數量；Pt為電力設備的成本折舊參數；δ1為與供配電系統容量及拓撲結構關聯的運行約束條件；δ2為與供配電系統運行參數關聯的運行約束條件；δ3為與供配電系統運行穩定性約束條件；Um，n，t為供配電系統設計投資控制變量；Vm，n，t為供配電系統運行控制變量；Wm，n，t為供配電系統電力設備容量的控制變量。這些變量均是工業供配電系統配電網設計基礎模型的控制變量。目標函數α（Um，n，t，Vm，n，t，Wm，n，t）統籌考慮了配網系統設計的經濟成本、運行穩定和低碳排放等因素。

該設計模型對工業供配電系統配電網的設計型式提出了最基本的要求，在解決某工業企業具體的設計問題時，要結合項目實際情況進行實施，在滿足低碳條件的前提下對投資變量、運行約束以及目標函數等適時進行差異化的調整。

4 工業供配電系統節能對策分析

4.1 提高供用電設備的功率因數

采用無功補償技術可以有效降低工業供配電系統的無功輸出，提高電力設備的功率因數，減小電能損失，提高電力能源的有效利用率。通過控制配網的無功輸出功率，來控制整個工業供配電系統的電力總容量、操作規模等，充分調用現有供用電設備，提升系統有功電流的輸出份額[5]。工業供配電系統引入無功補償技術后，設備的工作功率與額定功率基本一致，配網中的各供用電設備工作穩定，在外界條件正常的情況下，可以輸出穩定且高速的功率，提高設備的功率因素。通過加大有功比重，降低無功輸出，可以提高工作效率，最大程度降低電能損失。

4.2 采用智能化用電監控節能管理

為了對工業企業用電設備進行有效監控及節能管理，需要引入DCS 系統（分散控制系統），該系統自動化控制水平較高，能及時監測工廠設備動態運行數據，實現工廠供用電運營信息綜合管理，控制電力能源消耗量，推動電力資源的合理利用，最大程度減少電能耗損。一旦發生設備故障，DCS 系統也會有預警提示，通知檢修人員第一時間到達現場進行處理，減少故障停運時間，提高生產效率。

4.3 引入變頻技術

變頻技術是工業供配電系統節能減排中的一種新技術，依托于自動化控制技術、計算機軟件技術等，主要是依據電機轉速與輸入之間的比例數值f，通過改變電機電源的f 值來調節電機的速度，實現電能資源的合理利用。據實際調研，2021 年，我國電機總耗電量約為30 000 億kW·h，工業供配電系統電機用電量在全國總用電量中占比約為63%。但是，目前我國高效率低能耗的電機在市場中占比僅為10%左右，我國在用的各類電機數量約為11 億臺。因此，高效率低能耗電機的市場潛力很強。工業供配電系統采用變頻技術充分降低了電機在生產工作過程中能源損耗，為企業節約資源的同時，也創造了經濟利益。

5 結語

在“雙碳”目標背景下，如何做好工業供配電系統設計與節能分析工作是社會關注的熱點。本文從工業企業供配電使用現狀入手，基于“雙碳”目標背景下工業供配電系統建設關鍵技術，對“雙碳”目標背景下工業供配電系統進行設計，并對工業供配電系統節能對策進行分析，以期推動工業供配電系統朝著低碳化、清潔化方向發展，實現企業經濟效益與節能降損的共贏。