中低压配电节能降耗技术与弱电智能调控一体化方案研究

摘要：中低压配电系统能耗由线路损耗、变压器损耗、无功功率产生无功附加损耗三部分构成。为实现中低压配电系统节能降耗，文章从高效节能设备、节能应用、三相不平衡及谐波协同控制、经济运行方式出发，构建云-管-边-端弱电智能调控系统，实现一次设备与弱电控制融合，从而降低配电网综合损耗率，改善电能质量问题和提高设备可靠性，进而为配电系统的低碳化、智能化提供可行途径。
关键词：中低压配电；节能降耗；弱电控制；一体化
前言：随着我国双碳战略的提出，中低压配电系统作为社会用电的末端，其能效水平关系到全社会的用电效率。目前，我国中低压配电网建设年代久远，普遍存在设备陈旧、调控手段分散、电能质量差等问题，造成线路损失、变压器损失、无功损失占比大。传统的节能改造往往采取分散、单一的设备或局部节能措施，既缺乏系统性，也缺乏智能化。因此，本文以能耗为切入点，开展高效节能设备、节能应用、三相不平衡与谐波协同控制、经济运行方式等技术研究，并构建弱电智能调控一体化系统，实现云-管-边-端与一次设备深度融合，从而降低配电网综合损耗率，改善电能质量问题、提高设备可靠性，进而为配电系统的低碳化、智能化提供可行性途径。

1 中低压配电系统能耗分析

中低压配电系统的能耗主要集中在线路损耗、变压器损耗以及无功功率流动导致的附加损耗。其中，线路损耗是指线路电流通过线路电阻所产生的损耗，按规律计算。在400 V系统中，当线路电流为200 A、电阻为0.05 Ω时，单回线路损耗为2 kW。根据调研获得的典型工业园区用电数据，配电网线路损耗占供电量的2.5%~3.8%。变压器损耗包括空载损耗和负载损耗。以容量为1000 kVA以上的干式变压器为例，空载损耗约为1.5 kW，负载损耗在满载时约为8 kW^[1]。当变压器综合负载率为40%~60%时，变压器效率最高，可达98.4%。一般而言，变压器长期处于轻载或过载运行工况，导致大量变压器的综合负载率低于97.5%，实际运行损耗高达2%~3%。由于无功功率不足造成功率因数低，当功率因数由0.95降为0.85时，线路电流增加约11.8%，相应的线损率增加约25%。某商业综合体无功补偿装置未投运时，月均线损为4.2万kW·h，投运后线损降低至3.1万kW·h，线损降低比例达26.2%。

2 面向中低压配电的节能降耗关键技术研究

2.1 高效节能设备的应用与优化

非晶合金变压器、高效电机与有载调容调压变压器相结合的高效节能方案。非晶合金变压器的空载损耗比常规硅钢片变压器降低60%~70%。以630 kVA变压器为例，非晶合金变压器的空载损耗约为0.38 kW，常规变压器的空载损耗为1.04 kW，年可节电约5780 kW·h/台。某新区配网改造中，一次性更换非晶合金变压器45台，年累计节电26万kW·h，减少二氧化碳约207 t/年。YE4系列超高效电机效率在96%以上，比普通电机效率高约4个百分点。在纺织厂风机泵类负载中，将55 kW普通电机用YE4高效电机替换，通过输入功率校验仪测试，输入功率由原来的61 kW降至58.2 kW，年可节电约2.4万kW·h。有载调容调压变压器适用于台区负载波动大的情况，可在63 kVA和200 kVA之间自动切换。在居民区台区应用案例中，夜间负载为40 kW时切换至小容量档，空载损耗降低约0.35 kW，单台变压器年可节电约3066 kW·h。设备优化方面，通过建立设备能效档案，针对服役年限超过15年、损耗超过现行标准15%以上的设备，制定强制更换计划。某钢铁企业高效设备替代方案投入220万元，年节电65万元，静态投资回收期3.4年^[2]。

2.2 三相不平衡与谐波治理协同控制技术

三相不平衡与谐波共存，相互加剧设备发热与损耗。三相不平衡引起中性线电流增加，进而降低电能质量。当三相不平衡度超过国家标准2%时，中性线电流明显增加。某办公楼配电系统三相电流分别为A相150 A、B相210 A、C相90 A，三相不平衡度达32%，中性线电流实测为118 A，中性线损耗增加约1.8 kW。谐波以第5、第7谐波为主，总谐波畸变率达18%时，变压器涡流损耗增加约20%。协同控制措施采用基于瞬时无功功率理论的检测法，在静止无功发生器基础上叠加不平衡补偿和谐波抑制控制策略。当系统出现三相不平衡和谐波问题时，协同控制措施可实现快速响应，三相不平衡度补偿后可控制在1%以内，总谐波畸变率可控制在4%以下^[3]。某数据中心采用四套协同控制措施，容量均为200 kvar。治理前，配电系统不平衡度为15.6%，谐波畸变率为22.3%，功率因数为0.78；治理后，三相不平衡度为1.2%，谐波畸变率为3.5%，功率因数为0.96。线路月损耗由3.8万kW·h降低至2.5万kW·h，月节电1.3万kW·h。同时，通过协调控制策略，使补偿装置容量利用率提高到85%以上，避免补偿容量富余造成浪费。

2.3 经济运行策略研究

经济运行是根据负荷预测结果和设备健康状况，合理安排配电网运行方式的方法，包括变压器经济运行、馈线重构和无功优化调度等策略。变压器经济运行通过控制变压器负载率，使负载率在30%~75%范围内运行。当两台变压器并列运行、总负载功率小于一台变压器额定负载的40%时，退出一台变压器。某商场配电房两台1000 kVA变压器一直并列运行，年损耗为14.6万kW·h。通过变压器经济运行策略，采取夜间及客流较少时退出一台变压器的措施，年损耗降至9.8万kW·h，年损耗降低32.9%^[4]。馈线重构是通过联络开关的操作，将负荷从高线损率的线路转移到低线损率的线路。某开发区10 kV配电网馈线重构前线路平均线损率为3.8%，重构后平均线损率降至2.9%，按年供电量1.2亿kW·h计算，年可节电108万kW·h。无功优化调度按照分区无功平衡的原则，在变电站侧设置电压无功自动控制装置，配合配电线路上设置的分散式无功补偿装置，实现无功分层就地平衡。某县域电网共设置86组自动投切电容器，总容量为4.8万kw。优化后，全网功率因数由0.89提高到0.95，线路损耗降低约6.2%，年节电约240万kW·h。经济运行以能量管理系统为平台，每15 min进行一次优化计算，生成控制策略指令并发送至终端设备。

3 弱电智能调控一体化系统架构设计

3.1 “云-管-边-端”一体化架构

“云-管-边-端”一体化架构将云计算、通信网络、边缘节点和终端设备进行集成，实现各节点数据贯通、协同处理，形成智能调控体系。云端采用省级或地市级数据中心，服务器不少于20台，存储容量达PB级以上，承担数据汇集、模型训练和全局优化等功能。管侧采用光纤为主、4G/5G无线网络为补充的混合组网方式，光纤覆盖率不低于95%，通信延时低于50 ms，数据传输成功率高于99.5%。边侧在配电房、台区部署边缘计算网关，采用ARM架构，主频不低于1.5 GHz，内存4 GB，承担数据预处理、本地控制和断网后自治等职责。一个边缘节点可挂接终端设备128台，数据处理延时小于200 ms。端侧指智能断路器、智能仪表、传感器等终端设备，规模庞大。某省会城市配电网示范项目中，云端部署服务器12台，边侧部署边缘节点560个，挂接终端设备2.3万台。通过一体化架构实现数据分层处理，云端仅汇集指标与历史数据，边侧承担实时控制、异常告警，显著降低云端负载约70%^[5]。断网情况下，边缘节点可独立维持本地调控，运行时长超过72小时。设备即插即用，新增终端自动注册，配置时间由2小时缩短至5分钟。通过一体化架构，系统可靠性达到99.99%，故障定位时间由平均45分钟缩短至8分钟。

3.2 弱电控制与一次设备的深度融合

弱电控制与一次设备的深度融合，是将智能控制单元、传感部件、通信模块预埋在断路器、开关柜、变压器等一次设备内部，使设备本体与调控真正融为一体。深度融合采用嵌入式设计，控制单元与一次设备主回路采用光纤隔离或磁耦合隔离，耐压水平不低于12 kV，绝缘电阻大于100 MΩ。智能断路器内置电流、电压采样模块，采样精度达到0.5级，每周期取样点数为256点，谐波分析达25次。融合设备内置温度传感器，实时监测触头温度，测温精度为±1 ℃，当触头温度超过105 ℃时可实现告警或分闸。某大型机场配电系统中，安装了340台深度融合智能开关柜，每台开关柜将保护、测量、控制、通信融合为一体，取代了传统“开关柜+独立保护测控装置”的配置方式。深度融合使每台柜内设备数量减少约60%，二次接线由120根减为12根，大幅降低了故障点。实践证明，深度融合设备平均无故障运行时间由3.2万小时提高至5.6万小时。设备能耗也得到了优化，融合单元待机功耗仅为3 W，而传统方案中分离设备的待机功耗总和约为25 W。340台设备一年可节电约6.5万kW·h。此外，深度融合还支持设备状态自诊断功能，可提前7天预警绝缘劣化趋势，预警准确率达85%以上。案例中，通过预警提前发现并处理了9起故障，避免了1次非计划停电。深度融合技术的关键指标与节能效果如表所示，集中体现了其在设备集成度、可靠性与能效优化方面的提升效果。

表1 深度融合与传统方案关键技术指标对比

结束语：本文针对中低压配电系统的节能和智能调控展开了探讨，分析了中低压配电系统的能耗情况及节能技术、控制技术，认为科学应用高效设备、电能质量协同治理、经济运行措施等，能有效降低配电网的损失，提高电能质量及供电可靠性；弱电智能调控系统实现了数据分层处理和设备联动作业，提高了系统的响应速度与自治能力；最后指出未来人工智能与物联网技术的深度融合，必将推动配电网节能调控更加精准、自主地发展，为建设绿色、低碳、智能、高效的配电体系奠定基础。
参考文献

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