智能用电技术对配电网设备利用率的影响

黄 金

南方电网调峰调频发电有限公司工程建设管理分公司 广东广州 511400

1 概述

配电网设备的利用率在电力系统经济中起着至关重要的作用，随着智能电网的快速发展受到了广泛关注。在2011—2021年中，中国在智能电网的建设上的投资已达到1500亿美元，且还在不断加大投资。智能用电技术的目的是提高了配电网设备的利用率，并减少所需的配电网络投资成本。

由于可再生能源与可持续能源受到地理天气等因素的影响无法充分在电力行业得到利用。使得大多数可再生可持续能源发电的设备没有得到充分利用。而智能用电技术可以通过充分利用能源来提高经济效益以及设备的利用率。此外，提高设备利用率有助于减少设备的数量和用于生产此类产品的能源消耗。智能用电技术的普及同时影响着供应侧和需求侧的设备利用率。

本文列举和分析的智能用电技术和措施旨在提高电力系统的可靠性，以及供给侧和需求侧配电设备利用率。改进设备利用率，可以很大程度上减少配电网所需的投资。

综上所述，针对配电网设备利用率较低的现状，分析智能用电技术对配电网设备利用率的影响至关重要。同时电动汽车或配备V2G系统的PHEV(并联式混合动力汽车)的大规模推广对国外一些国家的电力系统带来巨大的收益，V2G技术对配电网设备利用率也有着较大的影响。故而，V2G技术的发展与影响也应该纳入研究范围。因此本文总结几种智能用电技术和各种措施，并分析了它们对配电网设备利用率的具体影响。

2 配电网设备利用率的评价方法及指标

本文首先对设备利用率进行量化评估，提出以下几种评价指标。

2.1 变电站负荷率

单个设备的利用水平通常用设备最大负荷率来表示。变电站最大负荷率表示了变电站在最大负荷下的运行状况。变电站负荷率包括了轻负荷率、重负荷率、过载率和平均负荷率的计算。变电站平均负荷率为总电量与变电站额定容量之比，可作为评估指标。对于110kV以上电压等级的变电站利用率评估见公式(1)：

(1)

式中η是变电站的平均负荷率，E表示总电量，C为变电站的额定容量。

负荷率小于或等于30%的变电站即轻负荷变电站。变电站的轻负荷率计算如公式(2)：

(2)

式中S是轻负荷变电站的数量，S是所有变电站的数量。

重负荷变电站是指在正常运行模式下，平均负荷率介于极端负荷率和100%之间的变电站。计算公式如下：

(3)

过载变电站是指在正常运行模式下，负载率大于100%的变电站，计算公式如下：

(4)

其中S是过载变电站的数量。

轻负荷率、重负荷率和过载率越低，平均负荷率越高，变电站的利用率越好。在理想情况下，当轻负荷率、重负荷率和过载率为0，平均负荷率达到100%时，变电站得到了充分利用。

2.2 线路负荷率

线路平均负荷率为总电量与线路额定容量之比，该比值可以直观反映配电网线路容量的利用水平，在此用来评估线路的利用率。

线路最大负荷率表示线路在最大负荷下的运行状况。它包括线路的轻负荷率、重负荷率、过载率和平均负荷率的计算，与变电站的计算方法类似。

2.3 容载比

容载比是供电区域内变电站设备的总额定容量与所供负荷的平均最大有功功率之比。容载比是控制变电站设备总容量的重要指标，表示变电站设备的运行裕度。容载比

γ

的计算见公式(5)。

(5)

式中C为某供电区域变电站设备的总额定容量，P为所供负荷的平均最大有功功率。

实际上变电站容量和电力负荷的分布通常是不均匀的。因此，一般容载比只能作为单个变电站的容量裕度计算的参考。具体的还需要考虑机组扩建费用、负荷增长率和其他特殊细节确定。文献[12]研究了多电压配电网的最优容量负荷比，其中以配电网的建设和运行成本为优化目标，以变电站的使用寿命为优化变量。

2.4 生命周期利用率

本节根据文献[13]提出生命周期利用率综合评价指标。生命周期评估(LCA)是通过分析影响因素并对其进行系统评估，找到消除影响的最佳策略。考虑到电气设备利用率受到需求侧、供应侧以及寿命周期等方面影响。该指标以设备在使用寿命内的实际用电量为参考，根据实际的用电量对配电设备的利用率进行综合评价。寿命周期利用率由负荷率、负载率和预期寿命率三者来表示，如下所示：

(6)

式中η为电气设备的生命周期利用效率，E为其使用寿命内的实际电量，C为电气设备的容量，T和T分别为设计寿命和实际使用寿命。L和L分别是平均负荷和最大负荷，η、η和η分别是负载率、负荷率和预期寿命率。预期寿命率反映了电气设备在其整个生命周期内的使用率。

评价指标与本文探讨的智能用电技术的关系如右图所示。电能的存储技术一般在夜间用电低谷期进行存储能量，在白天的高峰期释放。电能存储技术可以实现调峰，从而提高负荷率，减轻配电网用电高峰的需求压力、设备的负担，提高设备的寿命利用率。当下提出的V2G技术可以用来补偿夜间的低负荷需求，并且在白天的高峰期为配电网提供电动汽车的储能。电动汽车电池中储存的能量可以作为电力系统的备用容量，配电网企业可以减少设备容量，减轻配电网负担。V2G技术还可以减少设备的损耗，有利于提高设备的寿命利用率。

评价指标与智能用电技术关系图

3 具有储能功能的智能电力设备

储能在提高间歇性能源利用率和调峰方面起着至关重要的作用。而电储能技术作为最经济有效的调峰技术之一，它的应用前景十分广阔。电储能技术既能平衡配电网负荷，提高设备利用率，也可以提高能源利用率，缓解能源危机。广泛使用的电能存储技术包括带蓄热装置的电锅炉和热泵机组等。

3.1 带蓄热和热泵机组的电锅炉

电蓄热技术的工作原理是在低谷期利用电加热设备加热介质，并在高峰期释放热能，以满足建筑物和房屋的需求。储热介质包括水、蒸汽和其他变相材料。水蓄热可分为常温蓄热和高温蓄热。电锅炉的工作原理是将水加热产生加压热水或饱和蒸汽，并通过安装在壳体中的大功率电加热元件实现能量转换。热泵机组是一种高效节能装置，常用的热泵系统包括空气源热泵系统、水源热泵系统、地热源热泵系统和太阳能/空气双源热泵系统。其工作原理是将低等级热源的热量连续泵送至储能装置。

近几十年来，电蓄热系统已证明具有降低峰值负荷和改变功耗方式的能力，因此，它们有可能成为电力需求侧管理(DSM)中的强大仪器。正常工作日分为高峰和非高峰两部分，非高峰时段的电价较低。研究发现，通过这种策略，许多用户会将负载转移到非高峰时间，因此，更多的高峰容量可以用于其他用途，而非高峰容量可以得到更好地利用。

3.2 对配电网设备利用率的影响

通过智能用电设备将电能存储技术应用到工业和日常生活中，可以有效提高配电网设备的利用率。相变材料在智能用电设备中具有储能功能，由于其良好的储能能力，在建筑调峰中得到广泛应用。现有研究表明，无论是否实施负荷控制策略(从10%到57%)，它们都对峰值负荷降低有显著影响，不同类型的储能技术有各自的优势，适用于不同的方向。电储能技术可以降低企业的日高峰需求和用电设备容量，有利于企业的发展充分利用现有设备，降低投资成本。配合电价政策，还可以降低企业的运营成本。

4 电动汽车到网技术

4.1 V2G技术的概念

电动汽车充放电技术主要有四种模式，即单向无序充电模式、单向有序充电模式和双向有序充放电模式。单向充电模式只能单方面从配电网接收电力而无法回馈给配电网。双向有序充电和放电模式意味着电动汽车与配电网的能量管理系统相连并受其控制。电动汽车的电池被视为移动储能设备和备用电源，以实现与配电网的能量转换。

之所以提出V2G的概念，是因为电力系统需要通过其他能源进行补偿，以稳定可再生资源大规模整合到配电网中所造成的波动。由于V2G技术的特殊特性，使电动汽车能够向配电网提供存储的电力，因此它在实现电力系统和电动汽车之间的互联方面具有巨大的潜力。要实现V2G，需要建立两个连接。一种是能使电力在配电网和电动汽车之间传输的能量传输连接，另一种是能通过反馈信号准确了解配电网运行状态的逻辑控制连接。

4.2 对配电网设备利用率的影响

电动汽车与电力系统的集成在许多方面影响配电网络，如变压器、配电线路、能量损耗、电能质量以及电力系统的利用率和可靠性。作为电力系统运行的重要参考，配电网设备的利用率也受到V2G技术和电动汽车融入电力系统的影响。将电动汽车集成到配电网中可以有效降低配电网的电压波动，提高分布式发电(DG)的电能质量和频率控制能力。V2G技术可以大大降低配电线路的损耗，避免电压降，实现继电保护装置的平稳运行。此外，它还具有巨大的调峰潜力，可以确保配电网的安全和降低运营成本，配备V2G系统的电动汽车在电力系统中发挥着重要作用。它们可以调节有功功率、补偿无功功率、转移峰值负荷、填补谷值负荷，并提高负荷率。他们还可以提供备用设备配电网的容量。

作为智能电网技术的重要组成部分，V2G技术的发展将对电动汽车未来的商业运营模式产生重大影响。研究表明，随着智能汽车和智能电网的发展，插电式混合动力电动汽车(PHEV)和纯电动汽车将在20年内成为配电系统不可分割的一部分。它们可以提供储能，平衡配电网的需求，提高应急供电能力和配电网的稳定性。如果处于静止状态的电动汽车数量足够大，当它们与配电网络连接时，可以将其用作可移动分布式储能装置。因此，它们可以向配电网提供剩余电力，同时仍能满足电动汽车消费者的驱动需求。V2G技术与DSM相结合，可以在高峰期为配电网提供电动汽车的备用，从而有效节约增加发电机组的相关成本，减少发电机的损耗，提高配电网设备的利用率。V2G技术的功能是为配电网提供一个类似于大缓冲空间的大型能源来源和能源出口。配电网存在的能源利用率低、电力系统波动性大、不同时期电力需求差异大等问题有了新的突破。

分布式发电(DG)的集成和智能用电技术的应用会影响配电网设备的利用率。V2G技术的应用可以有效降低分布式发电对配电网的影响，提高电力系统的稳定性。V2G技术使参与大规模风能、太阳能等新能源发电成为可能。利用V2G技术，风能和太阳能产生的电力可以储存在电动汽车电池中，并稳定地提供给配电网。此外，如果这些电动汽车能够相互通信并以智能的方式共享电力，那么高峰时期配电网的压力可以显著降低。V2G技术的推广可以明显优化配电网络。一方面，当电动汽车充电时，它们可以被视为负载。供电方可以通过技术和经济手段安排充电时间，实现有序的充电管理，实现移峰填谷，提高系统运行效率，降低对配网安全的影响。另一方面，当电动汽车电池用作储能装置时，它们被视为配电网的备用容量，有助于在高峰时段为电力系统供电，优化配电网的运行。此外，电动汽车的供电调度是从电网的角度进行的，其直接受益者是电力供应商和运营商，不考虑电动汽车用户的利益。然而，电动汽车用户是V2G参与的主体，他们应该制定管理策略，以找到最佳解决方案，实现利益最大化。通过充放电控制策略，确保用户利益最大化，吸引更多用户参与V2G。同样，在V2G运行期间，频繁地充电和放电将不可避免地影响电池的寿命，并且还应考虑与电池损耗相关的成本。通过充放电控制策略，尽可能使电池的浅充和浅放电工作条件达到最佳。这对推动电动汽车的普及具有重要意义。

结语

配电网设备的利用率与配电网建设的经济性密切相关。这取决于设备的负载率、负荷率和预期寿命。智能用电技术在提高配电网设备利用率、降低配电网建设和投资成本方面发挥着重要作用。智能用电技术对配电网设备利用率的影响受到多种因素的影响。提高设备利用率的关键是综合考虑供电侧和需求侧的问题，合理利用智能用电技术。本文给出了相应的评价指标及其适用范围，同时介绍了具有储能功能的智能电力设备、V2G技术等技术对配电网设备利用率的影响。

具有储能功能的智能用电设备可以在配电网的低谷期储能，并在高峰期释放能量以满足需求，这对调峰有很大影响。它还可以改善负荷曲线和配电网设备的利用率。电动汽车的广泛采用给配电网的运行带来了一些问题，V2G技术的引入旨在解决或缓解这些问题。V2G技术利用电动汽车电池的容量作为备用储能装置，在高峰期为配电网提供电力，从而降低发电机组扩建的相关成本。此外，电动汽车在低谷期有序充电，这对低谷负荷填充有很好的效果。V2G技术的应用在一定程度上降低了设备损耗，提高了配电网的负荷率。然而，还有许多问题需要解决。由于V2G的直接受益者是电力供应商和运营商，而电动汽车用户是V2G参与的主体，因此他们应该制定管理策略，以找到最佳解决方案，实现利益最大化。同样，在V2G运行期间，频繁地充电和放电不可避免地会影响电池的寿命电池，以及与电池相关的成本由此产生的电池损耗也应考虑在内。

所有这些技术和措施都会影响负荷率，并能改善负荷曲线，这有利于调峰，本文详细讨论了负荷率对配电网设备利用率的影响。然而，关于负担率和预期寿命率的研究还不够充分，需要进一步讨论。