基于最大供電能力的智能配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行新思路

配電網(wǎng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)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(lái)趨勢(shì)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(lái)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(duì)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(dāng)?shù)母叨?。中?guó)經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)大規(guī)模的城市電網(wǎng)建設(shè)，很多城市配電網(wǎng)得到了跨越式的發(fā)展，一些新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)也逐步凸顯出來(lái)。

1)是否還需要繼續(xù)大規(guī)模地建設(shè)電網(wǎng)及建設(shè)數(shù)量問(wèn)題。中國(guó)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(shí)現(xiàn)了高可靠性，應(yīng)該探究其原因。

2)國(guó)家電網(wǎng)公司新規(guī)劃導(dǎo)則指出下級(jí)配電網(wǎng)較強(qiáng)時(shí)容載比可取低，但未提供量化計(jì)算依據(jù)。如何計(jì)算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍、如何實(shí)現(xiàn)上下級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)、除容載比外有無(wú)其他衡量電網(wǎng)建設(shè)水平更好的指標(biāo)等問(wèn)題仍需進(jìn)一步探討。

3)城市中很多區(qū)域的站點(diǎn)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(guò)優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式消納新增的負(fù)荷，需進(jìn)一步研究。

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

5)一個(gè)地區(qū)的配電網(wǎng)是否都應(yīng)采取幾種標(biāo)準(zhǔn)接線模式、網(wǎng)絡(luò)接線模式選擇與變電站主變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(dǎo)線都需采用幾種標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)改造等問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。

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

7)按現(xiàn)狀分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等主要步驟進(jìn)行的傳統(tǒng)規(guī)劃方式在中國(guó)十幾年來(lái)的大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。對(duì)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(lái)在配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)非常重要的新指標(biāo)，已在中國(guó)多個(gè)城市配電網(wǎng)建設(shè)改造實(shí)踐中得到應(yīng)用，近年來(lái)供電能力理論研究也取得了進(jìn)展。本文基于供電能力理論，針對(duì)上述配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行中的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，從一個(gè)新的角度探討配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的新思路。

1智能配電網(wǎng)的快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力

智能電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的改變將是非常顯著的，本文認(rèn)為，快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力是未來(lái)智能配電網(wǎng)的一個(gè)非常重要的新邊界條件。以下詳細(xì)討論。

雖然中國(guó)城市配電網(wǎng)普遍實(shí)現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已能提供負(fù)荷在變電站間轉(zhuǎn)移的通道，但是長(zhǎng)期以來(lái)大部分中壓配電網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化程度仍然很低，配電網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)操作需要派操作隊(duì)到現(xiàn)場(chǎng)人工完成，耗時(shí)往往超過(guò)30min，甚至更多，如此長(zhǎng)時(shí)間的操作停電是用戶(hù)無(wú)法接受的;而變電站內(nèi)普遍都具有綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，一旦發(fā)生變電站主變N-1故障，負(fù)荷應(yīng)能夠快速切換到同一變電站內(nèi)的其他主變，使用戶(hù)連續(xù)供電能夠得到保證?？梢?jiàn)，目前中壓配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷與變電站內(nèi)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷在時(shí)間上是無(wú)法比擬的。因此在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生主變故障時(shí)只考慮變電站內(nèi)主變間的負(fù)荷切換，并不通過(guò)中壓配電網(wǎng)在變電站間轉(zhuǎn)帶負(fù)荷。變電站主變負(fù)載率的安全控制指標(biāo)也由N-1安全性導(dǎo)則來(lái)簡(jiǎn)單確定，例如在考慮主變1.3倍短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力條件下，2臺(tái)主變的變電站最大負(fù)載率應(yīng)控制為0.65。此時(shí)，N-1安全問(wèn)題退化為單個(gè)變電站站內(nèi)主變互帶的簡(jiǎn)單問(wèn)題，即最大負(fù)荷應(yīng)不超過(guò)單臺(tái)主變退出時(shí)的其他主變總的最大負(fù)載能力。這種變電站“各自為戰(zhàn)”的結(jié)果限制了整個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)的供電能力。

目前中國(guó)少數(shù)實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化試點(diǎn)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(dòng)化上，即重點(diǎn)在饋線上發(fā)生故障后的故障隔離和停電恢復(fù)策略上，相關(guān)理論研究也集中在該問(wèn)題上。隨著智能電網(wǎng)背景下配電自動(dòng)化的重新啟動(dòng)，配電系統(tǒng)的安全性與系統(tǒng)利用率正逐步開(kāi)始成為研究者的關(guān)注點(diǎn)。

但是，目前中國(guó)配電系統(tǒng)運(yùn)行中還一直沒(méi)有能真正實(shí)現(xiàn)變電站供電能力與配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移供電能力的相互支撐，未來(lái)智能配電網(wǎng)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)，以及主變滿(mǎn)足N-1的負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)是否能夠突破導(dǎo)則規(guī)定，將成為發(fā)掘配電網(wǎng)供電潛力的關(guān)鍵。未來(lái)的智能電網(wǎng)將發(fā)展高級(jí)配電網(wǎng)運(yùn)行(ADO)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配用電系統(tǒng)較充分的信息化和自動(dòng)化，可以通過(guò)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(shí)時(shí)信息，具有遙控功能的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備將廣泛使用，配電自動(dòng)化使得網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供操作能夠在短時(shí)間(分鐘級(jí)或更短時(shí)間)內(nèi)完成。這為

配電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行提供了新的邊界條件。本文認(rèn)為，在此新邊界條件下，負(fù)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(shí)，不但可以通過(guò)站內(nèi)其他主變轉(zhuǎn)帶負(fù)荷，而且可以通過(guò)下一級(jí)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷到其他變電站。已較普遍實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的日本已有這樣的操作運(yùn)行方式。因此，未來(lái)變電站最大負(fù)載率可以超越傳統(tǒng)導(dǎo)則規(guī)定，在滿(mǎn)足安全邊界前提下得到顯著提高。新版國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則中新增“下級(jí)電網(wǎng)強(qiáng)時(shí)容載比可取低”的指導(dǎo)性意見(jiàn)完全可以變成現(xiàn)實(shí)。

總之，這種高級(jí)配電自動(dòng)化下快速的負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力是智能電網(wǎng)背景下的配電網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)。近年來(lái)出現(xiàn)的配電系統(tǒng)供電能力理論能夠有效地計(jì)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(lèi)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(mǎn)足N-1準(zhǔn)則條件下，同時(shí)計(jì)及變電站站內(nèi)主變與配電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力，以及實(shí)際運(yùn)行約束情況下的最大的負(fù)荷供應(yīng)能力。

配電網(wǎng)供電能力的理論研究經(jīng)歷了3個(gè)階段。

階段1是以變電容量評(píng)估配電系統(tǒng)供電能力階段，如容載比法，該階段沒(méi)有詳細(xì)考慮變電站下級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)供電能力的作用。

階段2是計(jì)算網(wǎng)絡(luò)供電能力階段，如最大負(fù)荷倍數(shù)法、負(fù)荷能力法(loadability)。該階段方法在考查變電站變電容量的同時(shí)，也提出了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力的思想。負(fù)荷能力法基于配電網(wǎng)輻射運(yùn)行，計(jì)算滿(mǎn)足支路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓約束時(shí)的最大負(fù)荷能力，以及大規(guī)模聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)中N-1故障發(fā)生后的網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(zhǔn)則下同時(shí)計(jì)及變電站與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力計(jì)算供電能力。近2年來(lái)，供電能力的理論研究進(jìn)展初步解決了配電網(wǎng)供電能力的指標(biāo)族定義、建模和求解問(wèn)題，能夠在負(fù)荷未知的條件下，量化計(jì)算滿(mǎn)足運(yùn)行約束的配電網(wǎng)最大供電負(fù)荷。

供電能力理論能夠有效地將網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力和變電站站內(nèi)的供電能力結(jié)合起來(lái)，利用其概念和指標(biāo)，能夠從整個(gè)配電網(wǎng)角度對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分析評(píng)估，為更精細(xì)的規(guī)劃提供新的指標(biāo)和方法。供電能力對(duì)于配電網(wǎng)的重要作用將逐步等同于輸電能力對(duì)于輸電網(wǎng)的作用。供電能力理論研究為未來(lái)的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)發(fā)展和運(yùn)行提供了新的理論工具，以下將對(duì)目前中國(guó)配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行面臨的一些問(wèn)題進(jìn)行探討。

3問(wèn)題探討與新理念

3.1配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的效率及容載比問(wèn)題

中國(guó)很多城市電網(wǎng)經(jīng)歷了大規(guī)模建設(shè)改造，對(duì)于是否還需要大規(guī)模地建設(shè)電網(wǎng)以及建多少的問(wèn)題，本文認(rèn)為負(fù)荷已結(jié)束快速發(fā)展階段、容載比已達(dá)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(yīng)再大規(guī)模建設(shè)。

目前配電網(wǎng)中廣泛存在負(fù)載不均衡的問(wèn)題，即部分電網(wǎng)負(fù)載率過(guò)高，而其他很多區(qū)域電網(wǎng)負(fù)載率過(guò)低的情況。本文認(rèn)為負(fù)荷在地理位置上的分布很難改變，但是負(fù)荷在配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中接入的位置是可以在相當(dāng)大程度上再調(diào)整和優(yōu)化的。配電網(wǎng)負(fù)荷可以通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行方式改變、架空線分段聯(lián)絡(luò)設(shè)置位置的改變、新用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)位置的選擇等，改變其在變電站、主變、饋線間的分配。通過(guò)上述措施能夠進(jìn)一步優(yōu)化變電站及主變供電范圍，解決負(fù)載不均衡的問(wèn)題。當(dāng)上述負(fù)荷重新分配的措施不能完全達(dá)到效果時(shí)，才考慮新增出線、變電站增容，最后考慮新建變電站。

對(duì)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(wèn)題，國(guó)家電網(wǎng)新規(guī)劃導(dǎo)則(2006年版)的修訂版指出下級(jí)電網(wǎng)強(qiáng)時(shí)容載比可取低，但未提供量化計(jì)算依據(jù)。對(duì)于如何計(jì)算不同配電網(wǎng)的合理容載比范圍的問(wèn)題，本文認(rèn)為當(dāng)變電站主變?nèi)萘抠Y源和下一級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移資源能充分結(jié)合、相互支撐時(shí)，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(jì)算手段，本文初步研究結(jié)果認(rèn)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(shí)際值應(yīng)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(diǎn)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(duì)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(guò)優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式消納新增的負(fù)荷等問(wèn)題，本文認(rèn)為，采用負(fù)荷再分配技術(shù)和聯(lián)絡(luò)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(fù)荷，并且消納負(fù)荷的潛力非?？捎^。例如：網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)是影響TSC的一個(gè)關(guān)鍵因素，聯(lián)絡(luò)優(yōu)化是在不增加變電容量的條件下挖掘網(wǎng)絡(luò)供電潛力的有效手段[13]。研究表明，聯(lián)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)供電能力的貢獻(xiàn)理論上能夠達(dá)到30%～50%。近年來(lái)，電網(wǎng)規(guī)劃中普遍關(guān)心的上下級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合也是提高電網(wǎng)效率的一個(gè)有效手段。由于變電站是上下級(jí)電網(wǎng)的樞紐，因此上下級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)首先是變電站與下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)配合，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步做到上一級(jí)電網(wǎng)與下一級(jí)電網(wǎng)的相互協(xié)調(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)跨電壓等級(jí)的N-1校驗(yàn)和相互支撐。