电力工程10 kV配电系统设计中的节能措施研究

　　刘峰伊 卢超

　　【摘 要】配电系统是电网的重要组成部分，其节能水平直接影响电网经济运行。本文以电力工程10 kV配电系统为研究对象，深入分析10 kV配电系统的技术特点、设计规范和节能需求，总结节能设计的原则与思路，重点探讨配电网架优化、设备选型、自动化控制、电能质量治理等关键环节的节能措施。在新技术应用方面，提出人工智能、大数据、物联网等前沿技术在配电节能中的应用框架。最后通过实例分析，评估10 kV典型配电工程节能设计的工程应用效果，证明文中所述节能措施能显著降低线损，提高电能质量与设备利用率，达到良好的节能减排效益。

　　【关键词】10 kV配电系统；节能设计；线损降低；电能质量；人工智能

　　引言

　　随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出，节能降碳已成为电力行业的重要任务。10 kV配电系统作为电力系统的中间层级，连接着高压输电网络与低压用户端，是实现配电侧节能降耗的关键环节。然而，当前配电网普遍存在线损高、设备利用率低、电能质量不佳等问题，严重制约了电力系统的整体效率与可持续发展。特别是在可再生能源大规模接入和电力需求持续增长的背景下，配电系统的节能优化显得尤为重要。因此，如何通过科学的设计与技术手段降低10 kV配电系统的能耗，提升其运行效率，已成为电力行业亟待解决的核心问题之一。本文立足10 kV配电系统节能设计这一重要课题，系统总结了节能设计的基本原则，包括优化网架结构、提升设备能效、强化控制策略以及改善电能质量等方面。在网架优化方面，通过合理规划配电网络结构，减少线路长度和分支数量，可以有效降低线损；在设备选型方面，采用高效节能变压器、智能开关设备等新型设备，能够显著提升设备利用率和运行效率；在控制策略方面，引入分布式能源协调控制、需求侧管理等技术，可以实现电能的优化调度与高效利用；在电能质量方面，通过无功补偿、谐波治理等手段，能够改善电压稳定性，降低附加损耗。此外，本文还探讨了前沿技术在配电系统节能中的应用潜力，例如基于人工智能的负荷预测与优化调度、基于物联网的实时监控与故障诊断等，为配电系统的节能优化提供了新的技术路径。

　　一、电力工程10 kV配电系统的特点分析

　　（一）10 kV配电系统的技术特点

　　10 kV配电系统是电力系统中承上启下的关键环节，具有技术复杂度高、运行控制难度大、线损问题突出等显著特点。作为中压与低压系统的连接枢纽，10 kV配电系统涉及变电、配电、用电等多个领域，需协调控制多种类型设备，技术体系复杂[1]。同时，10 kV配电系统面临负荷分布广、用电密度低、负荷波动大等问题，供电距离长、线路结构复杂，导致潮流计算、故障定位等运行控制难度大。此外，线路复杂、供电半径大也使线损问题更加突出。综合以上特点，10 kV配电系统节能需从设计源头入手，综合运用先进技术，提升系统效率。

　　（二）10 kV配电系统的设计规范与要求

　　10 kV配电系统设计需严格遵循相关规范，合理确定电压等级和供电半径，科学选择设备型号与配置方案，优化线路敷设与网架布局。电压等级与供电半径的选择需综合考虑负荷密度、电能质量要求、投资成本等因素，平衡供电能力与经济性。设备选型应遵循技术先进、安全可靠、经济合理的原则，根据区域负荷特性合理配置变压器、开关设备等，提高设备利用率。线路敷设应因地制宜，综合考虑地形、建筑分布等环境条件，优化导线截面与塔杆布置；网架结构应平衡环网可靠性与放射状简洁性，兼顾供电可靠性与经济性。以上规范与要求为10 kV配电系统的节能优化提供了重要依据。

　　（三）10 kV配电系统的运行环境与节能需求

　　10 kV配电系统运行环境复杂，节能需求迫切。不同区域负荷特性差异大，如居民、商业、工业用电在时间和空间分布上各不相同，导致系统潮流变化频繁，电能质量波动大。同时设备老化、选型不合理等问题普遍存在，配电变压器等关键设备效率偏低，线路导线截面偏小，网架结构不合理，导致线损居高不下。随着国家节能减排政策日益严格，电力工程降本增效形势更加紧迫，优化10 kV系统节能水平已成为电网企业面临的重要课题。深入研究负荷特性与电能质量、设备效率与线损水平的影响因素，引入节能新技术、新方法，全面挖掘10 kV配电系统节能潜力，对于实现电网高质量发展具有重要意义。

　　二、10 kV配电系统节能设计的原则与思路

　　（一）节能设计的基本原则

　　10 kV配电系统节能设计应坚持因地制宜、实事求是，系统优化、综合平衡，技术创新、经济适用的基本原则。节能设计需立足区域实际，充分考虑当地地理环境、经济发展水平、负荷分布特征等差异性因素，量体裁衣、因地制宜地制定节能方案，切忌生搬硬套、脱离实际。同时，节能设计应立足系统视角，统筹兼顾配电网各环节，在保证电能质量与供电可靠性的前提下，协同优化网架结构、设备配置、运行控制等各要素，综合平衡投资成本、运维费用、节能效益等多目标[2]。此外，大力推动节能新技术、新工艺、新材料的应用，积极借鉴国内外先进经验，创新节能手段与模式，选用经济适用、投资省、见效快的节能技术，切实提升节能设计水平。

　　（二）节能设计的总体思路

　　10kV配电系统节能设计的总体思路是系统开展配电网络优化设计、供电设备节能选型、运行控制节能策略、电能质量节能治理等关键环节的节能工作。在配电网络优化中，应合理规划变电站布点、优化网架结构，改善潮流分布，降低线损；供电设备节能选型需在满足电力需求的基础上，优选高效节能型变压器、断路器等设备，提高设备利用率；运行控制节能策略需充分利用配电自动化、智能化技术，优化无功补偿、负荷调度，降低网损，提高系统效率；针对谐波污染、三相不平衡等电能质量问题，需采取有效的治理措施，从源头减少能量损耗。各环节相互配合、齐头并进，才能实现10 kV配电系统的整体节能目标。

　　三、10 kV配电系统节能设计的关键技术与措施

　　（一）配电网架的节能优化设计

　　配电网架节能优化设计的核心是精细化理论线损计算。采用改进的回代法编制潮流计算程序，充分考虑实际导线参数、网架拓扑结构和各节点负荷功率，迭代求解各支路电流幅值和相角，精确计算线路有功损耗。在此基础上，开发变压器经济容量选择模块，输入负荷预测数据和设备参数，利用动态规划算法优选变压器容量和布点方案，在保证供电可靠性前提下实现全生命周期成本最小。线路设计时，基于标准导线参数库，建立综合评价函数，从技术经济角度优选导线型号和截面积配置[3]。同时，自主开发配电网智能规划优化软件，输入网架拓扑、地理信息、负荷分布等数据，调用改进遗传算法，以线损最小为目标函数，考虑多种约束，求解最优配电网架方案。

　　（二）供电设备的节能选型与配置

　　供电设备节能选型应制定严格的能效指标体系。以配电变压器为例，优先选用S13型节能变压器，空载损耗和负载损耗分别比S11型降低30%和10%以上，损耗水平须满足GB 20052限值要求，如S13-M-400kVA变压器空载损耗≤610 W，负载损耗≤4600 W。开关设备宜优选永磁机构的智能环网柜和智能柱上开关，比传统弹簧机构可节电30%以上。分布式电源并网点采用SVG作无功补偿，比并联电容器补偿容量可调、响应速度快，节能效果佳。无功优化配置时，编制计算程序，以网损最小为目标函数，考虑电压约束和设备投资，求解无功补偿装置的最佳容量和布点。利用自动化系统海量运行数据，构建设备全生命周期能效评估模型，分析不同时段的效率水平，给出设备经济运行的“最佳工况区间”，为设备选型配置和更新改造提供数据支撑。

　　（三）配电自动化的节能控制策略

　　配电自动化节能控制的设计应从源头规划入手，在系统设计阶段就应充分考虑自动化控制的实现条件。首先，设计阶段需规划配电自动化系统的整体架构，合理设置监测点位、通信网络和控制单元。重点考虑分布式电源接入点的测控装置配置，规划馈线自动化终端、配变监测终端等关键设备的布置方案[4]。其次，设计阶段应预留自动化改造空间，包括控制柜安装位置、线缆敷设通道、系统扩展接口等。同时，配电自动化设计方案要与主网架设计深度协同，确保变电站间负荷转供能力。针对负荷特性，预先设计事故预案和优化方案库，为后期运行控制奠定基础。最后，设计阶段还要考虑配电自动化系统的分级分层实现路径，制定分期建设规划。

　　（四）电能质量问题的节能治理措施

　　电能质量问题的节能治理需统筹源网荷协同。开发配电网无功优化配置软件，建立多目标优化模型，用多智能体算法求解最优分点补偿方案。如某10 kV配电网，投资100万元安装分点补偿装置，功率因数从0.82提升至0.95，线损率从7.5%降至5.1%。谐波治理优选APF装置，自主研发谐波负荷识别算法，可快速补偿1~25次谐波，使电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion of Current，THDi）降至5%以下，节约损耗15%以上。针对负荷不平衡引起的“零序”问题，在配电变低压侧加装智能均衡装置，实时平衡三相电流，将不平衡度控制在10%内，可降低线损20%。同时，实现功率因数补偿、谐波治理、负荷均衡的一体化集成，通过统一通信协议纳入配电自动化系统，实现综合治理，在确保电能质量的同时最小化能耗。

　　（五）新技术在配电系统节能中的应用

　　新技术在配电系统节能设计中的应用需要从顶层设计做起。在变电站设计阶段，就要考虑边缘计算节点的布置，预留数据采集装置、通信单元的安装空间和接口，明确5G通信基站的选址要求[5]。设计图纸应详细标注物联网传感器安装位置、通信线路路由，规划数据中心建设方案。针对人工智能（Artificial Intelligence，AI）应用，设计阶段需预留计算资源和训练环境，提前规划负荷预测、故障诊断等AI模型部署架构。在配电自动化主站设计中，应规划基于区块链的能源交易接口模块，预留虚拟电厂接入条件。同时，统筹考虑源网荷储的协同优化，在一次设计中预留柔性互联装置空间。具体设计指标包括：边缘节点通信时延≤20 ms，数据中心电能使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）≤1.4，AI推理服务器配置≥4组GPU，储能装置预留接口容量≥10%。

　　四、典型电力工程10 kV配电系统节能设计实例分析

　　（一）工程概况与节能设计方案

　　本文选取某市郊区新建小区的10 kV配电工程作为典型实例。该小区用电负荷以居民生活用电为主，具有负荷密度低、用电峰谷差大、供电半径长等特点。小区配电网覆盖面积5平方公里，规划28台10/0.4 kV配电变压器，平均供电半径800米，线路总长约42公里。针对配电网初设方案存在的变压器选型不合理、导线截面偏小、无功补偿不足、电能质量差等问题，制定了“优化网架、更新设备、控制策略、综合治理”的节能改造方案。具体采取的技术措施包括：应用动态规划算法优化变压器容量和布点、采用节能导线并适当增大导线截面积、配置SVG无功补偿装置并优化投切、在用户侧安装谐波治理装置等。

　　（二）节能效果评估

　　节能改造后，根据配电网潮流计算，线损率由9.5%降至6.2%。线损率计算采用ΔP=3I2R公式，按最大负载率85%计算，年平均线损率=6.2%×0.852=4.47%。年节电量=(9.5%~6.2%)×年总用电量2500万千瓦时=153万千瓦时。经济效益方面，按电价0.49元/千瓦时计算，年节约电费75万元。变压器损耗按平均负载率65%计算，年减少空载损耗12.5万千瓦时。环保效益测算采用等价热值法，电煤折标系数0.1229千克标准煤/千瓦时，年节约标准煤=153万千瓦时×0.1229×2.7=518吨，减排系数2.64，计算得到CO2减排量1370吨。投资回收期=总投资980万元÷年收益75万元=13.1年。

　　（三）多案例对比分析

　　为深入论证配电节能改造的适用性和有效性，本文选取了不同场景的典型案例进行对比分析。案例A为老旧城区改造工程，原线损率8.7%，改造后降至5.9%；案例B为工业园区扩容工程，原线损率7.8%，改造后降至5.2%；案例C为新建农网工程，原线损率10.2%，改造后降至6.8%。应用相同的评估方法，三个案例的投资回收期分别为12.5年、11.8年和13.7年。尽管工程规模和负荷特性各不相同，但节能改造后的线损降低率均超过30%，说明所述节能设计技术具有普适性。实践证明，在具体应用中应结合实际情况，因地制宜优化设计方案。

　　结语

　　电力工程10 kV配电系统节能设计是一项综合性、系统性的工程，其核心目标是通过科学的设计与技术手段降低能耗、提升效率，从而助力实现国家“碳达峰、碳中和”的战略目标。本文通过深入分析配电系统的特点与节能需求，系统探讨了网架优化、设备选型、自动化控制、电能质量治理等关键技术，并结合人工智能、大数据、物联网等前沿技术手段，提出了一系列切实可行的节能设计方案。研究表明，通过优化配电网络结构、采用高效节能设备、引入智能化控制策略以及改善电能质量，能够显著降低配电网的线损，提高设备利用效率，改善供电可靠性，从而取得显著的节能减排效益。例如，网架优化减少了线路长度和分支数量，降低了传输损耗；高效节能变压器和智能开关设备的应用提升了设备运行效率；基于人工智能的负荷预测与优化调度技术实现了电能的精准分配与高效利用；无功补偿与谐波治理技术则有效改善了电能质量，减少了附加损耗。总之，10 kV配电系统的节能设计不仅是电力行业实现绿色转型的重要举措，也是推动能源可持续发展、实现“双碳”目标的关键环节。通过持续的技术创新与实践探索，配电系统将朝着更加智能化、高效化的方向迈进，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供坚实支撑，为国家能源战略目标的实现贡献电力行业的力量。

　　参考文献：

　　[1] 曹倩,刘峰.电力工程10 kV配电设计中的节能措施研究[J].电气技术与经济,2024(01):205-207.

　　[2] 李敬宗.电力工程10 kV配电设计中的节能措施[J].中国高新科技,2021(05):55-56.

　　[3] 朱菊,李振坤.电力工程10 kV配电设计中的节能措施[J].科技创新导报,2019,16(23):17-18.

　　[4] 梁辉平.浅谈电力工程10 kV配电设计中的节能措施[J].科技与创新,2019(10):130-131.

　　[5] 石国红.电力工程10 kV配电设计中的节能措施[J].科技创新导报,2018,15(36):55+57.