[科普中国]-配电网清洁性评估指标-

简介

智能电网是未来电网的发展趋势，具有安全、自愈、兼容、互动、清洁、高效、优质等特征[f }-31其中，清洁性是智能电网应对能源枯竭、环境恶化等挑战，实现节能减排的必然要求。智能配电网是智能电网的重要组成部分，提高配电环节的能源利用效率有利于实现智能电网的清洁运行。风能、太阳能等清洁能源的接入、电动汽车的快速发展、用户参与互动、储能装置的广泛应用使智能配电网能够通过多种方式实现节能减排。对智能配电网的清洁性进行评估，是引导清洁能源的充分利用，是提高能源利用效率和电网运行效率，是实施科学的配电网建设方案，是提高智能配电网清洁性的理论支撑。建立智能配电网清洁性评估指标是进行评估的前提，评估指标及其模型的合理性将直接影响评估结果，从而影响智能配电网的建设，因此有必要对智能配电网的清洁性评估指标展开研究2。

目前，国内外已开展电力系统清洁性的相关理论研究，其主要观点是降低碳排放，包括:1)通过提高风能、太阳能等清洁能源的消纳能力减少碳排放;2)优化电动汽车的充电负荷，实施智能充放电，降低充电负荷的随机性;3)将碳排放当做一种可调度的资源，形成低碳调度模式;4)建设智能家居、智能小区，鼓励用户优化能量管理，形成低碳电力消费模式。为了评估和衡量电网的低碳化水平及效益，初步建立了智能电网的低碳指标体系，但未建立相应的评估指标模型。提出了由低碳发展能力评价低碳效益的测评模型，在模型中考虑了电动汽车对节能能力的负面作用，但该模型是基于渗透率模型的测评模型，不能作为清洁性指标的计算模型。提出了智能电网的清洁运行机制，但仅局限于发电环节的清洁性，也没有提出相关的评估指标。除了提高发电环节的能源利用效率，提高智能配电网的清洁性将成为实现节能减排的关键环节。低碳是清洁性建设的目的和结果，但低碳化不等于实现了清洁性，清洁性的内涵更为广泛。目前，急需对智能配电网清洁性的内涵进行深入研究，建立相应的评估指标及模型，从而发掘提高清洁性的途径。

电力系统面临的能源环境压力1)消耗大量化石能源。电力系统能源消耗以化石能源为主。根据国家统计局发布的统计数据，2010年全国煤炭、石油消耗量占能源消费总量的比例分别为68%和19%。 2011年煤炭和石油的消耗还在持续增长，涨幅分别为9.7%和2.7%。

2)排放大量温室气体和污染气体。电力系统在消耗化石能源的同时会排放大量二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等，造成温室效应、酸雨的产生。随着化石能源消耗量的增长，上述气体排放量也呈现持续增长的趋势。以二氧化碳为例，据专家估计，在过去10年中，中国二氧化碳排放量占全球的比重由12.9%上升到23%。

3)产生电磁污染。电力系统的电磁排放是由导体电流感应产生的工频电场和磁场。随着负荷的迅速增长，高压输电线路深入负荷中心，与用户的距离越来越近，电磁排放也迅速增加，造成的影响不可忽视。据估计，城市空间人为电磁能量将以每年7%}14%的速度增长，成为21世纪影响环境的主要污染因素之一。

4)产生噪声污染。电力系统的噪声包括电气设备和辅助机械运行产生的电气噪声和机械噪声，以及输电线路电流运行产生的电气噪声等。随着电网规模的扩大，电力噪声也呈现增长的趋势。与污染气体相比，电磁、噪声是一种无形的污染，造成的影响除了污染自然环境，更重要的是影响人的生存环境，从而影响人的健康。电力系统形成和发展的目的是为人的生存和发展服务，因此智能配电网除了减少污染气体的排放外，更要关注日益增多的电磁和噪声排放，这对改善环境污染具有十分重要的意义2。

智能配电网清洁性的内涵按照目前的能源消耗水平，地球上探明的化石能源储量只能支持数百年，甚至更少。球变暖、酸雨等环境破坏问题使人类把环境保护上升到前所未有的高度，从《京都议定书》到“巴厘岛路线图”，再到《哥本哈根协议》，都能看到进行节能减排，建设环境友好、能源可持续的绿色社会受全球关注的程度。

在此背景下，电力系统高能耗、高排放的生产方式将受到前所未有的挑战，进行智能电网建设必须减少化石能源消耗、降低排放，即清洁性是智能电网应对能源、环境挑战的必然要求，节能和减排是实现清洁性的最终目的。

电力系统中的化石能源消耗与温室气体、污染气体的排放主要发生在发电环节。作为连接电网和用户的中间环节，智能配电网实现节能和减排有其特殊性。智能配电网不含大型发电设备，不能通过提高燃煤机组效率、碳捕捉与封存(carbon captureand storage CCS)等技术实现直接的节能减排，而通过降低配电环节的损耗及提高电能的利用效率，可减少发电环节的电能输出，间接降低能耗和排放1。

智能配电网中含有大量分散的分布式电源、储能装置和电动汽车等，充分发挥这些资源的作用，能够实现节能减排，如1)风能、太阳能、小水电、潮汐能等清洁能源能够替代燃煤机组为负荷供电;2)分布式能源就近供电，能够减少电能的远距离输送，减少损耗;3)储能装置在谷期储能峰期释能，能够降低峰谷差，降低系统备用;4)电动汽车替代燃油汽车，减少石油消耗的同时也减少了尾气排放;5)燃煤机组电能输出减少，相应地减少了温室气体和污染气体排放;6)智能配电网面向用户，减少配电环节产生的电磁和噪声排放，能够有效降低对用户的直接影响。

智能配电网的清洁性评估指标根据智能配电网清洁性内涵，遵循科学、客观、重点突出的基本原则，建立包含节能指标、气体减排指标、电磁污染指标和噪声污染指标在内的智能配电网清洁性评估指标。

节能指标智能配电网清洁性的目标之一是减少化石能源消耗。根据中国的能源结构，煤炭和石油的消耗量最大。本文采用煤炭、石油节约量2个指标衡量智能配电网的节能情况1。

智能配电网对煤炭和石油的节约途径有以下方面。

1)消纳清洁能源。采用风能、太阳能、生物质能、小水电、潮汐能等能源进行发电具有零排放的特性，被称为清洁能源。智能配电网消纳清洁能源代替燃煤机组为负荷供电，能够减少煤炭消耗。

2)减少损耗。通过网络重构、分布式电源就近供电、选用低耗设备等措施能够改善潮流分布、减少电能的远距离输送、优化电网运行水平，从而减少电能损耗。

3)降低系统备用。当系统备用由燃煤机组承担时，由于燃煤机组的快速调节性能较差，为保证系统安全可靠供电会出现长期“备而不用”的现象，造成能源浪费。通过实时电价、电动汽车/储能装置智能充放电、智能家居等手段，能够降低峰谷差，从而降低备用。

4)改变能源消费方式。能源消费方式的转变将产生新的节能途径，最具代表性的是电动汽车，可以减少直接的石油消耗，转为消费电能后在一定程度上减少了化石能源的消耗。

气体减排指标电力系统中温室气体、污染气体的减排主要是对大型发电厂采用碳捕集、脱硫、脱硝等技术实现。配电环节没有大型发电厂，仅考虑通过节能途径减少化石能源消耗间接减少的发电环节排放。二氧化碳排放量巨大，造成温室效应，二氧化硫和氮氧化物的排放量不大，但形成的酸雨对环境的污染严重。综合考虑，本文采用二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的减排量3项指标来衡量气体的减排情况。

电磁污染指标电气设备接通电源时，在其周围就形成了电场。导体中有电流流过时，在其周围就产生磁场。电力系统的工作频率是50 Hz，形成的电磁场为工频电磁场，属于低频电磁场。与高频电磁场不同，低频电磁场不形成电磁波形式的电磁能量辐射，工频电场和工频磁场分别存在。通过对电网的电磁环境进行监测，分别获得电场强度和磁场强度。监测范围、监测点的布置、监测方法、安全限值等。

通过电磁监测获得的是一个时间断面的电磁场强度大小，而电网运行状态是不断变化的，形成的电磁场也随之变化。外界环境如温度、湿度、有无导体等，也会对电网的电磁环境造成影响。因此，一个时间断面的监测值不足以对电磁污染程度进行全面、准确的度量，本文用多次测量并与安全限值求平均偏差的方法来衡量电磁污染程度，建立电场强度平均偏差和磁场强度平均偏差2个指标。

噪声污染指标通常采用声音的计权声级A声级来反映人耳对噪声的强度和频率的主观感受。A声级对一段时间内的连续噪声能给出较准确的评价，对间歇性噪声却很难确定其大小。等效A声级是将一段时间内不同时刻的A声级采用能量平均的方法等效转化为一个能量相当的持续性噪声，用于评价间歇性噪声的大小。电力系统中的噪声通常与设备的工作状态有关，属于间歇性噪声。

通过对电网的噪声环境进行监测，能够获得一个时间断面的噪声大小A声级，监测点布置、监测方法、安全限值等本文将一段时间内多次监测获得的噪声强度A声级转化为等效A声级，并与环境噪声安全限值求平均偏差来衡量噪声污染严重程度，建立噪声强度平均偏差指标。

展望从电力系统面临的能源环境压力出发，对智能配电网清洁性的内涵进行分析，提出并建立了清洁性评估指标及模型。智能配电网清洁性评估指标模型能够反映不同运行状态下的清洁性水平，为智能配电网实现节能减排、对分布式电源进行优化配置及高效利用提供定量分析的依据1。

1)促进清洁能源的消纳是提高智能配电网清洁性的关键环节;

2)电动汽车的发展规模应与智能配电网的节能潜力相适应，否则会出现石油和煤炭消耗量此消彼长，二氧化碳排放量却没有减少的“节能不减排”现象;