基于最大供電能力的智能配電網(wǎng)規(guī)劃與運行新思路

配電網(wǎng)是城市的基礎設施，對城市供電安全具有重大影響。從投資規(guī)模上看，配電網(wǎng)投資增幅最快，未來趨勢將逐步與發(fā)電、輸電看齊;從可靠性角度，大部分影響可靠性的停電事故都在配電網(wǎng);損耗最大的環(huán)節(jié)也在配電網(wǎng)。未來分布式能源和微電網(wǎng)的大量接入也在配電網(wǎng)，智能電網(wǎng)相對傳統(tǒng)電網(wǎng)變革最大的環(huán)節(jié)也在配用電[1]。因此，配電的地位將逐步上升到與發(fā)輸電相當?shù)母叨?。中國?jīng)過十幾年來大規(guī)模的城市電網(wǎng)建設，很多城市配電網(wǎng)得到了跨越式的發(fā)展，一些新的問題和挑戰(zhàn)也逐步凸顯出來。

1)是否還需要繼續(xù)大規(guī)模地建設電網(wǎng)及建設數(shù)量問題。中國城市配電網(wǎng)的容載比普遍較高(高于2.0)，但可靠性水平并不高，而東京、香港、新加坡等城市的配電網(wǎng)在較低容載比(低于1.6)下實現(xiàn)了高可靠性，應該探究其原因。

2)國家電網(wǎng)公司新規(guī)劃導則指出下級配電網(wǎng)較強時容載比可取低，但未提供量化計算依據(jù)。如何計算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍、如何實現(xiàn)上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)、除容載比外有無其他衡量電網(wǎng)建設水平更好的指標等問題仍需進一步探討。

3)城市中很多區(qū)域的站點和線路通道資源已經(jīng)非常緊張，能否在不新建變電站和配電網(wǎng)的情況下通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行方式消納新增的負荷，需進一步研究。

4)目前配電網(wǎng)呈現(xiàn)聯(lián)絡日益增多、結(jié)構(gòu)日益復雜的趨勢。特別是城市電纜網(wǎng)大片區(qū)域相互聯(lián)絡，甚至有的地區(qū)整個中壓配電網(wǎng)都“粘連”在一起。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復雜性在提高可靠性和靈活性的同時是否帶來了新的運行維護問題、是否所有聯(lián)絡都是必要的、可否在不降低安全可靠和負載率水平的前提下簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等問題值得深思。

5)一個地區(qū)的配電網(wǎng)是否都應采取幾種標準接線模式、網(wǎng)絡接線模式選擇與變電站主變壓器(簡稱主變，下同)配置是否存在一定關(guān)系、是否在配電網(wǎng)改造中所有導線都需采用幾種標準型號改造等問題值得進一步探討。

6)在智能電網(wǎng)背景下，配電自動化在中國正獲得新一次大規(guī)模發(fā)展的機會，除了提高可靠性和自動化水平外，配電自動化巨額投資的經(jīng)濟效益在哪里、是否能收回投資等問題都有必要加以研究。

7)按現(xiàn)狀分析、負荷預測、變電站及網(wǎng)絡規(guī)劃等主要步驟進行的傳統(tǒng)規(guī)劃方式在中國十幾年來的大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)規(guī)劃建設中發(fā)揮了重要作用。對于目前大量的建成區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃能否照搬，是否需要存在新的、更好的規(guī)劃方式需要深思。供電能力是近年來在配電網(wǎng)規(guī)劃建設領域出現(xiàn)的一個非常重要的新指標，已在中國多個城市配電網(wǎng)建設改造實踐中得到應用，近年來供電能力理論研究也取得了進展。本文基于供電能力理論，針對上述配電網(wǎng)規(guī)劃建設和運行中的問題和挑戰(zhàn)，從一個新的角度探討配電網(wǎng)規(guī)劃和運行的新思路。

1智能配電網(wǎng)的快速網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力

智能電網(wǎng)對配電網(wǎng)的改變將是非常顯著的，本文認為，快速網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力是未來智能配電網(wǎng)的一個非常重要的新邊界條件。以下詳細討論。

雖然中國城市配電網(wǎng)普遍實現(xiàn)了聯(lián)絡，互聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已能提供負荷在變電站間轉(zhuǎn)移的通道，但是長期以來大部分中壓配電網(wǎng)絡的自動化程度仍然很低，配電網(wǎng)絡的開關(guān)操作需要派操作隊到現(xiàn)場人工完成，耗時往往超過30min，甚至更多，如此長時間的操作停電是用戶無法接受的;而變電站內(nèi)普遍都具有綜合自動化系統(tǒng)，一旦發(fā)生變電站主變N-1故障，負荷應能夠快速切換到同一變電站內(nèi)的其他主變，使用戶連續(xù)供電能夠得到保證?？梢姡壳爸袎号潆娋W(wǎng)絡轉(zhuǎn)帶負荷與變電站內(nèi)轉(zhuǎn)帶負荷在時間上是無法比擬的。因此在實際電網(wǎng)運行中，當發(fā)生主變故障時只考慮變電站內(nèi)主變間的負荷切換，并不通過中壓配電網(wǎng)在變電站間轉(zhuǎn)帶負荷。變電站主變負載率的安全控制指標也由N-1安全性導則來簡單確定，例如在考慮主變1.3倍短時過負荷能力條件下，2臺主變的變電站最大負載率應控制為0.65。此時，N-1安全問題退化為單個變電站站內(nèi)主變互帶的簡單問題，即最大負荷應不超過單臺主變退出時的其他主變總的最大負載能力。這種變電站“各自為戰(zhàn)”的結(jié)果限制了整個區(qū)域配電網(wǎng)的供電能力。

目前中國少數(shù)實現(xiàn)配電自動化試點的中壓配電網(wǎng)，由于其涉及范圍較小，因此，它的功能一般體現(xiàn)在饋線自動化上，即重點在饋線上發(fā)生故障后的故障隔離和停電恢復策略上，相關(guān)理論研究也集中在該問題上。隨著智能電網(wǎng)背景下配電自動化的重新啟動，配電系統(tǒng)的安全性與系統(tǒng)利用率正逐步開始成為研究者的關(guān)注點。

但是，目前中國配電系統(tǒng)運行中還一直沒有能真正實現(xiàn)變電站供電能力與配電網(wǎng)負荷轉(zhuǎn)移供電能力的相互支撐，未來智能配電網(wǎng)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)，以及主變滿足N-1的負載率標準是否能夠突破導則規(guī)定，將成為發(fā)掘配電網(wǎng)供電潛力的關(guān)鍵。未來的智能電網(wǎng)將發(fā)展高級配電網(wǎng)運行(ADO)系統(tǒng)，實現(xiàn)配用電系統(tǒng)較充分的信息化和自動化，可以通過新型傳感器和通信手段獲取廣大中低壓配電網(wǎng)的大量實時信息，具有遙控功能的智能開關(guān)設備將廣泛使用，配電自動化使得網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供操作能夠在短時間(分鐘級或更短時間)內(nèi)完成。這為

配電網(wǎng)的安全高效運行提供了新的邊界條件。本文認為，在此新邊界條件下，負荷可以被配電網(wǎng)快速轉(zhuǎn)帶，變電站主變發(fā)生N-1故障時，不但可以通過站內(nèi)其他主變轉(zhuǎn)帶負荷，而且可以通過下一級配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移負荷到其他變電站。已較普遍實現(xiàn)配電自動化的日本已有這樣的操作運行方式。因此，未來變電站最大負載率可以超越傳統(tǒng)導則規(guī)定，在滿足安全邊界前提下得到顯著提高。新版國家電網(wǎng)規(guī)劃導則中新增“下級電網(wǎng)強時容載比可取低”的指導性意見完全可以變成現(xiàn)實。

總之，這種高級配電自動化下快速的負荷網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力是智能電網(wǎng)背景下的配電網(wǎng)運行的新邊界條件，為智能配電網(wǎng)的資產(chǎn)效率提高奠定了基礎。近年來出現(xiàn)的配電系統(tǒng)供電能力理論能夠有效地計及該邊界條件。

2智能配電網(wǎng)的供電能力理論

配電系統(tǒng)的最大供電能力(totalsupplycapability，TSC)是與輸電系統(tǒng)中的最大傳輸能力(TTC)類似的概念。最大供電能力是指在一定供電區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)滿足N-1準則條件下，同時計及變電站站內(nèi)主變與配電網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力，以及實際運行約束情況下的最大的負荷供應能力。

配電網(wǎng)供電能力的理論研究經(jīng)歷了3個階段。

階段1是以變電容量評估配電系統(tǒng)供電能力階段，如容載比法，該階段沒有詳細考慮變電站下級配電網(wǎng)絡對供電能力的作用。

階段2是計算網(wǎng)絡供電能力階段，如最大負荷倍數(shù)法、負荷能力法(loadability)。該階段方法在考查變電站變電容量的同時，也提出了網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力的思想。負荷能力法基于配電網(wǎng)輻射運行，計算滿足支路潮流和節(jié)點電壓約束時的最大負荷能力，以及大規(guī)模聯(lián)絡配電網(wǎng)中N-1故障發(fā)生后的網(wǎng)絡負荷轉(zhuǎn)供。

階段3是供電能力精確理論建模階段，能夠在N-1準則下同時計及變電站與網(wǎng)絡轉(zhuǎn)供能力計算供電能力。近2年來，供電能力的理論研究進展初步解決了配電網(wǎng)供電能力的指標族定義、建模和求解問題，能夠在負荷未知的條件下，量化計算滿足運行約束的配電網(wǎng)最大供電負荷。

供電能力理論能夠有效地將網(wǎng)絡的負荷轉(zhuǎn)移能力和變電站站內(nèi)的供電能力結(jié)合起來，利用其概念和指標，能夠從整個配電網(wǎng)角度對配電網(wǎng)進行分析評估，為更精細的規(guī)劃提供新的指標和方法。供電能力對于配電網(wǎng)的重要作用將逐步等同于輸電能力對于輸電網(wǎng)的作用。供電能力理論研究為未來的配電網(wǎng)規(guī)劃建設發(fā)展和運行提供了新的理論工具，以下將對目前中國配電網(wǎng)規(guī)劃建設和運行面臨的一些問題進行探討。

3問題探討與新理念

3.1配電網(wǎng)規(guī)劃建設的效率及容載比問題

中國很多城市電網(wǎng)經(jīng)歷了大規(guī)模建設改造，對于是否還需要大規(guī)模地建設電網(wǎng)以及建多少的問題，本文認為負荷已結(jié)束快速發(fā)展階段、容載比已達到2.0及以上的區(qū)域、已形成互聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)不應再大規(guī)模建設。

目前配電網(wǎng)中廣泛存在負載不均衡的問題，即部分電網(wǎng)負載率過高，而其他很多區(qū)域電網(wǎng)負載率過低的情況。本文認為負荷在地理位置上的分布很難改變，但是負荷在配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中接入的位置是可以在相當大程度上再調(diào)整和優(yōu)化的。配電網(wǎng)負荷可以通過配電網(wǎng)絡開關(guān)的運行方式改變、架空線分段聯(lián)絡設置位置的改變、新用戶接入網(wǎng)絡位置的選擇等，改變其在變電站、主變、饋線間的分配。通過上述措施能夠進一步優(yōu)化變電站及主變供電范圍，解決負載不均衡的問題。當上述負荷重新分配的措施不能完全達到效果時，才考慮新增出線、變電站增容，最后考慮新建變電站。

對于容載比與配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在何種本質(zhì)關(guān)系的問題，國家電網(wǎng)新規(guī)劃導則(2006年版)的修訂版指出下級電網(wǎng)強時容載比可取低，但未提供量化計算依據(jù)。對于如何計算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍的問題，本文認為當變電站主變?nèi)萘抠Y源和下一級配電網(wǎng)絡負荷轉(zhuǎn)移資源能充分結(jié)合、相互支撐時，保證N-1安全的容載比就能夠降低到2.0以下。供電能力理論為容載比分析提供了量化計算手段，本文初步研究結(jié)果認為容載比理論值能夠降低到1.3左右，考慮一定裕量后的實際值應該控制在1.5到1.6。

城市建成區(qū)用地緊張，變電站和饋線占地成本高，有些中心區(qū)域站點和線路通道資源已經(jīng)非常緊張，獲得新變電站的站址和新出饋線的地下通道已變得非常困難。因此，對于現(xiàn)有電網(wǎng)的供電能力和能夠優(yōu)化后的潛力到底有多大，能否在不新建或少建變電站和饋線的情況下，通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行方式消納新增的負荷等問題，本文認為，采用負荷再分配技術(shù)和聯(lián)絡優(yōu)化技術(shù)能在不新建變電站和新出饋線的情況下消納新增負荷，并且消納負荷的潛力非?？捎^。例如：網(wǎng)絡聯(lián)絡是影響TSC的一個關(guān)鍵因素，聯(lián)絡優(yōu)化是在不增加變電容量的條件下挖掘網(wǎng)絡供電潛力的有效手段[13]。研究表明，聯(lián)絡對電網(wǎng)供電能力的貢獻理論上能夠達到30%～50%。近年來，電網(wǎng)規(guī)劃中普遍關(guān)心的上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合也是提高電網(wǎng)效率的一個有效手段。由于變電站是上下級電網(wǎng)的樞紐，因此上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)首先是變電站與下一級網(wǎng)絡的相互協(xié)調(diào)配合，在此基礎上再進一步做到上一級電網(wǎng)與下一級電網(wǎng)的相互協(xié)調(diào)配合，從而實現(xiàn)跨電壓等級的N-1校驗和相互支撐。