一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法与流程

本发明涉及电力节能
技术领域：
，具体涉及一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法。
背景技术：
：随着能源问题与气候变化问题日益凸出，实现低碳发展、减少化石能源的过度消耗逐渐成为人类社会的共同目标。低碳发展的核心是技术创新、制度创新和发展观的改变，这将涉及生产模式、生活方式、价值观念的重新调整，与国家权益密切相关。电力行业作为我国基础性的能源部门，同时也是二氧化碳排放量最大的行业。至2011年，我国全社会碳排放量突破80亿吨，人均CO2排放也已经超过了全球的平均水平，同时电力行业碳排放量突破40亿吨，占全国碳排放量的比例从2006年的37％上升至50％。电力行业无论在排放总量上还是在排放发展趋势上，均面临着巨大的减排压力。因此，实现低碳转型是电力行业发展的必然趋势。低碳背景下，电网在保证电能输送可靠性的同时，还需以低碳减排、节能增效为目标，从各种维度优化自身结构，提高自身资产的利用率与电能输送的效率。通过加强技术进步，采用新型的节能输电设备和技术，能够显著降低电网输电过程中的能量损耗，产生切实的经济效益与节能减排效益。然而，电网设备的更新需要付出相应的制造能耗及环境污染成本，只有通过电网设备进行有效选型，从而降低制造能耗及环境污染成本，才能使得电网的低碳化发展得以成功。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供的一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法，该方法低碳减排、节能增效；准确且有效的选择出节能型高的电网设备，减少了用于电网后的能耗及环境污染，有效保证了电网可靠且环保的运行，推进了电网的低碳化发展建设。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法，所述电网设备为输变电设备，包括节能导线、节能变压器、无功补偿设备及绝缘子串；所述方法包括如下步骤：步骤1.确定电网设备所在的目标电网的边界；步骤2.定义电网设备的节能评价指标；步骤3.基于运行模拟计算所述目标电网的能耗；步骤4.确定所述电网设备节能效益评价及选型依据，对所述电网设备进行节能评价及选型。优选的，所述步骤1包括：1-1.判断运行项目是否为电网节能改造项目；若是，则根据具体电网节能改造项目确定所述目标电网的边界；若否，则进入步骤1-2；1-2.判断电网设备是否为变压器；若是，则进入步骤1-3；若否，则进入步骤1-4；1-3.确定所述目标电网的边界为：所述变压器高压侧及低压侧分别对应的两个不同电压等级的电力网络；1-4.确定所述目标电网的边界为：受新建或更换电网设备影响的、且与电网设备在同一电压等级的电力网络。优选的，所述步骤2包括：2-1.确定电网设备的节能评价指标电网设备的节能回报率，并将电网设备的节能回报率定义为：新建或更换电网设备所带来的边界内的目标电网运行能耗的减少量与该电网设备的建设能耗之比，即电网设备的节能回报率EPR为：EPR=EPBCEC×100%---(4)]]>式(1)中，EPB为新建或更换设备带来的目标电网的运行能耗的减少量，CEC为不考虑设备运行、维护及报废过程中的能耗时，新建或更换该设备所需要的建设能耗；2-2.确定所述新建或更换设备带来的目标电网的运行能耗的减少量EPB为：EPB＝OEC(0)-OEC(i)(5)式(2)中，OEC(0)为新建或更换设备前目标电网的年运行能耗值，OEC(i)为新建或更换设备后目标电网的年运行能耗值。优选的，所述步骤3包括：3-1.进行所述电网的运行模拟，即在全网范围内进行未来电网的运行模拟；3-2.运行模拟完成后，根据模拟结果计算所述目标电网的运行能耗。优选的，所述步骤3-1包括：确定电力系统运行模拟的整体框架包括：负荷预测、发电生产模拟及交流潮流模拟。优选的，所述负荷预测为对未来一个时间段内负荷的时序波动进行模拟，所述负荷模拟采用中长期负荷预测技术中的时间序列法或趋势外推法进行模拟。优选的，所述发电生产模拟为基于时序负荷曲线，以运行成本最低作为优化目标，引入以日为单位的机组组合和经济调度模型，根据运行因素对每天的运行模拟做出最优的机组组合；所述运行因素包括：约束、火电机组的运行特性及机组的启停费用；所述约束包括：机组调峰约束、机组启停约束及网络约束。优选的，所述交流潮流模拟为在网络条件不变的假设下，采用牛顿法求解非线性的交流潮流方程；其中，所述潮流方程中的已知量包括：负荷预测中得到的负荷有功功率及负荷无功功率、发电生产模拟得到的发电机有功功率；所述潮流方程中的未知量包括：电压幅值、电压相角及支路潮流状态量。优选的，所述步骤3-2包括：运行模拟完成后，根据运行模拟结果计算得到目标电网的运行能耗，如下式所示：EC=Σi=1n-1(Ploss(i)+Ploss(i+1)2)---(6)]]>式(3)中，EC表示一段时间内的电能损耗；n为时段总数；i为时段标号；为第i个时间段的电能损耗；为第i+1个时段的电能损耗。优选的，所述步骤4包括：4-1.将所述电网设备的节能回报率指标作为所述电网设备节能评价及选型依据，计算所述电网设备的节能回报率指标；4-2.分析新增或更换电网设备给目标电网在节能方面带来的能效变化值；4-3.以节能回报率高于其他设备的电网设备为最优项，结合不同类型设备在不同位置及不同场景下的节能效果，得到不同类型电网设备在不同位置的节能分析结果；4-4.根据所述节能分析结果为所述电网设备选型。从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法，确定电网设备所在的目标电网的边界；定义电网设备的节能评价指标；基于运行模拟计算目标电网的能耗；确定电网设备节能效益评价及选型依据，对电网设备进行节能评价及选型；本发明提出的方法低碳减排、节能增效；准确且有效的选择出节能型高的电网设备，减少了用于电网后的能耗及环境污染，有效保证了电网可靠且环保的运行，推进了电网的低碳化发展建设。与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：1、本发明所提供的技术方案，低碳减排、节能增效；准确且有效的选择出节能型高的电网设备，减少了用于电网后的能耗及环境污染。2、本发明所提供的技术方案，有效保证了电网可靠且环保的运行，推进了电网的低碳化发展建设。3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。附图说明图1是本发明的一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法的流程图；图2是本发明的具体应用例中的电力系统运行模拟流程示意图；图3是本发明的具体应用例中的电能损耗计算示意图；图4是本发明的具体应用例中的IEEE24节点测试系统接线示意图；图5是本发明的具体应用例中的多场景运行能耗对比示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明提供一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法，电网设备为输变电设备，包括节能导线、节能变压器、无功补偿设备及绝缘子串；包括如下步骤：步骤1.确定电网设备所在的目标电网的边界；步骤2.定义电网设备的节能评价指标；步骤3.基于运行模拟计算目标电网的能耗；步骤4.确定电网设备节能效益评价及选型依据，对电网设备进行节能评价及选型。其中，步骤1包括：1-1.判断运行项目是否为电网节能改造项目；若是，则根据具体电网节能改造项目确定目标电网的边界；若否，则进入步骤1-2；1-2.判断电网设备是否为变压器；若是，则进入步骤1-3；若否，则进入步骤1-4；1-3.确定目标电网的边界为：变压器高压侧及低压侧分别对应的两个不同电压等级的电力网络；1-4.确定目标电网的边界为：受新建或更换电网设备影响的、且与电网设备在同一电压等级的电力网络。其中，步骤2包括：2-1.确定电网设备的节能评价指标电网设备的节能回报率，并将电网设备的节能回报率定义为：新建或更换电网设备所带来的边界内的目标电网运行能耗的减少量与该电网设备的建设能耗之比，即电网设备的节能回报率EPR为：EPR=EPBCEC×100%---(7)]]>式(1)中，EPB为新建或更换设备带来的目标电网的运行能耗的减少量，CEC为不考虑设备运行、维护及报废过程中的能耗时，新建或更换该设备所需要的建设能耗；2-2.确定新建或更换设备带来的目标电网的运行能耗的减少量EPB为：EPB＝OEC(0)-OEC(i)(8)式(2)中，OEC(0)为新建或更换设备前目标电网的年运行能耗值，OEC(i)为新建或更换设备后目标电网的年运行能耗值。其中，步骤3包括：3-1.进行电网的运行模拟，即在全网范围内进行未来电网的运行模拟；3-2.运行模拟完成后，根据模拟结果计算目标电网的运行能耗。其中，步骤3-1包括：确定电力系统运行模拟的整体框架包括：负荷预测、发电生产模拟及交流潮流模拟。其中，负荷预测为对未来一个时间段内负荷的时序波动进行模拟，负荷模拟采用中长期负荷预测技术中的时间序列法或趋势外推法进行模拟。其中，发电生产模拟为基于时序负荷曲线，以运行成本最低作为优化目标，引入以日为单位的机组组合和经济调度模型，根据运行因素对每天的运行模拟做出最优的机组组合；运行因素包括：约束、火电机组的运行特性及机组的启停费用；约束包括：机组调峰约束、机组启停约束及网络约束。其中，交流潮流模拟为在网络条件不变的假设下，采用牛顿法求解非线性的交流潮流方程；其中，潮流方程中的已知量包括：负荷预测中得到的负荷有功功率及负荷无功功率、发电生产模拟得到的发电机有功功率；潮流方程中的未知量包括：电压幅值、电压相角及支路潮流状态量。其中，步骤3-2包括：运行模拟完成后，根据运行模拟结果计算得到目标电网的运行能耗，如下式所示：EC=Σi=1n-1(Ploss(i)+Ploss(i+1)2)---(9)]]>式(3)中，EC表示一段时间内的电能损耗；n为时段总数；i为时段标号；为第i个时间段的电能损耗；为第i+1个时段的电能损耗。。其中，步骤4包括：4-1.将电网设备的节能回报率指标作为电网设备节能评价及选型依据，计算电网设备的节能回报率指标；4-2.分析新增或更换电网设备给目标电网在节能方面带来的能效变化值；4-3.以节能回报率高于其他设备的电网设备为最优项，结合不同类型设备在不同位置及不同场景下的节能效果，得到不同类型电网设备在不同位置的节能分析结果；4-4.根据节能分析结果为电网设备选型。本发明提供一种基于节能回报率的电网设备节能评价及选型方法的具体应用例，如下：1)确定目标电网的边界：为了衡量新增或改造电网设备后目标电网运行能耗的降低程度，首先需要确定目标电网的边界。边界选取不能过大，否则设备的节能效益将由于网络过大而被“稀释”。因此，本发明规定目标电网的边界为受新建或更换电网设备影响，且与该设备在同一电压等级的电力网络；若该设备为变压器，则规定目标电网为变压器高低压侧对应的两个不同电网等级的电力网络。实际应用中，如果是电网节能改造项目，则可以根据具体的电网节能改造项目确定目标电网的边界。2)设计电网设备节能效益评价指标及选型依据2-1)定义电网设备的节能回报率：定义电网设备的节能回报率为新建或更换设备所带来的目标电网(即步骤1)中规定的边界内的电网，下同)运行能耗的减少量与该设备的建设能耗之比，以此考量设备改造在节能方面的成本效益。电网设备的节能回报率表达式为：EPR=EPBCEC×100%---(10)]]>式中，EPB为新建或更换设备后目标电网运行能耗的减少量，CEC为该设备的建设能耗(不考虑设备在运行、维护和报废过程中的能耗)。EPB为新增或更换设备后目标电网运行能耗的降低值，其表达式为：EPB＝OEC(0)-OEC(i)(11)式中，OEC(0)为新增或更换设备前目标电网的年运行能耗值，OEC(i)为新增或更换设备后目标电网的年运行能耗值。2-2)电网设备节能效益评价及选型依据以步骤2-1)中所定义的设备节能回报率指标作为设备节能效益评价及选型依据，认为节能回报率高的设备的节能效益好，在设备选型中应优先选择。通过计算设备的节能回报率，分析新增或更换设备给目标电网在节能方面带来的成本效益，结合不同类型设备在不同位置节能成本效益的分析结果，为设备选型决策提供参考。3)基于运行模拟的电网运行能耗计算方法步骤2)提出的节能回报率可用于指导电网设备选型，但需要计算目标电网的运行能耗，本发明提出了一种基于运行模拟的电网能耗计算方法。需要说明的是，运行模拟是在全网(可选定为电网设备所在的省级电网)范围内进行，以模拟未来电网的运行情况。运行模拟完成后，再根据模拟结果计算目标电网的运行能耗。3-1)电力系统运行模拟的整体框架：在设备选型中，为了分析某项设备升级后系统的降损效果，不存在对已有运行数据进行统计计算，必须对系统将来的运行情况进行模拟，主要包含负荷预测、发电生产模拟以及交流潮流模拟等步骤，流程如图2所示；3-2)负荷模拟：负荷模拟是指对未来一个时间段内负荷的时序波动进行模拟，模拟要符合实际的统计规律，具有较高的可信度，可采用中长期负荷预测技术，可选的方法有时间序列法或趋势外推法。3-3)发电机组运行模拟：发电机组运行模拟模型基于时序负荷曲线，以运行成本最低作为优化目标，引入以日为单位的机组组合和经济调度模型，使规划评估与实际系统运行相结合。模型可考虑调度运行中的机组调峰约束、机组启停约束、网络约束等，并且考虑到火电机组的运行特性、机组的启停费用等，对每天的模拟做出最优的机组组合。3-3-1)发电机组运行模拟的流程：根据系统内机组建设情况，考虑机组的投运、退役和技术改造等，确定投运机组；根据检修计划排除检修机组，确定可运行机组及其参数；安排所有可以确定出力的机组，包括外来的协议送电、核电机组以及认为指定出力的机组，根据电源所在区域修正对应的负荷曲线；根据可再生能源运行模拟模块随机模拟生成的可再生能源模拟出力，安排新可再生能源出力，修正对应的负荷曲线；以此修正后的多区域负荷曲线为基础，对于抽水蓄能和常规水电机组安排其削峰和填谷，抽水可设定为平抽或满抽方式，并满足机组的容量、电量等约束，根据电源所在区域再次修正对应的负荷曲线；最后对剩余的机组进行优化模拟运行。3-3-2)发电机组运行模拟的优化目标函数为各时段下综合考虑系统发电经济性以及切负荷成本等在内的系统总运行成本最低，其表达式为：Csys=Σt∈T(Cc(Pct)+Cf(Pft)+Ch(Pht)+Cw(Pwt)+θCwTPwdt+ηVdTDdt)+γ[1]CfT---(12)]]>式中：T为总时段的集合；C(Pt)可以设定为各类型机组t时段输出功率为Pt时的电价或煤耗，Vd为各节点平均停电损失，Cf为机组启停费用，Cw为切除可再生能源的成本，θ、η、γ为加权系数，通常情况下为1，也可以根据需要调整。上式表明，目标函数综合考虑系统发电经济性、切负荷成本以及切除可再生能源的调度决策等。3-3-3)发电机组运行模拟的约束条件包括系统功率平衡约束、机组出力上下限约束、系统正负备用约束、支路潮流约束、断面约束、动态约束等。3-4)交流潮流模拟：在网络条件不变的假设条件下，采用牛顿法求解非线性的交流潮流方程。潮流方程中的已知量为：负荷预测给出的负荷有功功率、负荷无功功率，发电生产模拟给出的发电机有功功率；未知量为电压幅值、电压相角、支路潮流等状态量。交流功率潮流方程可用如下方程描述：PGi-PLi-Vi2Gii-Σj=1j≠inViVj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0QGi-QLi+Vi2Bii-Σj=1j≠inViVj(Gijsinθij-Bijcosθij)=0(i=1,2,...,n-1)---(13)]]>式中，PGi表示注入节点i的发电有功功率；PLi表示注入节点i的负荷有功功率；QGi表示注入节点i的发电无功功率；QLi表示注入节点i的负荷无功功率。3-4-1)发电机励磁的处理在交流潮流计算时，考虑到发电机的励磁作用，可以在一定范围内维持机端电压恒定，所以一般情况下，具有励磁调节的节点按照PV节点处理。当出现发电机无功出力达到限值的情况时，采用PV-PQ节点转换策略。当某一节点有多台机组时，其无功出力的限值为各台机组无功限值之和，即：QGimax=Σk∈iQkmax---(14)]]>其中，QGimax节点i的总的发电机无功出力上限，Qkmax表示与节点i相连的第k台机组的无功出力上限。3-4-2)无功补偿设备的投切适时投入无功补偿设备是对电压无功的有力支撑，可有效提高电网的电压稳定性。为模拟无功补偿设备的无功电压支撑作用，本项目采用依据节点电压上下限来判断无功设备投切的策略，如下式所示：Vmax≥Vi≥Vmin(i＝1,2,…,n)(15)其中，Vi为节点i的电压幅值，Vmax为节点电压上限，Vmin为节点电压下限。当节点电压幅值低于下限值时，相应投入并联电容、切除并联电抗设备；而当电压幅值越上限时，反方向调节无功设备。为模拟这一过程，在潮流计算过程中，需要判断负荷母线是否有可调节的并联补偿设备，并根据越限情况相应调节无功设备，修正节点导纳矩阵，从新进行校正迭代计算。4)根据全网运行模拟的结果估算目标电网的运行能耗由于模拟的是离散的、多个断面的电网潮流。要得到一段时间内的电能损耗，本项目采用了一种近似的求解方法，如下式所示：EC=Σi=1n-1(Ploss(i)+Ploss(i+1)2)---(16)]]>式中，EC表示一段时间内的电能损耗；n为时段总数；i为时段标号；为第i个时间段的电能损耗；为第i+1个时段的电能损耗。。下图给出了一天(24小时)电能损耗计算的示意图。显然，按照此方法计算的电能损耗，与图3中不规则形面积相对应。5)计算设备的节能回报率，进行设备选型根据步骤3)系统运行模拟和步骤4)目标电网运行能耗计算的结果，结合步骤2)中所定义的节能回报率指标，计算不同类型设备在不同位置、不同场景下的节能效益，以此为依据进行设备选型。运用上述方法对IEEE24节点测试系统的应用实例说明如下。IEEE24节点测试系统的接线示意图如4所示。该系统分为两个电压等级，基准电压分别为138kV和230kV。发电机组包含火电机组、燃油机组和核电机组。按照季节、星期、日等周期，给出了全年的负荷有功功率，时间间隔为每小时(8760个潮流断面)。标准测试系统中，没有给出各负荷节点的无功功率，但给出了典型潮流断面部分负荷母线的功率因数，如表1所示：表1IEEE24节点测试系统负荷数据在负荷功率因数不变的假设条件下，可以得到相应的8760个时段的无功负荷。需要说明的是，在进行实际算例分析时，未来的负荷数据需要采用负荷预测算法获得。由于负荷预测算法相对成熟，且不是本发明研究的重点，所以在本算例中用已知的8760个时段的负荷数据替代“负荷预测数据”进行计算。为使测试算例更合理，在IEEE24节点系统的基础上补充了若干无功调节设备，包括并联电容器和并联电抗器，如表2所示：表2IEEE24节点测试系统无功调节设备的参数在补充了上表的无功调节设备后，在对测试系统进行的年(8760个潮流断面)运行模拟中，所有节点电压幅值都能满足0.9p.u.～1.1p.u.的电压限值。对测试系统进行的年运行模拟包括在一定负荷水平下，利用本发明提出的发电出力模拟的思想，对各机组的启停及出力进行模拟；利用本发明所提出方法对电能损耗进行估算，得到该系统一年(8760小时)的网络损耗为5553p.u.。表3中列出了输电损耗较为突出的几条输电线路。表3输电线路电能损耗根据表3中输电损耗的模拟运行结果，可以判断出输电容量较为紧张且损耗严重的潮流断面。拟通过更换节能输变电设备的方式对系统进行升级，以解决输电资源紧张和网损严重的问题，可采用的节能输变电设备包括节能导线、节能金具、节能变压器等。以更换节能导线为例，基于本发明所提出的方法，通过节能回报率指标的计算，分析更换节能导线后系统在节能方面的成本效益，其它类型的设备可进行类似分析。结合不同类型设备在不同位置节能效益的分析结果，可为电网设备选型提供决策参考。根据输电损耗的模拟运行结果，初步选出计划进行节能导线改造的线路如表4所示。根据表4中各备选的节能改造线路，分别设定假设场景S1、S2、S3、S4，符号下标表示具有相同编号的备选线路进行了节能改造并投入运行。此外，设定基准场景S0，表示原系统的运行情况，并将原系统8760小时的运行能耗估算值(OEC0)作为系统运行能耗的基准值。表4备选的节能改造线路列表系统运行模拟的目标是考察任意一条输电线路更换节能导线之后，整个系统损耗降低的程度，需要分别估算各个假设场景以及基准场景下目标电网的运行能耗。图5为各个假设场景下目标电网一年的运行能耗与基准场景下运行能耗的对比结果，运行能耗单位为MWh。从图中可以看出更换节能导线后，由于缩短了发电侧与负荷侧的电气距离，目标电网总的运行能耗均呈下降趋势，其中场景三的节能效益最为显著。该结果可用于电网设备选型的决策评估。在此基础上，可以引入设备节能改造的能耗成本，对各场景做进一步分析。更换节能导线的能耗成本可按节中的模型进行计算，涉及的装备类型主要包括导线、金具、绝缘子串等。计算各场景下的能耗成本及节能回报率，结果如表5所示。表5各场景能耗成本效益分析结果场景S1S2S3S4Ee,l(MW·h)43156445036097053537Ec,l(MW·h)528670361310011740EPR8.166.334.654.56从表中可以看出场景一的节能效益最佳，这是因为场景三虽然具有最佳的节能效果，但由于线路较长，升级改造消耗的能耗较大，使得该场景下的节能效益较低。通过对比不同设备升级方案下的节能效益，可为设备选型提供决策支持信息。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3