低碳目标下城市配电网规划与升级改造策略

低碳目标下城市配电网规划与升级改造策略

邱浪

四川中新电力设计院有限公司     四川成都  610041

摘要：低碳目标下，城市配电网规划需强化源网荷储协同，推进配电网柔性化、智能化、数字化转型。升级改造应提升供电保障与承载能力，满足分布式新能源、电动汽车等接入需求，推动新型储能多元发展，构建绿色低碳、安全高效的现代配电网。

关键词：低碳目标；城市配电网；配电网规划；配电网升级改造

一、低碳目标下城市配电网的核心挑战

在低碳目标驱动下，可再生能源大规模接入引发的稳定性冲突首当其冲，分布式光伏、风电的间歇性输出导致电网功率波动幅度较传统模式增加30%以上，而配电网原有的“单向供电”架构无法适应双向潮流特性，局部区域甚至出现电压越限、频率偏移等风险。这种物理特性变化要求配电网具备更强的柔性调节能力，但现有保护装置与控制策略仍以单向潮流为设计基准，反向供电时易引发误动作。

电动汽车充电负荷呈现时空双重不确定性，单台快充桩瞬时功率可达传统负荷的5-8倍，叠加数据中心等恒功率负载的快速增长，导致负荷峰谷差较五年前扩大40%以上。而需求响应机制因用户参与度低、激励措施不足，难以有效平抑波动，部分城市在夏季用电高峰仍需依赖传统机组调峰，与低碳目标形成悖论。

运行超过15年的变压器占比仍达35%，其空载损耗较新型设备高2-3倍，线路老化导致的线损率长期维持在6%-8%区间。更关键的是，现有监测系统缺乏碳流追踪功能，无法实时评估设备运行对全生命周期碳排放的影响，动态优化策略因数据颗粒度不足而难以落地。

碳交易市场与配电网规划的衔接仅停留在项目层面，未建立基于碳排放强度的投资决策模型；绿证交易与电力市场价格信号脱节，削弱了分布式电源的经济性。跨部门协同方面，能源、交通、建筑等领域的规划标准尚未统一，数据互通壁垒导致源网荷储协同方案难以落地，制约了低碳转型的整体效能。

二、低碳配电网规划的关键技术路径

低碳配电网规划需以技术集成创新为核心，构建覆盖源网荷储全链条的低碳解决方案。源网荷储一体化规划是基础支撑，需通过多目标优化算法实现分布式能源（DER）的空间布局与储能容量协同配置，结合虚拟电厂（VPP）聚合分散式资源，形成分钟级响应的调控单元。需求响应机制需与电力市场价格信号深度耦合，设计基于分时电价、碳积分激励的双向互动模式，引导用户侧柔性负荷参与电网调峰，预计可降低高峰负荷15%-20%。

柔性配电网技术是突破传统架构瓶颈的关键，柔性开关设备（如SOP、DC/DC变换器）的规模化应用可实现潮流动态重构，将区域供电可靠性提升至99.999%以上。软开关技术通过谐波抑制与功率因数校正，使分布式电源接入容量提升3-5倍，同时直流配电网架构可将中压传输损耗降低40%，特别适用于数据中心、电动汽车充电站等直流负载密集场景。

数字化与智能化升级赋予电网“自感知、自决策”能力，物联网（IoT）与大数据技术构建的碳流分析平台，可实时追踪设备级碳排放强度，为规划提供量化依据。人工智能算法在负荷预测中实现95%以上的准确率，结合数字孪生技术模拟极端气候下的电网韧性，支撑规划方案动态优化。故障自愈系统通过边缘计算节点实现毫秒级隔离，将停电时间压缩至传统模式的1/10。

材料与设备创新从物理层推动能效跃升，环保型变压器采用植物绝缘油与高导磁硅钢片，空载损耗较传统设备降低60%。超导电缆在50MW级传输场景中将线损控制在0.5%以内，碳纤维导线通过轻量化设计提升线路输送容量40%，为高比例可再生能源接入提供硬件保障。四类技术路径的深度融合，将推动配电网从“被动适应”向“主动引领”低碳转型。

三、升级改造实施策略

低碳配电网升级改造需通过分阶段推进、政策市场联动、区域精准施策及标准体系完善，实现技术可行性与经济性的平衡。分阶段实施路径中，短期聚焦设备能效提升与局部柔性改造，优先替换高损耗变压器、老化线路，同步在新能源密集区域部署柔性开关设备，实现局部潮流可控；中期重点建设源网荷储协同平台，整合分布式能源、储能、需求响应资源，通过数据中台实现多主体实时互动，同步完善需求响应价格机制与用户补偿规则；长期目标为构建全域柔性配电网，依托直流技术、超导电缆实现跨区域功率动态平衡，结合零碳示范区建设验证技术经济性，形成可复制的低碳模式。

政策与市场协同需将碳配额分配与配电网减排目标挂钩，对完成碳减排指标的区域给予容量电价上浮；建立绿电交易与配电网消纳的联动机制，对优先消纳绿电的配电网运营商给予税收减免；引入PPP模式吸引社会资本参与储能设施、充电桩建设，通过特许经营权、容量租赁等方式保障投资回报，降低政府财政压力。

高密度城市重点发展地下直流配电网，利用隧道空间部署柔性直流电缆，同步配置立体化储能装置（如建筑墙体储能、地下管廊储能）；工业园区构建微电网群，通过余热回收系统实现热电联供，结合需求响应机制调节工业负荷峰谷；农村地区推广“光伏+储能+农业”模式，利用农房屋顶、鱼塘水面建设分布式光伏，配套储能装置保障农业用电可靠性，形成“自发自用、余电上网”的闭环。

标准与规范建设需制定低碳配电网设备能效分级标准，明确变压器、线路等关键设备的损耗限值；完善分布式电源接入技术规范，细化并网测试、功率控制、电能质量等要求；建立碳足迹追溯与认证体系，对设备生产、运行、退役全生命周期碳排放进行量化评估，为规划决策提供数据支撑。

四、挑战与对策

技术经济性平衡的核心在于储能成本分摊与全生命周期评估的矛盾，当前储能设备初始投资占配电网改造总成本的30%以上，而其使用寿命（8-10年）与电网设备（20-30年）存在周期错配。需建立“谁受益、谁分摊”的成本传导机制，将储能价值量化为调峰补偿、容量备用等收益，通过全生命周期成本模型（LCC）综合评估设备购置、运维、退役处置成本，引导市场选择经济性最优的技术路线。

碳流分析、需求响应等应用需汇聚用户用电行为、设备运行状态等敏感数据，但传统中心化存储模式易遭攻击。区块链技术的分布式账本与加密算法可构建可信数据共享环境，通过智能合约自动执行数据访问权限，实现“数据可用不可见”。例如，在虚拟电厂聚合调控中，区块链可确保各分布式能源上传数据的真实性，同时防止用户负荷曲线等隐私信息泄露，为碳交易、绿证核发提供可信依据。

电动汽车充电负荷预测需交通流量数据，建筑能耗优化依赖能源系统运行信息，但三部门数据标准不统一、共享机制缺失。需建立“政府主导、企业参与”的协同平台，统一数据接口与传输协议，制定跨领域碳排放核算标准。政策层面应衔接充电桩建设规划与电网改造时序，将建筑光伏装机纳入配电网消纳能力评估，通过联合规划避免重复建设，提升低碳转型整体效能。

结语

综上所述，低碳目标驱动城市配电网向绿色、智能、柔性方向演进。通过强化源网荷储协同、提升新能源消纳能力、推进数字化升级及灵活接入技术应用，可构建高效低碳的现代配电网，支撑城市可持续发展。

参考文献

[1] 王勇等. "计及源网荷储协同运行的城市配网侧储能系统规划调度." #i{电工电能新技术} 003(2024):043.

[2] 李广亮,董芳瑞,马意超.基于低碳发展战略的配电网布局规划研究[J].中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术, 2023.

[3] 车怡然.碳中和下城市配电网项目综合效益评估研究[D].华北电力大学(北京),2023.