电力系统节能策略和方法分析

窦真兰，杜凤青（国网上海市电力公司电力科学研究院，上海市 200434）

电力系统节能策略和方法分析

窦真兰，杜凤青
（国网上海市电力公司电力科学研究院，上海市 200434）

电力行业在节能减排中占据了突出位置，节能减排也正在成为电力行业发展的主旋律，电力系统无论是发电端，还是输电端和用电端，都在这场节能减排的“革命”中承担着责无旁贷的使命。本文在电力系统的发电、输电、变电、配电和用电各环节上具体展开电力系统节能策略和方法分析，主要对节能发电调度、智能电网建设和需求侧管理等进行了详细的探讨研究，给出了技术措施，提供了解决问题的依据。

电力系统；节能减排；节能发电调度；智能电网；需求侧管理

0　引言

电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户，因此电力系统的节能策略和方法分析相应的在发电、输电、变电、配电和用电各环节上展开[1-4]。在发电环节，大力开展优化调度，合理利用可再生资源发电，如风电、太阳能，减少高能耗机组发电量；在输变电环节，建立智能电网，通过各种技术手段减少线路和变压器损耗、提高线路功率因数；在用电环节，开展需求侧管理，利用蓄能技术削峰填谷，无功补偿、谐波治理，改变用户用电方式、提高终端用电效率。

1　节能发电调度

国家发展和改革委员会等部门明确指出“调整发电调度规则，实施节能、环保、经济调度”，要求发电调度中优先考虑可再生能源和低能耗机组发电。为此，电力公司研究并制定了新的调度规划，以节能、环保、经济为标准，确定各类机组的发电次序和时间，优先调度低能耗机组发电，或直接按照能耗标准调度，激励发电企业降低能耗，减少高能耗机组的发电量[5-6]。

电力系统节能发电调度是指在保障电力可靠供应的前提下，按照节能、经济的原则，优先调度可再生发电资源，按机组能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次调用化石类发电资源，最大限度地减少能源、资源消耗和污染物排放。节能调度的基本原则是以确保电力系统安全稳定运行和连续供电为前提，以节能、环保为目标，通过对各类发电机组按能耗和污染物排放水平排序，以分省排序、区域内优化、区域间协调的方式，实施优化调度，并与电力市场建设工作相结合，充分发挥电力市场的作用，努力做到单位电能生产中能耗和污染物排放最少[7-9]。电力系统节能发电调度与传统的发电调度的比较见表 1所示。节能发电调度改变了传统的发电调度方式，取消了按行政计划分配发电量指标的做法，制定并实施新的调度规则，也就是以节能、环保为目标，合理调用电力系统内发、供电设备能力，最大限度地降低能源消耗，减少污染物排放，保证电力系统的高效、清洁运行。

电量置换的基本思想即将低参数、低容量、高能耗机组的发电量转移到高参数、大容量、低能耗机组上，从而降低整个电网的能耗水平[10]。电量置换对电网节能贡献最大的是置换发电量部分节煤，其次是被置换侧调停节煤、置换侧的折算计划发电量部分节煤，损失最大的是被置换侧的实际发电量部分，而被置换侧机组启停损失、网损、厂用电率修正三项对电网节能影响较小。其中被置换侧的实际发电量部分往往通过被置换侧调停节煤来弥补，即通过被置换侧调停来提高被置换侧平均负荷率，以其降低损失。因此，通过电量置换提高电网整体经济性，首先要在条件许可的前提下，增加年度实际置换电量；其次合理安排被置换侧机组调停次数及调停时间，以提高被置换侧平均负荷率。

2　智能电网的建设

表1　节能发电调度与传统发电调度的比较Tab.1 The comparison of the energy-saving generation dispatch and the traditional generation dispatch

电能是优质、高效、清洁的二次能源。中国电能占终端能源消费的比重每提高1个百分点，单位GDP能耗可下降4%。1吨标准煤当量的电创造的经济价值分别为等当量石油、煤炭的3倍和17倍。过去20年，中国电能占终端能源消费的比重从9.1%上升至22%。同期，全球电能占终端能源消费的比重也从13.2%上升至19%。现在电能替代（以电代煤、以电代油）成为能源发展的重要趋势。电网是电能传输、资源配置、市场交易、客户服务的基本载体，在保障能源安全、高效、清洁发展中的作用不可替代。坚强智能电网是功能强大的能源转换、高效配置和互动服务平台，是坚强电网与智能控制紧密融合的现代电网，是涵盖发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节的智能化电力系统。发展坚强智能电网具有巨大的经济价值、社会价值、环保价值，是实现能源可持续发展的战略选择，将为经济社会发展提供更安全、更高效、更清洁的电力保障。

主干输电网能适应风能、太阳能等大规模可再生能源电力和水电、清洁煤电等大型常规能源基地的大容量远距离电力输送、大范围优化配置和间歇性功率相互补偿等需要，实现输电网的安全、高效运行。配电网应能适应中小型分布式电源的开放接入和电力需求侧互动管理的需求，配电网终端将较多采用微网结构，可实现潮流的双向控制，提高供电可靠性和终端能源利用效率，并形成多网合一的能源信息综合服务体系[11]。降低线损，提高输配电网的利用效率是建设下一代电网的重要任务。通过智能传感网络和信息系统，在用户端实现分布式电源、储能装置、电动汽车充放电、能源综合高效利用系统与电网有机融合、双向互动，形成灵活、高效的智能能源网络，能大幅度提高终端能源利用效率。

2.1减少输电线路损耗

2.1.1研发并更换新型输电导线

在铝制导线中加入其它微量元素，可以改变导线的性能。如耐热铝合金导线长期工作温度为150℃，短期工作温度可达230℃，比普通铝导线工作温度明显提高。耐热铝合金导线的允许载流量也远远高于铝导线。150℃时的耐热铝合金导线的疲劳极限和90℃时硬铝线的大致相等。

碳纤维导线具有重量轻、载流量大、强度高、耐高温、线损低等优点，碳纤维复合导线代替普通钢芯铝绞线应用于输电电网中在我国也取得成功，是最具发展潜力的导线。

另外绝缘母线使用也大大减少线路损耗，如110kV变电站使用全绝缘35kV母线，对比母线铜排进行分析计算：由于集肤效应减少，按变电站35kV母线电流2000A，母线100米（实际每站不同），每小时节约5.17kW，每年节约电量按照24小时，365天计算，上海110kV变电站665座，合计全年节约2830万度，节电48.61%。

2.1.2节能型金具的使用

在线路通过电流的情况下，不产生电能损耗或者非常少的电能损耗（相对于老的金具而言）的金具，称为节能金具。国家电网公司下发的Q/GDW 156—2006《城市电力网规划设计导则》中明确提出“应采用节能型线路金具，淘汰高能耗线路金具。” 国网公司2005下发的《110（66）kV～500kV架空输电线路技术监督规定》中也规定：“金具应选用定型产品，推广使用节能型金具”。目前，多种节能金具节能金具已经在许多供电企业应用，并取得良好效果。

1）铝绞线采用NXIJ型配电线路用铝合金耐张线夹，除了在制造工艺上采用了挤压冷拉成型方法外，在设计上还采用了与铝绞线等强度的原则，用楔块作锚固件，安装施工均很方便。

2）JBL型异型并沟线夹，其接触电阻比由原来JB型下降了1.0。该线夹采用了铝合金挤压冷拉形成的制造工艺，使金具相结构致密性更好，强度更好，防腐蚀性好，结构轻巧。设计上采用异型结构，不同线径的铝导线可兼用，通用性更强，规格减少。

3）耐张金具由传统的螺栓型结构改为楔型结构，解决了U形螺栓构成闭合磁回路问题，而且由于不用螺栓，施工大为方便。在承力可靠性方面，楔块结构的面接触使导线的紧固更为妥帖，改变了由U形螺栓紧固形成接触导线至导线蠕变、握力下降的缺陷。

4）接线金具由于采用了新材料、新结构和径向挤压、低压铸造、液态模锻等先进工艺，十分轻巧，通用性强，表面不易氧化，在各种自然环境下均无锈蚀之虞。

2.1.3调整不合理的线路布局

合理规划，完善电网结构，缩小供电半径。由于电网早期规划不合理，电源点远离负荷中心，造成“近电远供，迂回供电”，因此，调整不合理的线路布局（环形供电和多回线路），尽量减少迂回线路、交错和重叠，缩短电力线路损耗是减少电网中的功率损耗有效方法之一。

2.2变压器优化

2.2.1变压器降耗改造

变压器数量多、容量大，总损耗不容忽视，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施，其降耗改造主要是推广节能型电力变压器。目前我国使用硅钢铁心变压器，其自身消耗的电能占全国发电量的5%以上，在配电网损耗中，变压器损耗占60% 以上。非晶态合金是利用快速凝固技术制造的材料，具有优异的软磁材料，是硅钢片、坡莫合金以及铁氧体的换代产品，具有低噪音、低损耗等特点。与同容量配电变压器的空载损耗相比较，非晶合金配电变压器空载损耗可下降50%～60%，且全密封免维护，运行费用极低。S11系列是目前推广应用的低损耗变压器，空载损耗较 S9 系列低 75%左右，其负载损耗与 S9 系列变压器相等。因此，应在输配电项目建设环节中推广使用低损耗变压器。

2.2.2变压器经济运行

变压器经济运行指在传输电量相同的条件下，通过择优选取最佳运行方式和调整负载，使变压器电能损失最低。变压器经济运行无需投资，只要加强供、用电科学管理，即可达到节电和提高功率因数的目的。每台变压器都存在有功功率的空载损失和短路损失，无功功率的空载消耗和额定负载消耗。考虑到变压器的容量、电压等级、铁芯材质都不相同，故上述参数各不相同，因此变压器经济运行就是选择参数好的变压器和最佳组合参数的变压器运行。选择变压器的参数和优化变压器运行方式可以从分析变压器有功功率损失和损失率的负载特性入手。

2.3电网无功配置优化

大量无功电流在电网中会导致线路损耗增大，变压器利用率降低，用户电压跌落。无功补偿是利用技术措施降低线损的重要措施之一，在有功功率合理分配的同时，做到无功功率的合理分布。

无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布降低网络的有功功率损耗，并保持最好的电压水平。无功优化补偿一般有变电所无功负荷的最优补偿、配电线路最优补偿以及配电变压器低压侧最优补偿。由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无功就越多，线损就越大。因此，安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，提高电气设备的有功出力。

3　需求侧管理

电力需求侧管理是国际上广泛采用的一种先进管理技术，通过使用科学合理的节约能源技术，在满足用电需求的前提下减少电量消耗，提高终端用电效率和改变用电方式，达到节约资源和保护环境的目的。我们应积极探索建设需求侧管理长效工作机制，开展需求侧管理，利用蓄能技术削峰填谷，无功补偿、谐波治理，改变用户用电方式、提高终端用电效率。

3.1改变用户用电方式

改变用户用电方式是通过负荷管理技术来实现的。其技术手段主要包括：直接负荷控制、时间控制器和需求限制器、低谷和季节性用电设备及储能装置。

1）直接负荷控制是系统人员通过负荷控制装置控制用户终端，以停电损失最小为原则进行排序控制；

2）时间控制器和需求限制器实现负荷的间歇和循环控制，是控制电网错峰的理想方式；

3）在电网日负荷低谷时段投入电气储能装置进行填谷，在负荷高峰时段释放出来转换利用，达到移峰填谷的目的，提高用电效率，达到节能的目的。

3.2提高终端用电效率

提高终端用电效率是用户通过采用先进的节能技术和高效设备来实现。主要从以下几方面展开：

1）电动机系统的节电运行

它可通过多种措施来实现，比如电动机与被驱动设备匹配，使其运行在负载的高效区域；采用高效拖动机械；应用各种调速技术等，以提高终端用电效率。

2）高效照明系统：将先进的控制技术和高效照明器具结合使用，以提高用电效率和照明质量。

3）推广高效节能家用电器，如电冰箱、电视机、空调器、电脑等，降低待机能耗，规范节能产品市场，实施能效标准和标识。

4）引导企业采用变频调速的节电控制器，有利于电网削峰填谷、改善电网运行方式、降低环境污染，提高终端电能利用率。

3.3改变用户用电方式

改变用户用电方式，最主要就是蓄能技术（冰蓄冷+电蓄热），即移峰填低谷用电，优化资源配置。

1）冰蓄冷

冰蓄冷就是能源站通过蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电动制冷机制冷，使蓄冷介质温度降低或结成冰，利用蓄冷介质的显热及潜热特性，将冷量储存起来。在电力负荷较高的白天，也就是在用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足供能区域空调的需要。具体优势为：电力移峰填谷、享受峰谷电价、降低电力设施投资、充分使用设备、投资小、效率高。

2）电蓄热

电蓄热系统是在夜间用电低谷期间将电能转化成热能，并以显热或潜热的形式将它储藏起来，在用电高峰期将储藏的热量释放出来满足供热的需要，以达到转移尖峰电力、节省电费、减轻电力负荷和降低设备容量的需要。目前蓄热节能侧重于电锅炉的展开。

3.4提高终端用电效率

提高用户终端用电效率，最主要是的用户侧的无功补偿。

电力系统的无功补偿分为：集中补偿和分散就地补偿，前者大多用在中压网络的供电母线上，解决供电无功输送中的线路损耗，即提高功率因数；后者大多用在配电系统末端负荷处，解决用户侧的无功平衡问题，使用户在负荷端实现无功就地补偿，降低配电线路的线损。集中补偿解决的是部分线损，而分散补偿可使网络损耗降至最低限度。两者相结合可达到更理想的效果。

节能型无功补偿装置的采用可以提高功率因数。随着电力电子技术的发展，有源滤波装置和静止同步并联补偿器的大量应用已经开展[12]。

4　结论

电力行业在节能减排中占据了突出位置，节能减排也正在成为电力行业发展的主旋律，电力系统无论是发电端，还是输电端和用电端，都在这场节能减排的“革命”中承担着责无旁贷的使命。本文针在电力系统的发电、输电、变电、配电和用电各环节上具体展开电力系统节能策略和方法分析，主要针对节能发电调度、智能电网建设和需求侧管理等进行了详细的探讨研究，给出了技术措施。总之，电力系统通过技术改造和精细化管理，强化电力资源的优化配置，必将为促进电力和谐发展，实现电力行业节能减排目标做出应有的贡献，对建设资源节约型社会和环境友好型社会，推动国民经济可持续发展具有重要意义。

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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.

国家级自然科学基金（51507150）

窦真兰（1980-），女，博士，国网上海市电力公司电力科学研究院，主要研究方向：风力发电等新能源；杜凤青（1986-），女，硕士，国网上海市电力公司电力科学研究院，主要研究方向：节能减排

本文引用格式：窦真兰，杜凤青.电力系统节能策略和方法分析[J]. 新型工业化，2015，5（10）：1-6.